JPH11512532A - 細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法 - Google Patents

細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法

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Abstract

(57)【要約】 無負荷状態の下で、そしてその時の温度において細長い部材に導入された幅方向及び長手方向の超音波の伝播時間と、実際の負荷状態の下でその細長い部材に導入された両タイプの超音波の伝播時間との差異を測定して、そして無負荷時の伝播時間測定値と実際の負荷状態における伝播時間測定値との間の、その細長い部材に発生するすべての温度差の影響を考慮に入れながら、伝播時間においてこれらの差異から、細長い部材の実際の負荷を計算することによって、細長い部材の軸線方向の荷重を決定する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法 本発明は超音波により細長い部材の軸線方向荷重を決定する方法に関している 。特に、本発明は、細長い部材の一端に長手方向及び幅方向から超音波が導入さ れ、この超音波の伝播時間が個々に測定される荷重決定方法に関している。この ような方法は米国特許ＮＯ．４，６０２，５１１に記載されている。この既知の 方法はその伝播速度の応力への依存性が長手方向超音波と幅方向超音波とで異な るという事実に基づいている。 上記の技術に関する問題は伝播時間が検知対象の温度変化により変化すること である。その伝播時間は伝播速度及び検知対象の長さが温度により変化するとい う事実により変化する。これは検知対象に作用する計算荷重における好ましから ざる温度関連の変動をもたらす。 これは特にねじ継手を組み立てる際の問題である。なぜなら、ねじの温度は生 産環境の中で大幅に変化するかもしれないからである。大量生産中に各ねじの温 度を測定することも非常に困難であり、ねじ締付けプロセス自体ねじ内に熱を発 生させる。 最近の研究は超音波伝播時間が検知対象の温度に依存していることに関して長 手方向の超音波と幅方向の超音波との間に差異があるということを立証している 。幅方向の超音波の伝播時間は長手方向の超音波よりも温度変化により大きく影 響され、これに対して逆に、長手方向 の超音波の伝播時間は幅方向の超音波の伝播時間よりも荷重の大きさにより大き く依存していることが分かってきている。 これは長手方向及び幅方向の超音波の伝播時間における測定変化が温度及び荷 重の変化を計算することができる情報を提供することを意味する。 本発明は、第二の検知段階において細長い部材の実際の荷重及び温度条件の下 で両タイプの超音波の伝播時間（ＴＯＦ）を測定することにより、細長い部材の 無負荷時の長さを決定するため、細長い部材中に導入された長手方向及び幅方向 の超音波の伝播時間を第一の予備的無負荷時検知段階において測定し、無負荷状 態で測定さた導入超音波の伝播時間（ＴＯＦ）と実際の荷重及び温度状態で測定 された伝播時間（ＴＯＦ）とを比較し、そして実際の荷重状態と無負荷状態との 温度差の補償のもとで実際の荷重の大きさを計算することにより、細長い部材の 実際の荷重を決定する方法により構成されている。 本発明の方法の実際の適用においては、幅方向及び長手方向超音波は細長い部 材の一端の表面に永久に取り付けられているタイプの超音波トランスジューサに より細長い部材に導入される。そのようなトランスジューサは米国特許ＮＯ．５ ，２０５，１７６に記載されている。 本発明の方法を実施するためには、細長い部材について次のような物理的デー タが必要である。 Ｔ0（Ｋ）：ＶL0及びＶS0が測定される任意の温度で あり、およそ室温にセットされるべきである。 ＶL0（m/s） ：温度Ｔ0における長手方向の超音波の速度 ＶS0（m/s） ：温度Ｔ0における幅方向（剪断）の超音波の速度 ＫST（s/km）：温度変化による幅方向の超音波に対する伝播時間の相対変化 ＫLT（s/Km）：温度変化による長手方向の超音波に対する伝播時間の相対変化 ＫSL（s/Nm）：引張荷重の変化による幅方向の超音波 に対する伝播時間の相対変化 ＫLL（s/Nm）：引張荷重の変化による長手方向の超音 波に対する伝播時間の相対変化 上記のデータは、例えばねじ継手の用途におけるねじの材料物性及び幾何学的 形状（面積）に依存するので、各用途ごとに集められなければならない。 次のデータが締付け時に測定される。 ｔS0（ｓ）：幅方向の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ） ｔL0（ｓ）：長手方向の超音波の無負荷時伝播時間（ＴＯＦ） ｔSL（ｓ）：幅超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ） ｔLL（ｓ）：長手方向の超音波の負荷時伝播時間（ＴＯＦ） そして、これらのデータから次のものを計算すること ができる。 ΔＴ（Ｋ）：無負荷時におけるＴ0との温度差 ΔＴL（Ｋ）：負荷時におけるＴ0との温度差 Ｌ（Ｎ）：ファスナーにおける引張荷重 ｌ0（ｍ） ：Ｔ0における無負荷時のねじ長さ ねじ継手の締付けの初期の段階において無負荷測定が行われる。その情報から 次のようにしてねじの長さ（及び温度）を決定することが可能である。 入力：ＶL0 ＶS0 ＫST ＫLT ｔS0 ｔL0 Ｌ（＝０） 出力：ｌ0 ΔＴ 解： 無負荷ＴＯＦ（ｔS0及びｔL0）は温度補正ファクターを加えてＴ0における無 負荷ＴＯＦに等しくならなければならない 次にΔＴが（１）から抽出される。 （２）に（３）を代入すると、 次に（４）から ｌ0が抽出される。 もし実際の温度が必要であれば、それはＴ0＋ΔＴから得られる。ただし、Δ Ｔは（３）に（５）を代入して抽出される。 次の段階は長さ及びＴＯＦデータを使用してねじの実際の荷重を計算すること である。ねじの最初の長さが分かっているので、新しい温度補償を行い、それに より締付けによる熱の問題を取り除くことができる。 入力：ＶL0 ＶS0 ＫST ＫLT ＫSL ＫLL ｌ0 ｔSL ｔLL 出力：Ｌ ΔＴL 解： Ｔ0における無負荷測定値とのＴＯＦの差は負荷誘導変化と温度誘導変化に分 離することができる。したがって、次式が得られる。 （７）からΔＴが抽出される。 （８）に（９）を代入すれば、ねじの実際の荷重が抽出される。 本発明による方法はねじ締付けの用途に適しているが、それに限定されるもの ではない。それはまた、 ・温度変化の補償が重要であるすべてのタイプの超音波応力測定 ・−圧力容器 −原子力反応器 等のような安全装置における応力及び温度の同時監視 に有用である。 ねじ締付けの用途においては、上記の方法は締付け工程においてパワー・レン チを制御するために使用できる。ねじに幅方向及び長手方向の超音波を導入する ために使用される超音波トランスジューサはねじ締付け工具と連携した電子操作 制御ユニットに接続される。 上記のように本発明の実際的使用に当たって、ねじの一端の表面に永久に取り 付けられているタイプの超音波トランスジューサを使用することが望ましい。 代案として、この方法はすでに締め付けられているねじ継手における支配的荷 重の検知に使用してもよい。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．無負荷状態の下、その時の温度で細長い部材の一端において長手方向及び幅 方向から超音波を導入するステップ、 前記無負荷時の細長い部材を通過する前記長手方向及び幅方向にからの超音波 の伝播時間を個別に測定し、前記細長い部材の物理的データ及び前記長手方向及 び幅方向の超音波の伝播時間の測定値から前記細長い部材の公称長さを計算する ステップ、 実際の負荷状態の下で測定された前記伝播時間を前記無負荷状態の下で測定さ れた前記伝播時間と比較しながら、実際の負荷状態の下で、前記細長い部材に長 手方向及び幅方向超音波を導入するステップ、そして、 なる式により、前記無負荷測定の場合と実際の負荷測定の場合との間の、前記細 長い部材において発生する全ての温度差の影響を考慮に入れながら、超音波伝播 時間の差から前記細長い部材の実際の負荷を決定するステップ により構成される、物理的データが記録されている前記細長い部材の軸線方向 における荷重を決定する方法。（ただしＶL0は温度Ｔ0における長手方向の超音 波の速度である。 ＶS0は温度Ｔ0における幅方向（剪断）の超音波の速 度である。 ＫSTは温度変化による幅方向の超音波の伝播時間の相対変化である。 ＫLTは温度変化による長手方向の超音波の伝播時間の相対変化である。 ＫSLは引張荷重の変化による幅方向の超音波の伝播時間の相対変化である。 ＫLLは引張荷重の変化による長手方向の超音波の伝播時間の相対変化である。 ｔSLは実際の負荷状態における幅方向の超音波の伝播時間である。 ｔLLは実際の負荷状態における長手方向の超音波の伝播時間である。 ｌ0は温度Ｔ0での無負荷状態における細長い部材の長さである。） ２．前記幅方向及び長手方向の超音波は細長い部材の一端の表面に永久に取り付 けられている超音波トランスジューサにより前記細長い部材に導入されることを 特徴とする請求の範囲第１項に記載された方法。 ３．超音波トランスジューサは一方では前記幅方向及び長手方向の超音波を導入 するために前記ねじに結合し、他方では締付け中の前記ねじの実際の荷重を決定 するための手段を含むねじ締付け工具の電子操作制御ユニットに結合しているこ とを特徴とするねじ継手のねじの軸線方向の荷重を決定するための請求の範囲第 １項に記載さ れた方法。 ４．前記幅方向及び長手方向の超音波は前記ねじの一端の表面に永久に取り付け られている超音波トランスジューサにより前記ねじ中に導入されることを特徴と する請求の範囲第３項に記載された方法。 ５．前記長手方向及び幅方向の超音波は、前記長手方向及び幅方向からの超音波 の伝播時間を連続的にまたは繰り返して測定しながら、そして変化する温度にお いて前記細長い部材の実際の荷重における連続的にまたは、繰り返して発生する 変化を監視するため伝播時間測定値を、以前の伝播時間測定値と比較しながら、 継手の部分を形成する一つ以上の細長い部材中に、連続的してまたは繰り返して 導入されることを特徴とする請求の範囲第１項にまたは第２項に記載された方法 。
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