JP2000002617A

JP2000002617A - 加振機及び振動試験機

Info

Publication number: JP2000002617A
Application number: JP10171188A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Sugamata; 芳彦菅又; Hirotake Hirai; 洋武平井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2000-01-07

Abstract

(57)【要約】【課題】加振機内部の作動流体の圧縮性に起因する共
振周波数を制御し，加振機の応答特性を向上させる。【解決手段】加振機ピストン７ａの加速度を検出し、
係数器１２、１３、１５及び積分器１３により、ピスト
ン位置関数補正量を算出し、これと加振機ピストン速度
に比例する量とを加算器２２で加算し、これをサーボ増
幅部４の加算器１９に加算する。こうして加振機内部の
作動流体の圧縮性に起因する共振を減衰させ、加振機を
広い振動周波数で使用可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加振機及び振動試
験機に係り、特に電気一油圧サーボ機構により加振を行
う加振機及び振動試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気ー油圧サーボ機構を用いた油圧式の
加振機では、サーボ増幅機で駆動されるサーボ弁が油圧
振動を発生し、この振動が配管内に充填された油柱を介
して油圧シリンダーへ伝えられる。油圧シリンダーに内
挿されたピストンは油圧シリンダー内に伝えられた振動
に駆動されて往復運動を行い、これが加振対象に加えら
れて加振試験等が行われる。

【０００３】このような油圧式加振機では、配管やシリ
ンダー内の油圧が油の圧縮性に由来する共振周波数をも
っており、加振の周波数がこの共振周波数に近いと油柱
が共振し、サーボ弁からの油圧振動がピストンへ伝達さ
れなくなる。この対策として、特開昭５５ー４０３２７
号の「高速サーボアクチュエータ」では、アクチュエー
タ本体内にアクチュエータ容積を変えるための摺動可能
なサブピストンを設け、アクチュエータの共振周波数を
加振周波数に応じて変えることにより、加振周波数に於
ける共振現象の発生を防止していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術で
は、サブピストンを設けるため構造が複雑になり、また
運用上も作業が増えてしまうという問題がある。電気ー
油圧サーボ機構を用いた油圧式の加振機に於ける油柱共
振は、加振機のストロークが３０ｃｍ程度より小さくか
つ加振力も数百ＫＮ（数＋tonf）以下のときにはそれ程
大きな問題ではなかった。このため、従来は加振機差圧
のフィードバックによって油柱共振を補償するという簡
単な方法が用いられてきた。しかし近年では、振動試験
機の需要が変化し、大型試験体や土槽等の試験体を用い
ての加振試験が必要となっていて、それらの加振試験を
行うために大型振動台の需要が発生している。このため
には大出力、大変位の油圧加振機が必要であり、例え
ば、加振力が2940kN（300tonf）以上、加振機ストロー
クが±50cm以上のものが求められている。このような場
合には、油圧加振機中の油の体積が大きく、加振力も大
きいため、油柱共振の影響が顕著になるが、そのような
場合に対する対策はなされていなかった。

【０００５】本発明の目的は、大出力、大変位の場合で
も、油柱共振の影響を受けずに加振を行えるようにした
加振機と、その加振機を用いた振動試験機を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、作動流体駆動手段により駆動される作
動流体の振動を負荷を加振する可動部に伝え、その可動
部の振動に伴う制御量を検出してその検出した制御量が
与えられた目標量となるように前記作動流体駆動手段に
よる作動流体の駆動を制御するサーボ機構を備えた加振
機に於いて、作動流体の圧縮性にもとづき前記作動流体
駆動手段により駆動されたときに発生する作動流体の派
生的振動の周波数が、前記目標量の振動周波数よりも常
に大きくなるようにするための補償信号を前記制御量と
その第１及び第２階時間微分量を用いて算出し、この算
出した補償信号を前記作動流体駆動手段に印可されるサ
ーボ制御信号に加えるための共振補償手段を設けたこと
を特徴とする加振機を提供する。

【０００７】また、本発明は、前記の加振機を用いて構
成した振動試験機を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、本発明になる加振機
の構成例を示すもので、加振部１００は、油圧源２０、
サーボ弁５、油の配管６、油圧シリンダー７、ピストン
７Ａ等から成っていて、サーボ増幅部４によりサーボ弁
５が駆動され、発生した油圧振動が配管６内の油柱を介
して油圧シリンダー７へ伝達される。ピストン７Ａはこ
の油圧振動により左右に振動し、負荷１８に振動変位Ｘ
を印可する。

【０００９】この振動制御の基本的な動作は次のようで
ある。ピストン７Ａの変位Ｘは変位センサ８と変位検出
器９で変位Ｘを表す変位信号ｘが検出される。一方、信
号発生器１は目標振動変位信号ｒを発生する。サーボ増
幅部４では、減算器２で変位の偏差Δｒを求める。ここ
で

【数１】△ｒ＝ｒ−ｘである。増幅器３はこの偏差△ｒを増幅して（加算器１
９については後述）、その偏差△ｒに比例した量だけサ
ーボ弁５を駆動し、この駆動量に応じた油の流量ｑ１、
ｑ２が発生し、これによりピストン７Ａが偏差△ｒを０
とするように移動する。ここでサーボ弁５の油圧変化が
ピストン５Ａに伝わる間が剛性的な伝達機構で構成され
ていて時間遅れがなければ、以上の説明したサーボ機構
でピストンは加振される。

【００１０】しかし、前述のようにサーボ弁５からピス
トン７Ａに至る油柱には弾性があり、このために発生す
る共振を防止する必要がある。このために図１の構成例
では、共振補償回路１７、加速度センサ１０、加算器１
９を設けている。この動作を説明するために、まず加振
部１００の圧力及び流量についての関係式から述べる。
加振部１００の図示位置の圧力ｐ1、ｐ1'、ｐ2、ｐ2'、
ｑ1、ｑ1'、ｑ2、ｑ2'の間には、配管６中の油の粘性抵
抗を無視すると、波動方程式より、次式の関係が導け
る。

【数２】ここで Γ：圧力波が配管の一端より他端に伝わるのに要する時
間、ｓ：微分演算子、ｚ：配管の特性インピーダンス、ｙs：配管の特性アドミッタンス、Ｋc：配管の内圧による膨脹を考慮した場合の油の等価
体積弾性係数、Ｋ：油の体積弾性係数、ｄ：配管の内径、 δ：配管の管厚、Ｅ：配管材の縦弾性係数、ｌf：配管の長さ、Ａf：配管の断面積、 ρ：油の密度である。（数２）において、双曲線関数を（Γｓ）に関
して展開し、その２次以上の項を省略すれば、次式を得
る。

【数３】

【００１１】ピストン７Ａに流出入する油の連続式か
ら、加振機７の容積の内圧による膨脹係数をＫｅとすれ
ば、次式を得る。

【数４】

【数５】ただし、ｂはピストン幅、Ｌはシリンダ長、Ａはピスト
ンの受圧面積である。ここで、配管６の部分の体積はシ
リンダー７の体積に比べて非常に小さいので、Γを無視
できるとすれば、（数３）でΓ＝０として次式が成り立
つ。

【数６】加振部の可動部質量をＭとすると、その運動方程式は

【数７】で与えられるので、この式と（数４）（数６）から次式
を得る。

【数８】

【数９】ここで、サーボ弁の出入口の流量ｑ1、ｑ2は常に等しい
ものとし、

【数１０】とすれば、（数８）は次式となる。

【数１１】この（数１１）で示される運動方式から導かれる共振周
波数は、係数に含まれるＭ、｛Ｋ1（ｘ）＋Ｋ2
（ｘ）｝、ｑmの値から決まるが、Ｋ1（ｘ）、Ｋ2
（ｘ）は（数５）（数９）からわかるように変位信号
ｘ、油の体積弾性係数Ｋの関数である。従ってこのまま
では共振周波数の制御はむずかしく、そのために本発明
では共振補償回路１７によりこの共振周波数を制御する
ようにしている。

【００１２】このために、共振補償回路１７では、加速
度センサ１０と加速度検出器１１で検出したピストンの
加速度信号を積分器１３で積分して速度信号を求める。
次に係数器１２、１４は、設定されている係数Ｋa,Ｋv
を用いて加速度信号及び速度信号をそれぞれ−Ｋa倍、
−Ｋv倍し、加算器２１はこれらを加算して係数器１５
への入力信号

【数１２】を算出する。ここで係数Ｋa、Ｋvはそれぞれ、加振機加
速度フィードバックゲイン、加振機速度フィードバック
ゲインである。係数器１５は、変位検出器９から出力さ
れた変位信号ｘを取り込み、この値と加振部の他の物理
定数、及び設定されている係数Ｋβを用いて（数５）
（数９）から

【数１３】を算出し、これを（数１２）の値と乗算することにより

【数１４】を算出する。さらに係数器１６は、速度信号をＫαＡ倍
し、この出力と係数器１５の出力が加算器２２で加算さ
れて補正信号ｉが次式のように求められ、サーボ増幅部
４の加算器１９へ導かれる。

【数１５】

【００１３】（数１５）で与えられた補正信号ｉは偏差
Δｒと加算され、増幅器３で増幅されてサーボ弁５を駆
動するが、今この補正信号ｉに対する応答のみを考える
と、サーボ弁５の流出、流入流量ｑmは補正信号ｉに比
例するから、その比例係数をＫiとして

【数１６】が成立する。そこで係数器１５、１６に設定する定数Ｋ
α、Ｋβを

【数１７】と選んでおく。そうすると（数１５）（数１６）（数１
７）を用いて（数１１）を変形すると、

【数１８】が成立する。この式は共振補償回路１７を付加し、サー
ボ系のループを開放したときの運動方程式を表してお
り、その減衰定数ζおよび共振周波数ｆは次式で与えら
れる。

【数１９】この式にみられるように、減衰定数及び共振周波数を決
めているのは、物理定数として与えられる加振部の可動
部質量Ｍ以外には、共振補償回路１７の係数器１２、１
４に設定される係数Ｋa、Ｋvのみである。従って変位の
大きさで共振周波数が変わることもなく、これらの係数
Ｋa、Ｋvを適切に設定することで確実にかつ容易に共振
周波数を制御することができ、油柱の共振を防止でき
る。

【００１４】図２は、以上に説明した共振補償回路１７
の制御効果をシミュレートした例を示しており、図１の
サーボ系のループを開とし（Δｒ＝０）、そのときの共
振補償回路１７と加振部１００のループの周波数応答特
性を求めたものである。図２で制御パラメータとしての
係数Ｋa、Ｋvをともに０としたときの特性は補償なしの
場合であり（このときは（数１８）、（数１９）は成立
しない）、このときの共振周波数が補償により高い方へ
移っているのかがわかる。即ち、（Ｋa、Ｋv）＝（０、
０）（補償なし）のときは油柱共振周波数が約１５ＨZ
であるが、（Ｋa，Ｋv）＝（０．２２，１２５）とする
と、油柱共振周波数が約２５ＨZの高周波数へ変化す
る。このように、加振機加速度フィードバックゲインＫ
a、加振機速度フィードバックゲインＫvを操作すれば、
油柱共振周波数を制御することが可能である。

【００１５】図３は、図１のサーボ系を閉ループとした
ときの周波数応答特性のシミュレーション結果で、図中
で油柱共振補償無しの特性は、共振補償回路１７のフィ
ードバックを行わないときの周波数応答を示したもので
ある。このときは約１０Ｈzに油柱共振の影響が見られ
る。この加算機で、共振補償回路１７を付加したときの
特性は、（Ｋa，Ｋv）＝（０．１３，５０）とし、他の
パラメータも調整して得られたもので、油柱共振の影響
はみられず、油柱共振を抑制している。加振機に対する
要求加振周波数は、一般に０〜５０Ｈz程度であるの
で、前記油柱共振補償回路１７によって要求加振周波数
範囲の共振を制御、補償することが可能となっている。

【００１６】図４は、本発明になる加振機を用いた振動
試験機の一例としての振動台を示す図で、振動台テーブ
ル４４が、継手４３を介して水平加振機４１及び垂直加
振機４２に締結されている。水平加振機４１及び垂直加
振機４２は基礎４６に固定されており、これら水平加振
機４１及び垂直加振機４２を加振することにより、継手
４３を介して振動台テーブル４４及び試験体４５を加振
し、振動実験を行う。

【００１７】なお、本発明の特徴とする補償回路は、空
気圧シリンダにも適用でき、前記補償回路を備えた空気
圧シリンダを用いた振動試験機にも適用できる。また、
図１では変位制御を対象としたが、加速度あるいは荷重
等を制御する試験機にも適用可能である。この場合、図
１の速度及び加速度は制御量の１階及び２階の時間微分
値となる。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、加振機ピストンの速度
に比例する量と、加振機ピストンの加速度信号及び速度
信号に対してピストンの位置の関数補正を行った量とを
フィードバックすることにより、加振機内部の作動流体
の圧縮性に起因する共振周波数を制御することが可能と
なり、これにより加振機の応答特性が向上する効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる加振機の構成例を示す図である。

【図２】本発明の加振機の開ループ周波数応答特性を示
す図である。

【図３】本発明の加振機の閉ループ周波数応答特性を示
す図である。

【図４】振動試験機の一例を示す振動台の図である。

【符号の説明】

１加振信号発生器２減算器３増幅器４サーボ増幅部５サーボ弁６配管７油圧シリンダー８変位センサ９変位検出器１０加速度センサ１１加速度検出器１２、１４、１５、１６係数器１３積分器１７共振補償回路１８負荷１９加算器２１、２２加算器１００加振部４１水平加振機４２垂直加振機４３継手４４振動台テーブル４５試験体４６基礎

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作動流体駆動手段により駆動される作動
流体の振動を負荷を加振する可動部に伝え、その可動部
の振動に伴う制御量を検出してその検出した制御量が与
えられた目標量となるように前記作動流体駆動手段によ
る作動流体の駆動を制御するサーボ機構を備えた加振機
に於いて、作動流体の圧縮性にもとづき前記作動流体駆動手段によ
り駆動されたときに発生する作動流体の派生的振動の周
波数が、前記目標量の振動周波数よりも常に大きくなる
ようにするための補償信号を前記制御量とその第１及び
第２階時間微分量を用いて算出し、この算出した補償信
号を前記作動流体駆動手段に印可されるサーボ制御信号
に加えるための共振補償手段を設けたことを特徴とする
加振機。
【請求項２】前記作動流体は油であり、前記可動部は
油圧で駆動加振されるピストンであり、前記制御量は前
記ピストンの変位であることを特徴とする請求項１に記
載の加振機。
【請求項３】請求項１または２に記載の加振機を用い
て構成した振動試験機。