(57)【要約】【課題】  回転機器の運転中もしくは短時間の停止中に回転軸のクラックを検出する。【解決手段】  回転機器における回転軸１の軸方向一方の端面１ｂにて超音波がパルス状に反射するようにもう一方の端面１ａに回転軸１と一体に回転する超音波探触子２を１つ以上設置し、超音波探触子２に電圧信号を出力するパルサ１１及び超音波探触子２からの電圧信号を受信するレシーバ１２と、超音波探触子２とを超音波探触子２の回動を許容しつつ電気的に接続する接続手段３により接続し、回転軸１の回転運転中又は短時間の停止中に、超音波探触子２から超音波を発信し、超音波のクラックからの反射波を受信することにより回転軸１のクラックを検出する【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機器における回転軸（１）の軸方向一方の端面（１ｂ）にて超音波がパルス状に反射するように、もう一方の端面（１ａ）に回転軸（１）と一体に回転する超音波探触子（２）を１つ以上設置し、
前記超音波探触子（２）に電圧信号を出力するパルサ（１１）及び前記超音波探触子（２）からの電圧信号を受信するレシーバ（１２）と、前記超音波探触子（２）と、を当該超音波探触子（２）の回動を許容しつつ電気的に接続する接続手段（３）により接続し、
前記回転軸（１）の回転運転中又は短時間の停止中に、前記超音波探触子（２）から超音波を発信し、当該超音波のクラックからの反射波を受信することにより前記回転軸（１）のクラックを検出する回転軸クラック検出方法。
【請求項２】
前記超音波探触子（２）は回転軸（１）の軸中心に設置されることを特徴とする請求項１記載の回転軸クラック検出方法。
【請求項３】
前記接続手段（３）がスリップリングであり、当該スリップリングにより伝送された受信信号に移動平均処理を施すことにより前記スリップリングにて発生するノイズ成分を除去することを特徴とする請求項１又は２記載の回転軸クラック検出方法。
【請求項４】
前記回転軸（１）が樹脂溶融混練用の２軸押出機のスクリュ（３０）であり、前記超音波探触子（２）から発信された超音波が前記スクリュ（３０）の前端面（３０ｂ）にてパルス状に反射するように、前記超音波探触子（２）を前記スクリュ（３０）の後端面（３０ａ）に設置することを特徴とする請求項１〜３の内のいずれか記載の回転軸クラック検出方法。
【請求項５】
回転機器における回転軸（１）の軸方向一方の端面（１ｂ）にて超音波がパルス状に反射するとともに前記回転軸（１）と一体に回転するように、前記回転軸（１）のもう一方の端面（１ａ）に１つ以上設置される超音波探触子（２）と、
前記超音波探触子（２）と、当該超音波探触子（２）に電圧信号を出力するパルサ（１１）及び前記超音波探触子（２）からの電圧信号を受信するレシーバ（１２）と、を前記超音波探触子（２）の回動を許容しつつ電気的に接続する接続手段（３）と、
を備えたことを特徴とする回転軸クラック検出装置。
【請求項６】
前記超音波探触子（２）は回転軸（１）の軸中心に設置されることを特徴とする請求項５記載の回転軸クラック検出装置。
【請求項７】
前記接続手段（３）がスリップリングであり、当該スリップリングにより伝送された受信信号に移動平均処理を施す手段を有することを特徴とする請求項５又は６記載の回転軸クラック検出装置。
【請求項８】
前記回転軸（１）が樹脂溶融混練用の２軸押出機のスクリュ（３０）であり、前記超音波探触子（２）は、前記スクリュ（３０）の軸方向前端面（３０ｂ）にて超音波がパルス状に反射するように、前記スクリュ（３０）の軸方向後端面（３０ａ）に設置されることを特徴とする請求項５〜７の内のいずれか記載の回転軸クラック検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリュを有する樹脂溶融混練用の２軸押出機のように、回転軸を有する回転機器の回転軸内に発生するクラックを検出する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機器の設備保全において、回転軸は機能上最も重要度が高い。そのため、運転中に発生した回転軸内のクラックを検出するためには、定期、不定期を問わず一定時間回転機器を停止し、又は回転軸自体を機器から分解し、都度非破壊検査、例えば、超音波探傷試験、磁粉探傷試験、染色探傷試験等を行っている。
【０００３】
前記非破壊検査の内、超音波を用いた探傷試験として次のような方法が知られている。すなわち、平面上に併設された複数の超音波振動子から構成されるアレイ探触子を中実軸部材の端面に接触させ、アレイ探触子を構成する超音波振動子の内、２以上の所定数の超音波振動子からなる振動子群に、予め設定された狙い位置に超音波ビームを送受信できるように送受信遅延を与えて探傷し、送受信遅延の時間を所定範囲で変更することにより、超音波ビームを狙い位置の近傍で、中実軸部材の軸方向又は／及び周方向に走査し、この走査の際に得られる各位置での探傷信号に移動平均処理を施して、きず判定を行う。（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−２５７７９９号公報
【０００４】
また、回転軸を有する回転機器の一例として、図６（ａ）及び（ｂ）に示す樹脂溶融混練用の２軸押出機がある。
この２軸押出機は、ポリマーブレンド、フィラーコンパウンド、マスターバッチコンパウンドなどの製造において使用され、駆動モータ３２からシリンダ３４内にあるスクリュ３０に伝達された回転力により、樹脂原料に各種付加価値を与えながら押出す機械である。駆動中、スクリュ３０には軸方向と直交する方向に曲げ荷重が掛かり、この曲げ荷重によるスクリュ外径の磨耗が進行すると、スクリュ３０は軸方向と直交する方向へさらに大きく曲げ変形（曲げ応力）を受けることになり、シリンダ３４の内面を損傷させたり、スクリュ３０を折損したりする可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の回転軸の点検には、以下のような課題がある。すなわち、回転軸の点検のために上記のように回転機器を一定時間停止し、回転軸を回転機器より分解して検査していたりしたのでは、分解及び再組み込みのために多大な時間を要する。また、分解せずに点検する場合でも、検査中は機器自体を停止させる必要があるため、やはり検査のために多大な時間を要する。さらに、軸内クラックの発生は予測することができないため、定期的に機器を停止して回転軸を点検する必要があるが、仮に、検査後にクラックが発生し、次回検査までにクラックが進行すると、回転機器の使用中に軸折損に至る場合がある。仮に軸折損が発生すると、周辺部品及び回転機器外の周辺設備にも損傷が波及することがあり、その復旧作業に要する時間と費用は機器使用者にとって大きな負担となる。
【０００６】
また、前述の２軸押出機の場合も同様で、スクリュ３０が折損すると、シリンダ３４内面の損傷ばかりでなく、スクリュ３０に回転力を与えている駆動モータ３２や回転機構（減速機）３６などの関連機器にも損傷を与えてしまう場合がある。また、一旦スクリュ３０が折損してしまうと、２軸押出機を停止し、折損したスクリュ３０を除去し、その関連機器内部を点検し、復旧させるまでの間に、２軸押出機に関連するシステム全てを停止させなければならないため、生産に大きな影響を与えてしまう。このような事態を回避するために、定期的に２軸押出機を停止させ、スクリュ３０をシリンダ３４内から引き抜いた上で、前記各種非破壊検査方法において検査を行っていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転軸の回転中でも軸の破損を検査することが可能な超音波探触子を回転軸に設置し、回転機器の運転中もしくは短時間の停止時に軸の破損を検査することを最も主要な特徴とする。
【０００８】
すなわち、請求項１記載の回転軸クラック検出方法は、回転機器における回転軸（１）の軸方向一方の端面（１ｂ）にて超音波がパルス状に反射するように、もう一方の端面（１ａ）に回転軸（１）と一体に回転する超音波探触子（２）を１つ以上設置し、
前記超音波探触子（２）に電圧信号を出力するパルサ（１１）及び前記超音波探触子（２）からの電圧信号を受信するレシーバ（１２）と、前記超音波探触子（２）と、を当該超音波探触子（２）の回動を許容しつつ電気的に接続する接続手段（３）により接続し、
前記回転軸（１）の回転運転中又は短時間の停止中に、前記超音波探触子（２）から超音波を発信し、当該超音波のクラックからの反射波を受信することにより前記回転軸（１）のクラックを検出することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記超音波探触子（２）は回転軸（１）の軸中心に設置されることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記接続手段（３）がスリップリングであり、当該スリップリングにより伝送された受信信号に移動平均処理を施すことにより前記スリップリングにて発生するノイズ成分を除去することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の内のいずれか記載の発明において、前記回転軸（１）が樹脂溶融混練用の２軸押出機のスクリュ（３０）であり、前記超音波探触子（２）から発信された超音波が前記スクリュ（３０）の前端面（３０ｂ）にてパルス状に反射するように、前記超音波探触子（２）を前記スクリュ（３０）の後端面（３０ａ）に設置することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５記載の回転軸クラック検出装置は、回転機器における回転軸（１）の軸方向一方の端面（１ｂ）にて超音波がパルス状に反射するとともに前記回転軸（１）と一体に回転するように、前記回転軸（１）のもう一方の端面（１ａ）に１つ以上設置される超音波探触子（２）と、
前記超音波探触子（２）と、当該超音波探触子（２）に電圧信号を出力するパルサ（１１）及び前記超音波探触子（２）からの電圧信号を受信するレシーバ（１２）と、を前記超音波探触子（２）の回動を許容しつつ電気的に接続する接続手段（３）と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記超音波探触子（２）は回転軸（１）の軸中心に設置されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の発明において、前記接続手段（３）がスリップリングであり、当該スリップリングにより伝送された受信信号に移動平均処理を施す手段を有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項８記載の発明は、請求項５〜７の内いずれか記載の発明において、前記回転軸（１）が樹脂溶融混練用の２軸押出機のスクリュ（３０）であり、前記超音波探触子（２）は、前記スクリュ（３０）の軸方向前端面（３０ｂ）にて超音波がパルス状に反射するように、前記スクリュ（３０）の軸方向後端面（３０ａ）に設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転機器の運転中もしくは短時間の停止中に回転軸の点検を行うことができるため、回転軸が完全に折損する前にクラックの発生を検出することができる。これにより、周辺部品及び回転機器外の周辺設備への損傷の波及を防止することができ、損傷を極力小さな範囲に抑える効果がある。
【００１６】
また、本発明を２軸押出機に適用した場合でも、２軸押出機内のスクリュが折損する前に過大な曲げ変形により発生したクラックを検出することができるため、スクリュ折損後に発生するであろうと推定される他方のスクリュ、シリンダ内面及びその他関連機器への損傷の波及を防止することができ、損傷を極力小さな範囲に抑える効果がある。また、２軸押出機復旧にかかる時間が大幅に削減でき、生産への影響も最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明によれば、回転軸の一方の端面に回転軸と一体に回転する超音波探触子を設置し、この回転する超音波探触子とバルサ及びレシーバとを接続手段により電気的に接続する。
【実施例１】
【００１８】
図１に本発明の実施例に関わる構成図を示す。
回転機器における回転軸１の軸方向の一方の端面１ｂにて超音波がパルス状に反射するとともに回転軸１と一体に回転するように、回転軸１のもう一方の端面１ａに超音波探触子２が設置される。回転軸１の端面１ｂは、超音波探触子２から発信される超音波の進行方向に対して直交する面となっている。
【００１９】
超音波探触子２は接続手段３を介して超音波探触子２に電圧信号を出力するパルサ１１及び超音波探触子２からの電圧信号を受信するレシーバ１２と、回動を許容されつつ電気的にそれぞれ接続されている。超音波探触子２は、これの内部にある図示してない振動子により、パルサ１１からの電圧信号を超音波に変換し、この超音波を回転軸１内へ発信する。この発信された超音波が端面１ｂ及び／又はクラック１ｃで反射し、この反射波を超音波探触子２が受信し、振動子により電圧信号に変換してレシーバ１２に伝送する。超音波探触子２から発信された超音波が回転軸１の端面１ｂにて反射され、再び超音波探触子２に到達する経路は常に一定であるため、クラック１ｃがない場合の超音波が発信されてから反射波が受信されるまでの時間は予め決定される。
【００２０】
パルサ１１は発信制御器２１から定期的に又は不定期に或いは任意のタイミングで発信指令を受信し、予め設定されたパルス状又はバースト状或いはその他の形態の電圧信号を接続手段３を介して超音波探触子２に出力する。
【００２１】
レシーバ１２は、超音波探触子２から伝送された電圧信号を図示してないレシーバ１２内部の増幅器で増幅し、判別手段２２に送信する。
【００２２】
判別手段２２は、レシーバ１２からの信号の他に発信制御器２１から送信される発信指令も受信し、この発信指令に基づいてレシーバ１２からの受信信号を判別し、その結果を表示手段２３に送信する。
【００２３】
表示手段２３は、受信した結果に基づいて判別結果を表示する。
【００２４】
次に、図２に示す超音波探傷の概念図及び図３に示す表示手段２３に表示される反射波波形例に基づいて、回転軸１にクラックがある場合の検出方法について説明する。
【００２５】
発信制御器２１がパルサ１１に対して発信指令を発し、パルサ１１は接続手段３を介して電圧信号を超音波探触子２に出力する。超音波探触子２は超音波を発信し、この超音波は回転軸１内を端面１ｂ方向へ進む。超音波は、回転軸１内のクラックがない部分では端面１ｂにて反射され、クラックがある部分ではクラック１ｃにて反射されて回転軸１内を端面１ａ方向にそれぞれ進み、超音波探触子２にて受信される。クラック１ｃによる反射波（すなわち、図３に示されるクラックエコー）及び端面１ｂによる反射波（すなわち、図３に示される端面エコー）はともに、超音波探触子２の振動子により電圧信号に変換され、接続手段３を介してレシーバ１２に伝送される。
【００２６】
図３に示されるように、クラック１ｃによる反射波すなわちクラックエコーは、端面１ｂによる反射波すなわち端面エコーに比べて伝搬する距離が短いため、クラックエコーは端面エコーに比べてより早く超音波探触子２にて受信される。レシーバ１２は、伝送されたクラックエコー及び端面エコーをそれぞれ判別手段２２に送信する。判別手段２２は、すでに発信制御器２１から発信信号を受信しており、端面エコーの場合、前述のように超音波探触子２による受信時間が一定値であるため、レシーバ１２からの受信信号がクラックエコーか端面エコーかを判別することができる。
【００２７】
次に、接続手段３としてスリップリングを用いる場合の移動平均処理について図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を参照して説明する。図４（ａ）は信号波形１を、図４（ｂ）は信号波形２を、図４（ｃ）は移動平均後波形をそれぞれ示す。なお、移動平均処理は判別手段２２において実施される。
【００２８】
スリップリングは、通常その摺動部分にてノイズを発生するものが多く、一方、超音波探触子２にて受信された反射波による受信信号は通常非常に微小な電圧信号であって、スリップリング内でのノイズの影響を顕著に受け得るレベルである。したがって、単純に受信信号だけではそれに含まれるノイズ成分によってクラックの位置或いは有無自体検出が困難となる。そのため、本発明では、ノイズ成分の影響を除去するために、受信信号を移動平均してノイズ成分をキャンセルすることによりクラックの検出を可能としている。
【００２９】
具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、２つの受信波形は毎回ランダムに発生するノイズ成分を含むが、この２つの波形を加算平均すると、図４（ｃ）に示すように、ノイズ成分は減衰するが、クラック位置の波形は減衰することがない。この原理により予め測定したスリップリングのノイズ発生頻度より適正な移動平均回数及び判別レベルを求めておき、波形受信都度移動平均処理を実施することで、クラックの有無を判別することができる。
【００３０】
なお、超音波探触子２は回転軸１の軸中心に設置することもできる。回転軸折損に至る前に発生するクラックは、通常ある起点（応力集中した点）に発生すると、図５（ａ）に示されるように波状（ビーチマーク）に軸を伝搬し（繰返し荷重）、図５（ｂ）に示されるように、最終的には許容応力の限界を超えて回転軸１は完全に折損に至る。また最終的に折損する時点での波状（ビーチマーク）の深さは、軸径のおよそ１／２から２／３であることが経験的に分かっており、これにより、回転軸１の軸径の大小に関わらず、軸中心に超音波探触子２を設置することで確実にクラックを検出することが可能である。
【００３１】
しかしながら、これは、超音波探触子２の数や位置を限定するものではなく、複数の探触子を使用しても良いし、超音波探触子２の設置位置は端面１ａの適宜位置に設定しても良い、或いは、複数の超音波探触子２を回転軸１の周辺に設置しても良い。回転軸１の周辺の複数の超音波探触子２を設置するものでは、初期段階のクラックを検知することが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
次に、実施例２として、本発明を樹脂溶融混練用の２軸押出機に適用した場合について説明する。まず、２軸押出機の構成について、図６（ａ）の２軸押出機の側面図、及び図６（ｂ）の２軸押出機の平面図、図７（ａ）のスクリュの外形を示す側面図、図７（ｂ）のスクリュの外形を示す斜視図に基づいて簡単に説明する。
【００３３】
シリンダ３４内に２本のスクリュ３０が図７に示す状態で回転可能に配設されており、スクリュ３０の後端３０ａはモータ３２の動力を伝達する動力伝達手段３８を介して回転機構（減速機）３６に接続されている。スクリュ３０はこれが回転することによりシリンダ３４内に投入された樹脂を溶融混練し、溶融混練された樹脂をシリンダ３４先端に設けられた吐出口４０よりシリンダ３４外に吐出する。
【００３４】
次に、超音波探触子２を設置するスクリュ３０の構造について、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて説明する。図８（ａ）はスクリュ３０全体の側断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のスクリュ３０後端部分の拡大図、図８（ｃ）は図８（ａ）のスクリュ３０前端部分の拡大図である。
【００３５】
超音波探触子２が動力伝達手段３８の機能を阻害することがないように、スクリュ３０の後端面３０ａに超音波探触子２を設置するための探触子設置面３０ｃが形成されており、ここに超音波探触子２が設置される。また、図８（ｃ）に示されるように、スクリュ３０の前端部には、超音波がパルス状に反射するように、探触子設置面３０ｃと平行な面である前端面３０ｂが形成されている。
【００３６】
第２実施例におけるクラックの検出方法は、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例に関わる構成図である。
【図２】超音波探傷の概念図である。
【図３】表示手段２３に表示される反射波波形例を示す図である。
【図４】（ａ）信号波形１を示す図である。  （ｂ）信号波形２を示す図である。  （ｃ）移動平均処理後の波形を示す図である。
【図５】（ａ）回転軸のクラックの進行を表す図である。  （ｂ）時間と回転軸における破損面積と破壊応力の関係を表した図である。
【図６】（ａ）２軸押出機の側面図である。  （ｂ）２軸押出機の平面図である。
【図７】（ａ）スクリュの外形を示す側面図である。  （ｂ）スクリュの外形を示す斜視図である。
【図８】（ａ）スクリュ３０全体の側断面図である。  （ｂ）図８（ａ）のスクリュ３０後端部分の拡大図である。  （ｃ）図８（ａ）のスクリュ３０前端部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  回転軸
１ａ、１ｂ  端面
１ｃ  クラック
２  超音波探触子
３  接続手段
１１  パルサ
１２  レシーバ
３０  スクリュ
３０ａ  後端面
３０ｂ  前端面
【図１】
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【図２】
2007218796.tif 000004
【図３】
2007218796.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007218796.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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