JPH09269268A - 歪み波形解析によるボルト緩み検知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボルトの緩みを早期に、また正確にかつ信頼
性高く検知することができると共に、ボルトに対して特
殊な加工等を必要とせず、任意のボルトの緩み検出が可
能であり、汎用性に富み、かつ、ボルトの締め付け力等
を劣化させることがない歪み波形解析によるボルト緩み
検知方法を提供する。 【解決手段】 測定対象であるボルト１１の頭側面１１
ａに貼着された歪みゲージ１２から直交する２つの方向
の歪み波形データを測定し、２つの歪み波形データから
合成される歪み関数を算出した後に、歪み関数の相互相
関関数を導出し、更に、相互相関関数にフーリエ解析を
施し、周波数により変動するスペクトルを算出した後
に、スペクトルの挙動によりボルト１１の締め付け力を
判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルトにより固定
された橋梁や鉄筋構造物又は装置機器等において、ボル
トの締め付け状態をボルトに加わる振動に応答する歪み
波形の変化により検知する歪み波形解析によるボルト緩
み検知方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、橋梁や鉄筋構造物又は基礎に固定
された装置機器等の事故予防の観点からボルトの締め付
け状態を確認する作業がメンテナンス作業として頻繁に
行われている。しかしながら、ボルトの緩みは外観上は
変化が少なく、その検知には種々の工夫がなされてい
る。例えば、特開平６−３４４６４号公報には、マグ
ネシウム合金の締め付け状態の応力緩和を計測するに際
して、表面に歪みゲージを貼った高張力鋼ボルトで、被
締め付け材であるマグネシウム合金試験材を締め付け、
歪みゲージでマグネシウム合金の応力緩和挙動を計測す
ることにより、マグネシウム合金の応力緩和挙動を簡便
な方法で計測可能とし、さらに一度に多数の試験材の試
験と長時間の試験を、容易に、しかも安価に行うことが
できるボルト緩み試験方法が開示されている。

【０００３】また、特開平６−３３１４６８号公報に
は、所定の間隔でインパルスハンマーを落下させ、締結
ボルトの応答を加速度ピックアップで検出した後に、加
振信号と応答加速信号をＦＦＴアナライザで解析するこ
とにより、軌道レール締結装置における締結ボルトのゆ
るみを、迅速かつ正確に検出することのできる締結ボル
ト緩み検査方法が開示されている。更に、特開昭５９
−２００９５７号公報には、パルス波の定められた減衰
量とボルトから検出された衝撃応答振動の減衰量とを比
較し、それらが一致した時間の変化からボルトのゆるみ
の有無を検出することにより、ボルトのゆるみを精度よ
く検出するボルト緩み検出方法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のボルト緩み検知方法においては、未だ、以下の解決
すべき課題を有していた。すなわち、前記の特開平６
−３４４６４号公報に記載のボルト緩み試験方法では、
ボルトの軸部に歪みゲージを貼着させる必要があるた
め、歪みゲージからの配線を外部に導くために、ボルト
への穴加工が必要とされる。従って、特に多数のボルト
の緩みを検知する場合は作業性に劣ると共に、ボルト自
身の強度が若干低下することとなり、ボルトの信頼性に
欠けるという問題がある。また、被締結物のボルト穴は
歪みゲージを損傷しない程度の隙間が必要で、ばか穴と
しなければならないので、リーマボルト等は使用でき
ず、使用可能なボルトの種類が限定されるという問題が
ある。また、前記の特開平６−３３１４６８号公報に
記載の締結ボルト緩み検査方法では、ボルト頭部に衝撃
を与える必要があり、その衝撃力によりボルトが緩む危
険性があり信頼性に欠けると共に、衝撃力を加えるハン
マー等が配置できる空間を必要とし、緩みを検知できる
ボルト位置が限定される可能性があるという問題があ
る。更に、前記の特開昭５９−２００９５７号公報に
記載のボルト緩み検出方法では、前記の特開平６−３
３１４６８号公報に記載の締結ボルト緩み検査方法と同
様に、ボルトに衝撃力を加える必要があり、ボルトの締
め付けに対する信頼性に欠けると共に、適用できるボル
ト位置が限定され、汎用性に劣るという問題がある。更
に、パルス波の減衰は、ボルトの締め付け状態ばかりで
なくボルト自身の材質の経時変化にも影響されるので、
ボルトの緩みを正確に検出することができず信頼性に欠
けるという問題がある。

【０００５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、ボルトの緩みを早期に、また正確にかつ信頼性高く
検知することができると共に、ボルトに対して特殊な加
工を必要とせず、任意のボルトの緩み検出が可能であ
り、汎用性に富み、かつ、ボルトの締め付け力を劣化さ
せることがない歪み波形解析によるボルト緩み検知方法
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項１
記載の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法は、測定
対象であるボルトの頭側面に貼着された歪みゲージから
直交する２つの方向の歪み波形データを測定し、該２つ
の歪み波形データから合成される歪み関数を算出した後
に、該歪み関数の相互相関関数を導出し、更に、該相互
相関関数にフーリエ解析を施し、周波数により変動する
スペクトルを算出した後に、該スペクトルの挙動により
前記ボルトの締め付け力を判定する。請求項２記載の歪
み波形解析によるボルト緩み検知方法は、請求項１記載
の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法において、前
記歪み波形データが、前記ボルトの軸方向と該軸方向と
直交する円周方向の歪みの波形データである。請求項３
記載の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法は、請求
項１又は２記載の歪み波形解析によるボルト緩み検知方
法において、前記スペクトルの最小強度の値の変動を所
定の周波数領域の間で観察し、該最小強度の値が小さく
なるにつれ、前記ボルトの前記締め付け力が低下すると
判定する。請求項４記載の歪み波形解析によるボルト緩
み検知方法は、請求項１又は２記載の歪み波形解析によ
るボルト緩み検知方法において、前記スペクトルを所定
の周波数領域の間で積分し、該スペクトルの積分値が小
さくなるにつれ、前記ボルトの前記締め付け力が低下す
ると判定する。請求項５記載の歪み波形解析によるボル
ト緩み検知方法は、請求項３又は４記載の歪み波形解析
によるボルト緩み検知方法において、前記周波数領域
が、１０〜３０Ｈｚの領域である。

【０００７】

【発明の実施の形態】続いて、添付した図面を参照しつ
つ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発
明の理解に供する。ここに、図１は本発明の一実施の形
態に係る歪み波形解析によるボルト緩み検知方法を適用
したボルト緩み検知装置の装置ブロック図、図２は測定
対象となるボルト１１の締め付け状態を表す要部正面
図、図３（ａ）及び（ｂ）は歪みゲージ１２を貼着した
ボルト１１の要部正面図である。図１に示すように、本
発明の一実施の形態に係る歪み波形解析によるボルト緩
み検知方法を適用したボルト緩み検知装置Ａにおいて
は、測定対象となるボルト１１の頭側面１１ａに、直交
する２方向の歪みを測定する歪みゲージ１２が貼着され
る。歪みゲージ１２とは歪みが加わって変形すると電気
抵抗値が変動する材料から構成され、歪みを電気特性の
変化として測定できるものをいう。測定する歪みの方向
は歪みゲージ１２の貼着方向により決定され、例えば、
図３（ａ）や（ｂ）に示すように、軸方向と径方向、又
は、それらをそれぞれ４５°回転させた方向等に配置さ
れる。歪み波形データは配線１３を介して動歪みアンプ
１４に転送され、動歪みアンプ１４で増幅される。増幅
された歪み波形データはＡ−Ｄコンバータ１５におい
て、アナログデータからデジタルデータに変換され、演
算装置１６に転送される。

【０００８】演算装置１６は、デジタル化された歪み波
形データを受け入れる入力インターフェース１７と、入
力された歪み波形データやその演算結果、さらに演算手
順を記述したプログラム等を格納する記憶装置１８と、
各種のデータや動作状況を表示するＣＲＴ等からなる表
示装置１９と、動作指令や設定条件等を入力するキーボ
ード２０と、歪み波形データの演算や、歪み関数、相互
相関関数の算出や、相互相関関数のフーリエ解析や、各
構成の制御を行う中央処理装置２１とを備えている。緩
み検知の対象となるボルト１１は橋梁や鉄筋構造物又は
各種の装置機器等に締め付けられるものである。ここで
は、締め付け力の変動による歪み波動の挙動を観察する
ため、疲労試験機にボルト１１を装着して繰り返し荷重
を加えた場合の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法
について説明する。図２はボルト１１を装着した疲労試
験機の要部正面図である。図２において、上下に対とな
るチャック２２に連結された固定治具２３間に、歪みゲ
ージ１２を貼着したボルト１１が挿入され、ボルト１１
はナット２４により固定治具２３間に締め付けられてい
る。ボルト１１の周囲には、ボルト１１の軸方向と疲労
試験機の加重方向又は除荷方向とを常に平行に維持する
補助部材２５が配置されている。

【０００９】以上のように構成されたボルト緩み検知装
置Ａを用いて、本発明の一実施の形態に係る歪み波形解
析によるボルト緩み検知方法について、図１〜図７を参
照して説明する。まず、上、下の固定治具２３に亘って
挿通され、一端部にナット２４が締め付けられて、疲労
試験機に固定されたボルト１１に、引っ張り及び圧縮の
繰り返し荷重を加える。繰り返し荷重は正弦波を用いる
が、正弦波に限定されるものではなく、橋梁や鉄筋構造
物又は各種の装置機器等に加わる振動を用いてもよい。
従って、実際のボルト緩み検知においては、測定対象で
あるボルトに改めて衝撃波や繰り返し荷重を加える必要
はなく、通常の使用状態で受ける振動に起因する歪み波
形データを解析すればよい。この繰り返し荷重に応答し
て、ボルト１１内に歪みが発生するが、歪みゲージ１２
を用いてこの歪みを測定し、歪み波形データとして出力
する。歪みゲージ１２では、直交する２つの方向の歪み
ε_x 、ε_y （なお、歪みε_x は、図２中、ｘ矢視するボ
ルト１１の軸方向の歪みであり、歪みε_y は、図２中、
ｙ矢視する前記軸方向と直交する径方向の歪みである）
を測定する。次に、演算装置１６を用いて、動歪みアン
プ１４で増幅され、Ａ−Ｄコンバータ１５でデジタル化
された２つの歪みε_x 、ε_y から歪み関数ｈ₁ （ｔ）、
ｈ₂（ｔ）を合成する。歪み関数ｈ₁ （ｔ）、ｈ
₂ （ｔ）は下記数１で定義される。

【００１０】

【数１】

【００１１】歪み波形データから導き出した歪み関数ｈ
₁ （ｔ）の例を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）
はボルト１１が緩んでない場合の歪み関数ｈ₁ （ｔ）の
値を示すグラフ、図４（ｂ）はボルト１１が緩んだ場合
の歪み関数ｈ₁ （ｔ）の値を示すグラフである。図４
（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ボルト１１が緩ん
でいない場合は、ボルト１１に加えられた正弦波と相似
の波形を得るが、ボルト１１が緩むと、歪み関数ｈ
₁ （ｔ）に周波数の短い波動が重畳され、明らかに波形
が変化することが判明する。次に、歪み関数ｈ
₁ （ｔ）、ｈ₂ （ｔ）から相互相関関数Ｒ₁₂（τ）を導
き出す。相互相関関数Ｒ₁₂（τ）は下記数２で定義され
る。

【００１２】

【数２】

【００１３】相互相関関数Ｒ₁₂（τ）は歪み関数ｈ
₁ （ｔ）、ｈ₂ （ｔ）の相関を提示するもので、時系列
に従って算出することにより、波形データとなる。更
に、歪み関数ｈ₁ （ｔ）、ｈ₂ （ｔ）から合成した相互
相関関数Ｒ₁₂（τ）をフーリエ解析する。フーリエ解析
とは、非常にゆるい条件を満足する周期関数が純調和振
動の重ね合わせとして表せることを用い、対象とする関
数を周波数の異なる調和振動に分解し、各周波数の調和
振動での強度分布を表示するスペクトルを提示する。相
互相関関数Ｒ₁₂（τ）にフーリエ解析を施したスペクト
ルの例を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。図５（ａ）は締
め付け力が締め付け限界の０．４倍の場合の相互相関関
数Ｒ₁₂（τ）のフーリエ解析を行ったスペクトルを示す
グラフ、図５（ｂ）は締め付け力が締め付け限界の０．
１４倍の場合の相互相関関数Ｒ₁₂（τ）のフーリエ解析
を行ったスペクトルを示すグラフである。図５（ａ）や
（ｂ）においては、歪み波形データの入力条件やフーリ
エ解析の条件を固定し、それぞれの解析においてスペク
トルの絶対値を比較できるように設定している。

【００１４】本発明の一実施の形態に係る歪み波形解析
によるボルト緩み検知方法においては、１０〜３０Ｈｚ
の周波数領域のスペクトルを観察するのが好ましい。周
波数領域が１０Ｈｚ未満や３０Ｈｚを越えた部分のスペ
クトルでは、ボルト１１の締め付け力の変動に対して適
切な変化が現れ難く、ボルト１１の緩みを検知し難いの
で好ましくない。図５（ａ）や（ｂ）から明らかなよう
に、ボルト１１の締め付け力を小さくするにつれ、スペ
クトルの強度が低減していることが判明する。従って、
締め付け力を表す指標として、所定の周波数領域（特
に、１０〜３０Ｈｚの間が好ましい）内における、最も
強度の小さいスペクトルの値（スペクトルの最小谷部の
値）を採用する。また、他の指標として所定の周波数領
域（やはり、１０〜３０Ｈｚの間が好ましい）におけ
る、スペクトルの積分値も検討する。

【００１５】図６はボルト１１の締め付け力比とスペク
トルの最小谷部の値の関係図、図７はボルト１１の締め
付け力比と所定の周波数領域におけるスペクトルの積分
値との関係図である。 図６において、横軸は最も強く
ボルト１１を締め付けた時の値を１とし、以下ボルト１
１の締め付け力を低下させて行った場合のボルト締め付
け力比を示す。縦軸は各ボルト締め付け力比におけるス
ペクトルの最も小さな値（最小谷部の値）を１０〜３０
Ｈｚの周波数領域内で測定しプロットしている。図６か
ら明らかなように、ボルト締め付け力比を０．１４〜１
の範囲で変動させると、スペクトルの最小谷部の値は
０．２〜１．０の範囲で漸増しており、変化率はボルト
締め付け力比が小さくなるにつれ、若干大きくなってい
る。最小谷部の値はボルト締め付け力比の全変動域に渡
って変化するので、ボルト１１の緩みの初期から略締め
付け力が消失する広い範囲において、緩みの検出が可能
となる。図７において、横軸は図６と同様にボルト締め
付け力比を表す。縦軸は１０〜３０Ｈｚの周波数領域で
スペクトルを積分した値Ａを最も締め付け力を大きくし
た場合の積分値Ａ₀ で規格化した値を示す。Ａ、Ａ₀ は
下記数３で定義される。

【００１６】

【数３】

【００１７】図７から明らかなように、ボルト締め付け
力比を０．１４〜０．５に変動させると、スペクトルの
積分値Ａ／Ａ₀ は０．７〜１．０の間を一様に増加す
る。従って、ボルト締め付け力の小さなボルト１１の緩
みの末期においては、スペクトルの積分値Ａの変動によ
り、緩みの程度を検知することができる。ボルト締め付
け力比が０．５を越えた場合は、図示してないが、積分
値Ａの増加は殆ど観察されず、ボルト締め付け力比の増
減に対応した積分値Ａの変化は観察されない。従って、
ボルト１１の緩みの初期においては、スペクトルの最小
谷部の値を緩み検知の指標として用いることが好まし
い。

【００１８】以上、本発明を、実施の形態を参照して説
明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載
の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記
載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の
形態や変容例も含むものである。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように請求項１
〜５記載の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法にお
いては、測定対象であるボルトの頭側面に貼着された歪
みゲージから直交する２つの方向の歪み波形データを測
定し、２つの歪み波形データから合成される歪み関数を
算出した後に、歪み関数の相互相関関数を導出し、更
に、相互相関関数にフーリエ解析を施し、周波数により
変動するスペクトルを算出した後に、スペクトルの挙動
によりボルトの締め付け力を判定するので、測定対象と
なるボルトに特別な加工を必要とせず、また、ボルト穴
に隙間等を要せず、リーマボルトでも使用が可能であ
り、準備作業が簡便で作業効率が高いと共に、測定可能
なボルトの種類が豊富で汎用性が高い。また、歪み波形
データ測定時に衝撃波等をボルトに加える必要がなく、
橋梁や鉄筋構造物又は装置機器等に自然に加わるノイズ
等の振動により、歪み波形データを測定できるので、ボ
ルト上方にハンマー等の打撃装置を配置する空間を必要
とせず、密閉された場所に位置するボルトでも緩みの検
知が可能であり、緩み検知可能範囲が広くなる。歪み波
形データを歪み関数に変換した後に、その相互相関関数
を求めフーリエ解析するので、ボルト自身の材質の変化
に余り影響されず、ボルトの締め付け状態の変化を的確
に検出でき、正確で信頼性の高いボルト緩みの検知が可
能となる。

【００２０】特に、請求項２記載の歪み波形解析による
ボルト緩み検知方法においては、歪み波形データが、ボ
ルトの軸方向と該軸方向に直交する方向の歪みの波形デ
ータであるので、ボルトの締め付け状態に起因する歪み
の変化を的確に反映し、正確なボルト緩みの検知が可能
であると共に、歪みゲージのボルトの頭側面への貼着が
簡便で、作業性に優れる。更に、請求項３記載の歪み波
形解析によるボルト緩み検知方法においては、スペクト
ルの最小強度の値の変動を所定の周波数領域の間で観察
し、最小強度の値が小さくなるにつれボルトの締め付け
力が低下すると判定するので、僅かな締め付け力の変化
においても、敏感にその変化を検出でき、初期のボルト
の緩みを的確に検知することができ、ボルト緩みの検知
精度を著しく向上させることができる。また、請求項４
記載の歪み波形解析による緩み検知方法においては、ス
ペクトルを所定の周波数領域の間で積分し、スペクトル
の積分値が小さくなるにつれ、ボルトの締め付け力が低
下すると判定するので、比較的末期の緩みが大きい時期
に積分値がボルトの緩みの程度に対応して変化するの
で、ボルトが大きく緩んでいる状態を的確に検知でき、
正確なボルトの緩み検知が可能となる。特に、請求項５
記載の歪み波形解析によるボルト緩み検知方法において
は、周波数領域が、１０〜３０Ｈｚの領域であるので、
ボルトの締め付け状態の変化に対応してスペクトルが変
化し、他の要因にあまり影響されないので、正確で信頼
性高くボルトの緩みを検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る歪み波形解析によ
るボルト緩み検知方法を適用したボルト緩み検知装置の
装置ブロック図である。

【図２】ボルトを装着した疲労試験機の要部正面図であ
る。

【図３】（ａ）歪みゲージを貼着したボルトの要部正面
図である。 （ｂ）他の位置に歪みゲージを貼着したボルトの要部正
面図である。

【図４】（ａ）ボルトが緩んでない場合の歪み関数ｈ₁
（ｔ）の値を示すグラフである。 （ｂ）ボルトが緩んだ場合の歪み関数ｈ₁ （ｔ）の値を
示すグラフである。

【図５】（ａ）締め付け力が締め付け限界の０．４倍の
場合の相互相関関数Ｒ₁₂（τ）のフーリエ解析を行った
スペクトルを示すグラフである。 （ｂ）締め付け力が締め付け限界の０．１４倍の場合の
相互相関関数Ｒ₁₂（τ）のフーリエ解析を行ったスペク
トルを示すグラフである。

【図６】ボルトの締め付け力比とスペクトルの最小谷部
の値との関係図である。

【図７】ボルトの締め付け力比と所定の周波数領域にお
けるスペクトルの積分値比との関係図である。

【符号の説明】

Ａ ボルト緩み検知装置 １１ ボルト １１ａ 頭側面 １２ 歪みゲー
ジ １３ 配線 １４ 動歪みア
ンプ １５ Ａ−Ｄコンバータ １６ 演算装置 １７ 入力インターフェース １８ 記憶装置 １９ 表示装置 ２０ キーボー
ド ２１ 中央処理装置 ２２ チャック ２３ 固定治具 ２４ ナット ２５ 補助部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浦島 親行 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１番１号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象であるボルトの頭側面に貼着さ
   れた歪みゲージから直交する２つの方向の歪み波形デー
   タを測定し、 該２つの歪み波形データから合成される歪み関数を算出
   した後に、該歪み関数の相互相関関数を導出し、 更に、該相互相関関数にフーリエ解析を施し、周波数に
   より変動するスペクトルを算出した後に、 該スペクトルの挙動により前記ボルトの締め付け力を判
   定することを特徴とする歪み波形解析によるボルト緩み
   検知方法。
2. 【請求項２】 前記歪み波形データが、前記ボルトの軸
   方向と該軸方向と直交する円周方向の歪みの波形データ
   であることを特徴とする請求項１記載の歪み波形解析に
   よるボルト緩み検知方法。
3. 【請求項３】 前記スペクトルの最小強度の値の変動を
   所定の周波数領域の間で観察し、該最小強度の値が小さ
   くなるにつれ、前記ボルトの前記締め付け力が低下する
   と判定することを特徴とする請求項１又は２記載の歪み
   波形解析によるボルト緩み検知方法。
4. 【請求項４】 前記スペクトルを所定の周波数領域の間
   で積分し、該スペクトルの積分値が小さくなるにつれ、
   前記ボルトの前記締め付け力が低下すると判定すること
   を特徴とする請求項１又は２記載の歪み波形解析による
   ボルト緩み検知方法。
5. 【請求項５】 前記周波数領域が、１０〜３０Ｈｚの領
   域であることを特徴とする請求項３又は４記載の歪み波
   形解析によるボルト緩み検知方法。