JP7156336B2 - 疲労余寿命特定装置および疲労余寿命特定方法 - Google Patents

Description

本発明は、疲労余寿命を特定する装置および方法に関する。

対象物に繰返し荷重を加えると対象物の温度が上昇する。この温度上昇と、この対象物の疲労寿命に関係があることが知られている。下記特許文献１には、対象物の温度は、繰返し荷重を加え始めてから上昇し、その後一定となることが示されている。下記特許文献１では、繰返し荷重の付与開始から、温度が上昇から一定となる変化点までの繰返し数が、疲労寿命の約３０％であるとして、疲労寿命および余寿命を推定している。

特開２０１９－６０９０１号公報

上記特許文献１では、疲労余寿命の推定は、繰返し荷重の振幅が一定で連続して加えられる場合に限られている。本発明は、繰返し荷重の振幅が途中で変更される場合にも対応可能な疲労寿命の特定方法および装置を提供する。

本発明に係る疲労余寿命特定装置は、所定周波数の繰返し荷重が加わる対象物の温度を検出する対象物温度検出装置と、対象物の周辺温度を検出する周辺温度検出装置と、繰返し荷重が加えられた回数である負荷繰返し数を計数する負荷繰返し数計数装置と、対象物周辺の温度に対する対象物の温度の差分が略一定となる定常状態における前記の差分である温度上昇量と負荷繰返し数とに基づき疲労余寿命を算出する情報処理装置と、を備える。情報処理装置は、前記温度上昇量と、対象物の破断に至るまでの、繰返し荷重が加えられた回数である破断負荷繰返し数との関係をあらかじめ記憶するよう構成されている。情報処理装置は、さらに、繰返し荷重の振幅が一定の、ある期間において、対象物温度検出装置により検出された対象物の温度と、周辺温度検出装置により検出された対象物の周辺温度とから、前記温度上昇量を算出し、当該ある期間に関し、算出された温度上昇量に、温度上昇量と破断負荷繰返し数のあらかじめ記憶された前記の関係を適用して、破断負荷繰返し数を算出し、負荷繰返し計数装置により計数された当該ある期間内の負荷繰返し数を前記破断負荷繰返し数で除して、当該ある期間の疲労損傷度を算出するよう構成されている。情報処理装置は、さらにまた、複数の期間ごとの疲労損傷度を積算して、積算疲労損傷度を算出し、ある時点の前記温度上昇量に基づき算出された破断負荷繰返し数と、積算疲労損傷度とから前記ある時点における疲労余寿命を算出するよう構成されている。

本発明の他の態様に係る疲労余寿命特定方法は、ある期間において、所定周波数で振幅が一定の繰返し荷重が加えられている対象物の、周辺温度に対する差分が略一定となる定常状態における前記の差分である温度上昇量を取得するステップと、前記ある期間において、繰返し荷重が加えられた回数である負荷繰返し数を計数するステップと、前記ある期間に関し、取得された温度上昇量に、温度上昇量と対象物の破断に至るまでの繰返し荷重が加えられた回数である破断負荷繰返し数とのあらかじめ記憶された関係を適用して、破断負荷繰返し数を算出するステップと、計数された負荷繰返し数を破断負荷繰返し数で除して、前記ある期間の疲労損傷度を算出するステップと、複数の期間ごとの疲労損傷度を積算して、積算疲労損傷度を算出するステップと、ある時点の温度上昇量に基づき算出された破断負荷繰返し数と、積算疲労損傷度とから当該ある時点における疲労余寿命を算出するステップと、を含む。

寿命までの間に、繰返し荷重の振幅が変更されても、余寿命を特定することができる。

機械部品に繰返し荷重を加えたときの負荷繰返し数に対する温度の変化を示す図である。 負荷繰返し数に対する温度変化の実験結果を示す図である。 温度上昇量と破断負荷繰返し数の関係を示す図である。 異なる振幅の繰返し荷重による荷重パターンを示す図である。 図４に示す荷重パターンで繰返し荷重を加えたときの温度変化を示す図である。 疲労余寿命を特定する装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

疲労限度を超える繰返し荷重を加えると金属材料の温度は、図１に示すように荷重を付与した直後に上昇した後、概ね温度一定の定常状態となり破断に至る。このとき、定常状態での温度上昇量ΔＴ_stは、C. Doudard, S. Calloch, F. Hild, P. Cugy, A. Galtier, “Identification of the scatter in high cycle fatigue from temperature measurements”, C. R. Mecanique, Vol. 332 (2004), pp. 795-801. によれば、次式（１）で表される。式（１）の温度上昇量は、材料の温度上昇量を代表するものである。

ここで、Ｓ₀、ｍは材料依存の定数、ｆは繰返し荷重の周波数、τは時定数、ｈは硬化係数、ρは密度、ｃは比熱、σ_aは応力振幅である。

応力振幅以外の条件が同じ場合、式（１）を次式（２）のように簡略化できる。

ここで、ｋ、ａは定数である。

一方、高サイクル疲労域で一般に成立するとされるバスキン則は次式（３）で示される。

ここで、Ｎ_fは材料が破断するまでの荷重の繰返し回数である破断負荷繰返し数、ｂ、Ｃは定数である。

式（２）、（３）からσ_aを消去すると、次式（４）が得られる。

ここで、Ｃ’は定数である。

式（４）は、繰返し荷重を加えたときの定常状態の温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fは所定の関係があることを示している。したがって、あらかじめ、ある機械部品について、温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fの関係を求めておけば、温度上昇量ΔＴ_stから破断負荷繰返し数Ｎ_fを算出することができる。そして、繰返し荷重によって対象物に荷重が付与された回数である負荷繰返し数ｎを計数すれば、そのとき、疲労によってどの程度損傷を受けているか、つまり疲労損傷度Ｄを次式（５）から算出できる。

疲労損傷度Ｄのとき、疲労破壊に至るまでの荷重の付与回数、つまり疲労余寿命ｒは、次式（６）で表される。

図２は、疲労破壊を生じる金属材料の試験片、例えば機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃに焼入れ、焼戻しの熱処理を施した試験片に、シェンク式疲労試験機を用いて、完全両振りの繰返しねじり荷重を、荷重周波数５０Ｈｚのねじり角制御で付与したときの、試験片の温度変化を示す図である。試験片の温度を代表する温度として試験片の表面温度を、白金測温抵抗体と、Ｋ型熱電対の双方で測定した。また、試験片の周辺の温度を代表する温度として、疲労試験機の試験片を把持する治具部分の温度も同様に測定した。この疲労試験機の治具の温度と試験片の温度の差分を繰返し荷重による温度変化として、図２の縦軸に表した。同一のせん断ひずみを２つの試験片に付与した。図中の同一の線種は、同一のせん断ひずみを与えたデータを示している。試験が開始されると、温度が上昇し、その後、温度の上昇は止まり、ほぼ一定値を示す定常状態となる。負荷繰返し数が、ある回数となると、温度が急上昇し、試験片が破断する。図２から、傾向として温度上昇量ΔＴ_stが高いと、少ない負荷繰返し数で破断が生じることが分かる。

図３は、温度がほぼ一定となる定常状態の温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fとの関係を両対数グラフで示す図である。白丸（○）で表す測定点は熱電対を用いたデータを示し、黒丸（●）で示す測定点は測温抵抗体を用いたデータを示す。この関係を用いることで、温度上昇量ΔＴ_stから破断負荷繰返し数Ｎ_fを求めることができる。

図４は、期間ごとに繰返し荷重の振幅が異なる荷重パターンを示す図である。図５は、図４に示す荷重パターンを付与した際の試験片の温度を示す図である。試験片、試験機等は、前述と同様である。第１の期間でせん断ひずみ振幅γ₁＝３５１６μstで、荷重を５００００回（負荷繰返し数ｎ₁）試験片に付与し、その後第２の期間ではせん断ひずみ振幅γ₂＝３６４７μstで試験片が破断するまで荷重を付与した。破断したときの、第２の期間における負荷繰返し数ｎ₂は、６７７５０回であった。また、第１の期間の試験片の温度上昇量ΔＴ_st1は５９℃、第２の期間の温度上昇量ΔＴ_st2は８３℃であった。

これらの温度上昇量ΔＴ_st1（５９℃）、ΔＴ_st2（８３℃）を、図３に示す温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fの関係に適用すれば、第１の期間の荷重振幅では破断負荷繰返し数Ｎ_f1が１４９４０９回、第２の期間の荷重振幅では破断負荷繰返し数Ｎ_f2が９２４７３回と求められる。第１の期間の終了時点での疲労損傷度Ｄ₁は、式（５）から約０．３３となる。また、第２の期間の開始時点での疲労余寿命ｒは、式（６）から約６２０００回となり、これは、前述の破断したときの負荷繰返し数ｎ₂（＝６７７５０回）に概ね一致している。

第２の期間のある時点で、余寿命を特定することもできる。第２の期間での負荷繰返し数が、例えば２００００回となったときの余寿命は第１の期間の疲労損傷度Ｄ₁と第２の期間の繰返し数ｎ_Tまでの疲労損傷度Ｄ₂から特定することができる。図４において、第１の期間の疲労損傷度Ｄ₁は、前述のように約０．３３である。また、第２の期間の破断負荷繰返し数Ｎ_f2は前述のように９２４７３回であるから、第２の期間の負荷繰返し数が２００００回時点での疲労損傷度Ｄ₂は、約０．２２となる。第１および第２の期間の積算した疲労損傷度Ｄ（＝Ｄ₁＋Ｄ₂）は、約０．５５となり、余寿命ｒは、式（６）より４１６１３回となる。図４に示す試験結果からは、破断まで４７７５０回であり、概ね一致している。

図６は、第１の装置１０から第２の装置１２に回動動作を伝えるための伝達軸１４の疲労余寿命を測定する装置の概略構成を示す図である。伝達軸１４には、荷重源である第１および第２の装置１０、１２により繰返しねじり荷重が加えられる。伝達軸１４には、伝達軸１４の温度を検出するための伝達軸温度センサ１６が取り付けられている。また、第１および第２の装置１０、１２の一方または両方には、伝達軸１４の周辺の温度を検出するための周辺温度センサ１８が取り付けられている。例えば、周辺温度センサ１８は、第２の装置１２の、伝達軸１４が結合される部材に取り付けられている。伝達軸温度センサ１６と周辺温度センサ１８の出力は、情報処理装置２０に送られる。情報処理装置２０は、演算装置２２、演算装置２２に所定の動作を実行させるためのプログラムおよび所定の数値などを記憶するための記憶装置２４を含む。情報処理装置２０は、伝達軸温度センサ１６の出力に基づき負荷繰返し数を算出する。つまり、荷重の変動に応じて変化する温度の変動に基づき、負荷繰返し数を算出する。また、伝達軸１４にひずみゲージを取り付け、ひずみゲージの出力の変動に基づき負荷繰返し数を算出してもよい。

記憶装置２４には、温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fの関係が記憶されている。したがって、温度上昇量ΔＴ_stが分かれば、この関係に基づき対応する破断負荷繰返し数Ｎ_fを求めることができる。情報処理装置２０は、伝達軸温度センサ１６と周辺温度センサ１８の出力に基づき、これらの温度の差分が略一定となっているときの温度上昇量ΔＴ_stiを算出する。この温度上昇量ΔＴ_stiをあらかじめ記憶された温度上昇量ΔＴ_stと破断負荷繰返し数Ｎ_fの関係に適用して、この繰返し荷重が今後も続く場合の、つまり温度上昇量ΔＴ_stiが一定の場合の破断負荷繰返し数Ｎ_fiを取得する。また、情報処理装置２０は、この繰返し荷重が加えられ始めてからの負荷繰返し数ｎ_iを伝達軸温度センサ１６の出力に基づき計数する。この、一定振幅の繰返し荷重が加えられている期間の疲労損傷度Ｄ_iを、負荷繰返し数ｎ_iを破断負荷繰返し数Ｎ_fiで除して算出する（Ｄ_i＝ｎ_i／Ｎ_fi）。繰返し荷重の振幅が変化した場合、その変化した振幅が一定の期間において、疲労損傷度Ｄ_iを算出し、期間ごとの疲労損傷度Ｄ_iを積算し積算疲労損傷度を算出する（ΣＤ_i）。そして、このときの温度上昇量ΔＴ_stpに基づき破断負荷繰返し数Ｎ_fpを求める。式（６）の破断負荷繰返し数Ｎ_fをＮ_fpに、疲労損傷度Ｄを積算疲労損傷度ΣＤ_ｉに置き換えることにより、このときの振幅の繰返し荷重が継続する場合の疲労余寿命を算出する。

１０，１２ 装置、１４ 伝達軸、１６ 伝達軸温度センサ、１８ 周辺温度センサ、２０ 情報処理装置、２２ 演算装置、２４ 記憶装置、ΔＴ_st 温度上昇量、Ｎ_f 破断負荷繰返し数、ｎ 負荷繰返し数、Ｄ 疲労損傷度。

Claims (2)

1. 所定周波数の繰返し荷重が加わる対象物の温度を検出する対象物温度検出装置と、
   対象物周辺の温度を検出する周辺温度検出装置と、
   前記繰返し荷重が加えられた回数である負荷繰返し数を計数する負荷繰返し数計数装置と、
   前記対象物周辺の温度に対する前記対象物の温度の差分が略一定となる定常状態における前記差分である温度上昇量と、前記負荷繰返し数とに基づき疲労余寿命を算出する情報処理装置と、
   を備え、
   前記情報処理装置は、
   前記温度上昇量と、前記対象物の破断に至るまでの、繰返し荷重が加えられた回数である破断負荷繰返し数との関係をあらかじめ記憶し、
   前記繰返し荷重の振幅が一定の、ある期間において、前記対象物温度検出装置により検出された対象物の温度と、周辺温度検出装置により検出された対象物の周辺温度とから、前記温度上昇量を算出し、
   前記ある期間に関し、算出された前記温度上昇量に、前記温度上昇量と前記破断負荷繰返し数のあらかじめ記憶された前記関係を適用して、前記破断負荷繰返し数を算出し、
   前記負荷繰返し計数装置により計数された、前記ある期間内の前記負荷繰返し数を前記破断負荷繰返し数で除して、前記ある期間の疲労損傷度を算出し、
   複数の期間ごとの前記疲労損傷度を積算して、積算疲労損傷度を算出し、
   現在の前記温度上昇量に基づき算出された前記破断負荷繰返し数と、前記積算疲労損傷度とから疲労余寿命を算出する、
   ように構成されている、
   疲労余寿命特定装置。
2. ある期間において、所定周波数で振幅が一定の繰返し荷重が加えられている対象物の、周辺温度に対する差分が略一定となる定常状態における前記差分である温度上昇量を取得するステップと、
   前記ある期間において、前記繰返し荷重が加えられた回数である負荷繰返し数を計数するステップと、
   前記ある期間に関し、取得された前記温度上昇量に、前記温度上昇量と、前記対象物の破断に至るまでの繰返し荷重が加えられた回数である破断負荷繰返し数とのあらかじめ記憶された関係を適用して、前記破断負荷繰返し数を算出するステップと、
   計数された前記負荷繰返し数を前記破断負荷繰返し数で除して、前記ある期間の疲労損傷度を算出するステップと、
   複数の期間ごとの前記疲労損傷度を積算して、積算疲労損傷度を算出するステップと、
   現在の前記温度上昇量に基づき算出された前記破断負荷繰返し数と、前記積算疲労損傷度とから疲労余寿命を算出するステップと、
   を含む、疲労余寿命特定方法。
   

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