JPH03140846A - シャフトに発生した損傷検査方法及びその装置 - 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、シャフトに発生した損傷としての亀裂を検査
する方法及びその装置に係り、特に高温雰囲気のもとで
繰返し荷重あるいは変動荷重を受けるようなポンプのシ
ャフトの検査に関するものである。

［従来の技術］ 高温雰囲気のもとで繰返し荷重を受ける機械構造物とし
て発電プラント用高速ポンプ等がある。

このような高速ポンプは、起動、停止の繰返し、あるい
は、負荷の変動に伴いポンプを構成する機械構造物は、
熱疲労と単なる疲労損傷を同時に受ける結果、疲労と材
料の経年劣化に由来する損傷の累積により、部品に亀裂
が生じて構造強度が低下する。

このような場合、機械構造物としての強度的な余寿命評
価を行っておかないと、機器の破損や、それに伴う発電
プラントの大事故に至る危険性があるものと考えられる
。特に、高速ポンプのシャフトは構成上重要な位置にあ
り、強度上の余寿命評価を行うことが肝要である。その
ため、シャフトに損傷としての亀裂等が発生しているか
否か検査することが要請されている。

今日、機械構造物の検査を行う従来技術としては、種々
のものが提案され、実用に供されつつある。

例えば、特願昭５９−２６０７５９号公報のもの（第一
の従来技術と云う）は１発電設備の中で３− ボイラ、タービンにおける損傷評価技術として、クリー
プ疲労における部位の中の微視的な亀裂をＣＣＤカメラ
と画像処理を用いて、−度に広範囲なサンプリングを行
い、極値統計法から最大亀裂長さを予測するようにして
いる。

また、「材料強度研究における表面微小き裂検出への画
像処理技術」　（材料試験技術　Ｖ　ｏ　ｌ　。

Ｎｏ、１　１９８９年１月）（第二の従来技術と云う）
において、亀裂の進展、疲労の挙動状態を光学顕微鏡と
ＣＣＤカメラと画像処理装置で検出することが論じられ
ている。また、これを利用した非破壊検査法としては超
音波やＸ線フォトグラフと画像処理装置を組合わせた形
で行われているものもある。

さらに、一般的な非破壊検査法としては、検査者が金属
材料の表面の亀裂を目視で確認したり、染色探傷検査（
ＰＴ）、磁粉探傷検査（ＭＴ）等の検査方法が主とされ
、これらにより亀裂等の損傷の有無を判定するようにし
ている（第三の従来技術と云う）。染色探傷検査（ＰＴ
）は染色液− を被検査物であるシャフトの表面に吹き付け、そのシャ
フトの表面を拭き取ると、シャフトに亀裂が生じている
場合には、亀裂部分に入り込んだ染色液を確認できるこ
とにより、亀裂などの損傷を認識するものである。磁粉
探傷検査（ＭＴ）は、磁化させたシャフトに亀裂等の損
傷があると、その損傷部分に磁束の漏れが生じ、小さな
磁極ができることを利用したものであって、磁化させた
シャフトの損傷部分に磁粉をかけ、その磁粉が損傷部分
に吸着されたとき、その部分を見やすくするために蛍光
を当て、該蛍光により損傷部分が光って見えることによ
り、認識するものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の如く、発電設備の補機であるポンプのシャフトは
、新製品の出荷時あるいは定期点検時に亀裂等の損傷を
検査する必要がある。

しかし、第一、第二の従来技術のものでは実験室のよう
な小規模の程度のものにしか適用されておらず、そのた
め、径や長さとも小さなシャフトを対象としているばか
りでなく、極値統計法等を用いた推論で亀裂の余寿命を
判定しているので、実用に際して信頼性の問題がある。

しかもシャフトの損傷のデータ採取、データ処理や解析
に時間がかかるばかりでなく、定量的なデータ把握蓄積
が困難であると云う問題がある。

また、第三の従来技術のものでは染色探傷検査。

磁粉探傷検査であるため、これらは検査者の目で確認す
ることとなり、そのため、損傷の有無のみならず損傷の
程度を正確に判定することが難しく、例え熟練検査者で
あっても微小な損傷では正確に判定することが難しい問
題がある。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点に鑑み、実際に
用いるシャフトの損傷の度合いに基づいて余寿命を判定
し、またシャフトの損傷のデータを容易に管理でき、し
かも損傷の検査時間の短縮化を図ることができ、以て信
頼性の高い損傷評価や余寿命の判定を行うことができる
シャフトに発生した損傷検査方法を提供することにあり
、他の目的は上記方法を的確に実施できるシャフトに発
生した損傷検査装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明方法においては、位置
決めされたシャフトの検査部位に検査体を移動し、該検
査体によりシャフトの検査部位を拡大して撮像し、その
拡大撮像した検出信号を画像処理し、該画像処理された
データ基づきマイクロコンピュータがシャフトに損傷と
しての亀裂が発生しているか否かを判定し、かつ亀裂が
認識された場合、シャフトにおける亀裂の位置に基づい
て亀裂データを解析し、そのデータに基づいてシャフト
の予想余寿命を判定するようにしている。

また本発明装置においては、シャフトを軸周りに回転支
持し、かつ該シャフトの検査部位を位置決めし得る支持
手段と、シャフトの外表面の検査部位を拡大撮像する検
査体と、該検査体をシャフトの検査部位に移動させる移
動機構と、検査体の検査信号を演算して画像処理する画
像処理部と、画像処理されたデータに基づいてシャフト
の外表面に損傷としての亀裂が発生しているか否かを判
定し、亀裂を認識した場合、シャフトにおける亀裂デー
タを解析し、そのデータに基づいてシャフトの予想余寿
命を判定し得るマイクロコンピュータとを備えているこ
とに特徴を有する。

［作用］ 本発明方法では、前述の如く、位置決めされたシャフト
の検査部位に検査体を移動し、該検査体によりシャツ１
−の検査部位を拡大して撮像し、その拡大撮像した検出
信号を画像処理し、該画像処理されたデータ基づいてマ
イクロコンピュータがシャフトに損傷としての亀裂が発
生しているか否かを判定し、亀裂が認識された場合にシ
ャフトにおける亀裂の位置に基づいて亀裂データを解析
し、そのデータに基づいてシャフトの予想余寿命を判定
するようにしたので、微小な亀裂からシャフトの予想余
寿命の判定まで自動的に行うことができる。

従って、マイクロコンピュータを使用するので、検査時
間を大幅に短縮させることができ、しかもデータ採取、
データ処理や解析を短時間で処理することができると共
に、それらの処理能力の増加を図ることも可能になり、
またこれらのデータを登録しておくことができるので、
定量的なデータの把握蓄積を容易に行うことができる。

加えて、実際のシャフトの損傷度合いに基づいて検査を
行うので、極値統計法のような推論で処理することがな
く、また熟練検査者を必要とせず、亀裂を正確に判定す
ることができるので、シャフトの余寿命を定量的にかつ
正確に診断することが可能となる。その結果、実機に対
応した信頼性の高い損傷評価や余寿命評価を行うことが
できる効果がある。

また、本発明装置では、前述の如く、シャフトを軸周り
に回転支持する支持手段と、シャフトの外表面の検査部
位を拡大撮像する検査体と、該検査体をシャフトの検査
部位に移動させる移動機構と、検査体の検査信号を演算
して画像処理する画像処理部と、画像処理されたデータ
に基づいてシャフトの外表面に亀裂が発生しているか否
かを認識し、亀裂を認識した場合にはシャフトにおける
亀裂の位置、最大亀裂長さ、シャフトに発生する亀裂の
頻度分布等を解析し、それらをデータとして格納するマ
イクロコンピュータとを備えているので、上記方法を的
確に実施できる効果がある。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図により説明す
る。第１図は本発明の損傷検査方法を実施するための損
傷検査装置の一実施例を示す全体説明図、第２図は制御
手段の処理内容を示す説明図、第３図はシャフトの検査
部位を拡大撮像した微小亀裂を示す説明図である。

本発明の損傷検査方法を実施するための実施例の損傷検
査装置は、大別すると、シャフト１用の支持手段２と、
検査体としての撮像カメラ９と、該撮像カメラ９を移動
させる移動機構と、画像処理部１６と、マイクロコンピ
ュータ１９とを備えて構成されている。

前記支持手段２は、第１図及び第２図に示すように、チ
ャック部３とセンタリング部４とステッピングモータ５
とが架台６に取付けられている。

ステッピングモータ５の出力軸が減速機７を介しチャッ
ク部３に連結され、駆動装置８によって駆動されるよう
にしている。そして、チャック部３によりシャフト１の
一端部をチャックもすると共に、その他端面の中央をセ
ンタリング部４により支持し、ステッピングモータ６で
チャック部３を駆動することにより、シャフト１を軸周
りに回転させ、シャフト１の任意の検査部位を所望位置
に位置決めするようにしている。

撮像カメラ９は、シャフト１の表面を撮像するものであ
って、例えばＣＯＤ素子等の固体撮像素子を組込んで構
成されたビデオカメラからなっており、そのレンズにシ
ャフト１を拡大視するために光学顕微鏡１０を取付けて
いる。そして、シャフト１が支持手段１によって位置決
めされたとき、その表面の所望部位を光学顕微鏡１０に
より拡大させ、撮像カメラ９により撮像するようにして
いる。光学顕微鏡１０の拡大率は予め適宜に選定されて
いるが、その都度決定されても良い。

また、前記移動機構は、第一の移動部を有している。該
第−の移動部は、駆動装置１１によって駆動されかつ前
記架台６上に設置されたステッピ１１− ングモータ１２と、その出力軸に連結され、かつ両端部
が保持部１３に保持されたスクリュー軸１４と、両保持
部１３．１３間にスクリュー軸１４と平行に取付けられ
たガイドレール１５とを具えている。ガイドレール１５
は撮像カメラ９を挿通しており、スクリュー軸１４は撮
像カメラ９に設けられたナツト（図示せず）と螺合して
いる。そして、ステッピングモータ１２が駆動されると
、スクリュー軸１４が軸周りに回転すると、撮像カメラ
９がガイドレール１５に沿って移動、即ち撮像カメラ９
がシャフト１の軸方向に移動するようにしている。また
、前記移動機構は図示していないが、撮像カメラ９をシ
ャフト１の軸方向と直交する方向、即ち垂直方向に移動
させる第二の移動部と、撮像カメラ９をシャフト１に対
しフォーカス方向に移動させる第三の移動部とを有して
いる。

従って、前記移動機構は、第一〜第三の移動部によりシ
ャフト１の表面の所望位置に撮像カメラ９を移動させる
ことができるようにしている。

前記画像処理部１６は撮像カメラ９の第一の出１２− 力価に接続され、撮像カメラ９によって撮像されたシャ
フト１表面のビデオ信号を横微分処理或いは２値化処理
することにより、後述するマイクロコンピュータ−９に
処理データを送るようにしている。

この場合、撮像カメラ９の第二の出力側にはビデオレコ
ーダー１＠及びビデオモニター１８が接続され、撮像カ
メラ９によって撮像されたシャツト１の所望位置をビデ
オレコーダー１ｇによって記録すると共に、ビデオモニ
ター１８により映し出すようにしている。

マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略称す）１９
は、画像処理部１６にインターフェース２０を介し接続
され、またそのインターフェース２０にインターフェー
ス２１を介しステッピングモータ用の駆動装置８及び１
１画像処理部１６が接続されている。そして、画像処理
部１６によって入力されたデータに基づきシャフト１の
周囲に亀裂があるか否かを判定する。

即ち、マイコン１９は第２図に示すように、入力処理部
３１によってステッピングモータ用の駆動装置８，１１
及び撮像カメラ９の移動手段の夫々に指令を送り、その
指令に従ってシャフト１が回転して位置決めされると共
に、撮像カメラ９が移動してシャフト１の検査部位を拡
大して撮像すると、その駐動装［８，１１からインター
フェース２１．２０を経て入力処理部３２にシャフト１
の位置データ及び撮像カメラ９の位置データが入力され
ると共に、撮像カメラ９から画像処理部１６、インター
フェース２０を経てシャフト１の撮像データが入力され
、それらのデータを入力時の計測データ３２としてメモ
リに格納し、そのデータに基づいて亀裂データを解析す
べく編集処理３３するようにしている。そのため、マイ
コン１９はシャフト１及び撮像カメラ９を所望位置に位
置決めし得るように駆動装置８及び駆動装置１１を制御
するようにしている。

前記編集処理３３においては、格納されたデータに基づ
きまずシャフト表面に亀裂があるか否かを判定し、その
結果、第１図に符号Ａで示すように、亀裂があることに
よって亀裂認識し、その亀裂のシャフト１上での位置及
び亀裂の大きさ等を読み取り、しかもその際同図及び第
３図に示すように、双方の亀裂ａ、ｂが互いに近接した
位置にある場合には一つの亀裂とみなすことにより亀裂
の合体処理を行い、さらにそのシャフト１の外表面の微
小亀裂分布の解析を行うようにしている。

前記亀裂の合体処理においては、双方の亀裂ａ。

ｂが略同方向に向いていて、かつ互いに予め定められた
基準値より短い距離で離れている場合等に、それらを一
つの亀裂とみなすようにしている。前記微小亀裂分布の
解析は、シャフト１の外表面において亀裂が周方向の表
面はもとより軸方向の表面の何れにあるのかを求める。

このようにして、亀裂認識９合体処理、＊小亀裂分布解
析を行った後、編集処理３３を実行する。

該編集処理３３過程においては、第１図に示すように、
検出された亀裂がその長さ毎にシャフト１の外表面にお
いてどの程度の頻度で存在するのかを判定し、即ちシャ
フトｌの外表面に発生した亀１５− 裂の頻度とその亀裂の長さとの関係から微小亀裂頻度分
布解析しくＢ）、さらに微小亀裂頻度分布と微小亀裂分
布との関係から最大亀裂長さを判定する（Ｃ）ようにす
る。そして、最大亀裂長さからその亀裂の予想される進
展度合いをマスターカーブにして表示する（Ｄ）と共に
、最大亀裂長さとシャフト１の余寿命との関係のパラメ
ータに基づいて演算することにより、そのシャフト１の
予想余寿命を判定する（Ｅ）ようにもしている。

さらに、マイコン１９は、最大亀裂長さを判定すると、
微小亀裂分布解析と微小亀裂頻度分布と最大亀裂長さと
を表示データ３４としてメモリに格納し、この表示デー
タ３４を表示処理部３５によって画像処理部１６に設け
られているモニター３６に写し出すと共に、プリンタ３
７によりプリントアウトするようにしている。

一方、編集処理３３においては、微小亀裂分布解析と微
小亀裂頻度分布と最大亀裂長さとを保存データ３８とし
てフロッピーディスク３９等にファイル処理し、またそ
れらのデータを送信データ６− ４０として予想余寿命判定プログラム４２に転送処理４
１するようにしている。

さらに、前記マイコン１９は、検査体９によるシャフト
ｌの検査部位の撮像時、その検査部位に生じた亀裂を明
確に識別できるようにするため、シャフト検査部位に対
し検査体９の焦点位置が若干ずれるように前記移動機構
の第三の移動部を制御するようにしている。

次に、損傷検査装置の動作に関連して本発明方法の一実
施例を述べる。

まず、マイコン１９により支持手段２を駆動し、シャフ
ト１を軸周りに回転させ、シャフト１の検査すべき部位
が撮像カメラ９と対応する位置に略位置するところで回
転を止めてシャフト１を位置決めし、その位置決めした
シャフト１の検査部位に対し撮像カメラ９を移動手段に
より移動させることにより、撮像カメラ９がシャフト１
の検査部位を拡大して撮像し、以下これを繰り返すこと
によりサンプリングされたシャフト１の外表面を全てに
わたり拡大して撮像する。

このとき、撮像カメラ９によりシャフト１の検査位置が
ビデオレコーダー１７に記録されると共に、ビデオモニ
ター１８に映し出される。

一方、画像処理部１６は、撮像カメラ９によってビデオ
信号が入力されると、そのビデオ信号に基づいて画像処
理した後、その画像処理データをマイコン１９に送る。

マイコン１９は画像処理データが入力されると、そのデ
ータからシャフト１に亀裂が発生しているか否かを判定
する。

その際、亀裂があると、マイコン１９は、駆動装置８，
１１からインターフェース２１．２０を経て入力処理部
３２にシャフト１の位置データ及び撮像カメラ９の位置
データが入力されると共に、撮像カメラ９から画像処理
部１６．インターフェース２０を経てシャフト１の撮像
データが入力され、その入力データに基づいて編集処理
３３する。

即ち、マイコン１９は、入力データに基づきシャフト１
に亀裂があるか否かを判定する。その結果、亀裂がある
場合には、第１図に示すように、亀裂認識する。

このとき、検査体９がシャフト１の検査部位に対し焦点
位置を若干ずらすので、シャフト１に亀裂が発生してい
る際にその亀裂が浮き出ることとなり、亀裂を明確に識
別することができ、マイコン１９による亀裂認識を確実
にかつ容易に行うことができる。。

また上記亀裂認識後、亀裂が互いに近距離にあることに
よってそれらを一つの亀裂として合体処理し、さらにそ
の合体処理に基づいてシャツｌ−１の外表面における微
小亀裂分布を解析する。

その後、亀裂長さとシャフト１の外表面における亀裂の
頻度との関係から微小亀裂頻度分布を求め（Ｂ）、次い
で最大亀裂長さを判定しくＣ）、予めメモリに入力され
た最大亀裂長さと余寿命との関係である微小亀裂進展の
マスターカーブ（Ｄ）からシャフト１の予想余寿命判定
を行う（Ｅ）。

このように、シャフト１に亀裂がある場合には、マイコ
ン１９を使用することにより、微小な亀裂からシャフト
１の余寿命評価まで自動的に行うので、従来例に比べる
と、検査時間を大幅に短縮さ１９− せることができ、しかもデータ採取、データ処理や解析
を短時間で処理することができ″ると共に、それらの処
理能力の増加を図ることも可能になり、また保存データ
３８によってデータを登録しておくことができるので、
定量的なデータの把握蓄積を容易に行うことができる。

加えて、実際のシャフトの損傷度合いに基づいて検査を
行うので、第、第二の従来技術に比べ、極値統計法のよ
うな推論で処理することがなく、また第三の従来技術に
比べ熟練検査者等を必要としないので、亀裂を正確に判
定することができ、シャフト１の予想余寿命を正確にか
つ定量的に判定することが可能となる。

実施例の損傷検査装置においては、シャフト１用の支持
手段２と、撮像カメラ９と、該撮像カメラ９を移動させ
る移動機構と、画像処理部１６と、マイクロコンピュー
タ１９とを備えて構成されているので、微小な亀裂から
そのシャフトの余寿命を確実に診断できる。

また移動機構が、検査体９をシャフト１の軸方２０− 向に沿って移動させる第一の移動部と、検査体９をシャ
フト１の軸方向と直交する方向に移動させる第二の移動
部と、検査体９をシャフト１の検査部位に対しフォーカ
ス方向に移動させる第三の移動部とを有しているので、
これら第一〜第三の移動部により、シャフト１の外表面
の所望位置に検査体９を容易に移動させることができ、
シャフト１全体に亘り確実に亀裂を検査することができ
る。

さらに、検査体９として、ビデオカメラで構成している
ので、特殊なものを使用する必要がなく、市販のもので
よいので、安価で容易に入手することができる。

なお図示実施例では、検査体９として、光学顕微鏡を取
付けたビデオカメラで構成した例を示したが、光学顕微
鏡の代わりとして例えばレーザ光を利用するレーザ顕微
鏡を用いると、レーザ光は直進性が良好であるため、シ
ャフト１の亀裂の奥深くまで照射することができ、その
ため、亀裂をより正確に認識することができることとな
る結果、シャフトの予想余寿命をより正確に判定するこ
とが可能となるばかりか、ビデオカメラの解像度が低下
するのを抑えることもできる。また図示実施例では、画
像処理部１６が検査体９からの撮像信号を取り込んで演
算するように構成した例を示したが、例えば画像処理部
１６にＸ線回折機能を持たせ、該Ｘ線回折部によって検
査体９の撮像信号からシャフト１の亀裂が発生する前の
時点での劣化状態を判定することが可能になり、亀裂が
発生しなくとも、シャフト１の劣化状態を確実に認識で
き、それだけ高度な検査内容にすることができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明方法によれば、極値統計法の
ような推論で処理することがなく、実際のシャフトの損
傷度合いに基づいて検査を行うことによってシャフトの
損傷を評価するので、また熟練検査者等を必要としない
ので、亀裂を正確に判定することができ、シャフトの予
想余寿命を正確にかつ定量的に判定することが可能とな
り、シャフトの損傷のデータを容易に管理でき、しかも
損傷の検査時間の短縮化を図ることができができる結果
、実機に対応した信頼性の高い損傷の評価や予想余寿命
の判定を行うことができる効果がある。

また本発明装置によれば、上記方法を的確に実施し得る
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の損傷検査方法を実施するための損傷検
査装置の一実施例を示す全体説明図、第２図は制御手段
の処理内容を示す説明図、第３図はシャフトの検査部位
を拡大撮像した微小亀裂を示す説明図である。 １・・・シャフト、２・・・支持手段、９・・・検査体
、１０・・・光学顕微鏡、１１〜１５・・・移動機構、
１６・・・画像処理部、１９・・・マイクロコンピュー
タ、Ａ・・・微小亀裂分布解析、Ｂ・・・微小亀裂頻度
分布、Ｃ・・・最大亀裂長さ判定、Ｅ・・・予想余寿命
判定。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、位置決めされたシャフトの検査部位に検査体を移動
   すると共に、該検査体によりシャフトの検査部位を拡大
   して撮像し、その拡大撮像した検出信号を画像処理し、
   該画像処理されたデータに基づきマイクロコンピュータ
   がシャフトに損傷としての亀裂が発生しているか否かを
   判定し、かつ亀裂が認識された場合、シャフトにおける
   亀裂の位置に基づいて亀裂データを解析し、そのデータ
   に基づいてシャフトの予想余寿命を判定するようにした
   ことを特徴とするシャフトに発生した損傷検査方法。 ２、請求項１において、前記検査体によるシャフトの撮
   像時、シャフトの検査部位に対し検査体の焦点位置を若
   干ずらすように位置決めすることを特徴とするシャフト
   に発生した損傷検査方法。 ３、シャフトを軸周りに回転支持しかつ該シャフトの検
   査部位を位置決めし得る支持手段と、シャフトの外表面
   の検査部位を拡大撮像する検査体と、該検査体をシャフ
   トの検査部位に移動させる移動機構と、検査体の検査信
   号を演算して画像処理する画像処理部と、画像処理され
   たデータに基づいてシャフトの外表面に損傷としての亀
   裂が発生しているか否かを判定し、亀裂を認識した場合
   、シャフトにおける亀裂の位置に基づいて亀裂データを
   解析し、そのデータに基づいてシャフトの予想余寿命を
   判定し得るマイクロコンピュータとを備えていることを
   特徴とするシャフトに発生した損傷の検査装置。 ４、請求項３において、前記移動機構は、検査体をシャ
   フトの軸方向に沿って移動させる第一の移動部と、検査
   体をシャフトの軸方向と直交する方向に移動させる第二
   の移動部と、検査体をシャフトの検査部位に対しフォー
   カス方向に移動させる第三の移動部とを有していること
   を特徴とするシャフトに発生した損傷の検査装置。 ５、請求項３において、前記検査体を、レンズに光学顕
   微鏡を取付けたビデオカメラで構成することを特徴とす
   るシャフトに発生した損傷の検査装置。 ６、請求項３において、前記検査体を、レンズにレーザ
   顕微鏡を取付けたビデオカメラで構成することを特徴と
   するシャフトに発生した損傷の検査装置。 ７、請求項３において、前記画像処理装置は、Ｘ線回折
   装置を有することを特徴とするシャフトに発生した損傷
   の検査装置。