破壊予知システムの開発と構造部材長期保証システムの構築に関する研究一第5報,振動および衝撃の解析を目的とした加速度測定システムの組込一機械金属部金属研究室玉井富士夫前年度まで.のAEおよび動ひずみ測定に基づく破壊予知システムに,振動および衝撃の解析を目的とした加速度測定システムを組込み,高速振動の検出,解析能の向上に努めるとともに,材料の不安定破壊のような高速破壊挙動に基づく高速振動を対象とした検証実験を行った.結果,本加速度計測システムはこれまでのシステムでの課題であった高速振動の評価に十分対応でき,これまでに開発したシステムと併せて,破壊に関する信頼性の高い総合評価システム機器が開発できた近年,装置,機械および構造物の高速化・高性能化および複雑化が進み,機械装置等に破損,破壊事故が発生した場合の損失は直接的にも間接的にも非常に ⑦ 大きくなっているにもかかわらず,疲労破壊や環境破壊(応力腐食)の発生件数は,機械装置の高速化・高性能化も手伝って,いっこうに減少する気配を見せない.この傾向は県内の機械装置メーカーにおいても '鷲沙'御、・加速度センサデジタルオシロ(既存) 4)を行ってきた.それらの内容はAE法を応用したそこで本研究では,本開発システムに振動および衝撃の解析を目的とした加速度測定システムを組込 DC12V電i原ロロロロ去4年間に渡り,機械・構造物の破損,破壊をモニタリングするシステムの開発に関する一連の研究1) これら一連の開発研究の中で,本開発システムは振動および衝撃といった高速変動の検出,解析に対して不十分であることが課題として残った 1 1 000 同様であり,疲労破壊や環境破壊に対する効果的対策力阿金く望まれている.このような背景から,我々は過破壊予知システムの開発1)匝力ひずみ測定法を応用した損傷モニタリングシステムの開発2),開発システムを用いた損傷データの収集3)および実機を対象とした開発システムの実用性の評価4)に整理できるが, @冒邑 1.はじめに今年度組込部図1 既存システムに組込んだ加速度測定システムおおよそ2 Vの定格出力が得られるようになっている.このセンサからの出力端子を既存のデジタルオシロスコープの入力部ヘ結線し,容易に加速度の測定が行えるシステムを構成したここで,加速度Gと振動の振幅および振動数には式 a)の関係が成り立つ G = 4 a π 2 f 2 /" 9800 み,高速振動の検出,解析能の向上に努めた (1) ここで, G :加速度G, a :片振幅 mm ,f :振動数 HZ 2.組込んだ加速度測定システムの概要図1に組込んだ加速度測定システムの概要を示す. センサは定格容量= 10OG (980.665m/S2),定格出力 3.システム検証実験 =2.0I V,応答周波数範囲= 0 B50HZ,一方向タイ 3.1 実験方法検証実験はセンター保有の設備機器の中で最も高プの欄共和電業製ASV、10OGAであり,X,Y, Z方向の測定に対応させるため,個数は3とした速の衝撃がかかる機器のーつである図2に示す材料試このセンサは増幅器を内蔵しているタイプであり,図中に示したDC12V電源のみを別途用意するだけで, 験機(島津製作所製UMH・F5Q最大容量50okN)を対象に行った.鉄鋼材料等の引張試験において,材料試 -11- 験機には,試験片の破断(不安定破壊)に伴い,試験片破断直前まで作用していた荷重(カ)が瞬時に解放され,それに伴い高速の振動 q咸衰)が生じる.センター保有機器の中で,本システムの検証実験に最適な装置と考えられる図3に加速度センサを取付けた位置を示す3つのれひずみゲージ貼付用接着剤で取付けた.なお,引張試験はZ方向単軸の試験であり,それに伴う振動もほとんどZ方向単軸と想定できるため,本検証実験もZ (垂直)方向のみを対象としたここで,本検証実験では,検証と併せて,試験片の寸加速度センサは,試験片を保持しているクロスヘッド法を変化させて,破断荷重を変化させ,加速度センサの出力電圧信号の違いについて検討した.測定およぴチャック部近傍に(田,試験機ベッドのクロスヘッドデジタルオシロスコープ出力条件は以下のとおりでを支えている支柱近傍に(b),試験機全体を保持してある.①検出信号種類:AC,②出カレンジ:士2.5V,③ いるアンカーボルト近傍のべース鉄板に(C)それぞチャート送り速度:10omm太,④取込信号(処理方式) アナログ 3.2結果および考察鄭、捻図4に異牙井奉鋼SD295ADI0試'験片が破断したときに得られた電圧信号変化を示す.(田がチャック部近傍の(b)がベッド部の(d がアンカーボルト近傍の発コ、ミ'.一'J それぞれ結果である.試.験片の破断に伴う34kNの荷、一 1 ず.嘉・クロスヘット重(カ)解放によって,瞬間的な電圧の発生が認められ,(田部において最大の 126G (1.238km心2)の加速度を検出しているチャックゞ支井試験片券ここで,本使用加速度センサの許容加速度は20OG であり,(田部では,これ以上の大きさの試験片を用いた試験はセンサを破損してしまう恐れがあるため, 以降の試験は(b)および佃部での測定としたチヤック 1才珪. 一→'、 f 図ヌこ異形棒鋼SD295A,D19試験片が破断したときに(b)および佃部で得られた電圧信号変化を示すクロスヘット・1X '七,ミ1゛せ ^^ 一一一黒荒詠る.また,減衰までの時問も DI0の試験片の約25mSに比ベ,約 10omS と長くなっている表Hこ本検証試験結果の整理をまとめて示す.なお図2 万能材料試験機、 X夛 J t'、ι÷{三 .ノ、 *突ヲ泌' ノリ『ノノ'^ゞ1",'゛、;一『゛q ゛._ "t ︻ゞ'd ゛ン1人'/t、、 g ヨ J/"' Jダニ、、、ー"'1 ]一,Uーイ、予、『 (b)ベッド支柱近傍 (a)チャック部近傍図3 加速度センサ取付け位置 -12- (C)アンカーボルト近傍、叉 .]ιJ ご,、,、".、、゛工途、',,"・、、、1 二点.、f- 入ー、、二1考' P、 .導ξ':ゞ ,イ一.J' センサ﹂ノー拘舮 .﹁"一、゛.'一 U. 簿 .」エー..J ¥. 試験片断面積が大きくなったことに伴い,試,験片破断時の荷重(カ)も 125kN と大きくなり,(b)および (C)部ともに発生電圧はほぼ比例的に大きくなってい 2.5 2.5 Eヨン出懐 0 区四ン出腰・2.5 時間 0 ::' ;:.: f1 :: :': S 2.5 区四ン・2.5 出腰時問 0 S 2.5 圧ヨ・2.5 時間 S 2.5 ン製団腰 0 ・2.5 図4 時問 0 出懐 > ミ (C) ・2.5 S 時間 20oms DI0異形棒鋼破断時に観測された加速度センサ出力波形図5 S 20oms D19異形棒鋼破断時に観測された加速度センサ出力波形表1 万能材料試験機による異形棒鋼引張試験を用いて行った検証試験結果試'験片種類平均破断イ可重 kN イ可重 kN 平均最大 DI0 373 31.0 DB 67.0 56.0 D19 163 (田チャック部 (b)ベース部 (d アンカー部平均最大加速度m/舒平均最大加速度m/S. 平均最大加速度 m/S. 1238 125 ,表中の数値は種類毎に3本の試験片を実験しているが,その平均値である.試験片の引張試験での試験片平均減衰時問 nls 123 153 25 337 129 50 465 950 100 るので,検出される加速度は比例的に大きくなる.本検証試験においても破断荷重と測定された最大加速度の破断(不安定破壊)に伴い,試験片破断直前まで作にはほぼ比例の関係が成立している.また,破断荷重の大きさと振動減衰までの時間にも比例関係が成立し用していた荷重(カ)が瞬時に解放されることで高速ているの振動が生じ,結果として大きな加速度が検出される力は質量と加速度の積であるから,破断時の荷重が以上のように本加速度測定システムはオオ料の不安定破壊のような高速破壊挙動に基づく高速振動を十分大きくなると,試験機(構成部分)の質量が一定であに評価できており,前年度までの課題をほぼ解決した破断を利用した本検証試験では,前述のように試験片 -13- 物・プラントメーカーを中心に更なる活用を図ってと考えられるいきたい 4.おわりに前年度までのAEおよび動ひずみ測定に基づく破壊予知システムに,振動および衝撃の解析を目的とした加速度測定システムを組込み,高速振動の検出,解析能の向上に努めるとともに,材料の不安定破壊のような高速破壊挙動に基づく高速振動を対象とした検証実験を行った.結果,本加速度計測システムはこれまでのシステムでの課題であった高速振動の評価に十分対応でき,これまでに開発したシステムと併せて ,破壊に関する信頼性の高い総合評価システム機器が開発できた.今後は,県内の機械装置メーカーや構造参考文献 1)玉井,平成7年度佐賀県工業技術センター研究報告書, P6 (1995) 2)玉井,平成8年度佐賀県工業技術センター研究報告書, P5 (1996) 3)玉井,平成9年度佐賀県工業技術センター研究報告書, P5 (1997) 4)玉井,平成10年度佐賀県工業技術センター研究報告書, P5 (199幻 -14-