技術紹介

ACFM による台車枠検査技術の開発
大 黒 光 喜 ****

藤原

KoukiMitsugu

Daikoku

養 祖 次 郎 ****JiroYohso

貢 ****
Fujiwara

笹 原 利 彦 ****
Toshihiko Sasahara

大津山 澄明 ****

武 藤 行 伸 ****

Sumiaki Ohtsuyama

Yukinobu

坂本Hiroshi

博 ****
Sakamotomuto

牧 野 一 成 ****
Kazunari

Makino

現在、鉄道車両用台車枠の溶接継手部検査は定期的に磁粉探傷検査（MT）が適用されている。
しかし MT では、塗膜剥離作業による作業者への負担が大きい、欠陥判定の個人差によるバラツキ、紙による検査記録管理の煩雑さが伴う。これらを解決するために塗膜上から表面開口き裂の検出が可能である ACFM 法を適用し、ベクトル積フィルタによる自動欠陥判定および、検査結果の電子管理を可能とした台車枠検査技術を開発した。

キーワード：台車枠、表面き裂、交流磁場測定法、ベクトル積者への負担、き裂判定時の個人差、紙による検査記
１．はじめに録による管理の煩雑さを伴う。そこで、我々は塗膜

現在、西日本旅客鉄道株式会社殿、ならびに財をはがさずに表面開口欠陥を容易に検出し、検査結団法人鉄道総合技術研究所殿と当社の 3 者で果を電子管理できる新しい非破壊検査技術を開発

ACFM を利用した台車枠検査技術を共同開発中でし、これらを解決することにした。 1）修理・補修の意味ある。本書では平成 16 年度の開発の成果について３．原理紹介する。

開発では交流電磁場測定（ACFM=Alternating
２．背景

Current Field Measurement）法を用いた。これは、近年英国で開発された非破壊検査の理論で、原理

鉄道事業者は定期検査で台車枠の表面開口欠陥を図１に示す。

を磁粉探傷検査や浸透探傷検査で検出し、加修 1）しているが、この作業は、塗膜のはく離による作業

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検査事業部 技術部 NDE 技術グループ
財団法人 電力中央研究所（元検査事業部）
西日本旅客鉄道株式会社 鉄道本部 技術部
財団法人鉄道総合技術研究所 車両構造技術研究部（車両強度）―

33―

IIC REVIEW/2006/4. No.35

台車枠側ハリ部のき裂進展長さと走行距離の関係を示す計算結果（図３）を参考に、定期検査の間隔である 60 万 km を走行しても 40 mm に至らない
初期き裂長さ 10 mm を検出することを目標とした。

図１

ACFM 法のき裂検出原理と実際のき裂信号例

図 3 側ハリ部き裂進展長さと走行距離の関係※ 2

分布が均一で平行な誘導電流を試験体の表面に流すと、き裂の周辺では磁場の変化について 2 つの有効成分を生じる。それは、き裂の底部を迂回

５．き裂検出能力した誘導電流で生じる Bx 成分と、き裂両端部で回転する誘導電流で生じる Bz 成分である。誘導電き裂検出能力は、台車枠の溶接部を模擬し、疲流を流すコイルのほか、Bx 成分を検出するコイル

労き裂や放電加工欠陥を付けて塗装した試験体、と Bz 成分を検出するコイルがあり、図２に示すプ

台車枠の材質や板厚と同じ平鋼板（SM400B、ローブがき裂を通過すると、2 つの成分の信号デd = 12 mm）を 3 点曲げ疲労試験にかけた疲労きータが取り込まれ、リアルタイムに表示される。

裂試験片、放電加工欠陥試験片、アクリル板の擬

これがき裂信号のパターンで、この波形の有無で似塗膜（1.0 mm、2.0 mm）を用いて検証したき裂の有無を判断する。

（図 4-1、図 4-2）。

図 4-1

図 2 プローブと台車枠探傷部位を探傷する様子

溶接構造試験片（疲労き裂 L= 約 10 mm）

４．目標
き裂検出能力の目標について、国土交通省 H13
年告示の解釈基準 6「台車枠検査マニュアル」では、「検査時に 40 mm 程度のきずを発見すれば、図 4-2脱線に至るような亀裂への進展を防ぐ」※ 1 とある。

―34―試験片と 3 点曲げ疲労試験

これらの試験片をプローブで走査し、き裂信号今回の疲労試験では長さ 10 mm 以下の疲労き裂の変化量（振幅値）とき裂の大きさとの関係につを再現できなかったが、図 5-3 で、長さ 10 mm まいて、き裂の長さと深さそれぞれを確認した結果で近似すると、深さは 1 〜 2 mm と仮定できる。こを図 5-1、図 5-2 に示す。のことから、図 5-1 には、疲労き裂長さ 10 mm の代わりに、別途得られた人工欠陥長さ 10 mm 深さ1 mm の Bz 信号値を反映した。その傾向から言うと、深さ 0.5 mm となるき裂長さが検出限界であると思われる。
そのほか開発に伴って確認したことを以下に挙げる。
（1）プローブにエンコーダを付けて距離情報を読み取り、Bz 信号からき裂長さを計算する試験を

図 5-1 Bz（長さ方向）信号変化量と疲労き裂長さの関係行なった。その結果、実際のき裂長さより 2 σ（95 ％）で 1 mm 程度短めに評価するが、おおむね良好だった。
（2）図 5-3 の疲労試験では、き裂の深さが平鋼板を貫通するまで裏面でも信号データを取ったが、き裂の底部が貫通し裏面に開口するまで、き裂信号を確認できなかった。これは、ACFM法が開口き裂にのみ有効であることを示す結果

図 5-2 Bx（深さ方向）信号変化量と人工欠陥深さの関係である。
これらの結果から、長さ 10 mm、深さ 1 mm 以上６．ノイズ対策

のき裂を塗膜上から検出する能力があることを確認できる。実台車枠の探傷部位の塗膜厚は 1 mm 程

台車枠の探傷部位にプローブをそって探傷し度なので、検出能力としては充分であると言える。

た。台車枠の探傷部位は台車形式によって異なる

き裂の長さと深さの関係を調べるため、先に述が、代表的な探傷部位として、WDT55 台車枠の探傷部位を図 6 に示す。

べた平鋼板の試験片について 3 点曲げ疲労試験をした。その結果を図 5-3 に示す。

図 5-3 平鋼板（SM400B、d =12 mm）の疲労試験結果―

図 6 WDT55 台車枠の探傷部位※ 335―

IIC REVIEW/2006/4. No.35

探傷部位のほとんどは溶接止端部で、信号デー

具体的には、原点からある点まで、またはデー

タは図 7 に示すようにノイズが多く、仮にき裂がタの点間にベクトルを引く。前者は原点ベクトル、あってき裂信号を生じると、信号データにき裂信後者は差分ベクトルといい、どちらの場合も隣り号が含まれているかどうかを容易に判断すること合うベクトルの積を計算する。また、ベクトルのが難しくなる。主な原因として、台車枠の表面に積には外積と内積がある。よって、ベクトルの種ある凹凸でプローブが上下し、試験体との離れ類と積の種類を組み合わせて計算する。

（= リフトオフ）が変化するためであると推定した。

計算の結果、ベクトル積がしきい値を超えた部分の信号データを残し、それ以外は null = 0 とすると、典型的なき裂信号だけが残る。ベクトル積計算法によるフィルター効果の例を図 9 に示す。
リフトオフを想定してプローブを上下させた信号データを Bz-Bx 曲線で表すと、図 10 のように線形になり、ベクトル積は小さな値になる。したがって、ベクトル積を計算することでノイズが低減

図 7 ノイズを含む信号データ（WDT55 主電動機受ケと横ハリの溶接部）とリフトオフされ、き裂信号の有無の判断が容易になる。

そこで、我々はノイズ信号を低減するフィルターを開発した。それは、信号データである Bx 信号と Bz 信号を Bz-Bx 曲線として直交座標に表すことで、隣り合うデータのベクトル積を順次計算していき、その値の大小によって、信号データにお図 9 ベクトル積計算法によるフィルター効果例

けるき裂信号の有無を評価するものである。
図 8 にベクトル積計算法の概念を示す。
き裂信号を Bz-Bx 曲線で表すと、蝶が開いたような円形になる。これを「バタフライプロット」と呼ぶ。き裂信号は Bx 信号と Bz 信号の電磁気学的な挙動から相互にこのような関係がある。

図 10

リフトオフによる信号データと Bz-Bx 曲線

このフィルターを使った ACFM 検査では、探傷部位の多くでノイズを低減し、き裂の有無の判断を容易にしている。例として、WTR239（WDT55の T 台車）を探傷した部位を図 11 に示す。いずれの部位でも ACFM 検査で無欠陥であると容易に判
図 8 バタフライプロットとベクトル積計算法断できた。

―36―

図 11

WTR239 台車枠の探傷部位
図 12平行走査と直交走査の Bz-Bx 曲線の比較

なお、実際にはベクトル積を計算する前に、取７．電子管理化り込んだ信号データに前処理的な計算を加えている。それは、Bx 信号と Bz 信号の位相差、平滑さ、電子管理化については、現時点では以下の点に信号レベルの違いなどに着目し、Bz-Bx 曲線を理ついて実現しており、インターフェイスを図 13

想的な円形にしたり、円形の中心を原点に移したに示す。

りすることが理由であるが、いずれもベクトル積（1）検査結果の計算効果を得るために行なっている。

（2）台車枠と探傷部位の図示、施工済と未施工のところで、ACFM 検査ではプローブがどの向き表示

でもき裂を検出する。き裂を検出する方向として（3）作業者、台車形式など記録事項

き裂上を走査する場合と、き裂を直交する場合が（4）装置のパラメータ設定ある。図 12 に示すように、平行走査と直交走査でこの中で、検査結果については現時点で信号デは、信号データは Bz-Bx 曲線で点対称となるが、ータが残せるようになっているが、主にき裂の有ベクトルの回転方向が同じであるからベクトル積無の判断と履歴の検索に使うのに信号データまでを計算すればノイズと区別してき裂を検出できる。

必要かどうかは検討の余地がある。

図 13

ACFM 検査装置のインターフェイス―37―

IIC REVIEW/2006/4. No.358. 2. 4

また、電子化は帳票作成にも有利な手段である検査にかかる時間

現在、ACFM 検査は磁粉探傷検査と比べて、探が、現時点では実現していないので、今後の課題

傷装置の大きさ、および作業の慣れなどから、探の一つである。

傷時間がかかる。そこで、試作探傷装置をバッテ
８．まとめと課題
8. 1

リー駆動、小型化など取り扱い易くし、ノイズフまとめィルターの精度を高め、判定時間の短縮を図ると（1）長さ 10 mm、深さ 1 mm 以上のき裂を塗膜上共に、探傷手順や要領を教育訓練し、現状実施しから検出できることを各種試験片で確認した。ている磁粉探傷検査と同等の検査時間とする。

（2）プローブのリフトオフによるノイズを低減し９．おわりにてき裂信号の有無の判断を容易化するため、今後も改良や試験に努め、ACFM 検査を台車枠

Bz-Bx 曲線によるベクトル積計算法を開発し、の非破壊検査に導入することで、初期の開発目的実際の台車枠でその効果を確認した。の達成に努める。

（3）探傷作業の電子管理化を可能にするインター（H17.3 特許出願中）

フェースプログラムを開発した。
8. 2

参考文献

課題

8. 2. 1

き裂検出能力の磁粉探傷検査との比較検証※１ 「解説

鉄道に関する技術基準（車両編）」（国土交通省鉄道局監・車両関係技術基準

現時点で確認しているき裂検出能力は、多くはベンチレベルに過ぎない。今後、実際の台車枠で調査研究会編2002）p341

ACFM 検査の信号データと磁粉探傷検査の結果を5 条の解釈基準 6「台車枠の検査方法につい付き合わせ、き裂発見時は大きさを記録し、て」の別紙第 3「台車枠検査マニュアル」

ACFM 検査が磁粉探傷検査と同等であることを検の解説証していく。

※２

同 p3468. 2. 2ほか

西日本旅客鉄道株式会社

リフトオフ以外のノイズの発生条件と対策

H13 検査告示「台車枠検査マニュアル」別添 2
大津山澄明

藤行伸

ベクトル積計算法でも、き裂がないのにき裂信号に似た擬似信号が残ることがまだある。そこで、財団法人鉄道総合技術研究所

ノイズの発生条件を調べる模擬試験片で信号デー

坂本博タを分析し、より精度の高い検査方法にする。

｢新しい台車枠非破壊検査技術の開発｣

8. 2. 3（J-Rail2005

ベクトル積のしきい値の検証（長瀬隆夫著

で信号データを残すしきい値は、開発目標である長さ 10 mm のき裂での値であるが、今後もしきい値の最適化に努めていく。

38―

養祖次郎

牧野一成他

発表論文）

「溶接台車枠の強度と保守」

現在、ベクトル積計算によるノイズフィルター

―

武研友社版

1999）