芝浦工業大学(東京都港区/学長 村上雅人)機械機能工学科の細矢直基教授の研究グループは、構造物等に用いられているボルト締結体のゆるみを、それを叩いた際のごくわずかなレベルの振動を計測することで、高精度で定量的に検知できる手法を開発しました。
ボルト締結体のゆるみを検知するためには、従来、叩いた音の変化を人が聞いて判断する打音検査が主流でした。しかしこれには熟練した技術を要し、また人が聞こえるレベルの音までしか判断ができません。また超音波検査もありますが、市販されている寸法精度の低い(例えば,曲がっているような)ボルトは正確に計測ができないなど検知するための条件に制約がありました。
今回開発した手法では、ボルトを叩いたときのごくわずかなレベルの振動を加速度センサで計測することで、軸力があり一見しっかり締まっており、打音検査では分からない微妙なゆるみを検知できます。本手法を検査等で活用することで事故の発生を未然に防ぐことが可能になります。また、既存の振動試験装置を用いるため、新たな装置が必要なく、安価で導入が可能です。
今後は、企業等と連携し、この手法を活用した検査の実現に向けたシステムづくりを目指していきます。

背景

ボルト締結体とボルトヘッドの振動モード形
図1
ボルト締結体とボルトヘッドの振動モード形

構造物等のボルト締結時における軸力の管理法としては、装置が簡便であることからトルク法が広く普及しており、締結後については、古くからハンマによる打音検査や薄板センサを用いた方法などがあります。
しかし、人の耳による熟練技術の必要やボルト締結体にセンサを挿入する手間などがあり、また現在も飛行機や遊具等においてボルトのゆるみが原因で事故が起きているなど、いまだ100%検知できていない現状があります。
そこで、特殊な器具を用いることなく、そしてボルト締結体に何らかの構造物を付加せずに、その軸力を確実に検知することができれば、より実用的なボルト締結体における軸力の検知および管理法として発展することが期待できます。

人には聞こえない超音波レベルの振動計測

ボルト締結体のゆるみ(横軸)と ボルト頭部の固有振動数(縦軸)の関
図2
ボルト締結体のゆるみ(横軸)と
ボルト頭部の固有振動数(縦軸)の関係

適正締め付けトルクで締結されている状態と緩んでいる状態において、それぞれ超音波レベルでの実験モード解析を行い、ボルト頭部の局所的な揺れ方を観察しました。
ボルトを叩いて振動させた結果、適性に締まっていればボルト頭部の振動モード形の固有振動数が高く(細かく速く揺れる)、緩むことで低下(大きくゆっくり揺れる)することがわかりました。
これにより、ボルト頭部の固有振動数を観察すれば、ボルト締結体の軸力の程度を検知することが実証されました。

実用化に向けて

今後は、さまざまな対象構造物への実施例(対象構造物の大きさ、ボルトの位置や本数など)、着目すべきボルト頭部の固有振動モード形、計測対象振動数などを検討することで、実用化を目指していきます。

掲載論文
Hosoya, N., Hosokawa, T., Kajiwara, I. et al. J Nondestruct Eval (2018) 37: 75.
https://doi.org/10.1007/s10921-018-0528-7