JPH0762636B2

JPH0762636B2 - 円柱材料の磁歪応力測定法

Info

Publication number: JPH0762636B2
Application number: JP15362288A
Authority: JP
Inventors: 有治的場; 禎明境
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1988-03-09
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH01308933A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、丸棒、パイプ等の円柱材料に対する非接触式
の磁歪応力測定法に関する。

［従来の技術］鋼管等に曲げ応力や軸方向の応力が作用している場合
に、それらの応力の分布状態を知るには、従来の場合、
例えばＸ線応力測定法が用いられている。このＸ線応力
測定法は、結晶の面間隔をｄとし、波長λのＸ線がその
面とθの角度で入射するとき、回折されたＸ線の方向も
θであるときは、ｎλ＝2dsinθ （ｎは正整数）の関係があるので、λのわかったＸ線によってθを測定
すれば、この式からｄを求めることができ、このｄの変
化からは応力を計算で求める測定方法である。

しかしながら、このＸ線応力測定法では、一点を測定す
るのに少なくとも１時間はかかり、しかも鋼管の場合、
円周方向に90゜ずつ少なくとも４点を測定する必要があ
るので、測定時間が大巾にかかり、また操作も煩雑なこ
とから多数の測定点を設けることは実際上困難であり、
したがって得られるデータ数も自ずと限られたものであ
った。

一方、一般的な構造物について、その材料をミクロ的に
見れば、決して均一なものではない。したがって、この
ような点計測によって得られた応力データが必ずしもそ
の構造物に働いている応力として評価できるとは限ら
ず、人的なあるいは経済的な判断を必要としていた。

そのため、Ｘ線応力測定法よりも一層簡便な磁歪応力測
定法を利用することが考えられる。

磁歪応力測定法は、円柱材料に荷重が作用すると透磁率
に異方性が生じ、荷重方向の透磁率が大きくなり、反対
に荷重方向と直角方向の透磁率が小さくなるので、両透
磁率の差を励磁コアと検出コアを持つ磁歪センサによっ
て検出することにより、主応力の方向および大きさを測
定する方法である。この測定法によると、一点の測定時
間が10〜100msecですみ、取扱いもきわめて便宜であ
る。

ところが、従来の磁歪応力測定法は、一般に磁歪センサ
を非測定面に接触させて行うものであるため、被測定面
の状態によって接触面における磁気抵抗が大きく異な
る。そのため、測定誤差が大きくなるという欠点があ
る。

そこで、非接触状態、すなわち磁歪センサを被測定面か
ら一定の距離に離した状態で測定するという考え方が出
てくるわけであるが、この場合は磁歪感度が低下するた
め、磁歪センサの設定にあたりきわめて微妙な調整が必
要であったりして、未だ実用化されていない。

［発明が解決しようとする課題］そこで本発明は、円柱材料に対する磁歪応力測定法を非
接触方式で実施できる装置を開発し、その測定装置を使
用して円柱材料の任意の断面位置における応力分布を高
精度に測定できる方法を提供することを目的としてい
る。

［課題を解決するための手段］本発明に係る円柱材料の磁歪応力測定法は、磁歪センサ
が円柱材料の外周面上または内周面上を一定の距離を保
ちながら非接触状態で相対移動する測定装置を使用し
て、円柱材料の任意の断面位置における前記磁歪センサ
の出力電圧を求め、さらに該出力電圧をsinカーブに近
似処理して、その位置の断面に作用する曲げ応力及び曲
げモーメントの作用方向を求めることを特徴とするもの
である。

［作用］一般に、円柱材料に第８図（ａ）のように曲げ荷重が働
いているときの応力分布は、材料力学的に考えると、同
図（ｂ）のように、sinカーブとなる。そして、曲げ荷
重のほかに軸荷重が加わると、このsinカーブは軸荷重
が引張りか、圧縮かによってその中立位置が上方向また
は下方向に移動する。第８図（ｂ）の場合は引張り荷重
が加わっている場合である。

このような円柱材料に対して、全周にわたり磁気異方性
すなわち磁歪を測定すれば、同様なsinカーブを得るこ
とができる。これを式で示すと、次のようにあらわすこ
とができる。

Ｖ＝Asin（θ＋ω）＋Ｂ …（１）但し、V:磁歪センサの出力電圧 A:振幅 B:オフセット量 θ：円柱材料の周角度 ω：位相ずれこの式中の振幅Ａは曲げ応力の大きさによって変化する
値であり、オフセット量Ｂは周角度θに無関係な応力、
すなわち軸方向応力によって変化する値と考えられる。
また、位相ずれωは測定開始点と材料力学中立軸との相
対位置関係を示すことになる。

このようにして得られた磁歪センサの出力電圧の線図
は、通常被測定材料の不均一性によるリップルを含んで
いるので、測定データの統計的処理を行い、これにより
リップル成分を平滑化して上記（１）式に近似させる。

例えば鋼管等の構造部材の円柱材料にモーメントが作用
し、曲げ応力が発生しているとき、その表面を磁歪セン
サで測定すると、磁歪センサの出力電圧にはその外力の
曲げモーメントによる曲げ応力のほかに、残留応力によ
る成分がランダムに含まれることになる。しかし、全周
にわたってその測定値を（１）式に示すようにsinカー
ブに近似することによって、周期性をもつ曲げ応力分布
とその方向（位相）、周期性をもたない軸方向応力成分
または残留応力成分とに分解・抽出することができる。
ここで、（１）式の振幅Ａは、円柱材料に作用する曲げ
応力（曲げモーメントによって発生する応力の最大値）
の値を意味し、当該材料の応力面での安全性を評価する
ために重要なパラメータとなる。また、同式の位相ω
は、当該材料に作用する曲げの方向（曲げモーメントの
作用方向）を判断するためのパラメータとなる。したが
って、（１）式の振幅Ａ及び位相ωの値を評価すること
によって当該円柱材料の安全性を評価することができ
る。

［実施例］以下、本発明を図により具体的に説明する。

第１図は鋼管等の円柱材料に対する非接触式の磁歪応力
測定法を示す説明図である。図において、１は円柱材
料、２は本発明による測定装置の磁歪センサで、円柱材
料１に対し垂直に、かつ、その外周面11から一定の高さ
ｈを保ちながら円周方向に移動するようになっている。

第２図（ａ）〜（ｅ）はこのようにして得られた磁歪セ
ンサ２の出力電圧の線図である。なお、各線図V_-20,V
_-10,V₀,V₊₁₀,V₊₂₀における応力値は、第３図に示すよう
に、鋼管１の一端を剛性壁３に固定し、他端を油圧シリ
ンダ４のロッド５に連結してこのロッド５を上または下
に移動させたときの鋼管１の最上点すなわち０゜の位置
に張り付けた歪ゲージ６による値である。磁歪センサ２
は歪ゲージ６の近傍において鋼管１の周りを一周させ
る。

第２図からわかるように、磁歪センサ２の出力電圧は鋼
管１の上半部および下半部の応力の符号に対応して同じ
符号を示し、また、その振幅値は応力値の大小に伴い変
化している。すなわち、この出力電圧は概ねsinカーブ
の傾向をあらわしており、また曲げ応力差による振幅の
変化をよくあらわしている。ただ、被測定材料の不均一
性によるリップルが多く認められるので、このリップル
成分を取り除く必要がある。そのためにはマイクロコピ
ュータ等を利用してデータの統計的処理を行う。例えば
上記測定データから１゜ごとのデータを抽出し、これを
最小二乗法により処理し、上記（１）式に近似させるこ
とによりリップル成分を平滑化する。

このようにして得られたsinカーブが第２図（ａ）〜
（ｅ）にそれぞれ付記した曲線A_-20,A_-10,A₀,A₊₁₀,A₊₂₀
である。

以上により、構造部材としての円柱材料１に実際に作用
している応力を全周にわたり連続的に高精度に測定する
ことができる。

なお、上記の磁歪センサ２と円柱材料１は相対運動でよ
いことはいうまでもないが、実際に使用されている円柱
材料について測定するには磁歪センサ２の方を移動させ
る場合が多いものと思われる。

次に、本発明方法の実施に使用する非接触式の測定装置
について第４図〜第７図により具体的に説明する。

第４図はこの測定装置の縦断側面図、第５図はその走行
装置の部分を示す正面図、第６図はその携行装置の部分
を示す正面図、第７図は第６図の平面図である。

これらの図に示すように、この測定装置10は、円柱材料
１の外周面11上を周回するように設置される走行装置12
と、この走行装置12に取り付けられ外周面11上を同行す
る携行装置13とから大別構成されている。

各部の構成において、走行装置12は、複数個のゴム製の
車輪14を持つ走行台車15と、走行台車15のフレーム151
にアリ溝152およびアリ161の係合により昇降自在に設け
られた昇降体16と、昇降体16を台車フレーム151に対し
て相対的な引上げ作用を行わしめるボルト、ナット等か
らなる押付け装置17と、昇降体16に回転自在に軸支され
た回転軸18と、回転軸18に取り付けられたチェーンホイ
ール19と円柱材料１の間に巻き掛けられた滑り止め付き
チェーン20と、伝動歯車機構21を介してチェーンホイー
ル19を駆動するためのエンコーダ22付きサーボモータ23
とから構成されている。

押付け装置17はスタッドボルト171を昇降体16の上端に
固定し、このボルト171の台車フレーム151より上方へ突
出させた先端にナット172をねじ込み、このナット172と
台車フレーム151の間に圧縮バネ173を介装してなるもの
である。

サーボモータ23は昇降体16に取り付けられ、減速機24を
介して伝動歯車機構21に連結されている。この伝動歯車
機構21は減速機24の出力軸241に取り付けられた小歯車2
11を回転軸18に取り付けられた大歯車212に噛み合せる
ことにより構成されている。回転軸18の両端は軸受181
を介して昇降体16に軸支されている。

回転軸18のチェーンホイール19に巻き掛けられる滑り止
め付きチェーン20は、通常のチェーンに滑り止め用のＬ
形ゴム板201を両側に取り付けてなるものである。そし
て、上記押付け装置17によって緊張されたチェーン20の
ゴム板201が円柱材料１の外周面11に密着し、走行装置1
2をその外周面11上に円柱材料１の半筒方向に車輪14で
もって押し付け保持する。また、第５図に示すように円
筒材料１のサイズが変る場合はそれに応じた長さの滑り
止め付きチェーン20を使用する。

次に、上記携行装置13は、第６図および第７図に詳細に
示されているように、磁歪センサ２を中心に垂直に保持
し複数個の車輪25を有する携行台車26と、携行台車26の
周りに設けられた方形状のフレーム27と、フレーム27の
長手方向の両側に第１の水平軸28により揺動自在に枢着
された連結アーム29と、携行台車26をフレーム27内で揺
動自在に枢支するとともに、第１の水平軸28に対して直
角方向に設けられた第２の水平軸30と、連結アーム29の
上部ブロック31をアリ溝321およびアリ311を介して昇降
自在に係合せしめる取付けガイド32と、この連結アーム
29を常に外周面11側へ付勢する圧縮バネ33とから構成さ
れている。

取付けガイド32は上記台車フレーム151の側面に取り付
けられている。また、圧縮バネ33は連結アーム29の上部
ブロック31と取付けガイド32の上板321の間に介装さ
れ、上板321を貫通する上部ブロック31上の棒312に嵌装
されている。携行台車26の車輪25は上記走行台車15の車
輪14と同様にゴム製となっている。

磁歪センサ２はその下端面が外周面11から一定の微小な
高さｈを保持するようにセットネジ34で携行台車26に固
定されている。

この測定装置10は、以上のように構成されているもので
あり、次にその動作を説明する。

まず、パイプあるいは丸棒の円柱材料１の外周面11上に
走行装置12をセットする。この場合において、押付け装
置17のナット172を圧縮バネ173の弾圧に抗してねじ込む
と台車フレーム151は円柱材料１側へ押し下げられ、反
対に昇降体16は引き上げられるので、この相対移動によ
って円柱材料１およびチェーンホイール19間に巻き掛け
られた滑り止め付きチェーン20を緊張する。この結果、
走行台車15はその車輪14でもって円柱材料１の外周面11
上にその半径方向に押し付けられ保持される。また、滑
り止め付きチェーン20のガム板201も円柱材料１の外周
面11に密着した状態に巻き付けられる。

一方、携行装置13は、上記の走行装置12の押付け作用に
伴い、携行台車26の車輪25を同様に円柱材料１の外周面
11上に密着させる。このときの押付け力は圧縮バネ33に
よって行われる。すなわち、圧縮バネ33は連結アーム29
を取付けガイド32に沿って外周面11側へ押し付け、連結
アーム29の下端に連結された携行台車26を上記のように
外周面11上に密着させる。しかも、携行台車26は、第１
の水平軸28により連結アーム29に枢支された方形のフレ
ーム27内で第１の水平軸28に対し直角方向に設けられた
第２の水平軸30により枢支されているので、フレーム27
は第１の水平軸28を中心とする外周面11に平行な方向の
傾きを自動調整し、携行台車26は第２の水平軸30を中心
とするこれと直角方向の傾きを自動調整する。さらに、
磁歪センサ２はこのように自動調整される携行台車26に
垂直に保持され、かつ外周面11から一定の高さｈに保持
されているので、その後の携行台車26の移動によってそ
の保持状態が変化することはない。

以上により、この測定作業の準備が完了するので、次
に、サーボモータ23を駆動し、走行装置12を円柱材料１
の周りに旋回せしめる。この場合において、回転軸18の
回転によりチェーンホイール19が回転すると、それに巻
き掛けられた滑り止め付きチェーン20は上述のように円
柱材料１の外周面11に密着しているため、そのゴム板20
1による摩擦力のために滑りを生じることはないので、
結局、チェーンホイール19がこの滑り止め付きチェーン
20を一種の撓みガイドとして円柱材料１の周りを遊星運
動することになる。したがって、走行装置12は円柱材料
１の外周面11に密着保持された状態でその周りを周回す
る。これに伴い、携行装置13も磁歪センサ２を上記の保
持関係を維持しつつ走行装置12と共に移動するので、外
周面11の磁歪応力測定を被接触式でしかも連続的に行
え、きわめて精度の高い測定データを得ることができ
る。

なお、主応力差の大きさは、磁歪センサ２の出力が最大
となる位置をエンコーダ22により検出することによりそ
の検出角度と出力値で求められる。

また、上記実施例では、円柱材料の外周面について説明
したが、本発明の基本原理から考えて内周面についても
同様に使用することができることは明白である。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、磁歪センサを円柱材料の
任意の断面位置において外周面上または内周面上を非接
触状態で相対移動させ一周させることにより、その断面
における応力分布を連続的なsinカーブとして得ること
ができるので、その円柱材料の応力測定を短時間に行う
ことができるとともに、その断面に実際に働いている応
力状態を高信頼度でもって高精度に測定することがで
き、その実用的価値はきわめて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定法を示す説明図、第２図（ａ）〜
（ｅ）は本発明の測定法により得られた磁歪センサの出
力電圧線図、第３図は鋼管についての試験方法を示す説
明図、第４図は本発明の測定法の実施に使用する測定装
置の一実施例を示す縦断側面図、第５図はその走行装置
の部分を示す正面図、第６図はその携行装置の部分を示
す側面図、第７図は第６図の平面図、第８図（ａ），
（ｂ）は円柱材料に曲げ応力が作用したときの説明図お
よびそのときの応力分布図である。１……円柱材料２……磁歪センサ 10……測定装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪センサが円柱材料の外周面上または内
周面上を一定の距離を保ちながら非接触状態で相対移動
する測定装置を使用して、円柱材料の任意の断面位置に
おける前記磁歪センサの出力電圧を求め、さらに該出力
電圧をsinカーブに近似処理して、その位置の断面に作
用する曲げ応力及び曲げモーメントの作用方向を求める
ことを特徴とする円柱材料の磁歪応力測定法。