JPH0754278B2 - ボルト軸力の測定法及び測定装置 - Google Patents
ボルト軸力の測定法及び測定装置Info
- Publication number
- JPH0754278B2 JPH0754278B2 JP25951290A JP25951290A JPH0754278B2 JP H0754278 B2 JPH0754278 B2 JP H0754278B2 JP 25951290 A JP25951290 A JP 25951290A JP 25951290 A JP25951290 A JP 25951290A JP H0754278 B2 JPH0754278 B2 JP H0754278B2
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- measuring
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Description
【発明の詳細な説明】 〔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及び装置
に関する。
に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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（W0）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。
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（W0）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−W0） ここでαはボルトの材質、形状により定まる定数であ
る。
る。
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。
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。
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。
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。
他法従来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。
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。
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、極めて簡単に
且つ正確に締結ボルトの軸力を求めうる軸力測定方法を
提供することを目的とする。
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、極めて簡単に
且つ正確に締結ボルトの軸力を求めうる軸力測定方法を
提供することを目的とする。
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、強磁性体に外部磁場を与えると、磁気弾性効果に
より、強く磁化されるほど磁場に平行な方向の音速が速
くなるが、この磁気弾性効果と上記音弾性効果を利用し
て、締結した状態で軸力（引張応力）が働いているボル
トに軸方向に沿って種々の外部磁場を与え、ボルト軸方
向の音速の変化を測定することにより、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。
結果、強磁性体に外部磁場を与えると、磁気弾性効果に
より、強く磁化されるほど磁場に平行な方向の音速が速
くなるが、この磁気弾性効果と上記音弾性効果を利用し
て、締結した状態で軸力（引張応力）が働いているボル
トに軸方向に沿って種々の外部磁場を与え、ボルト軸方
向の音速の変化を測定することにより、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。
即ち、超音波の伝播時間の変化により強磁性体よりなる
ボルトに作用する軸力を測定する方法において、ボルト
の軸方向に外部磁場を与え、該外部磁場を変化させたと
きのボルトを貫通する磁束密度の変化とボルトの軸方向
の音速の変化を測定して、予め既知の軸力下で求めた磁
束密度の変化と該音速の変化と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ボルト軸力の
測定法を要旨とする。
ボルトに作用する軸力を測定する方法において、ボルト
の軸方向に外部磁場を与え、該外部磁場を変化させたと
きのボルトを貫通する磁束密度の変化とボルトの軸方向
の音速の変化を測定して、予め既知の軸力下で求めた磁
束密度の変化と該音速の変化と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ボルト軸力の
測定法を要旨とする。
他の本発明は軸力を測定すべきボルトの両端を挟む直流
電磁石と、該ボルトの頭部の磁束密度を測定するフラッ
クスメータと、該ボルト軸力の測定法の頭部端面に超音
波パルスを入射し且つ該超音波のボルト先端部からの反
射波を検出する振動子兼検知子を備えた音速測定装置と
を備え有するボルト軸力の測定装置を要旨とする。
電磁石と、該ボルトの頭部の磁束密度を測定するフラッ
クスメータと、該ボルト軸力の測定法の頭部端面に超音
波パルスを入射し且つ該超音波のボルト先端部からの反
射波を検出する振動子兼検知子を備えた音速測定装置と
を備え有するボルト軸力の測定装置を要旨とする。
本発明の軸力の測定法の原理は次の通りである。磁束密
度０での超音波の音速をV0、磁束密度Ｂでの超音波の音
速をVB、磁束密度０での超音波の伝播時間をT0、磁束密
度Ｂでの超音波の伝播時間をTBとすると、磁束密度Ｂと
引張応力σの関係は、 で表される。
度０での超音波の音速をV0、磁束密度Ｂでの超音波の音
速をVB、磁束密度０での超音波の伝播時間をT0、磁束密
度Ｂでの超音波の伝播時間をTBとすると、磁束密度Ｂと
引張応力σの関係は、 で表される。
Ｆ（B,σ）は磁束密度Ｂと引張応力σの関数であり、あ
る磁場の変化を与えたときの、音速の変化は引張応力σ
のみによって定まる。関数Ｆ（B,σ）の形はボルトの材
質により異なるが、鋼の場合はその組成によらず略一定
である。また、（TB−T0）/T0はボルトの長さに無関係
であるから、関数Ｆ（B,σ）はボルトの長さに無関係で
ある。
る磁場の変化を与えたときの、音速の変化は引張応力σ
のみによって定まる。関数Ｆ（B,σ）の形はボルトの材
質により異なるが、鋼の場合はその組成によらず略一定
である。また、（TB−T0）/T0はボルトの長さに無関係
であるから、関数Ｆ（B,σ）はボルトの長さに無関係で
ある。
従って予め関数Ｆ（B,σ）の形を実験的に求めておけ
ば、磁場０のとき及び磁束密度Ｂを変えたときの伝播時
間Ｔの変化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。
ば、磁場０のとき及び磁束密度Ｂを変えたときの伝播時
間Ｔの変化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。
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。第１図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枚のフランジ（３）
を締結する。ボルト（１）の頭部（４）及び先端部
（５）を挟むように電磁石（６）を設ける。電磁石
（６）には直流電源（７）より直流を流す。（８）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
（８）の超音波パルス発生、検出用の振動子兼検知子
（９）をボルト（１）の頭部（４）の端面（10）に密着
して配設する。更にボルト頭部（４）或いはナット
（２）締結部にフラックスメータ（11）の検出器（12）
を取り付ける。（13）は電磁石（６）からボルト（１）
への磁気抵抗を低減するためのアタッチメントであっ
て、ボルト（１）の先端部（５）が平面状でないとき
は、先端部（５）と電磁石（６）が点接触に近い接触状
態となり、この部分の磁気抵抗が大きくなるが、この部
分にリング状または小カップ状の鉄製のアタッチメント
（13）を嵌合すれば、磁気抵抗を小さくすることができ
る。
明する。第１図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枚のフランジ（３）
を締結する。ボルト（１）の頭部（４）及び先端部
（５）を挟むように電磁石（６）を設ける。電磁石
（６）には直流電源（７）より直流を流す。（８）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
（８）の超音波パルス発生、検出用の振動子兼検知子
（９）をボルト（１）の頭部（４）の端面（10）に密着
して配設する。更にボルト頭部（４）或いはナット
（２）締結部にフラックスメータ（11）の検出器（12）
を取り付ける。（13）は電磁石（６）からボルト（１）
への磁気抵抗を低減するためのアタッチメントであっ
て、ボルト（１）の先端部（５）が平面状でないとき
は、先端部（５）と電磁石（６）が点接触に近い接触状
態となり、この部分の磁気抵抗が大きくなるが、この部
分にリング状または小カップ状の鉄製のアタッチメント
（13）を嵌合すれば、磁気抵抗を小さくすることができ
る。
ボルト（１）及びナット（２）によりフランジ（３）を
締め付けた状態でその軸力を測定するには、電磁石
（６）に直流電源（７）より直流電流を流し、フラック
スメータ（11）でボルト（１）頭部（４）を通る磁束密
度Ｂを測定する。次に音速測定装置（８）のの振動子兼
検知子（９）より超音波パルスをボルト頭部端面（10）
より入射し、ボルト（１）の先端部（５）で反射して戻
ってくる反射波を同じ振動子兼検知子（９）で検知し、
その間の超音波の伝播時間TBを音速測定装置（８）で測
定する。電磁石（６）に流す電流値を変えて同様の測定
を繰り返す。更に電磁石（６）に電流を流さず外部磁場
０の場合についても同様に伝播時間T0を測定する。
締め付けた状態でその軸力を測定するには、電磁石
（６）に直流電源（７）より直流電流を流し、フラック
スメータ（11）でボルト（１）頭部（４）を通る磁束密
度Ｂを測定する。次に音速測定装置（８）のの振動子兼
検知子（９）より超音波パルスをボルト頭部端面（10）
より入射し、ボルト（１）の先端部（５）で反射して戻
ってくる反射波を同じ振動子兼検知子（９）で検知し、
その間の超音波の伝播時間TBを音速測定装置（８）で測
定する。電磁石（６）に流す電流値を変えて同様の測定
を繰り返す。更に電磁石（６）に電流を流さず外部磁場
０の場合についても同様に伝播時間T0を測定する。
一方予め上記関数Ｆ（B,σ）の形を定めるために、第１
図においてボルト（１）の頭部（４）とフランジ（３）
の間に電気応力歪計を挿入し、直接軸力を測定して引張
応力σを求め、電磁石（６）に電流を流しその時の磁束
密度Ｂをフラックスメータ（11）により測定し、その時
の超音波の伝播時間Ｔを測定する。ボルト（１）の締め
付け軸力及び電磁石（６）の電流を変えて同様の測定を
行なって、第２図に示すような引張応力σをパラメータ
とした磁束密度の変化（Ｂ−B0）と伝播時間の変化（Δ
T/T0）の関係を示す標準曲線のグラフを作成しておく。
図においてボルト（１）の頭部（４）とフランジ（３）
の間に電気応力歪計を挿入し、直接軸力を測定して引張
応力σを求め、電磁石（６）に電流を流しその時の磁束
密度Ｂをフラックスメータ（11）により測定し、その時
の超音波の伝播時間Ｔを測定する。ボルト（１）の締め
付け軸力及び電磁石（６）の電流を変えて同様の測定を
行なって、第２図に示すような引張応力σをパラメータ
とした磁束密度の変化（Ｂ−B0）と伝播時間の変化（Δ
T/T0）の関係を示す標準曲線のグラフを作成しておく。
前記の軸力未知のボルト（１）について測定した磁束密
度Ｂの変化と伝播時間Ｔの変化の値をこのグラフに当て
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のときの伝播
時間Ｔ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。
度Ｂの変化と伝播時間Ｔの変化の値をこのグラフに当て
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のときの伝播
時間Ｔ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。
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。
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（８）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。
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。
本発明の軸力測定法において、鋼等の強磁性体製部材を
締結する場合には、電磁石（６）からボルトに入った磁
束のうち一部はボルトの外に漏れ出す虞があり、フラッ
クスメータ（11）により、ボルト頭部（４）で測定した
磁束が必ずしも全てボルト軸部を通らない場合もある。
又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（４）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かかって
いない部分も含まれるが、第２図に示す標準曲線のグラ
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。
締結する場合には、電磁石（６）からボルトに入った磁
束のうち一部はボルトの外に漏れ出す虞があり、フラッ
クスメータ（11）により、ボルト頭部（４）で測定した
磁束が必ずしも全てボルト軸部を通らない場合もある。
又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（４）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かかって
いない部分も含まれるが、第２図に示す標準曲線のグラ
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。
本発明のボルト軸力の測定法はボルトだけでなく、明ら
かに強磁性体製の棒状物の引張応力を測定する方法とし
ても利用することができるから、ボルト以外の棒状物の
引張応力の測定に用いる場合も本発明の範囲に含まれ
る。
かに強磁性体製の棒状物の引張応力を測定する方法とし
ても利用することができるから、ボルト以外の棒状物の
引張応力の測定に用いる場合も本発明の範囲に含まれ
る。
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。
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。
第１図は本発明のボルト軸力の測定法の一例の説明図、
第２図は引張応力と磁束密度変化と超音波伝播時間の変
化の関係を示す標準曲線のグラフである。 （１）……ボルト、（２）……ナット、 （３）……フランジ、（４）……頭部、 （５）……先端部、（６）……電磁石、 （７）……直流電源、（８）……音速測定装置、 （９）……振動子兼検知子、（10）……端面、 （11）……フラックスメータ、（12）……検出器、 （13）……アタッチメント。
第２図は引張応力と磁束密度変化と超音波伝播時間の変
化の関係を示す標準曲線のグラフである。 （１）……ボルト、（２）……ナット、 （３）……フランジ、（４）……頭部、 （５）……先端部、（６）……電磁石、 （７）……直流電源、（８）……音速測定装置、 （９）……振動子兼検知子、（10）……端面、 （11）……フラックスメータ、（12）……検出器、 （13）……アタッチメント。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山形 一雄 兵庫県尼崎市若王寺３丁目11番20号 関西 電力株式会社総合技術研究所内 (72)発明者 横山 計次 和歌山県橋本市紀見149―４ (56)参考文献 特開 平３−214033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−153135（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−211522（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−36542（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−151848（ＪＰ，Ｕ)
Claims (4)
- 【請求項１】超音波の伝播時間の変化により強磁性体よ
りなるボルトに作用する軸力を測定する方法において、
ボルトの軸方向に外部磁場を与え、該外部磁場を変化さ
せたときのボルトを貫通する磁束密度の変化とボルトの
軸方向の音速の変化を測定して、予め既知の軸力下で求
めた磁束密度の変化と該音速の変化と引張応力の関係か
ら、未知のボルト軸力を求めることを特徴とするボルト
軸力の測定法。 - 【請求項２】該音速がボルト軸方向の超音波の伝播速度
である請求項１項記載のボルト軸力の測定法。 - 【請求項３】該音速の測定法がボルト頭部端面より超音
波パルスを入射して、ボルト先端部で反射して戻る超音
波の往復時間を測定する音速測定法である請求項１記載
のボルト軸力の測定法。 - 【請求項４】軸力を測定すべきボルトの両端を挟む直流
電磁石と、該ボルトの頭部の磁束密度を測定するフラッ
クスメータと、該ボルト軸力の測定法の頭部端面に超音
波パルスを入射し且つ該超音波のボルト先端部からの反
射波を検出する振動子兼検知子を備えた音速測定装置と
を備え有するボルト軸力の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25951290A JPH0754278B2 (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | ボルト軸力の測定法及び測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25951290A JPH0754278B2 (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | ボルト軸力の測定法及び測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04134230A JPH04134230A (ja) | 1992-05-08 |
| JPH0754278B2 true JPH0754278B2 (ja) | 1995-06-07 |
Family
ID=17335136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25951290A Expired - Lifetime JPH0754278B2 (ja) | 1990-09-27 | 1990-09-27 | ボルト軸力の測定法及び測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0754278B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112729622B (zh) * | 2020-12-17 | 2022-07-22 | 上海电气集团股份有限公司 | 一种应力无损检测方法、装置及设备 |
| CN113933393B (zh) * | 2021-10-16 | 2024-04-02 | 北京创程科技有限公司 | 一种基于电磁超声与3d相控阵的螺栓监测系统 |
-
1990
- 1990-09-27 JP JP25951290A patent/JPH0754278B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04134230A (ja) | 1992-05-08 |
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