JP6770462B2 - 積層弾性体の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層弾性体の検査方法に係り、例えば、鉄道車両の台車の軸箱支持装置に用いられる軸ばね装置において、当該軸ばね装置における積層部分の接着部を非破壊で検査する方法に関する。

検査対象を非破壊で検査する方法の従来例として、特許文献１には、ゴム層と鋼板を積層した積層ゴムにおけるゴム層の損傷の有無を超音波で診断する積層ゴムの診断方法が開示されている。この積層ゴムの診断方法においては、まず、ゴム層の外周面からゴム層の内部に超音波を入射させ、ゴム層の内部で反射した超音波の反射波を受信し、受信した超音波の反射波の振幅値を検出して、予め設定した振幅値の閾値と比較する。そして、振幅値が閾値以上のときは、超音波を入射してから閾値以上の振幅値が検出されるまでの経過時間を計測し、計測された経過時間と、ゴム層の寸法構造等からの計算上の反射時間とを比較してゴム層の損傷の有無を診断している。

特開２０１０−０４８７６２号公報

ここで、鉄道車両の台車の軸箱支持装置においては、筒状の硬質筒と筒状の弾性層とを径内外方向に交互に積層して形成される軸ばね装置が用いられている。この軸ばね装置は、鉄道車両の台車の台車枠に対して車軸を適切な位置に保ち、さらに上下方向の荷重を支持して線路の状況に素早く追従させることにより、鉄道車両が高速で安全に走行できるようにするものである。このように、軸ばね装置は、鉄道車両の台車において重要部品であるため、当該軸ばね装置において積層する硬質筒と弾性層との接着部において、その接着状況（接着不良の有無）を精度良く検査することが望まれる。

しかしながら、前記の特許文献１においては、積層ゴムのゴム層における損傷の有無を検査することは開示されているが、ゴム層と鋼板との接着部における検査に関しては何ら開示されていない。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、積層弾性体において交互に積層して形成される硬質筒と弾性層との接着部を非破壊で精度良く検査できる積層弾性体の検査方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、筒状の硬質筒と筒状の弾性層とを同心又は略同心状態で径内外方向に交互に積層して形成される積層弾性体の検査方法において、前記弾性層における軸方向の端面に検査治具を配置し、前記検査治具を介して超音波を前記弾性層の内部に入射させることにより、前記超音波の進行方向を補正して、前記超音波を前記硬質筒と前記弾性層との接着部に対して垂直に当て、前記接着部からの前記超音波の反射波の位相の反転の有無により、前記接着部における接着状況を判定すること、を特徴とする。

この態様によれば、検査治具により超音波の進行方向を補正して超音波を硬質筒と弾性層との接着部に対して垂直に当てながら、接着部からの超音波の反射波の位相の反転の有無により接着部における接着状況を判定する。これにより、超音波の反射波をもとに作られる信号波形において、接着部からの超音波の反射波による波形が表れ易くなる。そのため、接着部からの超音波の反射波の位相の反転の有無を、低いゲインにて確認できる。したがって、積層弾性体において交互に積層して形成される硬質筒と弾性層との接着部を非破壊で精度良く検査できる。

上記の態様においては、前記弾性層における軸方向の端面は曲面に形成されており、前記検査治具は、前記弾性層における軸方向の端面の曲率に合わせて形成された曲面部を備え、前記検査治具の前記曲面部を前記弾性層における軸方向の端面に対向させながら、前記弾性層における軸方向の端面に前記検査治具を配置すること、が好ましい。

この態様によれば、検査治具を弾性層における軸方向の端面に配置する際において、検査者の個人差による検査治具の配置角度や検査治具の押し付け力の違いを抑制することができる。そのため、検査者の個人差による検査精度のばらつきを抑えることができる。したがって、積層弾性体における硬質筒と弾性層との接着部を精度良く検査できる。

上記の態様においては、前記弾性層における軸方向の端面は、径方向の外側に位置する外側部分よりも、径方向の内側に位置する内側部分が軸方向に突出するように形成され、前記内側部分に対して前記接着部は傾斜しており、前記内側部分に前記検査治具を配置すること、が好ましい。

この態様によれば、硬質筒と弾性層が例えば円錐状又は略円錐状に積層され、弾性層における軸方向の端面における内側部分に対して硬質筒と弾性層との接着部が傾斜していても、内側部分に検査治具を配置して、検査治具を介して超音波を弾性層の内部に入射させることにより、超音波の進行方向を補正して、超音波を硬質筒と弾性層との接着部に対して垂直に当てることができる。そのため、積層弾性体における硬質筒と弾性層との接着部を精度良く検査できる。

上記の態様においては、前記積層弾性体は、鉄道車両の台車の軸箱支持装置に用いられる軸ばね装置であること、が好ましい。

この態様によれば、鉄道車両の台車の軸箱支持装置に用いられる軸ばね装置における硬質筒と弾性層との接着部を精度良く検査できる。

本発明に係る積層弾性体の検査方法によれば、積層弾性体において交互に積層して形成される硬質筒と弾性層との接着部を非破壊で精度良く検査できる。

軸ばね装置の側面図であり、一部を断面図で示している。 超音波探傷装置の概略構成図である。 アダプタ（検査治具）の正面図である。 アダプタの上面図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 アダプタを用いて超音波の進行方向を補正することを説明した図である。 接着状況が健全である場合（剥離が生じていない場合）において、超音波の反射波をもとに作られるＲＦ波形の一例を示す図である。 接着状況が健全でない場合（剥離が生じている場合）において、超音波の反射波をもとに作られるＲＦ波形の一例を示す図である。 アダプタを使用しない場合において、超音波の反射波をもとに作られるＲＦ波形の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。本実施形態では、検査対象の積層弾性体として、軸ばね装置１を例示する。そこで、まず、軸ばね装置１について説明する。

軸ばね装置１は、鉄道車両の台車の軸箱支持装置に用いられる積層ゴム（軸ばねゴム）であり、車軸（不図示）の中心の前後両側のそれぞれの位置において、その軸心Ｐ（図１参照）を上下垂直姿勢にした状態で台車枠（不図示）と軸箱（不図示）との間に設けられている。そして、軸ばね装置１は、台車枠に対して車軸を適切な位置に保ち、さらに上下方向の荷重を支持して線路の状況に素早く追従させることにより、車両が高速で安全に走行できるようにする。ここでは、軸ばね装置１として、ゴムを鋼板（例えば、鉄板）に加硫接着して成形することにより、図１に示すようにゴムと鋼板を円錐状又は略円錐状に積層させた円錐積層ゴムを例に挙げて説明する。

図１に示すように、軸ばね装置１は、主軸１１と、外筒１２と、弾性部１３を有する。主軸１１は、金属（例えば、鉄）により形成されている。主軸１１は、筒状に形成され、軸箱の支持部に対してボルトにより固定されている。主軸１１は、弾性部１３との接合部分、すなわち、後述する第１弾性層２２−１との接合部分として、テーパ円筒状に形成されるテーパ円筒面１１ａを備えている。また、主軸１１は、外筒１２の内径側で、かつ、やや図１の下方に寄った位置に配置されている。なお、主軸１１は、本発明における「硬質筒」の一例である。

外筒１２は、金属（例えば、鉄）により形成されている。外筒１２は、筒状に形成され、主軸１１と同一の軸心Ｐを有する。外筒１２は、当該外筒１２の上端部における内側にて固定される円板１４を介して、台車枠にボルトにより固定されている。外筒１２は、弾性部１３との接合部分、すなわち、第３弾性層２２−３との接合部分として、テーパ円筒状に形成されるテーパ円筒面１２ａを備えている。

弾性部１３は、主軸１１と外筒１２との間において設けられている。そして、弾性部１３においては、２つの中間硬質筒２１と３つの弾性層２２とが、軸心Ｐと同心状態又は略同心状態で径内外方向について交互に積層するように形成されている。

中間硬質筒２１は、金属（例えば、鉄）により形成されている。中間硬質筒２１は、図１の下側に行くに従って径がやや大きくなるテーパ円筒状に形成されている。そして、弾性部１３は、２つの中間硬質筒２１として、内側中間硬質筒２１Ａ（第１中間硬質筒）と、外側中間硬質筒２１Ｂ（第２中間硬質筒）を備えている。図１に示すように、内側中間硬質筒２１Ａの上端部２１Ａａと円板１４の軸方向の端面１４ａとの間隔ｄ１は、外側中間硬質筒２１Ｂの上端部２１Ｂａと円板１４の軸方向の端面１４ａとの間隔ｄ２よりも大きく形成されている。なお、中間硬質筒２１は、本発明における「硬質筒」の一例である。

弾性層２２は、ゴムにより形成されている。弾性層２２は、図１の下側に行くに従って径がやや大きくなるテーパ円筒状に形成されている。また、弾性層２２における軸方向（図１の下方向）の端面３１（以下、適宜、単に「弾性層２２の端面３１」ともいう。）は、曲面に形成されている。そして、弾性部１３は、３つの弾性層２２として、第１弾性層２２−１と第２弾性層２２−２と第３弾性層２２−３を備えている。

本実施形態では、図１に示すように、主軸１１および中間硬質筒２１と弾性層２２とは、円錐状又は略円錐状に積層している。そして、図１に示すように、弾性層２２の端面３１においては、径方向の外側に位置する外側部分３１ｂよりも、径方向の内側に位置する内側部分３１ａが軸方向（図１の下方向）に突出するように形成されている。

次に、軸ばね装置１の検査装置である超音波探傷装置４１について説明する。この超音波探傷装置４１は、図２に示すように、制御部５１と超音波探触子５２を有する。制御部５１は、超音波探傷装置４１の制御の全般と、軸ばね装置１の検査に関する解析を行う装置であり、後述する接着部における接着状態を判定する判定部５１ａを備えている。超音波探触子５２は、制御部５１により制御され、超音波を発信および受信する。なお、超音波探触子５２の周波数帯は、例えば３．５ＭＨｚとする。

そして、このような構成の超音波探傷装置４１は、制御部５１により超音波探触子５２から発信させた超音波により、主軸１１と弾性層２２との接着部、および、中間硬質筒２１と弾性層２２との接着部における接着状態を検査する。なお、超音波探傷装置４１を用いた軸ばね装置１の検査方法の詳細については、後述する。

次に、軸ばね装置１の検査に用いるアダプタ６１（検査治具）について説明する。アダプタ６１は、樹脂（例えば、アクリル樹脂）で形成されている。図３〜図５に示すように、アダプタ６１は、楔形（くさび形）に形成され、当該アダプタ６１を軸ばね装置１の弾性層２２の端面３１に配置するときに、当該端面３１と対面させる傾斜面７１（本発明における「曲面部」の一例）と、外側に向けられる探触子取付面７２を備えている。なお、図５に示すように、傾斜面７１は、探触子取付面７２に対して傾斜している。また、アダプタ６１は、探触子取付面７２の中央部に、円形状の凹部７３を備えている。この凹部７３は、超音波探触子５２の円柱状の筒部５２ａが挿入される部分である。

このようなアダプタ６１において、傾斜面７１は、弾性層２２の端面３１（詳しくは、内側部分３１ａ）の曲面形状に合わせて円弧状に凹んで形成されている（図４参照）。本実施形態では、例えば、第１弾性層２２−１と第２弾性層２２−２と第３弾性層２２−３における各々の端面３１の曲率や角度に合わせて、傾斜面７１における曲率半径Ｒと傾斜角度θ（図４と図５参照）を設定した３種類のアダプタ６１を用意しておく。

次に、本実施形態における軸ばね装置１の検査方法について説明する。本実施形態においては、超音波探傷装置４１とアダプタ６１を用いて、軸ばね装置１に対して、非破壊検査の一種である超音波探傷検査（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）を行う。

本実施形態では、軸ばね装置１において、第１接着部Ｂ１と第２接着部Ｂ２と第３接着部Ｂ３における接着状況を検査する。ここで、図１に示すように、第１接着部Ｂ１は、主軸１１（テーパ円筒面１１ａ）と第１弾性層２２−１との接着部である。また、第２接着部Ｂ２は、内側中間硬質筒２１Ａと第２弾性層２２−２との接着部である。また、第３接着部Ｂ３は、外側中間硬質筒２１Ｂと第３弾性層２２−３との接着部である。なお、第１接着部Ｂ１と第２接着部Ｂ２と第３接着部Ｂ３における検査方法は、いずれも同様であるので、ここでは、第１接着部Ｂ１における検査方法を代表して説明する。

なお、以下の説明では、軸ばね装置１の検査において、軸ばね装置１を図１に示す上下方向とは逆向きにして検査を行うこととする。しかしながら、軸ばね装置１を図１に示す上下方向と同じ向きにして検査を行うことも可能である。

まず、アダプタ６１の傾斜面７１を第１弾性層２２−１の端面３１における内側部分３１ａに対面させながら、図６に示すように、内側部分３１ａにアダプタ６１を配置する。このとき、第１弾性層２２−１の端面３１における内側部分３１ａとアダプタ６１の傾斜面７１との間に、接触媒質（例えば、グリセリン）を介在させておく。

次に、図６に示すように、アダプタ６１の凹部７３の内部に超音波探触子５２の筒部５２ａを挿入して、凹部７３の底部７３ａに超音波探触子５２の筒部５２ａを配置する。このとき、底部７３ａと筒部５２ａとの間に、接触媒質（例えば、グリセリン）を介在させておく。

次に、制御部５１により超音波探触子５２の筒部５２ａから超音波を発信させる。これにより、発信された超音波は、アダプタ６１を介して第１弾性層２２−１の内部に入射する。このとき、図６に示すように、超音波の入射波は、樹脂（アダプタ６１）からゴム（第１弾性層２２−１）へと異なる媒質に入射することで屈折して、その進行方向（図６に示す太い矢印の方向）が補正されることにより、第１接着部Ｂ１に対して垂直に当たる。このようにして、本実施形態では、第１接着部Ｂ１が第１弾性層２２−１の端面３１における内側部分３１ａに対して角度αで（鋭角に）傾いているが、アダプタ６１を用いることにより超音波の入射波の進行方向を補正して、超音波探触子５２から発信させた超音波が第１接着部Ｂ１に対して垂直に当たるように調整している。

そして、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波は、第１弾性層２２−１とアダプタ６１を介して超音波探触子５２に受信され、制御部５１の判定部５１ａに送られる。そして、判定部５１ａにおいて、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波をもとに、第１接着部Ｂ１の接着状態が判定される。

このとき、本実施形態では、音響インピーダンスの相対的な大小関係が異なることで、超音波の反射波の位相が反転する原理を利用して、第１接着部Ｂ１における接着状況を判定する。

そこで、第１接着部Ｂ１における接着状況の判定手法について説明する。まず、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全である場合、すなわち、主軸１１のテーパ円筒面１１ａと第１弾性層２２−１とが剥離しておらず接着している場合を考える。この場合において、超音波は、相対的に低い音響インピーダンスの材料（ゴム）で形成される第１弾性層２２−１から入射して、相対的に高い音響インピーダンス（金属）の材料で形成される主軸１１との境界部分で反射することになる。すると、このとき、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波をもとに判定部５１ａにおいて作られるＲＦ波形（ＲＦ信号の波形、探傷図形）は、例えば図７に示すような形状の波形となる。すなわち、図７に示すように、正のピークの最大値Ｐ１と負のピークの最大値Ｎ１が検出される。このように、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相は、「正」となる。

一方、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でない場合、すなわち、主軸１１のテーパ円筒面１１ａと第１弾性層２２−１とが剥離している場合を考える。すると、この場合においては、主軸１１のテーパ円筒面１１ａと第１弾性層２２−１との間に空気が存在している。そのため、この場合においては、超音波は、相対的に高い音響インピーダンスの材料（ゴム）で形成される第１弾性層２２−１から入射して、相対的に低い音響インピーダンスの空気との境界部分で反射することになる。すると、このとき、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波をもとに判定部５１ａにおいて作られるＲＦ波形は、例えば図８に示すような形状の波形となる。すなわち、図８に示すように、正のピークの最大値Ｐ２と負のピークの最大値Ｎ２が検出される。このように、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相は、「負」となる。

このように、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相について、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全である場合には「正」となるのに対して、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でない場合には「負」となる。すなわち、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でない場合は、第１接着部Ｂ１において接着状況が健全である場合に対して、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相が反転する。

そこで、本実施形態では、判定部５１ａにおいて、このように音響インピーダンスの相対的な大小関係が異なることで超音波の反射波の位相が反転する原理を利用して、第１接着部Ｂ１における接着状況を判定する。すなわち、判定部５１ａは、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相の反転の有無により、第１接着部Ｂ１における接着状況を判定する。詳しくは、判定部５１ａは、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相が「正」である場合には第１接着部Ｂ１において接着状況が健全であると判定する一方、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相が「負」である場合には第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でないと判定する。

そして、本実施形態では、超音波探触子５２とアダプタ６１を軸ばね装置１の周方向に移動させながら、軸ばね装置１の全周に亘って第１接着部Ｂ１の接着状態を検査する。このとき、判定部５１ａにより第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でないと判定されたときには、さらに続けて超音波探触子５２とアダプタ６１を軸ばね装置１の周方向に移動させながら、判定部５１ａにより第１接着部Ｂ１において接着状況が健全でないと判定される範囲を軸ばね装置１にマーキングしておく。これにより、軸ばね装置１の周方向について、第１接着部Ｂ１における剥離部分の範囲を特定することができる。

また、本実施形態では、前記のようにアダプタ６１を用いることにより超音波の入射波を第１接着部Ｂ１に垂直に当てることができるので、図７と図８に示すように、第１接着部Ｂ１が明確に表れるＲＦ波形が得られる。そのため、第１接着部Ｂ１からの超音波の反射波の位相の反転を低いゲインにて確認できるので、検査精度（探傷精度）が向上する。これに対し、アダプタ６１を使用しない場合には、超音波の入射波を第１接着部Ｂ１に垂直に当てることが難しいため、図９に示すように、第１接着部Ｂ１が明確に表れ難いＲＦ波形となってしまう。そのため、検査精度が低下する。

以上のように本実施形態によれば、軸ばね装置１の検査方法において、弾性層２２における軸方向の端面３１にアダプタ６１を配置し、アダプタ６１を介して超音波を弾性層２２の内部に入射させることにより、超音波の進行方向を補正して、超音波を接着部Ｂ（第１接着部Ｂ１、第２接着部Ｂ２、第３接着部Ｂ３）に対して垂直に当て、接着部Ｂからの超音波の反射波の位相の反転の有無により、接着部Ｂにおける接着状況を判定する。

このようにして、本実施形態によれば、アダプタ６１により超音波の進行方向を補正して超音波を接着部Ｂに対して垂直に当てながら、接着部Ｂからの超音波の反射波の位相の反転の有無により接着部Ｂにおける接着状況を判定する。これにより、超音波の反射波をもとに作られるＲＦ波形において、接着部Ｂからの超音波の反射波の波形が明確に表れ易くなる。そのため、接着部Ｂからの超音波の反射波の位相の反転の有無を、低いゲインにて確認できる。したがって、軸ばね装置１における接着部Ｂを非破壊で精度良く検査できる。

そして、軸ばね装置１における接着部Ｂを非破壊で検査できるので、出荷検査時において軸ばね装置１を検査することにより軸ばね装置１の品質向上を図ることができると共に、既に出荷済みの軸ばね装置１についても在姿で検査することができる。

また、本実施形態によれば、弾性層２２の端面３１は曲面に形成されており、アダプタ６１は、弾性層２２の端面３１の曲率に合わせた傾斜面７１を備え、アダプタ６１の傾斜面７１を弾性層２２の端面３１に対向させながら、弾性層２２の端面３１にアダプタ６１を配置する。これにより、アダプタ６１を弾性層２２の端面３１に配置する際において、検査者の個人差によるアダプタ６１の配置角度やアダプタ６１の押し付け力の違いを抑制することができる。そのため、検査者の個人差による検査精度のばらつきを抑えることができる。したがって、軸ばね装置１における接着部Ｂを精度良く検査できる。

また、本実施形態によれば、弾性層２２の端面３１は、径方向の外側に位置する外側部分３１ｂよりも、径方向の内側に位置する内側部分３１ａが軸方向に突出するように形成され、内側部分３１ａに対して接着部Ｂは傾斜している。そして、内側部分３１ａにアダプタ６１を配置する。このようにして、本実施形態では、硬質筒（主軸１１と中間硬質筒２１）と弾性層２２が円錐状又は略円錐状に積層され、弾性層２２の端面３１における内側部分３１ａに対して接着部Ｂが傾斜しているが、内側部分３１ａにアダプタ６１を配置して、アダプタ６１を介して超音波を弾性層２２の内部に入射させる。これにより、超音波の進行方向を補正して、超音波を硬質筒（主軸１１と中間硬質筒２１）と弾性層２２との接着部Ｂに対して垂直に当てることができる。そのため、軸ばね装置１における接着部Ｂを精度良く検査できる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

１ 軸ばね装置
１１ 主軸
１１ａ テーパ円筒面
１２ 外筒
１３ 弾性部
２１ 中間硬質筒
２１Ａ 内側中間硬質筒
２１Ｂ 外側中間硬質筒
２２ 弾性層
２２−１ 第１弾性層
２２−２ 第２弾性層
２２−３ 第３弾性層
３１ 端面
３１ａ 内側部分
４１ 超音波探傷装置
５１ 制御部
５１ａ 判定部
５２ 超音波探触子
５２ａ 筒部
６１ アダプタ
７１ 傾斜面
７２ 探触子取付面
７３ 凹部
７３ａ 底部
Ｐ 軸心
Ｒ 曲率半径
θ 傾斜角度
α 角度
Ｂ 接着部
Ｂ１ 第１接着部
Ｂ２ 第２接着部
Ｂ３ 第３接着部

Claims (4)

1. 筒状の硬質筒と筒状の弾性層とを同心又は略同心状態で径内外方向に交互に積層して形成される積層弾性体の検査方法において、
   前記弾性層における軸方向の端面に検査治具を配置し、
   前記検査治具を介して超音波を前記弾性層の内部に入射させることにより、前記超音波の進行方向を補正して、前記超音波を前記硬質筒と前記弾性層との接着部に対して垂直に当て、
   前記接着部からの前記超音波の反射波の位相の反転の有無により、前記接着部における接着状況を判定すること、
   を特徴とする積層弾性体の検査方法。
2. 請求項１の積層弾性体の検査方法において、
   前記弾性層における軸方向の端面は曲面に形成されており、
   前記検査治具は、前記弾性層における軸方向の端面の曲率に合わせて形成された曲面部を備え、
   前記検査治具の前記曲面部を前記弾性層における軸方向の端面に対向させながら、前記弾性層における軸方向の端面に前記検査治具を配置すること、
   を特徴とする積層弾性体の検査方法。
3. 請求項１または２の積層弾性体の検査方法において、
   前記弾性層における軸方向の端面は、径方向の外側に位置する外側部分よりも、径方向の内側に位置する内側部分が軸方向に突出するように形成され、
   前記内側部分に対して前記接着部は傾斜しており、
   前記内側部分に前記検査治具を配置すること、
   を特徴とする積層弾性体の検査方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つの積層弾性体の検査方法において、
   前記積層弾性体は、鉄道車両の台車の軸箱支持装置に用いられる軸ばね装置であること、
   を特徴とする積層弾性体の検査方法。

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