JP6664936B2

JP6664936B2 - 制振性を有する鋼管及び鋼管の固有振動数の変更方法

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Publication number: JP6664936B2
Application number: JP2015222745A
Authority: JP
Inventors: 狩野　忍; 忍狩野; 冨村　宏紀; 宏紀冨村
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2020-03-13
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: JP2017089813A

Description

本発明は、制振性を有する鋼管及び鋼管の固有振動数の変更方法に関する。

車両のエンジンや排ガス用部材等において、複数の鋼管が連結されている。このような鋼管は、エンジン本体の振動や鋼管内部を流れる流体の影響で、振動が発生する場合がある。
振動が発生すると、振動が発生した鋼管の内部や、連結されている他の鋼管や他部材に振動が伝達する。そして、所定の条件が重なると、連結されている他の鋼管や他部材との間で共振する。
振動が伝達されて共振が発生すると、振動が増幅され、騒音が発生し、また、鋼管の連結部や鋼管自体、他部材が破損する可能性がある。
振動による騒音や破損等を防止する方法としては、振動の発生の抑制、共振の回避、振動の伝達抑制等が考えられる。

例えば、振動の発生の抑制としては、鋼管の内部に、内部に空洞を有する発泡体からなる筒状形成体を配置し、外側から加わる衝撃による構造体の振動を抑制している技術が提案されている(特許文献１参照)。また、鋼管に支持装置を取り付けることで振動を抑制している技術も提案されている（特許文献２参照）。

特開平９−１８９３４０号公報特開昭６０−８１５８８号公報

しかし、これらの振動の発生を抑制する技術は、筒状形成体や支持装置等の部材が別途必要であり、製造コストがかかる。さらに、特許文献１の鋼管は、鋼管の厚みが筒状形成体の分だけ増大する。特許文献２では、支持装置を配置するスペースが必要である。
本発明は、振動の伝達抑制の観点から、振動による騒音や破損等を防止可能な、制振性を有する鋼管及び鋼管の固有振動数の変更方法を提供することを目的とする。

一般に、鋼管に一定の振動が加わり、板厚が同じ場合、鋼管の外径が小さいほうが固有振動数は大きくなる。
素管に凹部を分布させた場合、凸部が設けられている部分の外径は素管の外径と変わらないが、凹部が設けられている部分の外径は素管の外径よりも小さくなっている。
このため、素管に凹部を分布させた鋼管の固有振動数は素管の固有振動数に対して大きくなることが予想される。

しかし、本発明者らは鋭意検討を行い、単位面積当たりの凹部境界長さＬ２を変化させた結果、
（１）Ｌ２が小さい場合、鋼管の固有振動数が上昇する。これは、鋼管表面に外径縮小の要素（凹部）が付加されたことを意味する。この場合は、上述のように予想された変化である。
（２）Ｌ２が、あるＬ２よりも大きい条件では、固有振動数が低下に転じる。この変化は、新規に発見した知見である。
（３）さらにＬ２が増加すると、固有振動数の増加に転じる。これは、上述のように予想された変化である。
このように、本発明者らは、素管に複数の凹部を分布させたとき、複数の凹部の単位面積当たりの境界長さが所定の範囲の場合に、固有振動数を素管よりも小さくすることができることを見出した。固有振動数が小さいと、振動伝達率が小さくなる傾向にある。振動伝達率が小さくなれば、振動の伝達が抑制される。

すなわち、本発明は、外周面に複数の凹部が分布し、単位面積当たりの前記凹部の境界長さが０．４ｍｍ〜０．８５ｍｍである、制振性を有する鋼管である。

前記鋼管の、前記凹部における厚さｔ１の、前記凹部以外における厚さｔ２に対する割合ｔ１／ｔ２が、０．５〜０．８であることが好ましい。

また、本発明は、鋼管の外周面に複数の凹部を形成することにより前記鋼管の固有振動数を変更する、鋼管の固有振動数の変更方法である。

前記変更方法において、前記凹部の境界長さが単位面積当たり０．４〜０．８５ｍｍであるあることが好ましい。

本発明によると、振動の伝達抑制の観点から、振動による騒音や破損等を防止可能な、制振性を有する鋼管及び鋼管の固有振動数の変更方法を提供することができる。

実施形態にかかる制振性を有する鋼管の斜視図である。図１の鋼管の展開断面図である。実施形態の制振性を有する鋼管の製造装置に含まれる、払い出しリールと、２段圧延機と、巻き取りリールとを示す図である。実施形態の制振性を有する鋼管の製造装置に含まれる、造管機を示す図である。固有振動数の測定方法を説明する図である。鋼管に取り付けた振動センサーの位置を示す図である。加振位置を示す図である。鋼管の固有振動数の測定方法の流れを説明する図である。測定された鋼管の固有振動数を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態にかかる制振性を有する鋼管１の斜視図である。図２は、図１の鋼管１の展開断面図である。
実施形態の鋼管１は、図示するように、鋼管１の外面に、溝５を形成することによって厚さｔ２の凸部２と、厚さｔ１の凹部３とが形成されている。
実施形態の溝５は、鋼管１の軸線Ａに対して螺旋状に形成された互いに平行な複数の第１溝５ａと、軸線Ａに対して第１溝５ａと逆方向の螺旋状に形成された互いに平行な複数の第２溝５ｂとを含む。
この第１溝５ａと第２溝５ｂとによって、鋼管１の表面に菱形形状の凸部２（厚肉部）が形成される。ただし、凸部２と凹部３（薄肉部）との形状は、この形状に限定されず、他の形状であってもよい。
また、鋼管の材質は、ステンレス鋼が好ましく、特に、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼管が好ましい。

次に、実施形態の鋼管１の製造装置１００について説明する。図３及び図４は実施形態の制振性を有する鋼管の製造装置を示す図である。
鋼管１の製造装置１００は、払い出しリール２１と、２段圧延機２２と、巻き取りリール２３と、造管機２４とを備える。
図３は、払い出しリール２１と、２段圧延機２２と、巻き取りリール２３とを示す図である。図４は造管機２４を示す図である。

２段圧延機２２は、一対の圧延ロール１２、１２’を備える。上側の圧延ロール１２には、エッチング加工により凹凸形状が形成されている。また、下側の圧延ロール１２’は凹凸形状が設けられていないフラットロールを用いる。

造管機２４は、払い出しリール２５と、曲げ部１３と、造管部１４とを備える。
曲げ部１３は、鋼帯６１を上下方向から挟むように配置された複数対の曲げロール１５を備える。造管部１４は、造管ロール１６及び造管ロール１７を備える。造管ロール１６は、鋼管１の原料である鋼帯６１を左右方向から挟むように配置された複数対のロールである。造管ロール１７は、鋼帯６１を上下方向から挟むように配置された複数対のロールである。

次に、上記製造装置１００を用いた、本実施形態の鋼管１の製造方法について説明する。
まず、原板となる凹凸の形成されていない鋼帯１１を巻回したコイル１０を払い出しリール２１にセットする。
次いで、払い出しリール２１から鋼帯１１を払い出し、２段圧延機２２に送り込む。
２段圧延機２２では、一対の圧延ロール１２、１２‘によって、鋼帯１１に圧下を加える。
これにより、上側の圧延ロール１２に形成されていた凹凸形状が鋼帯１１の表面に転写され、凹凸が付与された鋼帯６１が製造される。
これを巻き取りリール２３に巻き取ることで、凹凸が付与された鋼帯６１のコイル６０が得られる。
なお、鋼帯６１のコイルの製造には、２段圧延機２２以外の圧延機を用いることもできる。

次に、鋼帯６１のコイル６０を、図４に示す造管機２４の払い出しリール２５にセットする。
そして、鋼帯６１を払い出しリール２５より払い出し、曲げ部１３と造管部１４を経て徐々に管状に成形する。
最後に鋼帯６１の両端である突合せ部を溶接することにより、凹凸が付与された鋼管１を製造する。

ここで、製造された鋼管１の表面に形成された凹部３の境界（縁部）の、単位面積あたりの長さＬ２は、図１に示すように鋼管１の表面における長さＷの範囲Ｓに存在する凹部３の境界２ａの長さの総計Ｌ（ｍｍ）を、範囲Ｓの面積であるＷ×２πｒ（ｒ：鋼管１の外面の半径）（ｍｍ^２）で割った値である。

Ｌ２＝Ｌ／（Ｗ×２πｒ）

以下、これを、単位面積当たりの凹部境界長さＬ２という。
凹部境界長さＬ２を選んだ理由は、外表面において凹凸が混在する割合（程度）に着目したからであり、その割合を評価する指標として、凹部と凸部とを区分する境界の長さとして凹部境界長さＬ２を選んだ。
なお、凹部境界は凸部境界でもあるので、凹部境界長さＬ２は凸部境界長さと同じ長さである。
なお、Ｌ２を求める範囲Ｓは、選択された範囲Ｓによって、そこに含まれる凹凸の数にバラつきが生じないように、広めに選択する。鋼管１の表面に形成された凹凸の配置が均一でない場合、複数の範囲Ｓにおける単位面積当たりの凹部境界長さＬ２を測定し、その平均を求めてもよい。
また、この凹部境界長さＬ２は、２段圧延機２２の上側の圧延ロール１２に形成されている凹凸形状を変更することで調整できる。

また、図２に示す凹部３の厚さｔ１と凸部２の厚さｔ２の比、ｔ１／ｔ２(以下、板厚比という）は、２段圧延機２２の圧延荷重を変更することで調整できる。

以下、上述の製造装置１００及び製造方法で製造した鋼管１の効果、特徴について説明する。
実施形態では、材質がフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４０９で、単位面積当たりの凹部境界長さＬ２が以下の表１に示すＡ、Ｂ，Ｃ，Ｄの４種類、板厚比ｔ１／ｔ２が以下の表２に示すａ，ｂ，ｃ，ｄの４種類の合計１６種類である鋼管１を製造した。

また、材質がオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４で、単位面積当たりの凹部境界長さＬ２が以下の表１に示すＡ、Ｂ，Ｃ，Ｄの４種類、板厚比ｔ１／ｔ２が１種類のｂ（５８％）の合計４種類の鋼管１を製造した。

なお、ＳＵＳ４０９及びＳＵＳ３０４の鋼帯は、どちらも、厚さが１．２ｍｍ、幅が９４．２ｍｍである。これらの鋼帯の幅が９４．２ｍｍであるので、製造された鋼管１の外径は３０ｍｍである。２段圧延機２２での圧延荷重は１００〜２００Ｎである。製造された凹凸の形状は図１に示す形状で、凹部３の厚さｔ１は０．５から１．０ｍｍ、凸部２の厚さｔ２は１．２ｍｍ、凸部の大きさは表１に示す通りである。
なおこれらの単位面積当たりの凹部境界長さＬ２はノギスで対角線を測定して算出し、凹部３の厚さｔ１、凸部２の厚さｔ２はマイクロメータにより測定した。
なお、本発明の鋼管１の材質、サイズ等は、これに限定されるものではない。

次いで、製造した鋼管１の固有振動数を測定した。図５は、固有振動数の測定方法を説明する図である。図示するように、鋼管１を三脚３１にワイヤー３２で吊るした。

図６は、鋼管１に取り付けた振動センサー３３の位置３３Ａ，３３Ｂを示す図である。図示するように、鋼管１の下端から７５ｍｍの位置３３Ａと２３１ｍｍの位置３３Ｂに振動センサー３３をシアノアクリレート系接着剤で取り付けた。
そして、下端から８９ｍｍの位置（加振位置３４）をインパルスハンマー３７で加振させ、振動センサー３３で振動を測定した。

図７は、加振位置３４を示す図である。加振位置３４は、鋼管１の溶接部の位置３４ａと、溶接部１ａから９０度回転した位置３４ｂの２か所とした。振動センサー３３の位置は、加振位置３４から１８０度回転した位置とした。すなわち、図７に示すようにインパルスハンマー３７の加振が加振位置３４ａの場合、振動センサー３３の位置は３３Ａａ，３３Ｂａで、インパルスハンマー３７の加振が加振位置３４ｂの場合、振動センサー３３の位置は３３Ａｂ，３３Ｂｂである。

図８は、鋼管１の固有振動数の測定方法の流れを説明する図である。
また、以下の表３は、使用した測定使用機器である。

図８に示すように、振動センサー３３Ａ，３３Ｂで測定された振動を、振動アンプ３５Ａ，３５Ｂで増幅し、周波数分析器３６においてパワースペクトル波形におけるピークにより固有振動数を決定した。
なお、振動センサー３３の位置３３Ａａ，３３Ａｂ，３３Ｂａ，３３Ｂｂの間の測定値のバラつき、及び振動センサーの取り付け方による測定値のばらつきは、固有振動数で±２の範囲であった。

図９は、測定された鋼管１の固有振動数を示すグラフである。なお、比較のため、凹凸を形成していない素管の固有振動数の測定結果もグラフに示す。図９に示すように、本実施形態の鋼管１は、以下の特徴を有する。

（１）表面に凹凸を付与した本実施形態の鋼管１（鋼管Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、素管に対して、固有振動数が変化している。
固有振動数が近い部材同士（鋼管１と他の鋼管、鋼管１と他の部材等）を連結すると共振が発生する。したがって、共振を防止するには、固有振動数が異なる部材同士を連結すればよい。
しかし、固有振動数は、鋼管の長さ、材質、径、厚み等で異なるが、それぞれ、他の要因で長さや材質が決まる場合が多いので、固有振動数を自由に変化させるのは困難である。
本実施形態の鋼管１は、表面に凹凸が付与され、固有振動数が素管に対して変更されている。この固有振動数を、他部材との関係において適宜、共振が発生しない固有振動数とすることで、鋼管１に制振性を付与することができる。

（２）鋼管１の表面に付与された凹部２の単位面積当たりの境界長さＬ２が、０．４から０．８ｍｍの範囲において、鋼管１の固有振動数は、素管の固有振動数よりも小さくなっている。
一般に、鋼管に一定の振動が加わり、板厚が同じ場合、鋼管の外径が小さいほうが固有振動数は大きくなる。本実施形態では、素管に溝５を形成することで凹凸を形成している。したがって、凸部２が設けられている部分の外径は素管の外径と変わらないが、凹部３が設けられている部分の外径は素管の外径よりも小さくなっている。そのため、鋼管１の固有振動数は素管の固有振動数に対して大きくなることが予想された。

しかし、本実施形態では、上述のように単位面積当たりの凹部境界長さＬ２が、０．４から０．８ｍｍの範囲において、鋼管１の固有振動数が素管のそれと比べて小さくなることが分かった。
この理由は明らかでない。凸部２と凹部３では異なる振動が発生しており、単位面積当たりの凹部境界長さＬ２が０．４から０．８ｍｍの範囲において、振動が発生したときに、凸部２での振動と凹部３での振動が互いに打ち消し合うことで、固有振動数の減少に至ったと推測される。

一般に、固有振動数が小さいと、振動伝達率が小さくなる傾向にある。固有振動数が小さくなる上記の範囲（０．４≦単位面積当たりの凹部境界長さＬ２≦０．８）で、鋼管１の表面に凸部２を形成すれば、素管よりも固有振動数を小さくなるので、振動伝達率も小さくなる。したがって０．４≦単位面積当たりの凹部境界長さＬ２≦０．８の凸部を形成することにより、振動が伝達しにくい制振性を有する鋼管１を製造することができる。

（３）単位面積当たりの凹部境界長さＬ２が０．６５ｍｍ（図９において丸印で示すグラフ）の場合に顕著に表れているように、板厚比ｔ１／ｔ２が０．５〜０．８の範囲で、固有振動数は減少している。さらに板厚比ｔ１／ｔ２が０．６０〜０．７５の範囲で特に減少している。
したがって、０．４≦単位面積当たりの凹部境界長さＬ２≦０．８で、且つ０．５≦板厚比ｔ１／ｔ２≦０．８の範囲になる鋼管１を製造すれば、固有振動数の低減及び振動伝達率の低減効果をより高くすることができる。

（４）なお、ｔ１／ｔ２が０．５８の例によると、材質が異なっても同じ傾向を示すことから、本発明の特徴は材質によらないと考えられる。

Ｌ２凸部境界長さ
１鋼管
２凸部
２ａ境界
３凹部
５溝
１０コイル
１１鋼帯
１２圧延ロール
１３曲げ部
１４造管部
１５ロール
１６造管ロール
１７造管ロール
２１払い出しリール
２２段圧延機
２３巻き取りリール
２４造管機
２５払い出しリール
３１三脚
３２ワイヤー
３３振動センサー
３４ａ位置
３５Ａ振動アンプ
３５Ｂ振動アンプ
３６インパルスハンマー
３６周波数分析器
６０コイル
６１鋼帯

Claims

外周面全体に溝を形成することによって凸部と凹部とが形成され、
前記外周面における長さＷの範囲Ｓに存在する、凸部と凹部との境界の長Ｌさの総計を、範囲Ｓの面積であるＷ×２πｒ（ｒ：鋼管１の外面の半径）（ｍｍ ^２）で割った値である、単位面積当たりの前記凸部と前記凹部との境界長さが０．４ｍｍ／ｍｍ ^２〜０．８５ｍｍ／ｍｍ ^２である、
制振性を有する鋼管。
前記単位面積当たりの前記凸部と前記凹部との境界長さが０．４ｍｍ／ｍｍ ^２〜０．８ｍｍ／ｍｍ ^２である、
請求項１に記載の制振性を有する鋼管。
前記鋼管の、前記凹部における厚さｔ１の、前記凹部以外における厚さｔ２に対する割合ｔ１／ｔ２が、０．５〜０．８である、
請求項１または２に記載の制振性を有する鋼管。
鋼管の外周面における長さＷの範囲Ｓに存在する、凸部と凹部との境界の長Ｌさの総計を、範囲Ｓの面積であるＷ×２πｒ（ｒ：鋼管１の外面の半径）（ｍｍ ^２）で割った値である、単位面積当たりの前記凸部と前記凹部との境界長さが０．４ｍｍ／ｍｍ ^２〜０．８５ｍｍ／ｍｍ ^２となるように、前記外周面の全体に溝を形成することによって前記凸部と前記凹部とを形成する、
鋼管の固有振動数の変更方法。