(57)【要約】【課題】ガイドベーン駆動機構の連結ピンに使用されているＪＩＳ規格品のステンレス鋼は成分範囲が広いため、連結ピンの材料のせん断強度特性のバラツキが大きく、設計値を超える無理な力がガイドベーンリンクとガイドベーンアームとの間に作用しても破断せずに、ガイドベーン、ガイドベーンリンクあるいはガイドベーンアームを損傷させる懸念があった。【解決手段】複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設ける連結ピンにおいて、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、このステンレス鋼に材料強度安定化のための熱処理を施したことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設けた連結ピンにおいて、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、このステンレス鋼に材料強度安定化のための熱処理を施したことを特徴とする連結ピン。
【請求項２】
前記連結ピンの弱点部よりも上部に連結ピン破断時の脱落防止片を設けたことを特徴とする請求項１記載の連結ピン。
【請求項３】
複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設け、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、かつ材料強度安定化のための熱処理を施した連結ピンの軸線方向に穿設した孔内に、連結ピンの破断を検出する破断検出部を挿着したことを特徴とする連結ピンの異常状態検出装置。
【請求項４】
複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設け、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、かつ材料強度安定化のための熱処理を施した連結ピンの軸線方向に穿設した孔内に、連結ピンの変形を検出して連結ピンの劣化を判定する劣化検出器を挿着したことを特徴とする連結ピンの異常状態検出装置。
【請求項５】
前記ステンレス鋼の熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後空冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後炉冷したことを特徴とする請求項1記載の連結ピン製造方法。
【請求項６】
前記ステンレス鋼の熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後油冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後炉冷したことを特徴とする請求項1記載の連結ピン製造方法。
【請求項７】
前記ステンレス鋼の熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後油冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後空冷したことを特徴とする請求項１記載の連結ピンの製造方法。
【請求項８】
前記ステンレス鋼の熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後空冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後空冷したことを特徴とする請求項１記載の連結ピンの製造方法。
【請求項９】
請求項１または２に記載の連結ピンと、請求項３または４に記載の連結ピンの異常状態検出装置とを備えた水車のガイドベーン駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水車のガイドベーン駆動機構の連結部等に設けられる連結ピン、連結ピンの製造方法、連結ピンの異常検出装置およびこの連結ピンとその異常検出装置を備えたガイドベーン駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車のガイドベーン駆動機構は、調速機サーボモータにより前後に駆動される操作ロッドと、この操作ロッドによって左右に所定角度回動可能なガイドリングと、このガイドリングにガイドベーンリンクを介して連結されたガイドベーンアームと、このガイドベーンアームに連結されたガイドベーンとから構成されている。しかも、このガイドベーンリンクとガイドベーンアームとは連結ピンによって連結しているのであるが、この連結ピンはガイドベーンリンクとガイドベーンアームとの間に連結部に予想を超えた無理な力が作用した場合、破断してガイドベーン駆動機構を構成する部材であるガイドベーンリンク、ガイドベーンアームおよびガイドベーンが損傷するのを防止している（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−１１９６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このガイドベーン駆動機構に使用される連結ピンの材料には、従来ＪＩＳ規格品のステンレス鋼を用いている。しかし、このＪＩＳ規格品は成分範囲が広いため、連結ピンの材料のせん断強度特性のバラツキが大きくなり、設計値を超える無理な力がガイドベーンリンクとガイドベーンアームとの間に作用しても破断せず、ガイドベーン、ガイドベーンリンクあるいはガイドベーンアームを損傷させる懸念があった。
【０００４】
本発明は上述した問題点鑑みてなされたもので、連結ピンのせん断強度特性を安定させて、所定値以上の無理な力がリンク機構の連結部材に作用した場合、確実に破断することのできる安定性の高い高品質の連結ピン、連結ピンの製造方法、連結ピンの異常検出装置およびそれらを備えたガイドベーン駆動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る連結ピンの発明は、複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設けた連結ピンにおいて、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、このステンレス鋼に材料強度安定化のための熱処理を施したことを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、ステンレス鋼の成分範囲を規制したうえで、熱処理したので、連結ピンの材料強度を安定させて、無理な力が連結部に作用しても確実に破断することのでき、水力機器の損傷を防止することができる。
【０００７】
また、請求項２に係る連結ピンの発明は、前記連結ピンの弱点部よりも上部に連結ピン破断時の脱落防止片を設けたことを特徴とする。  
この発明によれば、連結ピンの破断部の突起部がガイドベーンリンクの取付け孔内に収まり、ガイドベーンリンクとガイドベーンアームに接触することがないため、補修費が少なくしかも早く補修を完了することができる。
【０００８】
また、請求項３に係る連結ピンの異常状態検出装置の発明は、複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設け、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、このステンレス鋼に材料強度安定化のための熱処理を施した連結ピンの軸線方向に穿設した孔内に、連結ピンの破断を検出する破断検出部を挿着したことを特徴とする。
この発明によれば、連結ピンが破断した場合、破断検出部によって警報を出力することができる。
【０００９】
また、請求項４に係る連結ピンの異常状態検出装置の発明は、複数部材の連結部に使用され、一部に断面積を小さくして弱点部を設け、素材として、Cr；11.5〜13.0重量％、Si；0.5重量％以下、Mn；1.00重量％以下、P；0.040重量％以下、S；0.030重量％以下、C；0.10〜0.13重量％とし、残部をFeおよび不可避的不純物とする成分からなるステンレス鋼を用い、このステンレス鋼に材料強度安定化のための熱処理を施した連結ピンの軸線方向に穿設した孔内に、連結ピンの変形を検出して連結ピンの劣化を判定する劣化検出器を挿着したことを特徴とする。  
この発明によれば、連結ピンの切欠きのある弱点部で変形量が限界を超えた時に連結ピンの交換を知らせる信号を発してより安全に交換できるようにすることができる。
【００１０】
また、請求項５に係る連結ピンの製造方法の発明は、請求項１において、前記ステンレス鋼の熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後前記連結ピンを空冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後炉冷したことを特徴とする。  
この発明によれば、連結ピンを２段階の熱処理を施すことにより連結ピンの材料強度を安定化させることができる。
【００１１】
また、請求項６に係る連結ピンの製造方法の発明は、請求項1において、前記連結ピンの熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後油冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後炉冷したことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、連結ピンを２段階の熱処理を施すことにより連結ピンの材料強度を安定化させることができるうえに、加熱処理の後に油冷と炉冷との冷却工程を設けたので、全体の熱処理時間を短縮することができる。
【００１３】
さらに、請求項７に係る連結ピンの製造方法の発明は、請求項1において、前記連結ピンの熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後油冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後空冷したことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、連結ピンを２段階の熱処理を施すことにより連結ピンの材料強度を安定化させることができるうえに、加熱処理後の冷却工程として油冷および空冷としたので、全体の熱処理時間をさらに短縮することができる。
【００１５】
さらにまた、請求項８に係る連結ピンの製造方法の発明は、請求項１において、前記連結ピンの熱処理を２段階とし、最初の熱処理を900℃〜1000℃で0.5時間〜１.5時間保持することにより行い、その後空冷し、２度目の熱処理を820℃〜880℃で1.0時間〜5.0時間保持することにより行い、その後空冷したことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、連結ピンを２段階の熱処理を施すことにより連結ピンの材料強度を安定化させることができるうえに、２度の加熱処理の後の冷却工程とも空冷としたので、全体の熱処理時間をより一層短縮することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば素材に成分範囲を規制したステンレス鋼用から連結ピンを成形しこの連結ピンに熱処理を施したので、連結ピンの材料強度を安定化させて破断負荷を一定に保つことができ、より信頼性の高い連結ピンおよび連結ピンを備えたガイドベーン駆動機構を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る連結ピン取付け部の断面図である。  
水車のガイドベーン駆動機構は、調速機サーボモータにより前後に駆動される操作ロッドと、この操作ロッドによって左右に所定角度回動可能なガイドリングと、このガイドリングにガイドベーンリンクを介して連結されたガイドベーンアームと、このガイドベーンアームに連結されたガイドベーンとから構成されている。しかも、このガイドベーンリンクとガイドベーンアームとは連結ピンによって連結しているのであるが、この連結ピンはガイドベーンリンクとガイドベーンアームとの間に連結部に予想を超えた無理な力が作用した場合、破断してガイドベーン駆動機構を構成する部材が損傷するのを防止している。
【００１９】
図１は、水車のガイドベーン駆動機構のうち、ガイドベーンリンク１およびガイドベーンアーム２とを連結部３により連結した状態を示している。この連結部３はガイドベーンリンク１およびガイドベーンアーム２間に設計時の予想を超えた大きな力が作用した場合、連結ピンを破断させるように構成されており、ガイドベーンリンク１およびガイドベーンアーム２には連結ピン４取付け用の取付け穴５および６をそれぞれ形成している。この取付け穴５は取付け穴６よりも大きい内径を有しており、ブッシュ７を嵌めるようにしている。前記連結ピン４は、ブッシュ７の内径および前記取付け穴６の内径に適合する寸法に形成されており、ガイドベーンリンク１側から挿通することによってガイドベーンリンク１とガイドベーンアーム２とを回転自在に連結している。しかも、ガイドベーンリンク１とガイドベーンアーム２とはピン頭部４ａとねじ部４ｂに螺合するナット８とにより締結されている。
【００２０】
なお、前記連結ピン４は、大径部と小径部との接合部に環状の切欠きを設けて弱点部４ｃを形成するとともに、軸方向に孔部４ｄを穿設している。９は破断検出器であり、この孔部４ｄに挿着されて、万一予想を超えた無理な力がガイドベーンリンク１とガイドベーンアーム３間に作用して弱点部４ｃで連結ピン７が破断した場合、破断検出器９の棒状部分９ａも同時に破断し、破断検出器９中に納められた図示しないマイクロスイッチが動作して警報を発するように構成している。  
このような構造の連結ピンに必要な特性は、予め想定した設計値よりも無理な力が連結部に作用したとき、確実に破断することである。
【００２１】
本発明は上記構造の連結ピンにおいて、素材にステンレス鋼を用いるとともにこのステンレス鋼の材料強度を安定させるための熱処理を施工した製造方法を特徴の一つとしたものである。そして破断強度のバラツキを少なくするために、ＪＩＳ規格品よりも熱処理による破断強度への影響因子の大きい成分を規制するように成分を定めている。
【００２２】
（実施例１）
連結ピンの材料を、重量％でCrを11.5〜13.0％とし、Siを0.5％以下、Mnを1.00％以下、Pを0.040％以下、Sを0.030％以下、Cを0.10〜0.13%とし、残部をFeおよび不可避的不純物としたステンレス鋼とする。
【００２３】
本実施例では、上記成分からなるステンレス鋼で成形した連結ピンに、次のプロセスで２段階の熱処理を施す。  
(1)連結ピンを加熱炉において900℃〜1000℃の温度条件で0.5時間〜１.5時間保持する。
(2)連結ピンを加熱炉から取り出し、例えば砂地に置いて大気温度で空冷する。  
(3)この空冷により連結ピンの温度が820℃〜880℃まで低下したら、再度加熱炉に入れ、820℃〜880℃の温度条件で1.0時間〜5.0時間保持する。  
(4)この直後、炉冷すなわちヒーターを止めた加熱炉の中で連結ピンを冷却する。
【００２４】
このようにして、上記成分からなる連結ピンを２段階の熱処理によって製造したので、連結ピンの引張強さのバラツキを無くして破断負荷を一定に保つことができる。例えば、連結ピンの引張強さをおよそ600MPa程度に設定すれば、600MPaを少し超えた負荷が連結部にかかった場合、確実に連結ピンを破断させることができ、ガイドベーンリンク、ガイドベーンアーム、ガイドベーン等水力機械部品の損傷を防止することができる。また当然のことながら、連結ピンはステンレス鋼製のため、腐食も防止できる。
【００２５】
（実施例２）
実施例１と同じ成分のステンレス鋼で連結ピンを成形し、この実施例２では、次のプロセスで２段階の熱処理を施す。  
(1)連結ピンを加熱炉において900℃〜1000℃の温度条件で0.5時間〜１.5時間保持する。
(2)連結ピンを加熱炉から取り出し、油冷する。  
(3)この空冷により連結ピンの温度が820℃〜880℃まで低下したら、再度加熱炉に入れ、820℃〜880℃の温度条件で1.0時間〜5.0時間保持する。  
(4)この直後、炉冷すなわちヒーターを止めた加熱炉の中で連結ピンを冷却する。
【００２６】
（実施例３）
実施例１と同じ成分のステンレス鋼で成形した連結ピンを、この実施例３では、次のプロセスで２段階の熱処理を施す。  
(1)連結ピンを加熱炉において900℃〜1000℃の温度条件で0.5時間〜１.5時間保持する。
(2)連結ピンを加熱炉から取り出し、油冷する。  
(3)この空冷により連結ピンの温度が820℃〜880℃まで低下したら、再度加熱炉に入れ、820℃〜880℃の温度条件で1.0時間〜5.0時間保持する。  
(4)この直後、空冷すなわち大気温度で連結ピンを冷却する。
【００２７】
（実施例４）
実施例１と同じ成分のステンレス鋼で成形した連結ピンを、この実施例３では、次のプロセスで２段階の熱処理を施す。  
(1)連結ピンを加熱炉において900℃〜1000℃の温度条件で0.5時間〜１.5時間保持する。
(2)連結ピンを加熱炉から取り出し、空冷すなわち大気温度で連結ピンまたはステンレス鋼を冷却する。  
(3)この空冷により連結ピンの温度が820℃〜880℃まで低下したら、再度加熱炉に入れ、820℃〜880℃の温度条件で1.0時間〜5.0時間保持する。  
(4)この直後、空冷すなわち大気温度で連結ピンを冷却する。
【００２８】
このようにして、上記成分からなる連結ピンを２段階の熱処理によって製造したので、連結ピンの引張強さのバラツキを無くして破断負荷を一定に保つことができる。例えば、連結ピンの引張強さをおよそ600MPa程度に設定すれば、600MPaを少し超えた負荷が連結部にかかった場合、確実に連結ピンを破断させることができ、ガイドベーンリンク、ガイドベーンアーム、ガイドベーン等水力機械構成部品の損傷を防止することができる。また当然のことながら、連結ピンはステンレス鋼製のため腐食も防止できる。  
なお、以上の実施例１から３では、連結ピンを熱処理する場合について説明したが、連結ピンを成形する前の鋼の状態で熱処理し、その後ピンに成形しても良い。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態による水車のガイドベーン駆動機構の一部分を示す図である。なお、図１と同一部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。  
図２において、図１との相違点はガイドベーンリンク１と連結ピン４の頭部４ａとの間に皿バネ状の破断部脱落防止片１０を介挿させた点にあり、その他は図１と同じである。
【００３０】
このようにガイドベーンリンク１と連結ピン４の頭部４ａとの間に破断部脱落防止片１０を介挿させることにより、図３に示すように連結ピン４が破断したときに、破断部の突起部はガイドベーンリンク1の取付け孔５内に収まる。この結果、破断片がガイドベーンリンク1やガイドベーンアームさらに周辺の機器を破断させる惧れはなく、しかも連結ピン以外の交換がないため、交換時間および費用も削減することができる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図４は第３の実施形態の構成図であり、上記のようにして熱処理して製造した連結ピン中心部の孔部４ｄに破断検出部９の代わりに劣化検出器１１を設置し、弱点部４ｃ近傍部分の変形を検出して連結ピン４の劣化を判定する変形検出部１１ａを設置したものである。このような変形検出器１１ａの例としては、歪みゲージ、ロードセル、圧電素子など検出器１１ａ自体が変形することにより電気的な信号を発するものであれば良い。
【００３２】
この実施の形態によれば、連結ピンの弱点部４ｃの変形を捉えて連結ピン４の破損予寿命を把握し、その交換時期を算出することができる。  
このように、連結ピンの破断前に強度の劣化したピンを交換することができる結果、水力機械の運転効率の向上および安全な運転の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による水車のガイドベーン駆動機構の一部分を示す図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による水車のガイドベーン駆動機構の一部分を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態による連結ピン破断時の断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態による水車のガイドベーン駆動機構の一部分を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１…ガイドベーンリンク、２…ガイドベーンアーム、３…連結部、４…連結ピン、４ｂ…ねじ部、４ｃ…弱点部、５…取付け孔、６…取付け孔、７…ブッシュ、８…ナット、９…破断検出器、１０…破断部脱落防止片、１１…劣化検出器。
【図１】
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【図２】
2006161636.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006161636.tif 000006