新技術紹介

疲労センシング技術の開発
Development of Fatigue Sensing Technology
仁瓶 寛太①
小林 朋平②
今井 達也③

Kanta Nihei
Tomohei Kobayashi
Tatsuya Imai

機械・構造物が繰返し負荷を受けたときの疲労ダメージを検知する

疲労センサを開発した．一定期間後にセンサのき裂進展量を測定するだけで余寿命診断可能で，さまざまな製品への適用を開始している．また，高温機器に対しても精度の高い疲労余寿命診断技術を開発した．

Fatigue detecting sensor, which detect the fatigue damage of machinery and structures, has been developed. Estimation of
fatigue remaining life of products can be conducted by measuring the crack growth length of the fatigue detecting sensor. We
are starting for application to various products. And, for the high temperature components, we have also developed a highprecise remaining life assessment technology.

概１

要

鉄道車両，橋梁，船舶等において，設計寿命に対し延命∏

疲労損傷センシング技術
疲労センサの開発を図る動きがあり，既存品の維持管理・補修していくこと

疲労センサの基本構造は図２に示すように，センサ（スが重要となりつつある．これら製品においては，特に疲労リット入り純ニッケル）箔とベース（高Ni不変鋼インバ損傷に対するケアが重要であるが，その診断方法は十分にー）箔が２枚重ねとなっており，センサ箔の両端がベース確立されているとは言えない．疲労損傷の発生部位・発生箔に接合された構造となっている．箔の接合には，主に時期を精度良く予測し，さらに応急補修の必要性を判断しParallelたり，補修効果の評価を的確に行うことが求められている．

小抵抗溶接を用いている．

GapResistanceMicro-joiningと呼ばれる微疲労センサ1）2） を疲労センサの原理は金属箔のき裂進展特性を応用したも開発し，製品の疲労損傷度・余寿命の推定に適用している．

ので，図３に示すように，繰返し応力を受ける部材に貼付

本稿では，この疲労センサの原理･機構，基本特性，適用しておき，疲労センサのき裂進展量を点検して実働中の疲実施例について紹介する．

労損傷度を評価する．現在，ひずみ感度別（下限界ひずみ

このような背景のもと，当社独自のまた，ガスタービン等の高温機器については，定常運転範囲Δεth＝95〜950×10−6）に８種類のセンサを開発し，中に高温環境にさらされるため，クリープや高温疲労など

その外形寸法は，長さ９〜36mm×幅７〜22mm×厚さの損傷を受ける．これまで経年設備ボイラや蒸気タービン0.07〜0.25mmである．センサ箔のき裂進展量は，拡大鏡

では，性能･信頼性を維持したまま延命する目的で，余寿やマイクロスコープを用いて，簡単に計測できる．本方式

命診断技術が開発･適用されており（図１），これをガスタは，応力計測を主とする従来方式と比較して，計測器・配ービンにも適用することを計画中である．

線が不要なため，コストを低減でき，また，製品の実運用
Ｌ
Parallel Gap
ResistanceMicro-joining

き裂Ｗ金属箔
スリット
ベース

Ｔ±ε

図１ 適用対象例（発電ボイラ）
Fig.１ An application example of fatigue sensing technology (Boiler)

70①②③ 本社 技術本部 技術研究所 構造・強度研究部

部材

図２ 疲労センサの基本構造
Fig.２ Structure of fatigue detecting sensor

川崎重工技報・151号
2002年12月

新技術紹介疲労センサの部材への取付

疲労センサのき裂増分"Δai"計測

Δai

センサ
Δσ（Δa ）

溶接部

i

センサと溶接部とでS-N線図の傾きが同じ

Di=Nsi／Ni

ΔσiｏNsiNi

図５ 適用対象例（中央高速道路）
Fig.５ An application example of fatigue detecting sensor (Highway bridge)

ND
マスターカーブ

長さと損傷度の関係を用いて評価を行う．

Di
評価対象溶接部の疲労損傷度"Di"算出

Δai

Δa

図３ 疲労センサによる疲労損傷度評価フロー
Fig.３ Flowchart of fatigue damage estimation by
fatigue detecting sensor

２∏

疲労損傷センシング技術の展開と実機適用
疲労損傷センシングの展開

疲労センサについては，さらなる寿命診断精度の向上，
表１ 開発した疲労センサ2)の利点
Table１ Advantage of fatigue detecting sensor developed
従来型疲労センサ1）3）4）との相違点
・センサ箔をベースに予め接合した構造とした．

利点（効果）
貼付作業が簡単・センサ箔について，および耐環境適用性の向上，無線遠隔モニタ方式の開発等に取り組んでいる．
π

実機適用
開発した疲労センサを用いた疲労損傷評価技術を適用す∏引張りの残留応力を付与した．

∏感度向上

π厚さを段付きにした．

π寸法小型化ることにより，経年した製品の疲労余寿命を診断し，客先∫フォトエレクトロフォーミング等∫寸法精度向上に高度なメンテナンスの判断材料を提供している．下記製

センサき裂進展長さ Δa（ mm）の製造技術を適用した．

品群に総計700枚以上の疲労センサを適用中あるいは適用済みである．

8部材の発生ひずみ範囲
Δε＝ 286 × 10-6

①橋梁；中央高速道路（図５），首都高速，阪神高速など

65

応力比R=−1②鉄道車両；JR西日本･特急および通勤車両，JR貨物･コ

74
3Type A

2Type B

1Type C

000.5×106

1.0×106
N（cycles）

1.5×106

2.0×106

図４ 疲労センサ基本特性の例
Fig.４ A characteristic example of characteristic offatigue detecting sensor

道路橋ンテナ貨車，京阪電鉄･通勤車両，ほか③軌道設備；札幌市営地下鉄･転てつ器，神戸新交通ポートアイランド線･案内軌条④船舶；川崎汽船･バルクキャリア，佐渡汽船・ジェット
フォイル
なお，開発した疲労センサは当社製品以外の自動車や航空機さらに家電などにも適用可能である．

状態を長期間モニタできるなどメリットが大きい．
2）

今回開発した疲労センサ の特徴について，従来から提案されている疲労センサ

1）3）4）との相違点を整理し，その利点を表１に示す．
疲労センサの基本特性の一例を図4に示す．疲労センサ
のき裂進展速度はき裂長さに依存せず，ほぼ一定となる．
したがって，疲労センサのき裂進展量から疲労余寿命を精度良く簡便に評価できる．
π

参 考 文 献１）仁瓶，堀川，公江，尾野，高杉，岡田，武：特開

昭62-265558
２）仁瓶，小林，尾野，公江，嵩，村上，西山：特許第3342467号
３）藤本：特開平9-304240

４）阿部：特開平10-185854

ガスタービンの疲労センシング
近年ガスタービンにおいては，起動停止を頻繁に行う運転形態が増加しており，起動停止に伴う熱疲労に対する損傷評価の要求は高まっている．そこで，ガスタービンのロータ材として用いられる12Cr鋼について，熱疲労を考慮した余寿命診断法を開発した．開発した手法はボイラでも実績のある微視き裂観察法であり，予め用意した微視き裂

仁瓶寛太

小林朋平

今井達也

川崎重工技報・151号
2002年12月71