日本機械学会論文集 - 沢田テクニカルサービス

Bulletin of the JSME
Vol. 00, No. 00, 2014
Kikai, Gijyutsu and Tokyo, Transactions of the JSME (in Japanese), Vol. 00, No. 00 (2014)
日本機械学会論文集
Transactions of the JSME (in Japanese)
低周波振動に基づくボルト緩み検出技術の開発
遊佐訓孝*1，沢田作雄*2
Evaluation of bolt tightening torque on the basis of low-frequency vibration signals
Noritaka YUSA *1 and Sakuo SAWADA *2
*1
Department of Quantum Science and Energy Engineering, Tohoku University
6-6-01-2, Aramaki Aza Aoba, Aoba, Sendai, Miyagi, 980-8579 Japan
*2
Sawada Technical Service Co., Ltd.,
3698-1 Innosimanakanoshou-chou, Onomichi, Hiroshima 721-0931, Japan
Received ** ***** 201*
Abstract
This study offers a simple and reliable method to evaluate whether or not bolts are sufficiently tightened. The method relies
on the fact that bolt tightening affects how the bolt vibrates. Whereas most studies so far have focused on high-frequency
components of vibration signals, this study pays attention to low-frequency ones as low as a few hertz. A specimen consisting
of flat plates bolted with M16 bolts are prepared for the experimental verification. External impulses are manually given to
the specimen using a test hammer, and the vibration of the specimen caused by the impulses is measured using
accelerometers attached to the specimen using magnets. The tightening of the bolts is varied from 100% to 80% of rated
torque in the experiments to simulate bolt loosening. The results of the experiment show that vibration signals in time domain
clearly show whether or not the bolts are sufficiently tightened especially when the accelerometer is attached to the bolt itself
and the impulse is also given to the bolt. Further verifications are conducted with several high-pass filters to confirm the
importance of evaluating low-frequency components of the vibration signals.
Key words : non-destructive evaluation, monitoring, diagnosis, bolted connection, loosening, accelerometer
1. 緒
言
ボルトによる部材や材料の結合は，機械，土木，建築等の広い分野において広く用いられている．結合の強度，
即ちボルトの締め付けが適切であるか否かは当該部の健全性に大きな影響を与えるものであるが，使用時の微細
な振動等により徐々に緩みが生じることがあるという問題がある．ボルトの緩みは疲労やさらにはボルトの脱落
など甚大な事故にも繋がりかねないが，緩みが生ずる機構は極めて複雑で十分解明されているとは言い難い状況
であり（Ibrahim and Pettit, 2005; Yokoyama, et al., 2012）
，重要部位のボルトについては，定期的な検査によ
り，緩みが生じているか否かの評価が現状不可欠となっている．
従来，ボルトの緩みの有無の検査は，検査員がボルトの頭などを打診検査用ハンマで叩いた際に発生する打音
を聴覚により判断するという打診検査によるものが主であった．このような打診検査においては，熟練した検査
員の確保が必要である上に検査員の体調等によっても検査精度が左右されるという大きな問題が存在するため，
検査員の技能によらずより客観的，定量的な評価を可能ならしめるための各種研究開発がこれまでに少なからず
行われてきた（Rens, et al., 1997）
．軸力が音響特性に影響を与えることを利用した数 MHz の超音波伝播挙動に
基づく検討の報告例は特に多く，TOF（Suda, et al., 1992; 水口，名和，2005）
，共振周波数（Joshi and Pathare,
1984; Hirao, et al., 2001）
，音速比（Chaki, et al., 2007; 安井，川嶋, 2000）
，等様々なパラメータを用いての検
討が行われており，程度の差こそあれ，いずれにおいても超音波を用いることの有効性を強く示す結果が得られ
No.xx-xxxx [DOI: 10.1299/transjsme.2014xxx000x]
*1
正員, 東北大学大学院工学研究科（〒980-8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-6-01-2）
）
*2
株式会社沢田テクニカルサービス（〒722-2211 広島県尾道市因島中庄町 3698-1
E-mail of corresponding author: [email protected]
[DOI: 10.1299/transjsme.2014xxx000x]
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ている．しかしながらその一方，装置が高価，プローブと対象の接触状態の影響が大等の理由により，超音波を
用いた技術は簡便性という観点では必ずしも優れているとは言うことが出来ないのもまた事実である．より低周
波であるいわゆる機械的振動特性に着目（Zou, et al., 2000）した研究報告も多いが，低周波とはいえ数 kHz～数十
kHz 程度の周波数を用いたものが大半である（Caccese, 2004; Wang, et al., 2013;宮本ら, 2011）
．原理的には数 kHz
の振動は安価な振動センサを用いて検出可能であるが，一般的に振動センサは取付状態により伝達可能となる周
波数帯が制限され，数 kHz の信号を収集するためにはねじ止め等により対象にセンサを強固に固定する必要があ
り，多くのボルトを効率的に検査するという観点からは好ましいものではない．以上に加え，従来提唱されてい
る技術の大半は周波数領域における分析も含めた信号処理の結果に基づいてボルト緩み有無の判定を行っている
のだが，効率的な検査のためには，ボルトの緩みの有無により測定信号そのものに明瞭な特徴があることが好ま
しい．
そこで本研究においては，打診診断で主として用いられている可聴域よりもさらに低周波，より具体的には数
Hz 程度の周波数帯の振動信号に基づき，ボルト緩みの有無を時間領域における測定信号から簡便かつ明瞭に検出
する可能性について検討を行う．上述のように必ずしも収集が容易・簡便とは言えない高周波振動に比べると低
周波振動の収集における困難さは小さく，よって，低周波振動に基づいてボルト緩みが明瞭に評価することが可
能であるならば，保全活動の効率化という観点で，その意義は大きいものがある．また，時間領域における信号
において明瞭な特徴が現れるのであれば，実務上の有効性も高い．以下，本検討のために実施した試験の詳細及
びその結果に基づく低周波振動によるボルト緩み検出の可能性について報告する．
2. 実験体系
低周波振動に基づくボルト緩み検出技術の可能性検討のために準備された試験体を図 1 に示す．厚さ 9mm，
幅 65mm，長さ 500mm の SS400 製平板 2 枚を長さ 40mm の M16 ボルト 4 本を用いて締結したものであり，
図中 Bolt1-3 として示した 4 本中 3 本のボルトは緩み防止のためのスプリングワッシャが取り付けられた上で定
格に締め付けられている．一方，Bolt4 は緩み模擬のためのものであり，スプリングワッシャは取り付けず，締
め付けを定格（106N・m）
，及び定格の 90%，80%と変化させての試験を実施した．尚，試験時には当該試験体
は万力により作業台に強固に固定されている．
加振は図 1 太矢印に示すように Bolt4 のナット部をテストハンマを用いてボルト軸に対して垂直方向から打撃
を与えることで行った．打撃は人力によるものであり，測定される加速度の最大値がほぼフルレンジとなるよう
に行われたが，実際の検査を想定して入力加速度の詳細な制御は行っていない．振動信号の測定に用いたのは
Bolt4 のナットに取り付けられた Sensor１，及び平板上 Bolt4 から 40mm 離れた個所に取り付けられた Sensor
２である．センサは共に PCB Piezotronics 社製加速度センサ 608A11/030AC（測定可能周波数 0.5～10k Hz）
であり，マグネットベースにより対象に取り付けられている．両センサの信号は，日本ナショナルインスツルメ
ント社製 NI-9233-USB 用いて AD 変換した後，サンプリングレート 25kHz にて PC により収集した．
（a） Top view
（b） Side View
Fig. 1 Specimen prepared for this study. Two plates with a thickness of 9 mm are bolted with four M16 bolts with a
length of 20 mm, and whether or not Bolt 4 is tightened with the rated torque is evaluated on the basis of
vibration signals gathered using Sensors 1 and 2. The black large arrow indicates the location and the
direction of the impulse to vibrate the specimen.
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3. 実験結果
Bolt4 に定格の締め付けトルクを与えた状態で行った試験の結果を，
その周波数分析結果と併せて図 2 に示す．
加振は 5 秒間に 3 回行ったが，Sensor1, 2 のいずれの測定結果においても，時間領域での信号において加振によ
る振動を明瞭に確認することができる．また，振動はいずれもパルス状であり，試験体全体が剛体として強固に
固定されていることを示す結果となっている．周波数領域での信号に関しては，取付がマグネットベースによる
ものであるために数 kHz 以上の高周波領域での信号強度の定量性には難があるとは思われるものの，概して特定
の周波数が顕著ということはなく，広い周波数域で一様に強度が分布しているということができる．
Bolt 4 の締め付けトルクを定格の 90, 80%として行った同様の試験の結果を図 3, 4 に示す．図 2 に示した締め
付けトルクが定格の場合の結果と比較すると，締め付けトルクが低下に伴い加振後の減衰の様子に差異が生じて
いることが確認できる．より具体的には，時間領域における加振時の振動波形がパルス状ではなく，尾をひいた
ものとなっている．一般的に強固に固定されている物体は振動の減衰が早く，固定が弱まるにつれ振動は長時間
続くものであることから，これは合理的なものであると判断される．締め付けトルクが定格の 90%の場合は
Sensor1 からの信号にのみ，定格の 80%となった場合には Sensor1,2 共にそのような特徴が現れているが，図 1
に示したように Sensor1 がボルトの振動をより直接評価しうる部位に取り付けられていることから，Sensor1 に
よる信号の差異がより小さな緩みで生じていることは妥当であると考えられる．周波数領域の信号では，確かに
低周波成分の向上が確認することができるが，図 3（b）
（d）との差異は必ずしも低周波成分に限定されたもので
はないため，スペクトルからのボルト緩み評価は時間領域信号と比べて容易であるとは言い難い．
図 5（a）に示した信号に対して，遮断周波数 1, 2, 5, 10 Hz のハイパスフィルタをかけた場合の結果を図 5 に
示す．フィルタ処理に伴い本来振動が生じていなはずの加振前の信号に変化が生じているという問題はあるが，
遮断周波数を 5 及び 10 Hz とした場合には，前述の締め付けトルクが低格であるか否かにより生じている減衰の
尾の確認が困難であり，振動信号を用いてボルトの緩みの有無を評価する際には最大でも数 Hz 程度の低周波成
分に着目することの有用性を示した結果となっている．
尚，上述のように加振はテストハンマを用いて人力で行っているものであるため，上述の特徴はごく特定かつ
特殊な加振方法を要求するものではない．また，試験結果については各条件について 1 例のみを示したが，図 1
に示した試験体においてボルトの締結と取り外しを行った上の複数回の試験により本特徴の再現性は確認済であ
る．
（a） Sensor 1, Time domain signal
（b） Sensor 1, Frequency domain signal
（c） Sensor 2, Time domain signal
（d） Sensor 2, Frequency domain signal
Fig. 2 Measured vibration signals when the bolt was tightened to the rated torque. The specimen was hit three
times by an impulse hammer, whose responses are clearly observed in the time domain signals.
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（a） Sensor 1, Time domain signal
（b） Sensor 1, Frequency domain signal
（c） Sensor 2, Time domain signal
（d） Sensor 2, Frequency domain signal
Fig. 3 Measured vibration signals when the bolt was tightened to 90% of the rated torque. One can observe that
the attenuation of vibration signals measured by Sensor 1 became quite gradual compared with the ones
shown in Fig. 2.
（a） Sensor 1, Time domain signal
（b） Sensor 1, Frequency domain signal
（c） Sensor 2, Time domain signal
（d） Sensor 2, Frequency domain signal
Fig. 4 Measured vibration signals when the bolt was tightened to 80% of the rated torque. Not only the signals of
Sensor 1 shown in Fig. 4(a) but also those of Sensor 2 shown in Fig. 4(c) exhibit gradual attenuation.
Whereas the signals in the frequency domain confirm the increase in the low-frequency components,
4. 結言
低周波振動信号に基づくボルト緩み検出の可能性について評価・検討を行った．測定対象とするボルト自体を
加振し，また測定も当該ボルトに取り付けられた加速度センサを用いて行うことで，ボルトの締め付けが定格か
否かにより時間領域における振動信号に明瞭な差異が生ずることを明らかとした．本研究において用いた加速度
センサは振動診断に広く用いられているいわゆる加速度ピックアップであるが，加速度ピックアップを用いた振
動診断において数 Hz 程度の低周波に着目することは少なく，10 Hz 程度のハイパスフィルタを課した後に各種分
析を行うことも多い．一方，本研究においては数 Hz 程度の可聴域よりもさらに低い低周波成分に着目すること
で，ボルトの締め付けが定格か否かを容易に判断することが可能となることを明らかとした．本研究において見
出されたボルト締め付け評価法は，必要となる機材が安価な加速度ピックアップであることに加え，センサの取
付などが問題となる高周波信号を必要とするものではないため，簡便性という観点からも大きな優位性を有する
と期待される．
[DOI: 10.1299/transjsme.2014xxx000x]
© 2014 The Japan Society of Mechanical Engineers
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（a） Cutoff frequency: 1 Hz
（b） Cutoff frequency: 2 Hz
（c） Cutoff frequency: 5 Hz
（d） Cutoff frequency: 10 Hz
Fig. 5 High-pass filtered vibration signals shown in Fig. 4(a). Imposing the high-pass filter with a cutoff frequency
of 5 Hz makes it difficult to confirm the difference of signals from those shown in Fig. 2. This indicates that
it is necessary to adopt sensors that can detect vibrations as low as a few hertz.
文
献
Caccese, V., Mewer, R., and Vel, S.S., Detection of bolt load loss in hybrid composite/metal bolted connections, Engineering
Structures, Vol. 26, No. 7 (2004), pp. 895-906.
Chaki, S., Corneloup, G., Lillamand, I., Walaszek, H., Combination of longitudinal and transverse ultrasonic waves for in situ
control of the tightening of bolts, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 129, No. 3 (2007), pp. 383-390.
Hirao, M., Ogi, H., and Yasui, H., Contactless measurement of bolt axial stress using a shear-wave electromagnetic acoustic
transducer, NDT&E International, Vol. 34 (2001), pp. 179-183.
Ibrahim, R.A., and Pettit, C.L., Uncertainties and dynamic problems of bolted joints and other fasteners, Journal of Sound and
Vibration, Vol.279 (2005), pp. 857-936.
Joshi, S.G., and Pathare, R.G., Ultrasonic instrument for measuring bolt stress, Ultrasonics, Vol. 22 (1984), pp. 261-269.
水口義久, 名和輝好, 超音波による締結状態下のボルト軸力測定, 非破壊検査, Vol. 54, No. 7 (2005), 365-371.
宮本大資，梶原逸朗，細矢直基，西留千晶, レーザー加振技術を用いた高周波帯域の特性変動検知に基づくヘル
スモニタリング, 日本機械学会論文集 C 編, Vol. 77, No. 777 (2011), pp. 1760-1771.
Suda, M., Hasuo, Y., Kanaya, A., Ogura, Y., Takishita, T., and Suzuki, T., Development of ultrasonic axial bolting force
inspection system for turbine bolts in thermal power plants, JSME International Journal, Vol. 35, No. 2 (1992), pp.
216-219.
Wang, T., Song, G., Wang, Z., and Li, Y., Proof-of-concept study of monitoring bolt connection status using piezoelectric
based active sensing method, Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 8 (2013), 087001.
Yang, J., and Chang, F.K., Detection of bolt loosening in C-C composite thermal protection panels: II. Experimental
verifications, Smart Materials and Structures, Vol. 52, No. 2 (2006), pp. 591-599.
安井一, 川嶋絋一郎, 仮想音速比法による音弾性ボルト軸力測定, 日本機械学会論文集 A 編, Vol. 66, No. 642
(2000), pp. 390-396.
Yokoyama, T., Olsson, M., Izumi, S., and Sakai, S., Investigation into the self-loosening behavior of bolted joint subjected to
rotational loading, Engineering Failure Analysis, Vol. 23 (2012), pp. 35-43.
Zou, Y., Tong, L., and Steven, G.P., Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health
monitoring for composite structures – a review, Journal of Sound and Vibration, Vol. 230 (2000), pp. 357-378.
References
Caccese, V., Mewer, R., and Vel, S.S., Detection of bolt load loss in hybrid composite/metal bolted connections, Engineering
Structures, Vol. 26, No. 7 (2004), pp. 895-906.
[DOI: 10.1299/transjsme.2014xxx000x]
© 2014 The Japan Society of Mechanical Engineers
Kikai, Gijyutsu and Tokyo, Transactions of the JSME (in Japanese), Vol. 00, No. 00 (2014)
Chaki, S., Corneloup, G., Lillamand, I., Walaszek, H., Combination of longitudinal and transverse ultrasonic waves for in situ
control of the tightening of bolts, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 129, No. 3 (2007), pp. 383-390.
Hirao, M., Ogi, H., and Yasui, H., Contactless measurement of bolt axial stress using a shear-wave electromagnetic acoustic
transducer, NDT&E International, Vol. 34 (2001), pp. 179-183.
Ibrahim, R.A., and Pettit, C.L., Uncertainties and dynamic problems of bolted joints and other fasteners, Journal of Sound and
Vibration, Vol.279 (2005), pp. 857-936.
Joshi, S.G., and Pathare, R.G., Ultrasonic instrument for measuring bolt stress, Ultrasonics, Vol. 22 (1984), pp. 261-269.
Minakuchi, Y., and Nawa, T., Ultrasonic measurement of the bolt axial force of a bolted joint after tightening, Journal of
JSNDI (in Japanese), Vol. 54, No. 7 (2005), pp. 365-371.
Miyamoto, D., Kajiwara, I., Hosoya, N., and Nishidome, C., Health monitoring based on high frequency vibration
measurement with laser, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series C (in Japanese), Vol. 77, No.
777 (2011), pp. 1760-1771.
Suda, M., Hasuo, Y., Kanaya, A., Ogura, Y., Takishita, T., and Suzuki, T., Development of ultrasonic axial bolting force
inspection system for turbine bolts in thermal power plants, JSME International Journal, Vol. 35, No. 2 (1992), pp.
216-219.
Wang, T., Song, G., Wang, Z., and Li, Y., Proof-of-concept study of monitoring bolt connection status using piezoelectric
based active sensing method, Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 8 (2013), 087001.
Yang, J., and Chang, F.K., Detection of bolt loosening in C-C composite thermal protection panels: II. Experimental
verifications, Smart Materials and Structures, Vol. 52, No. 2 (2006), pp. 591-599.
Yasui, H., and Kawashima, K., Acoustoelastic measurement of bolt axial load with hypothetical velocity ratio method,
Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A (in Japanese), Vol. 66, No. 642 (2000), pp.
390-396.
Yokoyama, T., Olsson, M., Izumi, S., and Sakai, S., Investigation into the self-loosening behavior of bolted joint subjected to
rotational loading, Engineering Failure Analysis, Vol. 23 (2012), pp. 35-43.
Zou, Y., Tong, L., and Steven, G.P., Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health
monitoring for composite structures – a review, Journal of Sound and Vibration, Vol. 230 (2000), pp. 357-378.
[DOI: 10.1299/transjsme.2014xxx000x]
© 2014 The Japan Society of Mechanical Engineers

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