JP2004163149A

JP2004163149A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2004163149A
Application number: JP2002326798A
Authority: JP
Inventors: Shogoro Iwakiri; 省吾郎岩切; Terutsugu Matsubara; 輝次松原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP3931977B2

Abstract

【課題】従来に比して消費電力を大幅に低減することのできる油圧駆動式の材料試験機を提供する。
【解決手段】油圧式アクチュエータ２に対して作動油を供給する油圧源（油圧ユニット）９のポンプ駆動用のモータ９３を回転数可変のものとし、そのモータ９３の回転数を、材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に変化させることによって、試験準備中などの作動油流量が要求されない状態では低速回転とし、必要なときにだけ高速で回転させることにより、消費電力を低減させる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料試験機に関し、更に詳しくは、油圧式アクチュエータを駆動源とする材料試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片に各種負荷を加えるが、その負荷機構の駆動源として油圧式アクチュエータが多用されている。油圧式アクチュエータを駆動源とする材料試験機においては、その油圧式アクチュエータに対して各種バルブを介して作動油を供給すべく、油圧ポンプを含む油圧ユニットが用いられる（例えば特許文献１，特許文献２）。
【０００３】
また、この種の材料試験機の油圧ユニットに用いられる油圧ポンプを駆動するためのモータは、ＡＣ電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で動作する一定回転数のものが用いられており、また、油圧ユニットからの作動油の供給圧は、例えばやリリーフ弁などを用いることによって設定可能とされ、その設定された供給圧を維持するようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−２９４４号公報（第１−第３頁、図１，図２）
【特許文献２】
特開２００１−１４１６２８号公報（第２頁、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、材料試験機においては、試験を開始する前に、試験片を試験機の掴み具にセットして試験条件を設定するなど、試験の準備作業が必要であり、試験の種類によっては、試験準備に要する時間のほうが試験に要する時間よりも長い場合が多い。
【０００６】
材料試験機における油圧ユニットの選定に際しては、他の機器におけるそれと同様、その最大パフォーマンス（作動油の最大吐出量および最大吐出圧）は当該試験機に要求される最大パフォーマンス（負荷機構の最大移動速度や最大の試験力等）と関連付けて行われるのであるが、試験の種類によっては上記のようにその最大パフォーマンスが要求される時間が短い場合が多く、必要以上に電力を消費しているという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、従来に比して消費電力を大幅に低減することのできる材料試験機の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の材料試験機は、油圧式アクチュエータと、その油圧式アクチュエータに対して作動油を供給する油圧源を備えた材料試験機において、上記油圧源のポンプ駆動用のモータが回転数可変のモータであって、そのモータの回転数を、当該材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に制御するポンプ用モータ回転数制御手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００９】
ここで、本発明においては、上記のポンプ用モータ回転数制御手段に加えて、当該材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて、上記油圧源からの作動油供給圧を変化させる作動油供給圧制御手段を備えた構成（請求項２）を採用することが望ましい。
【００１０】
本発明は、油圧式アクチュエータに作動油を供給する油圧源のポンプを一定の回転数のもとに回転駆動するのではなく、試験機の状態に応じて自動的に制御することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１１】
すなわち、油圧源の消費電力のほとんどはポンプ用モータが占めており、その消費電力はモータの回転数と出力油圧（作動油の供給圧力）に依存する。ここで、負荷機構用のアクチュエータから見た場合、モータ（ポンプ）の回転数は作動油の流量、つまりアクチュエータの速度に関係し、また、出力油圧はアクチュエータの負荷力に関係する。
【００１２】
材料試験機の負荷用のアクチュエータは、前記したように試験中において速度と負荷力が要求され、これらの速度や負荷力は試験片の装着等の準備作業中には殆ど不要である。
【００１３】
そこで、請求項１に係る発明においては、油圧源のポンプを駆動するモータとして回転数可変のモータを用い、そのモータの回転数を材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に変化させる。これにより、試験準備中をはじめとする、アクチュエータの速度が要求されない状態においてポンプ駆動用のモータを低速回転とするなど、必要とされるアクチュエータの速度能力に応じた回転数のもとにポンプ駆動用モータを駆動することができ、消費電力を抑えることができる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明では、上記に加えて、油圧源からの作動油供給圧を材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に変化させる。これにより、必要とされる負荷能力に応じた作動油供給圧力のもとにポンプを駆動することができ、消費電力をより一層抑えることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明を衝撃試験を行うための材料試験機に適用した実施の形態の構成図であり、機械的構成および油圧配管の構成を表す模式図と、電気的構成構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１６】
試験機本体のフレーム１は、テーブル１ａ上に複数のコラム１ｂを介して架台１ｃを配した構造を有し、架台１ｃの上に、負荷用の油圧アクチュエータ２と、その油圧アクチュエータ２に対する作動油の供給量を弁開度により決定するサーボバルブ３と、油圧アクチュエータ２の前段で作動油の蓄圧（油圧チャージ）を行うためのアキュムレータ４、油圧アクチュエータ２のピストン２ａの変位を検出する変位検出器５が配置されている。油圧アクチュエータ２のピストン２ａには、試験力を検出するための試験力検出器６を介在させた状態でポンチ７が取り付けられている。また、アキュムレータ４には、その内圧が設定値に達したことを検知するための圧力スイッチ４ａが設けられている。
【００１７】
そして、テーブル１ａの上には、試験片Ｗを固定するための掴み具８が搭載されている。また、テーブル１ａの下には、油圧アクチュエータ２を動作させるための作動油を供給するための油圧ユニット９が配置されている。
【００１８】
前記したサーボバルブ３は、制御装置１０から供給される制御信号によってその弁開度が制御され、また、変位検出器５と試験力検出器６の刻々の出力、および圧力スイッチ４ａの接点信号は制御装置１０に取り込まれる。変位検出器５と試験力検出器６の出力は、制御装置１０に内蔵しているアンプおよびＡ−Ｄ変換器により増幅およびデジタル化された後、コンピュータを主体とするデータ計測・処理装置１１に取り込まれ、所定のデータ処理が施される。
【００１９】
油圧アクチュエータ２は、前記したように油圧ユニット９から供給される作動油によって動作するが、この油圧ユニット９からの作動油は配管９ａを介して一旦アキュムレータ４にチャージされた後、サーボバルブ３を介して油圧アクチュエータ２に供給される。また、油圧アクチュエータ２から排出された作動油はサーボバルブ３を経て配管９ｂを介して油圧ユニット９に戻される。
【００２０】
油圧ユニット９は、その構成を図２に機構図で示すように、オイルタンク９１と、油圧ポンプ９２とその回転駆動用のモータ９３、およびリリーフバルブ９４を備え、モータ９３はインバータ９３ａにより回転数が制御される交流モータである。インバータ９３ａでは１０Ｈｚ，４０Ｈｚおよび７０Ｈｚの３段階の交流電力を出力することができるように設定されており、その出力周波数は制御盤９５を介して制御装置１０から供給される制御信号により制御される。従って、モータ９３は、制御装置１０からの制御信号に応じて６００ｒｐｍ、２４００ｒｐｍおよび４２００ｒｐｍのいずれかで回転する。
【００２１】
また、リリーフバルブ９４はバイパス付きのものであって、制御盤９５を介して制御装置１０から供給されるからの制御信号により、作動油がリリーフバルブ９４を流れて当該リリーフバルブ９４が能動化するか、あるいはバイパスを流れてリリーフバルブ９４が不能動化するかの制御が行われるようになっており、作動油の供給圧力は、リリーフバルブ９４が能動化されているときには４ＭＰａ、作動油がバイパスを流れるときには２１ＭＰａと、２段階に変化させることができるようになっている。
【００２２】
制御装置１０では、以下に示すように試験準備から試験終了までの刻々の状態に応じて、油圧ポンプ９２の駆動用のモータ９３の回転数および作動油の供給圧力を自動的に変化させる。
【００２３】
図３は、本発明の実施の形態を用いて衝撃試験を行う際の主な手順を示すフローチャートであり、この手順中の各ステップＳ１〜Ｓ８に対して、油圧ユニット９のポンプ９２（モータ９３）の回転数および作動油供給圧力は図４（Ａ），（Ｂ）にそれぞれグラフで示すように自動的に変化する。
【００２４】
油圧ユニット９の起動（Ｓ１）、試験片の取り付け（Ｓ２）、および試験条件の設定（Ｓ３）までは、モータ９３を低速（１０Ｈｚ）で回転させるとともに、リリーフバルブ９４を能動化することにより作動油供給圧を低圧（４ＭＰａ）に設定する。この状態では、制御装置１０に付属のスイッチ等のオペレータによる操作によって、油圧アクチュエータ２のピストン２ａをマニュアルで移動させることができる。
【００２５】
試験条件の設定を完了し、制御装置１０のスイッチ等の操作により油圧チャージ開始（Ｓ４）の指示が与えられると、モータ９３の回転数を高速（７０Ｈｚ）に切り換え、リリーフバルブ９４を不能動化することにより、作動油供給圧力を高圧（２１ＭＰａ）にする。これにより、アキュムレータ４に急速に蓄圧されていく。
【００２６】
アキュムレータ４内の油圧が高圧（２１ＭＰａ）に達すると、圧力スイッチ４ａが作動して油圧チャージ完了（Ｓ５）となり、その時点でモータ９３の回転数を中速（４０Ｈｚ）に切り換え、アキュムレータ４内の油圧を高圧（２１ＭＰａ）に維持する。
【００２７】
制御装置１０のスイッチ等の操作により、試験開始指令が与えられると（Ｓ６）、サーボバルブ３が開き、アキュムレータ４にチャージされた作動油は油圧アクチュエータ２へと流れ込み、ピストン２ａは設定された速度で目標値（位置）に向かって移動し、試験片Ｗに衝撃荷重を加える。ピストン２ａがその目標値に到達すると試験終了（Ｓ７）となり、モータ９３の回転数を低速（１０Ｈｚ）に切り換え、リリーフバルブ９４を能動化して圧力を低圧（４ＭＰａ）に落とす。この状態でピストン２ａをマニュアルで上昇させ、試験後の試験片Ｗを取り除いた後、油圧ユニット９の駆動を停止する（Ｓ９）。
【００２８】
以上の動作によると、ポンプ９２（モータ９３）は作動油流量が必要な状態においてのみ高速で回転するとともに、作動油供給圧は必要な圧力が必要な状態においてのみ高圧となる結果、油圧ユニット９の消費電流は図４（Ｃ）グラフで示す通りとなり、このグラフの面積が消費する電流の総量に相当する。
【００２９】
この実施の形態の運転例として、１回当たりの試験時間を１０分とし、その内訳として、試験準備に要する時間を４２０秒、油圧チャージ開始から完了までを１５秒、試験終了から油圧ユニット９を停止するまでを１５０秒とすると、グラフの面積合計は９３８．２５となる。ちなみに、従来の定速・定圧の油圧ユニットを用いて、同じ試験を行うと、ポンプ駆動用のモータが６０Ｈｚで回転し、油圧２１ＭＰａが必要であり、上記した実施の形態でこの条件で測定したときの電流値が９．５Ａであることから、グラフの総面積は５７００となる。よって本発明の実施の形態によると、従来に比して消費電力を約６分の１程度に抑え得ることが確かめられた。しかも、油圧ユニット９の制御自体は、試験機の状態に応じて制御装置１０が自動的に処理を行うため、オペレータは何ら特別な操作を行う必要がなく、オペレータの負担とはならない。
【００３０】
ここで、以上の実施の形態では、油圧ポンプ９２を駆動するためのモータ９３の回転数と、油圧ユニット９からの作動油供給圧力の双方を試験機の状態に応じて変化させた例を示したが、モータ９３の回転数のみを変化させても消費電力の低減に有効である。
【００３１】
また、以上の実施の形態では、モータ９３の回転数を３段階、作動油供給圧力を２段階に可変とした例を示したが、これらをより多段階に変化させてもよい。作動油供給圧力を多段階に変化させる手法の一つとして、リリーフバルブを用いず、比例弁などを用いる方法を挙げることができる。
【００３２】
そして、本発明は、上記した実施の形態で述べたような衝撃試験を行う材料試験機のように、試験準備期間に比べて実際の試験時間が短いような試験システムに対して用いることにより、非常に大きな消電力効果を奏することができるのであるが、他の種類の材料試験機に適用しても、ある一定の消電力効果を達成することができる。例えば引張・圧縮試験用の材料試験機や、疲労試験機などに適用する場合には、油圧ポンプを駆動するためのモータの回転数が、作動油の吐出量、つまりアクチュエータの速度に関係し、作動油圧力がアクチュエータの負荷力に関係することから、実際の試験条件（試験速度と試験力）に応じて回転数と作動油供給圧力を算出して油圧源を制御することで、上記した実施の形態のような衝撃試験用の材料試験機ほど大きくはないが、消電力効果を達成することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、材料試験機の試験準備から試験終了までの間の刻々の状態に応じて、油圧アクチュエータを駆動するための作動油を供給するポンプ用の駆動モータの回転数を自動的に変化させ、あるいはそれに加えて、作動油供給圧力を自動的に変化させるので、従来のように定速回転のモータを用いて定圧で作動油を供給する場合に比して消費電力を大幅に低減させることができ、しかも、オペレータは何ら特別な操作を行う必要がないため負担がかかることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成および油圧配管の構成を表す模式図と、電気的構成構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の油圧ユニット９の構成を示す機構図である。
【図３】本発明の実施の形態を用いて衝撃試験を行う際の主な手順の例を示すフローチャートである。
【図４】図３の手順に対応する油圧ユニットの動作の説明図で、（Ａ）はモータ９３の回転数をの変化、（Ｂ）は作動油供給圧力の変化をそれぞれ示すグラフであり、（Ｃ）は油圧ユニットの刻々の消費電流を示すグラフである。
【符号の説明】
１フレーム
２油圧アクチュエータ
２ａピストン
３サーボバルブ
４アキュムレータ
４ａ圧力スイッチ
５変位検出器
６試験力検出器
７ポンチ
８掴み具
９油圧ユニット
９１オイルタンク
９２油圧ポンプ
９３モータ
９３ａインバータ
９４リリーフバルブ
９５制御盤
１０制御装置
１１データ計測・処理装置
Ｗ試験片

Claims

油圧式アクチュエータと、その油圧式アクチュエータに対して作動油を供給する油圧源を備えた材料試験機において、
上記油圧源のポンプ駆動用のモータが回転数可変のモータであって、そのモータの回転数を、当該材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に制御するポンプ用モータ回転数制御手段を備えていることを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、当該材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて、上記油圧源からの作動油供給圧を変化させる作動油供給圧制御手段を備えていることを特徴とする材料試験機。