JPH0688758A - マルチチャンネル型ボルト軸力管理システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、マルチチャンネル型ボルト軸力管
理システムに関し、マルチチャンネル化することによ
り、ボルト軸力測定時に測定プローブを取付けたままに
し、作業が容易で測定精度の高いシステムを実現するこ
とを目的とする。 【構成】 複数のボルト14にそれぞれ取付けられた測定
プローブ20と、測定プローブ20への入力電気信号を送信
し、該送信信号とそれに対応する測定プローブ20の出力
電気信号とに基づいてボルト14の長さを測定するボルト
軸力計40と、ボルト軸力計40と各測定プローブ20の間に
介装されボルト軸力計40を複数の測定プローブ20のうち
任意の１つに接続するとともに該接続する１つの測定プ
ローブを順次切り替えることができるチャンネル切替器
30と、ボルト軸力計40に接続され、ボルト14の締付け前
後でのボルト軸力測定値の差によりボルト14の伸びを算
出するコンピューター50とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種機械類又は設備等
におけるボルト締結部のボルト軸力を測定し管理するマ
ルチチャンネル型ボルト軸力管理システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種機械類や設備類の構成部材
同士を締結するためにボルト締結が多用されており、こ
れらのボルト締結部には性能維持や安全性確保等のため
に締結部のボルト軸力管理を必要とするものがある。例
えば、石油精製所や製油化学工場、一般化学工場におけ
る比較的高圧、高温の機器のフランジ締結部、塔、槽類
のマンホール部、ノズル類、熱交換器又は配管のフラン
ジ締結部等がそれである。また、原子力機器や各種車
両、航空機等の重要部分、並びに、橋梁等の鉄骨構造物
においても、ボルト締結部のボルト軸力管理が必要であ
る。

【０００３】従来のこの種のボルト軸力管理を行う方式
としては、例えばボルト端部にマイクロメータ等を当て
て伸びを測定するボルト伸び測定法やナットの回転角度
からボルトの伸びを推定するナット回転法が知られてい
るが、前者はボルトの伸び量が微量であり、後者は基準
点の設定が難しいことから、何れも精度が悪く、作業効
率も低いものであった。また、大型ボルトの場合、ナッ
トテンショナーによりボルトに両端から張力を加え、ナ
ットを回転させた後にこの張力を取り除く管理方法が採
用されているが、高価な装置が必要であるのと取扱いに
手間がかかるという欠点があった。作業が比較的簡単で
一般的に多用されているものとしては、例えばナットの
締め付けトルクＴ（Ｔ＝トルク係数Ｋ×ボルト直径ｄ×
ボルト軸力Ｆ）をトルクメーター等で管理する方式があ
る。この管理方式は、トルクを一定に保てばボルト軸力
が一定になるとの考えに基づくものであるが、実際には
締付けトルクが一定であってもその締結場所の劣化状態
やボルト及びナットの劣化状態によってボルト軸力が異
なってしまうという問題が生じていた。

【０００４】上述のような問題があると、締付力の不足
により危険物、可燃性物体、毒性物体等の漏洩を惹起し
たり振動その他による機器の劣化や損傷を招いたりする
ことになり、過剰締付けにより機器を破損させるおそれ
もある。そこで、近時、比較的好ましいボルト軸力管理
システムとして、超音波によってボルトの伸びを高精度
測定する超音波軸力計を用いるものが採用されている。
このシステムは、ボルトの一端から超音波パルスを入射
し他端から反射されて来る反射エコーをこの一端側に取
り付けた測定プローブによりキャッチしボルト軸力計に
取り込むもので、ボルト締付け前後の超音波伝播時間の
差を計測することにより、ボルトの伸びを計測するよう
になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに超音波を利用するボルト軸力管理システムにあって
も、ボルト軸力の測定毎に測定プローブを当て替えると
いう構成であったため、次に掲げるような問題が残って
いた。 （イ）超音波軸力計の表示値としてのボルト長さは、特
に大径ボルトの場合、測定位置のずれによってかなり変
動する。これは、ボルト端面の仕上げ精度や両端面の平
行度のばらつき、超音波経路の違いに起因するものであ
り、したがって、ボルト締付けの前後に測定プローブを
当て替える方式では、初期長さを計測した位置が異なる
可能性が大であり、高精度な測定を期待できない。

【０００６】（ロ）超音波を測定対象物（ボルト）に入
射させる際には音響特性の良い接触媒質（カップラン
ト：グリセリン、水、油、グリース等が使用される）を
塗布する必要があるが、このカップラントの付着具合
（厚み）が測定プローブのボルト端面への押圧力等によ
り変化して測定表示値が異なってしまい、締付け前後で
測定プローブが付け替えられると、測定の精度が低下し
てしまう。

【０００７】（ハ）上記の点から実際の機器や設備に対
する測定にはある程度の熟練を要することになり、ボル
ト軸力管理の容易化に支障があった。 （ニ）フランジ締結部のように一箇所の締結に複数のボ
ルトが使用されている場合、複数のうち１本のボルトの
締付けが他のボルトのボルト軸力に影響するため、１本
ずつの軸力測定を行うのでは、何度も繰り返してデータ
採取したり増し締めしたりする必要が生ずることにな
り、作業性が悪い。

【０００８】そこで本発明は、測定系をマルチチャンネ
ル化することにより、複数のボルトのボルト軸力の測定
に際してボルトの締付け開始から測定終了まで各測定プ
ローブを取付けたままにしておくようにし、測定作業が
容易で、かつ、複数のボルトのボルト軸力を高精度に測
定することのできるボルト軸力管理システムを提供する
ことを目的とし、さらに、各チャンネルの測定プローブ
を一定の押圧力でボルト端面に押圧することにより、測
定精度をより向上させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、請
求項１記載の発明は、所定の締結部に設けられた複数の
ボルトにそれぞれ取り付けられ、入力電気信号に応じ機
械的振動を発生して該機械的振動をボルトの一端に入射
するとともに、該ボルトの他端で反射した超音波を電気
信号に変換して出力する複数の測定プローブと、測定プ
ローブへの前記入力電気信号を送信し、該送信した電気
信号とそれに対応する測定プローブの出力電気信号とに
基づいてボルトの長さを測定するボルト軸力計と、ボル
ト軸力計と各測定プローブの間に介装され、ボルト軸力
計を複数の測定プローブのうち任意の１つに接続すると
ともに、該接続する１つの測定プローブを順次切り替え
ることができるチャンネル切替器と、ボルト軸力計に接
続され、ボルトの締付け前と締付け後とのボルト軸力計
の測定値の差によりボルトの伸びを算出する演算手段
と、を備えたことを特徴とするものであり、請求項２記
載の発明は、前記測定プローブが所定の取付け治具を介
してボルトに取り付けられ、該取付け治具が、測定プロ
ーブを保持する保持部と、ボルトのねじに螺合する螺合
部と、保持部および螺合部を弾性的に連結する連結部と
を有することを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明では、チャンネル切替器に
よって、ボルト軸力計が複数の測定プローブのうち１つ
に接続されるとともに、この接続される１つが順次切り
替えられ、このチャンネル切替えにより複数の測定プロ
ーブの出力電気信号が順次ボルト軸力計に取り込まれ
る。したがって、複数のボルトの伸びを同時に測定可能
になり、ボルトの締付け開始から測定終了まで各測定プ
ローブを取付けたままにしておくことができる。この結
果、測定作業が容易化されるとともに、複数のボルトの
伸びが高精度に測定され、高精度なボルト軸力管理が可
能になる。

【００１１】請求項２記載の発明では、測定プローブを
保持する保持部とボルトのねじに螺合する螺合部とが連
結部によって弾性的に連結され、測定プローブが一定の
押圧力でボルト端面に押圧される。したがって、各ボル
トに対する測定プローブの取付け状態が安定したものと
なり、測定精度がより向上する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１、図２は請求項１、２記載の発明に係るマルチチャン
ネル型ボルト軸力管理システムの一実施例を示す図であ
る。まず、構成を説明する。

【００１３】図１、図２において、10は所定の締結部、
例えばフランジ締結部であり、このフランジ締結部10
は、図示しない２本のパイプの対向する端部に設けられ
たフランジ11、12と、図示しないパッキングと、このパ
ッキングを挟んでフランジ11、12を締結する複数組のボ
ルト14およびナット15（図中では代表して２組だけを示
している）とからなる。

【００１４】20は、所定のカップラント21（例えば、グ
リセリン、水、油又はグリース等が使用される）を介し
て複数のボルト14にそれぞれ取り付けられた複数の測定
プローブである。各測定プローブ20は、図示しない公知
の圧電素子部を含んで構成されており、この圧電素子部
への入力電気信号（測定パルス）をピエゾ効果により機
械的振動に変換してボルト14の一端に超音波を入射する
とともに、ボルト14の他端で反射した超音波を電気信号
に変換して外部に出力することができる。

【００１５】また、測定プローブ20は、それぞれ所定の
取付け治具23を介してボルト14に取り付けられており、
取付け治具23は、測定プローブ20を収納して保持する有
底筒状の保持部23ａと、ボルト14のねじ14ａに螺合する
３つの爪状の螺合部23ｂとを有している。この取付け治
具23は板ばね等の弾性材料から形成されており、保持部
23ａおよび螺合部23ｂを連結する連結部23ｃが保持部23
ａおよび螺合部23ｂを弾性的に連結することで、測定プ
ローブ20がボルト14の一端面に所定押圧力で押圧されて
いる。

【００１６】これら複数の測定プローブ20の接続ケーブ
ル20ａは、チャンネル切替器30の複数のチャンネル端子
部30ａのうち対応する１つにそれぞれに接続されてお
り、このチャンネル切替器30の出力端子は公知の超音波
式のボルト軸力計40に接続されている。チャンネル切替
器30は、図示はしないが、例えば公知のマルチプレクサ
と、信号強度の低下を防止する増幅補正回路とを具備し
ており、複数の入力端子部30ａおよび１つの出力端子30
ｂを有している。このチャンネル切替器30は、入力端子
部30ａのうち任意の一端子を選択して出力端子30ｂに接
続するとともに、この接続をする入力端子を所定条件で
順次切り替えることができるようになっている。すなわ
ち、複数のボルト14に対応する複数の測定プローブ20と
ボルト軸力計40との間にチャンネル切替器30が介装さ
れ、このチャンネル切替器30により複数のうち何れか１
つの測定プローブ20とボルト軸力計40とが接続されると
ともに、この接続される１つの測定プローブ20が順次他
の測定プローブ20（例えば、フランジ11、12の周方向で
隣接するものに）に切替可能になっている。なお、チャ
ンネル切替器30は、上述したマルチチャンネルモードに
加え、特定の測定プローブ20だけを選択してボルト軸力
計40と１対１に接続するモードを有している。

【００１７】ボルト軸力計40は、詳細は図示しないが、
測定プローブ20への前記入力電気信号として測定用パル
スを送信する送信回路と、送信パルスとそれに対応する
測定プローブ20の出力電気信号（測定情報）とに基づい
てボルト14の長さを測定する測定回路とを有している。
この測定回路による長さ測定は、ボルト長さＬ＝（ボル
ト材料内の音速）×（パルス往復時間／２）との考えに
よるもので、ナット締付け前のボルト長さＬ1とナット
締付け後のボルト長さＬ2とを超音波を利用して検出す
ることで、ボルトの伸びΔＬ＝（Ｌ2−Ｌ1）×（所定係
数）を算出して、ボルトの歪みε（前記伸びΔＬ／初期
長さＬ）に対応する応力σ（縦弾性係数Ｅ×歪みε）及
びボルト軸力Ｆ（Ｆ＝ボルトの応力σ×ボルトの断面積
Ａ）を算出するというものである。なお、前記伸びΔＬ
を算出するための所定係数は、締付け前後の測定時にお
ける音速変化の影響を補正するためのものである。

【００１８】50は、ボルト軸力計40に接続されたコンピ
ューターである。コンピューター50は、図示しないＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース回路およ
び補助記憶装置等を有しており、ＲＯＭ内に予め格納さ
れた所定の制御プログラムに従い、測定用のデータをＲ
ＡＭ及び補助記憶装置内の所定のファイルに記憶すると
ともに、この記憶データの値を締付け後の測定データの
値から差し引き、温度や応力負荷に対する補正を行なっ
てボルト14の伸びΔＬや目標締付力等を算出する。すな
わち、コンピューター50は、ナット15の締付けによるボ
ルト14の締付けの前と後とでのボルト軸力計40の測定長
さの差に基づいて、ボルト14の伸びΔＬを算出し、ボル
ト14のボルト軸力Ｆを算出する演算手段となっている。
また、コンピューター50にはプリンター60が接続されて
おり、コンピューター50により加工された測定データに
基づいて、ボルト軸力管理に関する報告書類が作成でき
るようになっている。

【００１９】次に、作用を説明する。まず、コンピュー
ター50に対し所定のキー入力操作がされてボルト締付け
箇所に対する最適締付力の計算メニューが起動され、コ
ンピューター50によりボルト14の所定の締付け範囲（応
力σ、伸びΔＬ、ガスケットの面圧）等が算出されると
ともに、測定用データ記入用のファイルが作成される。
次いで、上記算出結果に基づいて、目標締付力（ボルト
伸びΔＬ、ボルト応力σ、推定トルクＴ）が決定され
る。

【００２０】次いで、ボルト自動測定メニューが起動さ
れると、必要なデーターが前記測定用データ記入用ファ
イルに書込まれ、例えばＣＲＴディスプレイに51に測定
データの記入ファイルが表示され、あるいは、円グラフ
で現状のボルト14の伸び（ゼロ）又は長さが表示され
る。次いで、カップラント21を介して取付け治具23によ
りボルト14の一端面に取り付けられる。このとき、取付
け治具23は、ボルト14のねじ14ａに３つの爪状の螺合部
23ｂを螺合させることでボルト14に結合されるととも
に、測定プローブ20を所定の押圧力でボルト14の一端面
に押圧することになる。

【００２１】複数のボルト14にそれぞれ測定プローブ20
が接続されると、次にボルト軸力計40のスイッチ（図示
していない）がＯＮにされる。そして、このＯＮ状態に
おいて、ボルト軸力計40は常に一定のインターバルで前
記測定用パルスを発生する。このとき、チャンネル切替
器30がチャンネル固定モードであれば、特定のチャンネ
ルだけがボルト軸力計40に接続される。したがって、チ
ャンネル切替器30を介して１つの測定プローブ20に入力
電気信号が与えられ、その測定プローブ20が機械的振動
を発生してボルト14の一端に超音波を入射し、その反射
エコーがあれば、ボルト軸力計40により測定用パルスと
その反射エコーとの時間差からボルト長さが測定され、
そのデータがコンピューター50に取り込まれて加工さ
れ、ＣＲＴディスプレイ51上に表示される。

【００２２】一方、チャンネル切替器30が、マルチチャ
ンネルモードであれば、入力端子部30ａの全チャンネル
の端子が前記ＣＰＵに付設されたタイマー回路の信号に
より一定の時間間隔（インターバル）で出力端子30ｂに
順次接続切替されていく。したがって、チャンネル切替
器30を介し何れか１つの測定プローブ20に入力電気信号
が与えられるとともに、その１つの測定プローブ20が順
次切替えられ、切替えられた１つ測定プローブ20からか
らボルト14に機械的振動が入射され、測定用パルスとそ
の反射エコーとの時間差から複数のボルト14の長さが同
時に測定され、それら測定データがコンピューター50に
取り込まれて加工され、ＣＲＴディスプレイ51上に表示
される。

【００２３】このような状態において、コンピューター
50は、取り込んだ測定データをボルト締付け前の長さＬ
1の測定値として前記測定データ記入用のファイルへ記
憶させる。これによりボルト締付け前のボルト長さＬ1
の長さ測定が終了する。次いで、スパナ等の締付け工具
によりナット15が締付け方向に回転され、複数のボルト
14が締め付けられる。

【００２４】次いで、上述と同様な手順で締付け後のボ
ルト長さＬ2が測定され、その測定データがコンピュー
ター50に取り込まれる。次いで、ナット締付け前のボル
ト長さＬ1とナット締付け後のボルト長さＬ2との値に基
づいてボルト14の伸びΔＬが算出され、例えば一定のイ
ンターバルでボルト軸力計40に接続される各測定プロー
ブ20からの信号に対応して、各ボルト14の伸びが一定の
インターバルでＣＲＴディスプレイ上に円グラフの形で
表示される。そして、その伸び量をディスプレイ51上で
監視することにより、ボルト14に加わる応力σおよびボ
ルト軸力Ｆが管理される。

【００２５】このように本実施例においては、チャンネ
ル切替器30によって、ボルト軸力計40が複数の測定プロ
ーブ20のうち何れかに順次切替接続され、このチャンネ
ル切替えにより複数の測定プローブ20の出力電気信号が
順次ボルト軸力計40に取り込まれて複数のボルト14の伸
びが同時に測定される。したがって、ボルト14の締付け
開始から測定終了まで各測定プローブ20をボルト14に取
付けたままにしておくことができ、従来のように測定プ
ローブを他のボルトへ付替えたり締付け前後で取外し及
び再取付けする必要がないので、測定作業の効率が大幅
に改善される。また、締付け前後で測定プローブ20の取
付け位置のずれが無いので、複数のボルト14のボルト軸
力が高精度に測定可能になる。

【００２６】さらに、本実施例においては、測定プロー
ブ20を保持する取付け治具23が、測定プローブ20の保持
部分とボルト14への螺合部分とを弾性的に連結したもの
になっているので、各測定プローブ20が一定の押圧力で
ボルト端面に押圧され、各ボルト14に対する測定プロー
ブ20の取付状態が極めて安定したものになり、測定精度
も向上する。

【００２７】なお、本実施例では、ボルト14の伸びをモ
ニタしてボルト軸力管理を行っているが、ボルトの歪み
やボルト軸力を直接算出し、表示して同様な軸力管理を
することもできる。また、本実施例はボルト14の両端に
ナット15が設けられる例であったが、ボルトヘッド付き
のボルトとその一端に螺合するナットの組み合せであっ
ても良いことは言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、チャンネ
ル切替器により、ボルト軸力計を複数の測定プローブの
うち１つに順次切り替えて接続し、このチャンネル切替
えにより複数の測定プローブの出力電気信号を順次ボル
ト軸力計に取り込むようにしていねので、複数のボルト
の伸びを同時に測定し、ボルトの締付け前後に亙って各
測定プローブを取付けたままにしておくことができ、測
定作業を容易化するとともにボルト軸力の管理の精度を
向上させることができる。

【００２９】請求項２記載の発明によれば、取付け治具
を、測定プローブの保持部とボルトへの螺合部とを連結
部によって弾性的に連結したものにしているので、測定
プローブを一定の押圧力でボルト端面に押圧することが
でき、各ボルトに対する測定プローブの取付け状態を安
定させて測定精度をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマルチチャンネル型ボルト軸力管
理システムの一実施例を示すその全体構成図である。

【図２】一実施例の測定プローブ取付け治具の構成を示
す図で、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ矢
視図である。

【符号の説明】

10 フランジ締結部（所定の締結部） 11、12 フランジ 14 ボルト 15 ナット 20 測定プローブ 30 チャンネル切替器 40 ボルト軸力計 50 コンピューター（演算手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の締結部に設けられた複数のボルトに
   それぞれ取り付けられ、入力電気信号に応じ機械的振動
   を発生して該機械的振動をボルトの一端に入射するとと
   もに、該ボルトの他端で反射した超音波を電気信号に変
   換して出力する複数の測定プローブと、 測定プローブへの前記入力電気信号を送信し、該送信し
   た電気信号とそれに対応する測定プローブの出力電気信
   号とに基づいてボルトの長さを測定するボルト軸力計
   と、 ボルト軸力計と各測定プローブの間に介装され、ボルト
   軸力計を複数の測定プローブのうち任意の１つに接続す
   るとともに、該接続する１つの測定プローブを順次切り
   替えることができるチャンネル切替器と、 ボルト軸力計に接続され、ボルトの締付け前と締付け後
   とのボルト軸力計の測定値の差によりボルトの伸びを算
   出する演算手段と、を備えたことを特徴とするマルチチ
   ャンネル型ボルト軸力管理システム。
2. 【請求項２】前記測定プローブが所定の取付け治具を介
   してボルトに取り付けられ、 該取付け治具が、測定プローブを保持する保持部と、ボ
   ルトのねじに螺合する螺合部と、保持部および螺合部を
   弾性的に連結する連結部とを有することを特徴とする請
   求項１記載のマルチチャンネル型ボルト軸力管理システ
   ム。