JPH01308933A - 円柱材料の磁歪応力測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、丸棒、パイプ等の円柱材料に対する非接触式
の磁歪応力測定法に関する。

［従来の技術］ 鋼管等に曲げ応力や軸方向の応力が作用している場合に
、それらの応力の分布状態を知るには、従来の場合、例
えばＸ線応力測定法が用いられている。このＸ線応力測
定法は、結晶の面間隔をｄとし、波長λのＸ線がその面
とθの角度で入射するとき、回折されたＸ線の方向もθ
であるときは、ｎλ−２ｄ　ｓｉｎθ　（ｎは正整数）
の関係があるので、λのわかったＸ線によってθを測定
すれば、この式からｄを求めることができ、このｄの変
化から応力を計算で求める測定方法である。

しかしながら、このＸ線応力測定法では、−点を測定す
るのに少なくとも１時間はかかり、しかも鋼管の場合、
円周方向に９０°ずっ少なくとも４点を測定する必要が
あるので、測定時間が大巾にかかり、また操作も煩雑な
ことから多数のｎ１定点を設けることは実際上困難であ
り、したがって得られるデータ数も自ずと限られたもの
であった。

一方、一般的な構造物について、その材料をミクロ的に
見れば、決して均一なものではない。したがって、この
ような点計測によって得られた応力データが必ずしもそ
の構造物に働いている応力として評価できるとは限らず
、人的なあるいは経駿的な判断を必要としていた。

そのため、Ｘ線応力測定法よりも一層簡便な磁歪応力測
定法を利用することが考えられる。

磁歪応力測定法は、磁性材料に荷重が作用すると透磁率
に異方性が生じ、荷重方向の透磁率が大きくなり、反対
に荷重方向と直角方向の透磁率が小さくなるので、両透
磁率の差を励磁コアと検出コアを持つ磁歪センサによっ
て検出することにより、主応力の方向および大きさを測
定する方法である。この測定法によると、−点の測定時
間が１０〜１００　ｍ５ｅｃですみ、取扱いもきわめて
便宜である。

ところが、従来の磁歪応力測定法は、一般に磁歪センサ
を被測定面に接触させて行うものであるため、被７１Ｐ
１定面の状態によって接触面における磁気抵抗が大きく
異なる。そのため、測定誤差が大きくなるという欠点が
ある。

そこで、非接触状態、すなわち磁歪センサを被４１す定
面から一定の距離に離した状態で測定するという考え方
が出てくるわけであるが、この場合は磁歪感度が低下す
るため、磁歪センサの設定にあたりきわめて微妙な調整
が必要であったりして、未だ実用化されていない。

〔発明が解決しようとする課題］ そこで本発明は、円柱材料に対する磁歪応力測定法を非
接触方式で実施できる装置を開発し、その測定装置を使
用して円柱材料の円周方向の応力分布を高精度に測定で
きる方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る円柱材料の磁歪応力測定法は、磁歪センサ
が円柱材料の外周面上または内周面上を非接触状態で相
対移動する測定装置を使用し、該円柱材料の応力分布を
連続的にｓｉｎカーブで求めるものである。

〔作　用〕

一般に、円柱材料に第８図（ａ）のように曲げ荷重が働
いているときの応力分布は、材料力学的に考えると、同
図（ｂ）のように、ｓｉｎカーブとなる。そして、曲げ
荷重のほかに軸荷重が加わると、このｓｉｎカーブは軸
荷重が引張りか、圧縮かによってその中立位置が上方向
または下方向に移動する。第８図（ｂ）の場合は引張り
荷重が加わっている場合である。

このような円柱材料に対して、全周にわたり磁気異方性
すなわち磁歪を測定すれば、同様なｓｉｎカーブを得る
ことができる。これを式で示すと、次のようにあられす
ことができる。

Ｖ−Ａｓｌｎ（θ＋ω）十Ｂ　　　・・・（１）但し、
Ｖ；磁歪センサの出力電圧 Ａ：振幅 Ｂ：オフセット量 θ：円柱材料の周角度 ω：位相ずれ この式中の振幅Ａは曲げ応力の大きさによって変化する
値であり、オフセットｆｆ１Ｂは周角度θに無関係な応
力、すなわち軸方向応力によって変化する値と考えられ
る。また、位相ずれωは測定開始点と材料力学的中立軸
との相対位置関係を示すことになる。

このようにして得られた磁歪センサの出力電圧の線図は
、通常波Ｍ１定材料の不均一性によるリップルを含んで
いるので、測定データの統計的処理を行い、これにより
リップル成分を平滑化して上記（１）式に近似させる。

［実施例］ 以下、本発明を図により具体的に説明する。

第１図は鋼管等の円柱材料に対する非接触式の磁歪応力
測定法を示す説明図である。図において、１は円柱材料
、２は本発明による測定装置の磁歪センサで、円柱材料
１に対し垂直に、かつ、その外周面１１から一定の高さ
ｈを保ちながら円周方向に移動するようになっている。

第２図（ａ）〜（ｅ）はこのようにして得られた磁歪セ
ンサ２の出力電圧の線図である。なお、各線図ｖ　　　
、ｖ　　　、ｖ、ｖ　　　、ｖ　　　に−２０−１００
＋ＩＯ＋２０ おける応力値は、第３図に示すように、鋼管１の一端を
剛性壁３に固定し、他端を油圧シリンダ４のロッド５に
連結してこのロッド５を上または下に移動させたときの
鋼管１の最上点すなわち０゜の位置に張り付けた歪ゲー
ジ６による値である。

磁歪センサ２は歪ゲージ６の近傍において鋼管１の周り
を一周させる。

第２図かられかるように、磁歪センサ２の出力電圧は鋼
管１の上手部および下半部の応力の符号に対応して同じ
符号を示し、また、その振幅値は応力値の大小に伴い変
化している。すなわち、この出力電圧は概ねｓｉｎカー
ブの傾向をあられしており、また曲げ応力差による振幅
の変化をよくあられしている。ただ、被測定材料の不均
一性によるリップルが多く認められるので、このリップ
ル成分を取り除く必要がある。そのためにはマイクロコ
ンピュータ等を利用してデータの統計的処理を行う。例
えば上記測定データから１°ごとのデータを抽出し、こ
れを最小二乗法により処理し、上記（１）式に近似させ
ることによりリップル成分を平滑化する。

このようにして得られたｓｉｎカーブが第２図（ａ）〜
（ｅ）にそれぞれ付記した曲線Ａ−２０’Ａ　　　、Ａ
、Ａ　　　、Ａ　　　である。

−ｉｏ　　　　　ｏ　　　　　＋ｌＯ＋２０以上により
、構造部材としての円柱材料１に実際に作用している応
力を全周にわたり連続的に高精度に測定することができ
る。

なお、上記の磁歪センサ２と円柱材料１は相対運動でよ
いことはいうまでもないが、実際に使用されている円柱
材料について測定するには磁歪センサ２の方を移動させ
る場合が多いものと思われる。

次に、本発明方法の実施に使用する非接触式の４１１ｊ
定装置について第４図〜第７図により具体的に説明する
。

第４図はこの測定装置の縦断側面図、第５図はその走行
装置の部分を示す正面図、第６図はその携行装置の部分
を示す正面図、第７図は第６図の平面図である。

これらの図に示すように、この測定装置１０は、円柱材
料ｌの外周面１１上を周回するように設置される走行装
置１２と、この走行装置１２に取り付けられ外周面１１
上を同行する携行装置１３とから大別構成されている。

各部の構成において、走行装置１２は、複数個のゴム製
の車輪１４を持つ走行台車１５と、走行台車１５のフレ
ーム１５１にアリ溝１５２およびアリ１６１の係合によ
り昇降自在に設けられた昇降体１６と、昇降体１６を台
車フレーム１５１に対して相対的な引上げ作用を行わし
めるボルト、ナツト等からなる押付は装置１７と、昇降
体１６に回転自在に軸支された回転軸１８と、回転軸１
８に取り付けられたチェーンホイール１９と円柱材料１
の間に巻き掛けられた滑り止め付きチェーン２０と、伝
動歯車機構２１を介してチェーンホイール１９を駆動す
るためのエンコーダ２２付きサーボモータ２３とから構
成されている。

押付は装置１７はスタッドボルト１７１を昇降体１６の
上端に固定し、このボルト１７１の台車フレーム１５１
より上方へ突出させた先端にナツト１７２をねじ込み、
このナツト１７２と台車フレーム１５１の間に圧縮バネ
１７３を介装してなるものである。

サーボモータ２３は昇降体１６に取り付けられ、減速機
２４を介して伝動歯車機構２１に連結されている。この
伝動歯車機構２１は減速機２４の出力軸２４１に取り付
けられた小歯車２１１を回転軸１８に取り付けられた大
歯車２１２に噛み合せることにより構成されている。回
転軸１８の両端は軸受１８１を介して昇降体１６に軸支
されている。

回転軸１８のチェーンホイール１つに巻き掛けられる滑
り止め付きチェーン２０は、通常のチェーンに滑り止め
用のＬ形ゴム板２０１を両側に取り付けてなるものであ
る。そして、上記押付は装置１７によって緊張されたチ
ェーン２０のゴム板２０１が円筒材料１の外周面１１に
密着し、走行装置１２をその外周面１１上に円筒材料１
の半径方向に車輪１４でもって押し付は保持する。また
、第５図に示すように円筒材料１のサイズが変る場合は
それに応じた長さの滑り止め付きチェーン２０を使用す
る。

次に、上記携行装置１３は、第６図および第７図に詳細
に示されているように、磁歪センサ２を中心に垂直に保
持し複数個の車輪２５を有する携行台車２６と、携行台
車２６の周りに設けられた方形状のフレーム２７と、フ
レーム２７の長手方向の両側に第１の水平軸２８により
揺動自在に枢着された連結アーム２９と、携行台車２６
をフレーム２７内で揺動自在に枢支するとともに、第１
の水平軸２８に対して直角方向に設けられた第２の水平
軸３０と、連結アーム２９の上部ブロック３１をアリ溝
３２１およびアリ３１１を介して昇降自在に係合せしめ
る取付はガイド３２と、この連結アーム２９を常に外周
面１１側へ付勢する圧縮バネ３３とから構成されている
。

取付はガイド３２は上記台車フレーム１５１の側面に取
り付けられている。また、圧縮バネ３３は連結アーム２
つの上部ブロック３１と取付はガイド３２の上板３２１
の間に介装され、上板３２１を貫通する上部ブロック３
１上の棒３１２に嵌装されている。携行台車２６の車輪
２５は上記走行台車１５の車輪１４と同様にゴム製とな
っている。

磁歪センサ２はその下端面が外周面１１から一定の微小
な高さｈを保持するようにセットネジ３４で携行台車２
６に固定されている。

この測定装置１０は、以上のように構成されているもの
であり、次にその動作を説明する。

まず、パイプあるいは丸棒の円柱材料１の外周面１１上
に走行装置１２をセットする。この場合において、押付
は装置１７のナツト１７２を圧縮バネ１７３の弾圧に抗
してねじ込むと台車フレーム１５１は円柱材料１側へ押
し下げられ、反対に昇降体１６は引き上げられるので、
この相対移動によって円柱材料１およびチェーンホイー
ル１９間に巻き掛けられた滑り止め付きチェーン２０を
緊張する。この結果、走行台車１５はその車輪１４でも
って円柱材料１の外周面１１上にその半径方向に押し付
けられ保持される。また、滑り止め付きチェーン２０の
ゴム板２０１も円柱材料１の外周面１１に密着した状態
に巻き付けられる。

一方、携行装置１３は、上記の走行装置１２の押付は作
用に伴い、携行台車２６の車輪２５を同様に円柱材料１
の外周面１１上に密着させる。このときの押付は力は圧
縮バネ３３によって行われる。すなわち、圧縮バネ３３
は連結アーム２９を取付はガイド３２に沿って外周面１
１側へ押し付け、連結アーム２９の下端に連結された携
行台車２６を上記のように外周面１１上に密着させる。

しかも、携行台車２６は、第１の水平軸２８により連結
アーム２９に枢支された方形のフレーム２７内で第１の
水平軸２８に対し直角方向に設けられた第２の水平軸３
０により枢支されているので、フレーム２７は第１の水
平軸２８を中心とする外周面１１に平行な方向の傾きを
自動調整し、携行台車２６は第２の水平軸３ｏを中心と
するこれと直角方向の傾きを自動調整する。さらに、磁
歪センサ２はこのように自動調整される携行台車２６に
垂直に保持され、かつ外周面１１がら一定の高さｈに保
持されているので、その後の携行台車２６の移動よって
その保持状態が変化することはない。

以上により、この測定作業の準備が完了するので、次に
、サーボモータ２３を駆動し、走行装置１２を円柱材料
１の周りに旋回せしめる。この場合において、回転軸１
８の回転によりチェーンホイール１９が回転すると、そ
れに巻き掛けられた滑り止め付きチェーン２ｏは上述の
ように円柱材料１の外周面１１に密着しているため、そ
のゴム板２０１による摩擦力のために滑りを生じること
はないので、結局、チェーンホイール１９がこの滑り止
め付きチェーン２ｏを一種の撓みガイドとして円柱材料
１の周りを遊星運動することになる。

したがって、走行装置１２は円柱材料１の外周面１１に
密着保持された状態でその周りを周回する。

これに伴い、携行装置１３も磁歪センサ２を上記の保持
関係を維持しつつ走行装置１２と共に移動するので、外
周面１１の磁歪応力測定を被接触式でしかも連続的に行
え、きわめて精度の高い１ｉｌｌｌ定データを得ること
ができる。

なお、主応力差の大きさは、磁歪センサ２の出力が最大
となる位置をエンコーダ２２により検出することにより
その検出角度と出力値で求められる。

また、上記実施例では、円柱材料の外周面について説明
したが、本発明の基本原理から考えて内周面についても
同様に使用することができることは明白である。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、磁歪センサを円柱材料の
外周面上または内周面上で非接触状態に相対移動させ一
周させることにより、その円柱材料の応力分布を連続的
なｓｉｎカーブとして得ることができるので、応力ｎ１
定を短時間に行うことができるとともに、実際に働いて
いる応力状態を高信頼度でもって高精度に測定すること
ができ、その実用的価値はきわめて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定法を示す説明図、第２図（ａ）〜
（ｅ）は本発明の計１定法により得られた磁歪センサの
出力電圧線図、第３図は鋼管についての試験方法を示す
説明図、第４図は本発明の測定法の実施に使用する測定
装置の一実施例を示す縦断側面図、第５図はその走行装
置の部分を示す正面図、第６図はその携行装置の部分を
示す側面図、第７図は第６図の平面図、第８図（ａ）。 （ｂ）は円柱材料に曲げ応力か作用したときの説明図お
よびそのときの応力分布図である。 １・・・円柱材料 ２・・・磁歪センサ １０・・・測定装置 代理人　弁理士　　佐々木　宗　冶 第４図 １て１ 第５図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁歪センサが円柱材料の外周面上または内周面上を非接
   触状態で相対移動する測定装置を使用して、該円柱材料
   の円周方向の応力分布をｓｉｎカーブで近似して求める
   ことを特徴とする円柱材料の磁歪応力測定法。