JPWO2009153881A1 - ボルト螺合部の応力測定方法および装置 - Google Patents

ボルト螺合部の応力測定方法および装置 Download PDF

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Abstract

ボルトに特別な加工を施すことなく、簡単な構造で、ボルト螺合部の応力を、容易に、しかも高精度で測定しうるようにした方法および装置を提供する。支持体１に設けた雌ねじ孔２に、ボルト４の軸部４ａの先端部に設けた雄ねじ部４ｃを螺合するとともに、ボルト４における軸部４ａの基端部に設けた拡径頭部４ｂと支持体１との間に、スラスト転がり軸受１１と、このスラスト転がり軸受１１と当接する拡径フランジ６ｂの裏面に歪みセンサ７を貼着した受圧体６とを挟んで、ボルト４を締め付け、そのときの歪みセンサ７により検出した受圧体６の拡径フランジ６ｂの歪みに基づいて、ボルト４の螺合部の内部応力を測定する。

Description

本発明は、ボルト螺合部の応力測定方法および装置に関する。
ボルトを用いた締結手段は、橋梁、鉄塔、建築物等の建造物、並びに大型および小型の機械製品等、多くの分野において広く用いられており、そのいずれの場合においても、いかなる原因によっても、ボルトの緩みや脱落が生じないことが必要である。
そのため、特にボルトの緩みが問題となる分野においては、ボルトの締め付け力を一定以上に保持するべく、種々の対策が講じられている。
例えば、表示手段により、ボルトの締め付けトルクが一定以上である旨を表示させるようにしたものや、ボルトの内部に歪みセンサを埋設し、ボルトの締め付け時の内部応力を直接表示させるようにしたもの(例えば特許文献１参照)、あるいはボルトの先端に荷重センサを設けたもの(例えば特許文献２参照)等がある。
特開２００４−２８６５５１号公報 特開２００７−２４０２０５号公報
しかし、ボルトの締め付けトルクを一定とするものにおいては、締め付けトルクを一定としても、螺合部への油の浸入や、ねじ部の変形等により、締め付け力が一定となるとは限らず、またボルトの内部に歪みセンサを埋設したり、ボルトの先端に荷重センサを設けたりしたものでは、ボルトへの歪みセンサや荷重センサの取付作業が面倒であり、製造コストが高くつく等の問題がある。
本発明は、従来の技術が有する上記のような問題点に鑑み、ボルトに特別な加工を施すことなく、簡単な構造で、ボルト螺合部の応力を、容易に、しかも高精度で表示もしくは測定しうるようにした方法および装置を提供することを目的としている。
本発明によると、上記課題は次のようにして解決される。
(１) ボルト螺合部の応力測定方法において、支持体に設けた雌ねじ孔に、ボルトの軸部の先端部に設けた雄ねじ部を螺合するとともに、前記ボルトにおける軸部の基端部に設けた拡径頭部と前記支持体との間に、スラスト転がり軸受と、このスラスト転がり軸受と当接する拡径フランジの裏面に歪みセンサを貼着した受圧体とを挟んで、前記ボルトを締め付け、そのときの前記歪みセンサにより検出した受圧体の拡径フランジの歪みに基づいて、前記ボルトの螺合部の内部応力を測定する。
このような方法によると、ボルトの締め付け時における歪みセンサの検出値に基づいて、ボルトの螺合部の内部応力を容易に、しかも高精度で測定し、かつ表示することができるとともに、ボルトに特別な加工を施すことなく、簡単な構造で測定することができる。
特に、ボルトの拡径頭部と受圧体との間にスラスト転がり軸受を介在させて、ボルトを締め付けるので、ボルトのトルクが、受圧体に作用するのを防止することができ、歪みセンサの精度を高めることができる。
既存設備に対しても、使用されているボルトを外し、そのボルトか、または別のボルトに、スラスト転がり軸受と受圧体とを嵌合して、締め付け直すことにより、容易に適用することができる。
また、ボルトの締め付け量を変化させつつ、その間の歪みセンサの検出値の変動を測定することにより、ボルトの螺合部の状態の変化や、破壊限界を知ることができる。
さらに、実際のボルト締め付け部分にスラスト転がり軸受および受圧体を装着して、測定状態を継続することにより、ボルト締め付け部分の状態を経時的に監視することができ、万一、ボルトに緩みや脱落が生じた場合には、そのことを即座に知ることができる。
(２) 上記(１)項において、支持体と受圧体との間に被締付体を挟んで、ボルトを締め付ける。
このようにすると、実際の使用状態とほぼ同様の状態で、ボルトの螺合部の内部応力を容易に、しかも正確に測定することができる。
(３) 上記(１)または(２)項において、支持体と受圧体との間にロードセルを挟んでボルトを締め付け、そのときの歪みセンサの検出値と、ロードセルの検出値とを比較する。
このようにすると、歪みセンサが正常に作動しているか否かや、その検出精度等を正確に知ることができる。
(４) 上記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、受圧体における拡径フランジの中央部に、スラスト転がり軸受から離れる方向に向かって漸次縮径するテーパー部を設け、このテーパー部の外周面に、歪みセンサを貼着するとともに、このテーパー部の内面を研削することにより、テーパー部の厚さを所望のものとする。
このようにすると、ボルトの締め付け時における受圧体の拡径フランジの歪みを、歪みセンサによって正確に捉えることができ、測定精度を高めることができるとともに、受圧体におけるテーパー部の内面を研削して、テーパー部の厚さを所望のものとすることにより、歪みセンサによる検出感度を所望のものに変更することができる。すなわち、テーパー部の厚さを小とすることにより、歪みセンサによる検出感度を高めることができる。
因みに、受圧体が、歪みセンサを貼着すべきテーパー部を有しない単なる筒状のものであって、この筒状部に歪みセンサが貼着されている場合には、切削加工等により、受圧体における歪みセンサ貼着部の厚さを簡単に変更させることはできない。
(５) 上記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、スラスト転がり軸受と、受圧体の拡径フランジとの間に、外径の異なるシムを介在させることにより、受圧体の拡径フランジにおける受圧範囲を変更し、もって歪みセンサによる検出感度を変更する。
このようにすると、シムを交換するだけで、歪みセンサによる検出感度を簡単に変更することができる。
すなわち、介在させるシムの外径を大とすることにより、ボルトの締め付け時における受圧体の拡径フランジの曲げモーメントが大となり、歪みセンサによる検出感度を高めることができる。
(６) ボルト螺合部の応力測定装置において、軸部の基端部に拡径頭部を有し、かつ軸部の先端部に設けた雄ねじ部を、支持体に設けた雌ねじ孔に螺合するようにしたボルトと、ボルトの拡径頭部と支持体との間において、ボルトの軸部に嵌合されたスラスト転がり軸受と、このスラスト転がり軸受と支持体との間において、ボルトの軸部に嵌合され、かつ前記スラスト転がり軸受と当接する拡径フランジの裏面に歪みセンサが貼着された受圧体と、前記歪みセンサに接続され、前記ボルトを締め付けたときの前記歪みセンサの検出出力を処理する信号処理手段とを備えるものとする。
このような構成とすると、上記(１)項におけるボルト螺合部の応力測定方法と同様の効果を奏することができる。
(７) 上記(６)項において、受圧体における拡径フランジの中央部に、スラスト転がり軸受から離れる方向に向かって漸次縮径するテーパー部を設け、このテーパー部の外周面に、歪みセンサを貼着する。
このような構成とすると、ボルトの締め付け時における受圧体の拡径フランジの歪みを、歪みセンサによって正確に捉えることができる。
(８) 上記(６)または(７)項において、支持体と受圧体との間に、ロードセルを介在させる。
このような構成とすると、歪みセンサが正常に作動しているか否かや、その検出精度等を正確に知ることができる。
(９) 上記(６)〜(８)項のいずれかにおいて、スラスト転がり軸受と、受圧体の拡径フランジとの間に、シムを介在させる。
このような構成とすると、請求項５記載の発明におけるのと同様に、シムを、外径の異なるものと交換するだけで、歪みセンサによる検出感度を簡単に変更することができる。
本発明によると、ボルトに特別な加工を施すことなく、簡単な構造で、ボルト螺合部の応力を、容易に、しかも高精度で表示もしくは測定しうるようにした方法および装置を提供することができる。
本発明の装置の第１の実施形態を示す中央縦断正面図と、その付属装置とを示す図である。 本発明の装置の第２の実施形態を示す中央縦断正面図である。 本発明の装置の第３の実施形態を示す中央縦断正面図である。 本発明の装置の第４の実施形態を示す中央縦断正面図と、その付属装置とを示す図である。
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の装置の第１の実施形態を示す。
１は、雌ねじ孔２が設けられた支持体、３は、支持体１にボルト４をもって締着される被締付体である。
具体的には、支持体１としては、例えば機械装置のケース本体や台座、その他、被締付体３がボルト４をもって締着固定されるあらゆるものが含まれる。被締付体３としては、例えば支持体１としての機械装置のケース本体に締着される蓋体、その他、支持体１にボルト４をもって締着されるあらゆるものが含まれる。
被締付体３には、ボルト４の軸部４ａを嵌合しうるボルト挿通孔５が設けられている。
ボルト４は、軸部４ａの基端部に拡径頭部４ｂを設け、かつ軸部４ａの先端部を、支持体１の雌ねじ孔２に螺合しうる雄ねじ部４ｃとしたものである。
６は、金属または硬質合成樹脂により形成された受圧体で、ボルト４の軸部４ａが嵌合しうる筒部６ａと、この筒部６ａの基端に外向きテーパー部６ｃを介して連設された拡径フランジ６ｂとからなり、拡径フランジ６ｂの周縁には、基端側を向く起立縁６ｄが設けられている。
前記テーパー部６ｃは、筒部６ａより約４５度の傾斜角度をもって、基端方向に漸次拡径している。
受圧体６のテーパー部６ｃの外周面には、複数の板状の歪みセンサ７が、円周方向に等間隔をもって貼着されている。各歪みセンサ７は、受圧体６のテーパー部６ｃの微小な歪みを電気信号として検出するもので、公知の歪みゲージを用いることができる。
各歪みセンサ７は、リード線８を介して、信号処理装置９に接続されている。
信号処理装置９は、各歪みセンサ７からの出力信号である電気信号を増幅したり、Ａ／Ｄ変換したりして、パソコンその他の情報処理装置１０において処理し易い信号に変換するものである。
情報処理装置１０は、信号処理装置９からの入力信号に基づいて、各歪みセンサ７により検出した受圧体６のテーパー部６ｃの歪みを、表示装置１０ａに表示したり、メモリー(図示略)に記録したりする機能を有している。
１１は、ボルト４の軸部４ａへ嵌合したスラスト転がり軸受で、玉軸受またはころ軸受とするのが好ましい。このスラスト転がり軸受１１の外径は、受圧体６の起立縁６ｄ内に嵌合しうるものとしてある。
次に、上記装置を用いて、実際にボルト螺合部の応力を測定する、本発明の方法の実施要領について説明する。
まず、支持体１に、被締付体３が既存のボルトをもって締着されている場合には、そのボルトを外し、そのボルトと同じ雄ねじ部４ｃを有する長寸のボルト４の軸部４ａに、スラスト転がり軸受１１と、受圧体６とを、受圧体６の起立縁６ｄ内にスラスト転がり軸受１１の一部が嵌合されるようにして、順次外嵌し、その状態で、ボルト４の軸部４ａを被締付体３のボルト挿通孔５に挿通するとともに、雄ねじ部４ｃを、支持体１の雌ねじ孔２に螺合する。
なお、ボルト螺合部自体の応力を測定する場合には、被締付体３を外しておいてもよい。
また、被締付体３の厚さが、スラスト転がり軸受１１の厚さと、受圧体６の厚さとの和に近い場合は、それまで締着していたボルト４を支持体１から一旦外し、そのボルトの軸部から被締付体３を外して、代わりにスラスト転がり軸受１１と受圧体６とを軸部に嵌合した状態で、ボルト４を再度支持体１の雌ねじ孔２に螺合するようにしてもよい。
ボルト４の雄ねじ部４ｃを支持体１の雌ねじ孔２に螺合することにより、ボルト４の拡径頭部４ｂと支持体１との間に、スラスト転がり軸受１１と受圧体６と被締付体３とが挟まれる。
この状態で、ボルト４を締め付けつつ、そのときの歪みセンサ７により検出した受圧体６の拡径フランジ６ｂ、特にそのテーパー部６ｃの歪み、およびその変動を、情報処理装置１０における表示装置に表示したり、メモリーに記録したりする。
このときに測定された受圧体６のテーパー部６ｃの歪みは、ボルト４の雄ねじ部４ｃと支持体１の雌ねじ孔２との螺合部の内部応力と対応するので、その螺合部の内部応力の大きさを知ることができる。
特に、ボルト４の拡径頭部４ｂと受圧体６との間に、スラスト転がり軸受１１を介在させて、ボルト４を締め付けるので、ボルト４のトルクが、受圧体６に作用するのを防止することができ、歪みセンサ７の精度を高めることができる。
また、ボルト４を所要トルクで締め付けたときの受圧体６のテーパー部６ｃの歪みを検出することにより、締め付けトルクとボルト螺合部の応力との関係を知ることができる。
例えば、ボルト４を所要トルクで締め付けたにも拘わらず、ボルト螺合部の応力が予め定めた値に達しないときは、例えば支持体１の雌ねじ孔２の変形、雌ねじ孔２への異物の混入等の何らかの異常があることを知ることができる。
さらに、このまま測定状態を継続することにより、ボルト締め付け部分の状態を経時的に監視することができ、万一、ボルト４に緩みや脱落が生じた場合には、そのことを即座に知ることができる。
次に、歪みセンサ７による検出感度を、所望のものに変更する方法について説明する。
その第１の方法は、図１に示す受圧体６のテーパー部６ｃの内面を、受圧体６をボルト４の軸部４ａに嵌合する前に、予め研削して、例えば図２に示すようにテーパー部６ｃの厚さを薄くする方法である。
このように、テーパー部６ｃの厚さを薄くすると、ボルト４の締め付け時に、テーパー部６ｃが弾性撓曲し易くなり、歪みセンサ７による検出感度を高めることができる。
第２の方法は、図３に示すように、スラスト転がり軸受１１と、受圧体６の拡径フランジ６ｂとの間に、外径の異なるシム１２、１３を介在させることにより、受圧体６の拡径フランジ６ｂにおける受圧範囲を変更し、もって歪みセンサ７による検出感度を変更する方法である。
すなわち、図３(ａ)に示すように、スラスト転がり軸受１１と受圧体６の拡径フランジ６ｂとの間に、大きな外径Ｒ１のシム１２を介在させると、受圧体６の拡径フランジ６ｂにおける受圧範囲、およびボルト４の締め付け時における受圧体６の拡径フランジ６ｂの曲げモーメントが大となり、拡径フランジ６ｂ、特にそのテーパー部６ｃが弾性撓曲し易くなり、歪みセンサ７による検出感度を高めることができる。
一方、図３(ｂ)に示すように、スラスト転がり軸受１１と受圧体６の拡径フランジ６ｂとの間に、小さな外径Ｒ２のシム１３を介在させると、受圧体６の拡径フランジ６ｂにおける受圧範囲、およびボルト４の締め付け時における受圧体６の拡径フランジ６ｂの曲げモーメントが小となり、拡径フランジ６ｂ、特にそのテーパー部６ｃが弾性撓曲し難くなり、歪みセンサ７による検出感度を下げることができる。
したがって、シム１２、１３を交換するだけで、歪みセンサ７による検出感度を簡単に変更することができる。
次に、歪みセンサ７が正常に作動しているか否かを検査する方法について説明する。
この方法は、図４に示すように、支持体１と受圧体６との間にロードセル１４を挟み、ロードセル１４と信号処理装置９とを、リード線１５をもって接続し、その状態でボルト４を締め付け、そのときの歪みセンサ７の検出値と、ロードセル１４の検出値とを比較する方法である。
なお、支持体１とロードセル１４との間に、被締付体３を介在させておいてもよい。
歪みセンサ７の検出値と、ロードセル１４の検出値とが常に同一か、またはその増減の比率が同一であるときは、歪みセンサ７が正常に作動しており、かつ検出精度が維持されていることを知ることができ、万一、それらの間に相違が生じたときは、歪みセンサ７、もしくはそれが貼着されている受圧体６、または装置全体に異常が生じていることを知ることができる。
ロードセル１４を含めた図４に示す装置は、歪みセンサ７、および装置全体の検査装置ということもできる。
以上から明らかなように、本発明のボルト螺合部の応力測定方法および装置によると、ボルトに特別な加工を施すことなく、簡単な構造で、ボルト螺合部の応力を、容易に、しかも高精度で測定することができる。
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、幾多の変形した態様での実施が可能である。
例えば、ボルト４の軸部４ａの外周面にも歪みセンサを貼着するとともに、ボルト４の拡径頭部４ｂを、トルクレンチをもって回転させ、そのときのボルト４の軸部４ａに発生するトルクと、歪みセンサ７(およびロードセル１４)により検出されるボルト螺合部の応力との関係を測定しうるようにしてもよい。
また、受圧体６のテーパー部６ｃの外周面の傾斜角度は、４５度に限るものではなく、例えば、その中心軸線に対して、６０度、またはその他の角度とすることができる。
さらに、ボルト４に代えて、スタッドボルトとナットとを用いることもできる。
本発明は、ボルトをもって被締付体を支持体に締着するあらゆるものに適用することができる。
例えば、基礎への構造物のボルト締め付け部分に適用した場合は、この部分に設けた歪みセンサーの検出値を長期に亘って監視することにより、耐久性を確認しうるとともに、地震発生時におけるボルト螺合部の応力の変動、それに基づくボルト折損等の異常を検出することができる。

Claims (9)

  1. 支持体に設けた雌ねじ孔に、ボルトの軸部の先端部に設けた雄ねじ部を螺合するとともに、前記ボルトにおける軸部の基端部に設けた拡径頭部と前記支持体との間に、スラスト転がり軸受と、このスラスト転がり軸受と当接する拡径フランジの裏面に歪みセンサを貼着した受圧体とを挟んで、前記ボルトを締め付け、そのときの前記歪みセンサにより検出した受圧体の拡径フランジの歪みに基づいて、前記ボルトの螺合部の内部応力を測定することを特徴とするボルト螺合部の応力測定方法。
  2. 支持体と受圧体との間に被締付体を挟んで、ボルトを締め付けることを特徴とする請求項１記載のボルト螺合部の応力測定方法。
  3. 支持体と受圧体との間にロードセルを挟んでボルトを締め付け、そのときの歪みセンサの検出値と、ロードセルの検出値とを比較することを特徴とする請求項１または２記載のボルト螺合部の応力測定方法。
  4. 受圧体における拡径フランジの中央部に、スラスト転がり軸受から離れる方向に向かって漸次縮径するテーパー部を設け、このテーパー部の外周面に、歪みセンサを貼着するとともに、このテーパー部の内面を研削することにより、テーパー部の厚さを所望のものとすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボルト螺合部の応力測定方法。
  5. スラスト転がり軸受と、受圧体の拡径フランジとの間に、外径の異なるシムを介在させることにより、受圧体の拡径フランジにおける受圧範囲を変更し、もって歪みセンサによる検出感度を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボルト螺合部の応力測定方法。
  6. 軸部の基端部に拡径頭部を有し、かつ軸部の先端部に設けた雄ねじ部を、支持体に設けた雌ねじ孔に螺合するようにしたボルトと、
    ボルトの拡径頭部と支持体との間において、ボルトの軸部に嵌合されたスラスト転がり軸受と、
    このスラスト転がり軸受と支持体との間において、ボルトの軸部に嵌合され、かつ前記スラスト転がり軸受と当接する拡径フランジの裏面に歪みセンサが貼着された受圧体と、
    前記歪みセンサに接続され、前記ボルトを締め付けたときの前記歪みセンサの検出出力を処理する信号処理手段
    とを備えることを特徴とするボルト螺合部の応力測定装置。
  7. 受圧体における拡径フランジの中央部に、スラスト転がり軸受から離れる方向に向かって漸次縮径するテーパー部を設け、このテーパー部の外周面に、歪みセンサを貼着したことを特徴とする請求項６記載のボルト螺合部の応力測定装置。
  8. 支持体と受圧体との間に、ロードセルを介在させたことを特徴とする請求項６または７記載のボルト螺合部の応力測定装置。
  9. スラスト転がり軸受と、受圧体の拡径フランジとの間に、シムを介在させたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のボルト螺合部の応力測定装置。
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