JPS61170656A - 超音波による固体表層面の表層欠陥検出方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波を利用して固体の表層面に発生した表
層欠陥を検出する方法に関するものである。

こ＼にいう固体の表層欠陥とは、いろいろな産業分野の
、例えば機械装置、建築構造等の装置ｒ構成する部品ま
たは部材が、使用中にその表層面に発生した欠陥であっ
て、固体間の静的および動的な接触によシその表層面に
発生した欠陥をいう。

また、本発明でいう固体とは、金属および非金属（ガラ
ス、セラミック、コンクリート、合成樹脂など）で、超
音波が伝搬され得る物体である。

さらに本発明は、特に、固体間の動的な接触音する表層
面、例えば歯車の吻合面、ころがり軸受の転勤面、すベ
シ軸受の摺動面、その他各種装置を構成する部品または
部材間の、動的な接触をする表層面に発生する欠陥全接
触状態のま＼で検出するのに好適なものである。

〔発明の背景〕

本発明の利用分野のうち、固体間の動的な接触面には、
前述のごとく代表的な例として、歯車の噛合面、ころが
シ軸受の転勤面などがある。これらの接触面は、通常、
装置の使用中に繰シ返し荷重を受け、接触応力が継続し
て繰シ返し作用し、一定の使用時間経過まで除々に材料
の疲労が進行するが、その部品の材料の疲れ限度を超え
、あるいはクリープ限度を超えると、急速に破損または
破壊に至る。このような場合に、部品の表層面に現われ
る欠陥現象は、ピッチング、フレーキング。

スポーリングなどが周知であるが、いずれもその発生時
期、程度１分布の状態２よび拡大状況等の検出が容易に
できず、従来からその発生および対策には各技術分野と
も苦慮しているのが実状である。

表面波による固体表面の探傷は、表面波の固体表面下に
おける減衰が大きく、また減衰は１表面に付着した油、
塵埃２表面粗さなどの表面状況に大きく左右され、例え
ば表面に油が付着していたシ、油手で触ると表面波の反
射波は完全に減衰し、反射波のエコーが出現しない問題
点？有している。

他方、固体表面近くの傷は、磁粉探傷などで検査ができ
るので、表面波を使用しなければならない必然性はなく
、前記問題点とともに現状では実用化されていないのが
実状である。

一方、ころがシ軸受の転勤面のように、外部から目視で
きない面九発生する欠陥については、所定の使用時間経
過後、分解・清掃の上、欠陥発生の有無、その程度およ
び分布状態を目視により検知する方法しかなく、特に大
形でその装置の重要部品となっているころがシ軸受など
の分解は、構造も複雑であり、要する時間、労力および
経費は計シ知れず大きいものとなる。ことに量産され数
量が多い場合には、その全数について検査することは極
めて困難であシ、欠陥発生の時期および欠陥発生後の進
行状態の把握は、全く不可能であった。

歯車の噛合面のように外部から目視可能な場合でも、そ
の装置の重要部品となっている歯車は、通常、潤滑油入
シの歯車箱内に組立てられており、構造も複雑で、上記
ころがシ軸受と同様の欠陥検、出土の問題点を有してい
る。

このため前記固体接触面における表層欠陥の有無等を、
外部から検出する方法は、該検出面を温度計で温度測定
し、その温度変化を観察して欠陥発生？検出するか、該
検出面を潤滑している潤滑油の成分、温度、混入物等の
性状変化を分析して欠陥発生を検出する方法が、現状で
実用されてい−る方法であシ、恢出面が接触状態のま＼
で表層欠陥の有無等を、外部から容易に、しかもリアル
タイムに検出できる方法はなく、その開発が待望さ１れ
ていた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記問題点を解消し、固体表層面の表層欠陥
発生の有無を、その程度および分布とともに被検出装ｆ
Ｉｊ！、を分解することなく外部から容易に、かつリア
ルタイムに検出でき、併せて表層欠陥発生の時期および
発生後の進行状態上検出できる、超音波による固体光層
面の表層欠陥検出方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、固体の外表面から、衣層欠陥を検出する内側
の検出面に向けて超音波を入射させ、ＡスコープのＣＲ
Ｔ上に、前記検出面におけるＦエコーを表示させ、Ｆエ
コーの位置および高さから前記検出面の表層欠陥を、被
検出装置を分解することなく容易に、かつリアルタイム
に検出する方法である。

〔発明の実施例〕

本発明の第１の実施例を第１図ないし第５図によシ説明
する。本実施例は、油圧ショベー、ルの下部走行体と上
部旋回体とを連結する旋回輪に関するものである。

第１図は、旋回輪の断面図および旋回輪の外輪の転勤面
を検出する検出装置を示す。図において１は外輪で、ｌ
ａはその外周面、　１ｂは内周面である。

１ｃは転勤面ＳＫグリースを補給するためにグリースを
溜めておく溝、　ｌｄはその供給用の穴である。

またｔ□は外周１ｉ１１ａからグリース＠　ｌ　ｃまで
の肉厚寸法、ｔ２は外周面１ａから内周面１ｂ″！での
肉厚寸法である。２は内輪で、内周には内歯歯車２ａが
形成されている。３はボール、４は転勤面ＳＫ塵埃など
の異物の侵入を防ぐとともに、グリースの流出を防止す
るダストクールである。５は外周面ｔａに当てられた垂
直探触子で、内周面１ｂ、転動面Ｓおよびグリース＠　
ｌ　ｃに向けて、垂直探触子５固有の指向角θで超音波
が入射される。６はパルス反射式超音波探傷装置（以下
超音波探傷器という）で、垂直探触子５と高周波ケーブ
ル７で接続されている。超音波探傷器６には、垂直探触
子５から供給される受信入力を縦軸とし、超音波の伝搬
時間を横軸にとったＡネコ−１表示のＣ几Ｔ６ａが設け
られている。

つぎに第１図の検出装置を使用し、外輪１の転勤面Ｓに
フレーキングが発生している場合の検出方法について、
第２図ないし第５図によシ説明する。図において第１図
と同じ符号のものは同じものを示す。図中、第２図およ
び第３図は、転動面Ｓに７レーキングその他表層欠陥が
発生していない状態における説明図である。旋回輪を使
用してまだ初期の段階では、潤滑条件もよく材料の疲労
も発生していないから、転勤面８には何等欠陥は無く健
全な状態を保っている。この状態で垂直探触子５を矢印
ハ、二の方向に走査しながら超音波を入射すると、肉厚
寸法ｔ□のグリース溝ＩＣを底面とする反射波８と、肉
厚寸法ｔ２の内周面ｔｂｔ”底面とする反射波９が得ら
れる。これら２つの底面からの反射波８および９は、送
信波１０とともに同時に、第３図に示すようにＣＲＴ６
ａ上にエコー表示される。すなわち、　ＣＲＴ６ａの原
点Ｏの位置に送信波１０の送信パルスＴが表示され、前
記肉厚寸法ｔ１に対応する位置に反射波８のＢ□エコー
が、また肉厚寸法ｔ２に対応する位置に反射波９のＢ２
エコーがそれぞれ表示される。この場合、健全部の転勤
面Ｓからの反射波は、反射角の関係から垂直探触子５に
受信されず、したがってＣＲＴＳａ上にも表示されない
。旋回輪が繰返し使用され旋回輪の使用時間が材料の疲
労限に達するか、または近づくと、転勤面Ｓに次第に表
層欠陥が発生しはじめる。第４図および第５図は、転勤
面Ｓに分布状態のフレーキング部ＳＦが発生した状態に
おける説明図である。

垂直探触子５を第２図の場合と同様に走査しながら、転
勤面Ｓに向けて超音波を入射すると、グリース溝ＩＣお
よび内周面ｔｂからの反射波８，９のほかに１転動面Ｓ
のフレー中ング部錦からの複数の反射波１１が得られる
。反射波１１は、クレーキング部ｓｏそれぞれの７レー
キングの面を反射源として反射されるもので、フレーキ
ング面の大小に関係なくその数だけ反射する。反射波８
．９および１１は送信波１０とともに同時に、　ＣＲＴ
６ａ上にエコーとして表示される。すなわち、第３図と
同様にＣ凡Ｔ６ａの原点０の位置に送信波１０の送信パ
ルスＴ１肉厚寸法ｔ１に対応する位置に反射波８のＢ８
エコー、肉厚寸法ｔ２に対応する位置に反射波９のＢ２
エコーが懺示されるほか、同時に７レ一キング部ＳＦか
らの反射波１１の複数のＦエコーが表示される。Ｆエコ
ーは、フレーキングが１か所のときは、その肉厚寸法に
対応する位置にのみ現われるが、複数か所のときはフレ
ーキングの分布範囲にわたって現われる。第４図は、フ
レーキングが連続的に肉厚寸法ｔ３からｔ４の範囲に分
布して発生した例で、各フレーキングからの反射波１１
は、第５図のＣＲＴ６ａ上に、肉厚寸法ｔ３に対応する
位置からｔ４に対応する位置まで連続的に、フレーキン
グの数だけＦエコーとしτ現われる。

走査による各ＦエコーのＣＲＴ６ａ上の位置は、転動面
Ｓにおけるフレーキングの発生した数１発生位置および
分布状態を示し、Ｆエコーの高さＦＬは、基準レベルと
の比からフレーキングの深さを示すものとなる。また垂
直探触子５″を周方向に僅かづつ位置ｔずらして走査す
ると、転勤面Ｓの周方向の７レーキングの大きさおよび
クレーキング分布が併せて検出できる。

つぎに本発明の第２の実施例を第６図および第７図によ
シ説明する。本実施例は、第１の実施例が玉軸受の旋回
輪で、表層欠陥検出面がポールが転動する円弧状の円周
面の場合であるのに対し、ころ軸受の旋回輪で、表層欠
陥検出面が、ころが転動する平板状の円周面の場合であ
る。第６図は第１の実施例の第４図に対応する図であシ
、第７図は同じく第５図に対応する図である。図におい
て同じ符号のものは同じものまたは同じ機能のものｔ示
す。１′は外輪で、１′ａはその外周面　１’ｂは内周
面である。５′は外周面１／ａに当てられた斜角探触子
で、転動面Ｓ／に向けて屈折角θｒで超音波を発射する
。いま転動面Ｓ’に７レ一キング部Ｓ′。

が発生している状態で超音波を発射すると、斜角探触子
５′の超音波入射点からＸｌの距離にある７レ一キング
部Ｓ／、の反射面からの反射波１１′が、斜角探触子５
′に受信される。受信された反射波１１′は、斜角探触
子５′に接続されている超音波探傷器のＡスフ−１表示
のＣＲＴ上に、送信波１０の送信パルスＴとともにビー
ム路程Ｘ１の位置にＦ′エコーとして出現する。ついで
第１の実施例と同様に斜角探触子５′ヲ矢印ノ・、二の
方向に走査すると、７レ一キング部Ｓｌ、の同一線上に
存在している各フレーキングの深さに対応する超音波入
射点からの距離Ｘ１゜は、前記超音波入射点からの距離
Ｘ１　、　Ｘ２　、　Ｘ３・・・Ｘｆｉに対応する各ビ
ーム路程Ｘ１　、　Ｘ２．　Ｘ３・・・ｘｎごとに、１
つづつ送信波１０の送信パルスＴとともにＦ′エコーと
してＣＲＴ上に出現する。前記矢印ノ・、二の方向の走
査を１周方向に僅かづつ位置をずらして行えば、転勤面
Ｓ′の全面にわたる７レーキングの検出ができる。

本実施例においては第１の実施例と異な少、斜角探触子
５’ｔ−使用するものであるため、フレーキングが１か
所のときでも複数か所のときでも反射波１１’は、７レ
ーキングの反射面から反射する１つづつがビーム路程ご
とにＣＲＴ上にＦ′エコーとして出現し、連続的にある
いは分布状態でＦ′エコーが出現することはない。しか
し走査によるＦ′エコーのＣＲＴ上の出現位置は、転勤
面Ｓ′におけるフレーキングの発生数１発生位置および
分布状態を示し、Ｆ′エコーの高さＦ′Ｌ□は、基準レ
ベルとの比からと−Ａ　路ｍ　Ｘ□におけるフレーキン
グの深さｔ示すものとなるから、第１の実施例と同様の
方法で７レーキングを検出することができる。なお当然
のことながら、転勤面Ｓ′に７レーキングその他表層欠
陥が発生していない健全な状態で、斜角探触子５′から
超音波を入射すると、転勤面Ｓ′からの反射波は全く得
られず、したがってＣＲＴ上には原点０の位置に送信波
１０の送信パルスＴのみが表示されるだけである。

転動面Ｓに７レーキングその他表層欠陥が発生していな
い段階から、所定の使用時間ごとに定期的に前記方法を
実施すれば、前記欠陥の有無は勿論、欠陥発生時期およ
び発生後の進行状態を容易に、かつリアルタイムに検出
することができ、装置の破損等を未然に防ぐことが可能
となる。第８図は本発明の第１の実施例ｔフィールドに
おける旋回輪の事故予防保全に利用した１例である。図
の横軸は使用時間Ｈで、単位は１０３時間である。

縦軸はフレーキング部ＳＦからの反射波１１のＦエコー
の高さＦＬと、同時に発生する林状エコーを含むノイズ
の高さＮの比Ｐｖ／Ｎ　ｋ　ｄ　Ｂ表示したものである
。ＦＬ／Ｎが大きいほどＦエコーの高さＦＬは高く、Ｃ
ＲＴＳａ上に出現しやすい。図は使用時間が２００時間
ごとにＦＬ／Ｎの値を測定したグラフで、０印が測定値
である。測定に使用した垂直探触子は、高周波数の１０
ＭＨｚで、かつ広帯域周波数特性を有するものである。

グラフは使用時間が８００時間までは表層欠陥がなく、
転動面全周が健全なことを示している。そして使用時間
が８００ないし１０００時間の間に７レーキングが発生
していることを明示してお、９．１２００ないし１６０
０時間の間に、発生したフレーキングが急速に進行して
拡大し、２０００時間ではｙその進行が停滞することが
確認できる。このグラフから各時点における予防保全対
策が適確に図シ得ることとなった。

つぎに前記第１の実施例を参照し、フレーキング部ＳＰ
からのＦエコーの出現しゃすい探触子について、第９図
を用いて説明する。フレーキングの初期発生段階では、
７レーキングは非常に小さく、しかも欠陥形状が複雑な
上に円弧状の円周面上にあるため、Ｆエコーの高さが低
くＣＲＴ上に出現しにくい。また一般の超音波探傷に使
用されている通常の狭帯域周波！！特性の探触子を使用
すると、Ｆエコーの高さはほとんどがノイズレベルの低
さで、一層ＣＲＴ上に出現しにくい。このため１ＭＨｚ
の低周波数から１０　ＭＨｚ以上の高周波数で、狭帯域
周波数特性と広帯域周波数特性の各株探触子について、
Ｆエコーの高さＦＬの出現しやすさを示すＦＬ／Ｎにつ
いて検討した。その測定結果を第９図に示す。図の横軸
は探触子の送信周波数ｆの対数値で、単位はＭＨｚであ
る。縦軸はＢ＋、ハのｄＢ値である。なおパラメータは
探触子の周波数帯域である。○、・印が測定値で、０印
が広帯域、Φ印が狭帯域の周波数特性のものである。図
から両帯域とも両者間にははソ直線的な相関関係を有す
ることが判る。前記測定値から最小２乗法によシ回帰弐
を求めると、狭帯域周波数特性の探触子の場合。

Ｆ　Ｌ／Ｎ　＝　３．６　ｌｏｇ　ｆ　　Ｏ，６広帯域
周波数特性の探触子の場合には、ＦＬ／Ｎ　＝　１３．
４　ｌｏｇ　ｆ−０，８となシ、それぞれ第９図に示す
一点鎖線および実線となる。したがって送信周波数ｆが
高周波数の１０ないし１５　ＭＨｚの探触子を使用し、
かつＦＬ／Ｎの値が３ないし４倍大きい広帯域周波数特
性のものｔ使用することによシ、Ｆエコーの高さＦＬが
出現しゃすくなシ、前述の表層欠陥の検出がよシ一層容
易になる。

上述の実施例では、旋回輪の外輪の転動面にフレーキン
グが発生した場合の検出方法を例として説明したが、内
輪の転勤面の欠陥検出や、歯車箱内の歯車の噛合面の欠
陥検出においても、欠陥検出面の位置や形状などに応じ
て垂直探触子または斜角探触子上適宜選択して使用する
ことにより、前記実施例と同様の検出方法で、外部から
容易に表層欠陥を検出することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、固体の外表面から表層欠
陥を検出する内側検出面に向けて超音波を入射させ、Ａ
スコープのＣＲＴ上に、前記検出面におけるＦエコーを
表示させるようにしたから、Ｆエコーの位置および高さ
から前記検出面の表層欠陥の発生の有無、発生の時期お
よび発生後の進行状態が、その程度および分布とともに
、被検出装置ＩＩｔを分解することなく、外部から容易
に、かつリアルタイムに検出することができる。なお、
高周波数で、かつ広帯域周波数特性を有する探触子を使
用することによシ、本発明の効果【一層高めることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明を玉軸受の旋回輪に適用し
た第１の実施例で、１ｇｘ図は旋回輪の断面図と外輪の
転勤面を検出する検出装置を示す図、第２図は表層欠陥
の発生していない外輪に垂直探触子に、よシ超音波を入
射した場合の説明図、第３図は第２図の場合に得られた
ＣＲＴ上のエコーパターンを示す図、第４図は表層欠陥
が発生した外輪に垂直探触子によシ超音波を入射した場
合の説明図、第５図は第４図の場合に得られたＣＲＴ上
のエコーパターンを示す図、第６図および第７図は本発
明ｔζろ軸受の旋回輪に適用した第２の実施例で、第６
図は表層欠陥が発生した外輪に斜角探触子によシ超音波
を入射した場合の説明図、第７図は第６図の場合に得ら
れたＣＲＴ上のエコーパターンを示す図、第８図は第１
の実施例における旋回輪の使用時間とＦエコーの出現し
やすさｔ示すＦＬハとの関係の１例を示すグラフ、第９
図は第１の実施例における超音波の周波数とＦＬハとの
関係を示すグラフである。 １　、　１’−・・外輪、１　ａ　＋　ｌ’　ａ　・・
’外周面、１　ｂ、　１’ｂ　−・・内周面、１ｃ・・
・グリース溝、２・・・内輪、３・・・ボール、５・・
・垂直探触子、５′・・・斜角探触子、６・・・超音波
探傷器、６ａ・・・ＣＲＴ、　　Ｓ、８’・・・転動面
、θ・・・指向角、８　、　９　、１１　、１１’・・
・反射波、Ｓ１ｒ　、　Ｓ’Ｆ　・”　７　Ｌ／−キン
ク部、ｔ工、　１２．１３．１４・・・肉厚寸法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体の表面から、表層欠陥を検出する検出面に向け
   て超音波を入射させ、ＡスコープのＣＲＴ上に、前記検
   出面におけるＦエコーを表示させ、Ｆエコーの位置およ
   び高さから固体表層面の表層欠陥を検出する方法。 ２、超音波を入射させる探触子が、高周波数で、かつ広
   帯域周波数特性を有することを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項記載の固体表層面の表層欠陥を検出する方法
   。