JP6989375B2 - ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

この発明はゲートピンの検査装置および検査方法に関し、特に、ＡＥ（アコーステックエミッション）波形を用いたゲートピンの検査装置および検査方法に関する。

従来から、構造設計の技術基準（例えば、水門鉄管技術基準）においてラジアルゲート支承部材（以下、「ゲートピン」という）の摩擦力が検査対象とされている。図１１は、ラジアルゲート１００の全体構成を示す図である。図１１を参照して、ラジアルゲート１００は、川の上流と下流とを閉鎖する水門等に設けられ、扉体１０３と、扉体１０３と回転ピン（支承部）１０１とを接続する脚１０２とを含む。扉体１０３には巻き取りワイヤ（図示無し）が接続されこれを巻き上げることによって扉体１０３が回転ピン１０１を中心に回転する。しかしながら、扉体１０３は通常閉じられているため、経年的に回転ピン１０１の摩擦が大きくなり、動きが悪くなる。結果的に、開閉動作時に脚１０２の抵抗モーメントが大きくなり、脚１０２が座屈し、ラジアルゲート１００全体の崩壊につながるおそれがある。そこで、この回転ピン１０１の摩擦力を定期的に検査する必要がある。この摩擦力を評価するためには、脚にひずみゲージを貼付し、抵抗モーメントを直接計測する必要がある。また、支承部の摩擦は経年的に変化することから、その変化を定期的にモニタリングする必要がある。

一方、ＡＥセンサを用いた摩擦部材の摩擦摩耗現象を解析する装置が、例えば、特開２０１５−２５７１３号公報（特許文献１）に開示されている。同公報によれば、摩擦摩耗現象解析装置は、摩擦部材を回転部材に摩擦接触させる押圧装置、およびＡＥセンサを摩擦部材２当接させる付勢部材を別系統で備えることにより、摩擦部材の摩擦接触を確実に行って摩擦部材で発生するＡＥを感度良く検出する、という記載がある。

特開２０１５−２５７１３号公報

従来のゲートピン材部の摩擦力の検査を行うには、人件費、足場代等が発生し、手間とコストがかかるという問題があった。一方、従来はＡＥセンサを用いて、ゲートピンを評価するという発想はなかった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、安価で容易にＡＥ波形を用いたゲートピンの検査装置および方法を提供することを目的とする。

この発明に係るゲートピンの検査装置は、ゲートピンに取り付けられたＡＥセンサと、ＡＥセンサからＡＥ波形を取得する波形取得部と、波形取得部が取得した波形に基づいて得られた所定のＤＡ値を用いてゲートピンの摩擦力を評価する評価部と、評価部の評価結果を出力する出力部とを含む。

好ましくは、評価部は、波形取得部が取得した波形のＲＭＳ値を用いてゲートピンの摩擦力を評価する。

さらに好ましくは、評価部は、波形取得部が取得したＡＥ波形と、ＡＥ波形のＲＭＳ値を用いてゲートピンの摩擦力を複数の領域に識別する。

この発明の他の局面においては、ゲートピンの検査方法は、ゲートピンに取り付けられたＡＥセンサからＡＥ波形を取得するステップと、取得した波形に基づいて所定のＤＡ値を用いてゲートピンの摩擦力を評価するステップと、評価結果を出力する出力ステップとを含む。

この発明によれば、摩擦に起因するＡＥ波形を取得し、それに基づいて、評価値を求めて支承部の評価を行う。従来のように、人手や足場を設ける必要がない。その結果、安価に且つ簡単にゲートピンの検査が可能なゲートピン検査装置および検査方法を提供できる。

ゲートピン検査装置の全体構成を示すブロック図である。 評価部が評価に使用するＤＡ値を説明する図である。 計測の概要を示す図である。 摩擦係数測定結果を示す図である。 危険領域の設定例を示す図である。 摩擦係数推定の識別指標を示す図である。 摩擦係数推定の識別指標を示す図である。 制御部が行う処理を示すフローチャートである。 腐食平板に識別指標を適用した結果を示す図である。 現地計測データに対して識別指標を適用した結果を示す図である。 ラジアルゲートを示す図である。

以下、この発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施の形態に係るゲートピン検査装置の全体構成を示すブロック図である。図１を参照して、ゲートピン検査装置１０は、ゲートピンに取り付けられてＡＥデータを検出するＡＥセンサ１５と、ＡＥセンサ１５からのＡＥ波形データを取得する波形取得部１２と、波形取得部１２が取得したＡＥ波形から摩擦の程度を評価する評価部１３と、評価部１３の評価結果を出力する出力部１４と、波形取得部１２、評価部１３、および出力部１４を制御する制御部（ＣＰＵ）とを含む。

次に、評価部１３の評価内容を説明する。図２は、波形取得部１２が取得したＡＥ波形を説明するための図である。図２を参照して、Ｘ軸が時間（ｍｓ）でＹ軸が振幅（電圧Ｖ）を示す。ここで、ＡＥ波形は、図に示すように振幅が徐々に大きくなり、一定の最大振幅になった後、減衰する波形である。ＡＥ波形が入力したとき、最初に所定の閾値を越えて最大振幅値に至るまでの時間を信号立ち上がり時間という。

ここで振幅値は、ＡＥを生じた事象が変換子に与える振動の大きさ、すなわち地震の震度に相当する情報を与える。統計的処理を施すことにより振幅分布が得られ、発生したＡＥ事象間の相対的エネルギーレベルの比較が行うことができる。これを用い、異なるＡＥ発生機構を識別できる場合がある。また、振幅分布上において、直線部を外れる領域に見られる高振幅事象の連続発生は、有害な欠陥の成長に対応している可能性がある。このように最大振幅値はＡＥ事象の危険度を知る重要な尺度である。

ＡＥ波形が最初に閾値を越えて最大振幅を経由し閾値を下回るまでの時間を信号継続時間という。すなわち、信号継続時間は、信号入力時、最初のしきい値クロス時から最後のしきい値クロス時までの時間、すなわち１ヒットの触続時間と定義される。この値と信号立上り時間および最大振幅値を総合して、入力した信号のおおまかな波形に関する情報を得ることができる。この情報をもとに、異なるＡＥ発生源を識別できる場合がある。

この実施の形態においては、所定のＤＡ値を用いる。ここでＤＡ値は次の式で求められる。

ＤＡ値＝（信号持続時間-立ち上がり時間）／最大振幅値
この値は波形が最大振幅値を示してから閾値を下回るまでの傾きの逆数を表している。すなわち、この値はＡＥ波形が連続的に発生する度合いを評価するのに使用できる。

この実施の形態においては、ＤＡ値だけでなく、ＡＥ波形のＲＭＳ値も使用するのが好ましい。

ここで、ＲＭＳ値（Root Mean Square Value）（実効値電圧）とは、ＡＥ活動度の大まかな変化を知るのに用いられる。時定数が約100〜200ms と大きいために、突発型ＡＥのように早い現象には対応できないが、金属の変形やリーク検出など、連続型信号が発生する場合には適している。ＲＭＳ値は次の式で求められる。次式におけるＴｄは周期であり、ｘ（ｔ）はＡＥ波形の関数系である。

すなわち、この実施の形態では、波形連続度を測るパラメータとしてＤＡ値を用い、さらにＲＭＳを用いて連続型ＡＥの信号の強さについて評価することにより、ノイズや高頻度で発生していない信号と区別している。

次に、この実施の形態において行った、具体的なデータの取得方法について説明する。グラインダ処理されたＳ５０Ｃの平板上に重さと接触面の材質の異なる４種類の直方体の構造体を移動させ、ＡＥの計測を行った。

鋼材計測項目として図３に測定方法の概略を示す。鋼材２０の右端中央から１００ｍｍの箇所に移動体２１を設置し、４００ｍｍの距離を移動範囲２２として移動させる。移動時間は８秒に固定し、移動速度を一定にした。移動の際に起きる摩擦、摩耗による弾性波をＡＥセンサで信号として取得する。ＡＥセンサは移動体２１の移動開始箇所を挟むように鋼材２０の裏面に設置した（図中円形の点線２３，２３ｂで示す）。

計測データであるが、４００ｍｍの距離を４種の移動体が移動した際の弾性波を用いる。なお、１つの移動体につき計６回移動させ、４０ｄＢを越えた波形を１ヒットとしてデータの取得を行った。結果に用いたデータはＡＥエネルギーが０、ＡＥカウント値が１の波形をノイズとして削除したデータに加えて、移動体が移動を開始した際に発生した波形のみである。本計測において、移動開始時に発生したデータとはフォースゲージにより計測された摩擦力の最大値を確認し、その瞬間に発生しているデータから０．５ｓ間において計測されたものである。それらのＡＥを摩擦切れ時のＡＥとし、パラメータ解析を行った。

摩擦係数の算出過程を以下に示す。台車に固定したフォースゲージにより、移動体２１を移動させる。その際に発生する摩擦力の時刻歴を計測する。最大摩擦力（静止摩擦力）から摩擦係数の算出を行った。摩擦係数の算出にはクーロンアモントンの法則であるＦ／Ｐ（摩擦力Ｆを垂直荷重Ｐで除した値）を用いた。垂直荷重は各移動体２１の質量より求めた。摩擦係数の結果を図４に示す。

次に、測定結果について説明する。各移動体２１のＡＥのＤＡ値とＲＭＳ値を摩擦係数別に示す。摩擦係数は図４で示している。摩擦係数別にプロットを変えている。□は摩擦係数が０．１７の場合を示し、△は摩擦係数が０．２７の場合を示し、×は摩擦係数が０．２の場合を示し、◇は摩擦係数が０．２７の場合を示す。

摩擦係数が０．２以下の移動体において発生したＡＥに比べ、摩擦係数が０．２７の移動体で発生したＡＥはＤＡ値が２０００以上で、ＲＭＳ値が０．００３以上の高い値を示し、連続的に強い信号の波形が計測されていることが確認できる。摩擦係数が高い方が低い場合に比べ、摩擦、摩耗に伴う変形、破壊が多く発生し、それにともないＡＥが頻繁に発生する。その結果、密な連続的な波形となり、ＤＡ値、ＲＭＳ値が高いＡＥが計測された。

これらの結果より、摩擦係数とＤＡ値-ＲＭＳ値において関係性が見られ、摩擦係数推定にＤＡ値-ＲＭＳ値を適用することは効果的であると考えられる。

ゲートピンの劣化度を評価する目安として、摩擦係数の設計値が０．２と設定されている。その設計値を目安として、図５の結果を基に、ＲＭＳ値（Ｖ）とＤＡ値（ｍｓ/Ｖ）の座標において、図６のように区分けを行った。摩擦係数０．２７においてのみ確認されたＡＥの領域を危険側とした。計測されたＡＥがＤＡ値２０００以上でＲＭＳ値０．００３の値を示す範囲にプロットされた場合、摩擦係数０．２７に近い接触面にて発生したと推測することができる。

一方、摩擦係数が０．２の接触面にて発生しているＡＥにおいて、ＲＭＳ値が０．００３以上の値を示しているが、危険領域に入っていないＡＥが確認できる。危険領域に入るＡＥと同等の強い信号を示しているが、連続的に発生していないＡＥである。連続的な波形ではないため、摩擦、摩耗は強く発生していないと考えられる。

ＤＡ値が２０００以上の連続型の波形を示すためには、ＲＭＳ値０．００３以上の信号強さを持つ波形が頻繁に出現する必要があり、危険領域に入る可能性は低いと考えられる。一方で、ＤＡ値が２０００以上の危険領域に入るが、ＲＭＳ値は入っていない波形は、ＤＡ値が高いため、連続型波形である。ＲＭＳ値が低いため、摩擦、摩耗は強く発生していないが、今後、密な波形へ変化することで強い信号へ変化する可能性はある。

密な波形への変化は数μの間に同様の波形が数個出現すると密に変化する可能性があり、危険領域に入りうるデータである。そのため、ＤＡ値が危険領域に入り、ＲＭＳ値が入っていない領域について今後注意して検査を続ける必要があるＡＥの領域として注意領域とする。ＤＡ値とＲＭＳ値がともに危険領域外の場合であるが、これは安全と評価する。以上より、図７のような識別指標が作成できる。

以上のような、ゲートピン検査装置１０の制御部（ＣＰＵ）１１の動作のフローチャートを図８に示す。図８に示すように、制御部１１は、ＡＥデータを取得し（Ｓ１１）、ＤＡ値を算出し（Ｓ１２）、ＲＭＳ値を算出し（Ｓ１３）、摩擦係数と対応付け（Ｓ１４）、その結果評価して（Ｓ１５）、安全領域か、注意領域か、あるいは、危険領域かを判定する（Ｓ１６〜Ｓ１８）。

次に、異なる実施の形態として、腐食平板における場合についてデータを得た。グラインダ処理された平板の結果より作成した識別指標を腐食平板に適用した。腐食平板と各移動体の接触面で発生したＡＥのＤＡ値とＲＭＳ値の関係を摩擦係数で示し、ＤＡ値２０００，ＲＭＳ値０．００３を境に安全領域、注意領域、危険領域に区分けした。危険領域にプロットされているＡＥは摩擦係数が０．２７に近い値で発生するＡＥは危険領域にプロットされ、識別指標を満たす結果となった。その結果を図９に示す。

次に、現地計測を行ったので、その結果について説明する。実際に供用中のラジアルゲートの健全性評価を行うために、ＡＥ法を用い現地計測を行った。その際に計測されたＡＥに対して、識別指標の適用を行った。

室内実験と同様に、摩擦切れのＡＥに限定する。ゲート変位のデータによるとワイヤー巻き上げ開始から２６ｓ付近でゲートの変位が確認できた。しかし、脚柱のたわみなどにより、変位した可能性があり、支承部内の特定することは困難である。そのため、余裕を持って２５〜２８ｓ間で計測されたＡＥを摩擦切れとする。また、ＡＥエネルギーが０，ＡＥカウント数が１の波形をノイズとして削除した。また、ｃｈ．１，２、ｃｈ．３，４ペアで検出された信号のうち、ＥＤＴ（イベント定義時間）を設け、ＡＥイベントの選定を行った。ＥＤＴは鋼板を伝わる弾性波速度（５，５００ｍ/ｓ）でセンサ間（４００ｍｍ）を除して算出した。

その結果について説明する。ゲートピンにおけるＡＥのＤＡ値とＲＭＳ値の関係に対し、識別指標を適用した結果を図１０に示す。

ＤＡ値、ＲＭＳ値ともに危険領域に入る高い値を示すＡＥは確認されなかった。算出された摩擦係数は非常に小さな値を示しており、連続的に振幅の高いＡＥが発生する環境でなかったと考えられる。現地計測においても室内実験により作成された識別指標である程度の識別が可能であった。

指標を用いて評価を行う場合、３回計測のうち、いずれかの計測結果が危険領域に入るＡＥを計測した場合、それは危険であると判定することが好ましい。理由は、室内実験で摩擦係数を各移動体につき、６回行ったが、摩擦係数の高い移動体において、危険領域に入るＡＥが確認できない結果も存在した。そのため、複数回試験を行う必要がある。

現地計測においても室内実験により作成された識別指標である程度の識別が可能であった。今後、区分けを細かくし、さらに詳細に摩擦係数を推定できる識別指標を提案する。

なお、上記実施の形態においては、ゲートピンの摩擦力を検出する場合について説明したが、これに限らず、他の機械設備における同様の摩擦や磨耗による劣化をＡＥ信号の変化で推定可能な回転機械等にも使用可能である。

図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、本発明は、図示した実施形態に限定されるものではない。本発明と同一の範囲内において、または均等の範囲内において、図示した実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

この発明によれば、安価に且つ簡単にゲートピンの検査が可能なゲートピン検査装置を提供できるため、ゲートピンの検査装置として有利に利用される。

１０ ゲートピン検査装置、１１ 制御部（ＣＰＵ）、１２ 波形取得部、１３ 評価部、１４出力部、１５ ＡＥセンサ。

Claims (4)

1. ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンに取り付けられたＡＥセンサと、
   前記ＡＥセンサからＡＥ波形を取得する波形取得部と、前記波形取得部が取得した波形に基づいて得られた所定のＤＡ値を用いてラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンの摩擦力を評価する評価部と、前記評価部の評価結果を出力する出力部とを含み、
   前記ＤＡ値は、前記ＡＥ波形が最大振幅値を示してから所定の閾値を下回るまでの傾きの逆数で表される、ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査装置。
2. 前記評価部は、前記波形取得部が取得した波形のＲＭＳ値を用いて前記ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンの摩擦力を評価する、請求項１に記載のラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査装置。
3. 前記評価部は、前記波形取得部が取得したＡＥ波形と、前記ＡＥ波形のＲＭＳ値を用いて前記ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンの摩擦力を複数の領域に識別する、請求項２に記載のラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査装置。
4. ＡＥセンサを用いてラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンの摩擦力を検査するラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査方法であって、
   ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピンに取り付けられたＡＥセンサからＡＥ波形を取得するステップと
   取得した波形に基づいて所定のＤＡ値を用いてゲートピンの摩擦力を評価するステップと、評価結果を出力する出力ステップとを含み、前記ＤＡ値は、前記ＡＥ波形が最大振幅値を示してから所定の閾値を下回るまでの傾きの逆数で表される、ラジアルゲートの支承部材としてのゲートピン検査方法。

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