JPH05203513A - 超音波によるボルト軸力の測定法 - Google Patents
超音波によるボルト軸力の測定法Info
- Publication number
- JPH05203513A JPH05203513A JP3431592A JP3431592A JPH05203513A JP H05203513 A JPH05203513 A JP H05203513A JP 3431592 A JP3431592 A JP 3431592A JP 3431592 A JP3431592 A JP 3431592A JP H05203513 A JPH05203513 A JP H05203513A
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- Japan
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- measuring
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 締結前のボルトについて予め測定する必要が
なく、既に締結状態にあるボルトについてもそのままの
状態で軸力を測定することができる軸力測定方法を提供
する。 【構成】 締結状態で軸力が作用しているボルト１につ
いて、軸方向の縦波及び横波の超音波の伝播時間をそれ
ぞれ測定して、その縦波と横波の伝播時間の比を求め、
予め既知の軸力下で求めたボルト軸方向の縦波と横波の
伝播時間の比と軸方向の引張応力の関係から、未知のボ
ルト軸力を求める。
なく、既に締結状態にあるボルトについてもそのままの
状態で軸力を測定することができる軸力測定方法を提供
する。 【構成】 締結状態で軸力が作用しているボルト１につ
いて、軸方向の縦波及び横波の超音波の伝播時間をそれ
ぞれ測定して、その縦波と横波の伝播時間の比を求め、
予め既知の軸力下で求めたボルト軸方向の縦波と横波の
伝播時間の比と軸方向の引張応力の関係から、未知のボ
ルト軸力を求める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は締結したボルトの軸力を
測定する方法に関する。
測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄塔、橋梁、フランジ継手を有する配管
等、ボルト締結による結合部を有する構造物は多く、こ
の構造物の強度はボルト締め付けの信頼性と深く関係
し、構造物の強度を保つためには、締結したボルトの軸
力が正確に所定の値になるように管理する必要がある。
そのためには、締結ボルトに発生した軸力を簡単に且つ
正確に測定する必要がある。
等、ボルト締結による結合部を有する構造物は多く、こ
の構造物の強度はボルト締め付けの信頼性と深く関係
し、構造物の強度を保つためには、締結したボルトの軸
力が正確に所定の値になるように管理する必要がある。
そのためには、締結ボルトに発生した軸力を簡単に且つ
正確に測定する必要がある。
【０００３】従来のボルト締め付け力の管理法のうち、
最も簡単な方法は、一定のトルクで締め付けを行うトル
クコントロールレンチを用いる方法であるが、この方法
でたとえ一定のトルクで締め付けを行っても、締め付け
の際の摩擦力のため、実際にボルトにかかる軸力は摩擦
力の分だけ減殺され、摩擦力の変動により締め付け軸力
は大きく変動し、一定の軸力で締結することは不可能で
ある。
最も簡単な方法は、一定のトルクで締め付けを行うトル
クコントロールレンチを用いる方法であるが、この方法
でたとえ一定のトルクで締め付けを行っても、締め付け
の際の摩擦力のため、実際にボルトにかかる軸力は摩擦
力の分だけ減殺され、摩擦力の変動により締め付け軸力
は大きく変動し、一定の軸力で締結することは不可能で
ある。
【０００４】このため一定軸力で締結を行うためには、
締結ボルトの軸力を直接に測定する必要がある。従来の
締結ボルト軸力の直接測定法としては、締結時のボルト
の磁気歪を測定して軸力を求める方法及び超音波の伝播
時間を測定して軸力を求める方法が知られている。
締結ボルトの軸力を直接に測定する必要がある。従来の
締結ボルト軸力の直接測定法としては、締結時のボルト
の磁気歪を測定して軸力を求める方法及び超音波の伝播
時間を測定して軸力を求める方法が知られている。
【０００５】磁気歪による測定法は次のような原理に基
づくものである。ボルトを締結すると、ボルト軸部に軸
力（引張力）が作用すると同時に、ボルト頭部の端面近
傍には頭部周囲から中心に向かう圧縮応力が働く。圧縮
応力が働くと鉄損が変化するので、この鉄損の変化をボ
ルト頭部端面に磁気センサーを密着して測定することに
より検出する。即ちボルト締結前の鉄損（ＷO ）及び締
結時のボルト頭部の鉄損（Ｗ1 ）を測定して軸力Ｎを次
式により求めることができる。 Ｎ＝α（Ｗ1 −ＷO ） ここでαはボルトの材質、形状により定まる定数であ
る。
づくものである。ボルトを締結すると、ボルト軸部に軸
力（引張力）が作用すると同時に、ボルト頭部の端面近
傍には頭部周囲から中心に向かう圧縮応力が働く。圧縮
応力が働くと鉄損が変化するので、この鉄損の変化をボ
ルト頭部端面に磁気センサーを密着して測定することに
より検出する。即ちボルト締結前の鉄損（ＷO ）及び締
結時のボルト頭部の鉄損（Ｗ1 ）を測定して軸力Ｎを次
式により求めることができる。 Ｎ＝α（Ｗ1 −ＷO ） ここでαはボルトの材質、形状により定まる定数であ
る。
【０００６】一方従来の超音波を利用するボルト軸力測
定法は次の原理に基づくものである。ボルトに軸力（引
張応力）が作用するとボルトが弾性的に伸長する。更に
ボルト内部の引張応力の増加と共に、ボルト軸方向の音
波の伝播速度が遅くなるという音弾性効果を生じる。ボ
ルト頭部端面から縦波の超音波パルスを入射してボルト
先端で反射して頭部端面に戻ってくるまでの往復時間を
測定すると、上記のボルト全長の伸長と音の伝播速度低
下の相乗効果により、軸力作用時の往復時間が遅れる。
従ってこの超音波往復時間の測定により軸力を求めるこ
とができる。
定法は次の原理に基づくものである。ボルトに軸力（引
張応力）が作用するとボルトが弾性的に伸長する。更に
ボルト内部の引張応力の増加と共に、ボルト軸方向の音
波の伝播速度が遅くなるという音弾性効果を生じる。ボ
ルト頭部端面から縦波の超音波パルスを入射してボルト
先端で反射して頭部端面に戻ってくるまでの往復時間を
測定すると、上記のボルト全長の伸長と音の伝播速度低
下の相乗効果により、軸力作用時の往復時間が遅れる。
従ってこの超音波往復時間の測定により軸力を求めるこ
とができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のボルト軸力
の測定法のうち、前者の磁気歪を利用する測定法はボル
ト頭部の圧縮応力を正確に測定するためにボルト頭部端
面を特別に平滑に仕上げる必要があり、又測定誤差が大
きいという欠点がある。更にボルトに軸力が作用してい
ない状態での鉄損を予め測定しておく必要があるため、
締結状態のボルトのみからその軸力を求めることはでき
ない。
の測定法のうち、前者の磁気歪を利用する測定法はボル
ト頭部の圧縮応力を正確に測定するためにボルト頭部端
面を特別に平滑に仕上げる必要があり、又測定誤差が大
きいという欠点がある。更にボルトに軸力が作用してい
ない状態での鉄損を予め測定しておく必要があるため、
締結状態のボルトのみからその軸力を求めることはでき
ない。
【０００８】他方従来の縦波の超音波による軸力測定法
も、ボルトに軸力が作用していない状態での超音波の伝
播時間を予め測定しておく必要があり、既に締結状態に
あるボルトをそのままの状態でその軸力を求めることは
できないという問題がある。
も、ボルトに軸力が作用していない状態での超音波の伝
播時間を予め測定しておく必要があり、既に締結状態に
あるボルトをそのままの状態でその軸力を求めることは
できないという問題がある。
【０００９】従って、本発明は締結前のボルトについて
予め測定する必要がなく、既に締結状態にあるボルトに
ついてもそのままの状態で軸力を測定することができる
軸力測定方法を提供することを目的とする。
予め測定する必要がなく、既に締結状態にあるボルトに
ついてもそのままの状態で軸力を測定することができる
軸力測定方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、応力が作用する弾
性体に超音波を入射すると、応力の方向に伝わる縦波の
音速と横波（剪断波）の音速の比Ｒは応力により変化す
るため、軸力の作用するボルトに軸方向に縦波と横波の
２種の超音波を入射して、その伝播時間をそれぞれ測定
してその比を求めることにより、軸力無負荷時の状態に
ついて測定することなく、ボルトに作用する軸力を正確
に求めることができることを見出し、本発明を完成する
に至った。
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、応力が作用する弾
性体に超音波を入射すると、応力の方向に伝わる縦波の
音速と横波（剪断波）の音速の比Ｒは応力により変化す
るため、軸力の作用するボルトに軸方向に縦波と横波の
２種の超音波を入射して、その伝播時間をそれぞれ測定
してその比を求めることにより、軸力無負荷時の状態に
ついて測定することなく、ボルトに作用する軸力を正確
に求めることができることを見出し、本発明を完成する
に至った。
【００１１】即ち、超音波の伝播速度の変化によりボル
トに作用する軸力を測定する方法において、ボルトの軸
方向の縦波及び横波の超音波の伝播時間をそれぞれ測定
して、該縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の
軸力下で求めた該縦波と横波の伝播時間の比とボルト軸
方向の引張応力の関係から、未知のボルト軸力を求める
ことを特徴とする超音波によるボルト軸力の測定法を要
旨とする。
トに作用する軸力を測定する方法において、ボルトの軸
方向の縦波及び横波の超音波の伝播時間をそれぞれ測定
して、該縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の
軸力下で求めた該縦波と横波の伝播時間の比とボルト軸
方向の引張応力の関係から、未知のボルト軸力を求める
ことを特徴とする超音波によるボルト軸力の測定法を要
旨とする。
【００１２】本発明の軸力の測定法の原理は次の通りで
ある。１方向の応力が作用する弾性体において、その応
力主軸の方向に伝わる縦波の音速をＶL 、横波の音速を
ＶT とするとき、その縦波と横波の音速比Ｒは Ｒ＝ＶL ／ＶT ＝ＴT ／ＴL ＝Ｒ0 ＋Ｃσ （１） で表される。ここでＴT は横波の伝播時間、ＴL は縦波
の伝播時間、Ｒ0 はボルトの材質、形状及び製造方法に
より定まる定数、Ｃは音弾性定数、σは応力である。
ある。１方向の応力が作用する弾性体において、その応
力主軸の方向に伝わる縦波の音速をＶL 、横波の音速を
ＶT とするとき、その縦波と横波の音速比Ｒは Ｒ＝ＶL ／ＶT ＝ＴT ／ＴL ＝Ｒ0 ＋Ｃσ （１） で表される。ここでＴT は横波の伝播時間、ＴL は縦波
の伝播時間、Ｒ0 はボルトの材質、形状及び製造方法に
より定まる定数、Ｃは音弾性定数、σは応力である。
【００１３】従って予めＲ0 及びＣの値を実験的に求め
ておけば、軸力の作用するボルトについて、縦波と横波
の超音波の伝播時間ＴL 及びＴT を測定することによ
り、引張応力σを求め、これから軸力を求めることがで
きる。
ておけば、軸力の作用するボルトについて、縦波と横波
の超音波の伝播時間ＴL 及びＴT を測定することによ
り、引張応力σを求め、これから軸力を求めることがで
きる。
【００１４】
【実施例】次に本発明のボルト軸力の測定法を図面によ
り詳細に説明する。図１は本発明の測定法の一例の説明
図である。１は軸力を測定すべきボルトであり、ナット
２を締め付けることにより、２枚の被締結部材３を締結
する。４はシングアラウンド音速測定装置であり、その
音速測定装置４の超音波パルス発生、検出用の振動子兼
検知子５をボルト１の頭部６の端面７に密着して配設す
る。
り詳細に説明する。図１は本発明の測定法の一例の説明
図である。１は軸力を測定すべきボルトであり、ナット
２を締め付けることにより、２枚の被締結部材３を締結
する。４はシングアラウンド音速測定装置であり、その
音速測定装置４の超音波パルス発生、検出用の振動子兼
検知子５をボルト１の頭部６の端面７に密着して配設す
る。
【００１５】図１に示す実施例の場合は振動子兼検知子
５をボルト１の頭部端面７に配設したが、ボルト１の先
端面８に密着して配置してもよい。又上記実施例では超
音波パルス発生、検出用の振動子兼検知子５を用いた
が、超音波パルス発生用振動子と検知子を別個に設けて
もよい。この場合はボルト１の一端に振動子を、他端に
検知子を設けることもできる。
５をボルト１の頭部端面７に配設したが、ボルト１の先
端面８に密着して配置してもよい。又上記実施例では超
音波パルス発生、検出用の振動子兼検知子５を用いた
が、超音波パルス発生用振動子と検知子を別個に設けて
もよい。この場合はボルト１の一端に振動子を、他端に
検知子を設けることもできる。
【００１６】ボルト１及びナット２により被締結部材３
を締め付けた状態でその軸力を測定するには、ボルト１
の頭部端面７に縦波発生用の振動子兼検知子５を密着し
て、振動子兼検知子５より超音波パルスをボルト頭部端
面７より入射し、ボルト先端面８で反射して戻ってくる
反射波を同じ振動子兼検知子５で検知し、その間の超音
波の伝播時間ＴL を音速測定装置４で測定する。次に横
波発生用の振動子兼検知子５を用いて同様に反射波を検
知し、横波の超音波の伝播時間ＴT を測定する。
を締め付けた状態でその軸力を測定するには、ボルト１
の頭部端面７に縦波発生用の振動子兼検知子５を密着し
て、振動子兼検知子５より超音波パルスをボルト頭部端
面７より入射し、ボルト先端面８で反射して戻ってくる
反射波を同じ振動子兼検知子５で検知し、その間の超音
波の伝播時間ＴL を音速測定装置４で測定する。次に横
波発生用の振動子兼検知子５を用いて同様に反射波を検
知し、横波の超音波の伝播時間ＴT を測定する。
【００１７】一方予め上記定数Ｒ0 及びＣの値を定める
ために、図１においてボルト１の頭部６と被締結部材３
の間に抵抗線ひずみゲージを貼付し、直接軸力を測定し
て引張応力σを求め、その時の縦波と横波の超音波の伝
播時間ＴL 、ＴT を測定する。ボルト１の締め付け軸力
を変えて同様の測定を行なって、音速比Ｒを求め、図２
に示すように引張応力σと音速比Ｒの関係を示すグラフ
を作成する。図２は太さ３０mm、長さ２１０mmのボルト
について測定した結果である。
ために、図１においてボルト１の頭部６と被締結部材３
の間に抵抗線ひずみゲージを貼付し、直接軸力を測定し
て引張応力σを求め、その時の縦波と横波の超音波の伝
播時間ＴL 、ＴT を測定する。ボルト１の締め付け軸力
を変えて同様の測定を行なって、音速比Ｒを求め、図２
に示すように引張応力σと音速比Ｒの関係を示すグラフ
を作成する。図２は太さ３０mm、長さ２１０mmのボルト
について測定した結果である。
【００１８】前記の軸力未知のボルト１について測定し
た音速比Ｒをこれらのグラフに当てはめれば、直ちに引
張応力σが求まり、軸力を求めることができる。この際
ボルト１の軸力０のときの縦波及び横波の伝播時間
ＴL 、ＴT の測定値は必要としないから、既設のボルト
軸力の測定等のように、ボルト締め付け前の状態が不明
の場合でも、直接ボルトの軸力を求めることができる。
た音速比Ｒをこれらのグラフに当てはめれば、直ちに引
張応力σが求まり、軸力を求めることができる。この際
ボルト１の軸力０のときの縦波及び横波の伝播時間
ＴL 、ＴT の測定値は必要としないから、既設のボルト
軸力の測定等のように、ボルト締め付け前の状態が不明
の場合でも、直接ボルトの軸力を求めることができる。
【００１９】又このグラフを関数の形にしてコンピュー
タに記憶させておけば、上記測定値を入力することによ
り、自動的に軸力を算出することができる。本発明にお
ける音速測定装置４としては、上記パルス反射法による
シングアラウンド音速測定装置を用いる方法の他、公知
のあらゆる固体中の音速測定法を用いることができる。
タに記憶させておけば、上記測定値を入力することによ
り、自動的に軸力を算出することができる。本発明にお
ける音速測定装置４としては、上記パルス反射法による
シングアラウンド音速測定装置を用いる方法の他、公知
のあらゆる固体中の音速測定法を用いることができる。
【００２０】本発明の軸力測定法において、ボルトの全
長のうち引張応力の作用しているのは、ボルト頭部６基
部からナット２までの間のみであり、超音波の往復経路
の一部は引張応力が全く作用していない部分も含まれる
が、図２に示すグラフを作成する際の測定条件を、実際
に軸力を測定する際と同じ測定条件にしておけば、これ
らの影響は全く同じとなり、軸力の測定結果には全く影
響を与えず、正確な軸力を求めることができる。
長のうち引張応力の作用しているのは、ボルト頭部６基
部からナット２までの間のみであり、超音波の往復経路
の一部は引張応力が全く作用していない部分も含まれる
が、図２に示すグラフを作成する際の測定条件を、実際
に軸力を測定する際と同じ測定条件にしておけば、これ
らの影響は全く同じとなり、軸力の測定結果には全く影
響を与えず、正確な軸力を求めることができる。
【００２１】
【発明の効果】本発明のボルト軸力の測定法によれば、
極めて簡単且つ正確に締め付けボルトの軸力を測定する
ことができる。ボルトに軸力が作用していない状態での
測定値を必要としないので、既設の締結ボルトの軸力を
そのまま測定することができ、ボルトの締め付け前の状
態が不明の場合でも、直接ボルトの軸力を求めることが
できる。
極めて簡単且つ正確に締め付けボルトの軸力を測定する
ことができる。ボルトに軸力が作用していない状態での
測定値を必要としないので、既設の締結ボルトの軸力を
そのまま測定することができ、ボルトの締め付け前の状
態が不明の場合でも、直接ボルトの軸力を求めることが
できる。
【図１】本発明のボルト軸力の測定法の一例の説明図で
ある。
ある。
【図２】引張応力と縦波と横波の音速比Ｒの関係を示す
実験結果のグラフである。
実験結果のグラフである。
１ ボルト ２ ナット ３ 被締結部材 ４ 音速測定装置 ５ 振動子兼検知子 ６ 頭部 ７ 端面 ８ 先端面
Claims (2)
- 【請求項１】超音波の伝播速度の変化によりボルトに作
用する軸力を測定する方法において、ボルトの軸方向の
縦波及び横波の超音波の伝播時間をそれぞれ測定して、
該縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の軸力下
で求めた該縦波と横波の伝播時間の比とボルト軸方向の
引張応力の関係から、未知のボルト軸力を求めることを
特徴とする超音波によるボルト軸力の測定法。 - 【請求項２】該超音波の伝播時間の測定法がボルト頭部
端面またはボルト先端面より縦波及び横波の超音波パル
スを入射して、対向するボルト先端面又はボルト頭部端
面で反射して戻る超音波の往復時間を測定する測定法で
ある請求項１記載の超音波によるボルト軸力の測定法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3431592A JPH05203513A (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 超音波によるボルト軸力の測定法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3431592A JPH05203513A (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 超音波によるボルト軸力の測定法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05203513A true JPH05203513A (ja) | 1993-08-10 |
Family
ID=12410733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3431592A Pending JPH05203513A (ja) | 1992-01-23 | 1992-01-23 | 超音波によるボルト軸力の測定法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05203513A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7299138B2 (en) | 2004-12-21 | 2007-11-20 | Sennosuke Takahashi | Stress measurement method and its apparatus |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS527790A (en) * | 1975-07-09 | 1977-01-21 | Tokyo Keiki Co Ltd | Stress measuring equipment |
-
1992
- 1992-01-23 JP JP3431592A patent/JPH05203513A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS527790A (en) * | 1975-07-09 | 1977-01-21 | Tokyo Keiki Co Ltd | Stress measuring equipment |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7299138B2 (en) | 2004-12-21 | 2007-11-20 | Sennosuke Takahashi | Stress measurement method and its apparatus |
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