JP2004177381A - 多軸試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧下にある試験片に水平方向に加振するのに、使用する油量が極めて少なくても十分な振動試験を行わせることができる多軸試験機を提供する。
【解決手段】加圧状態にある試験片３１を水平振動させる手段となる水平加振シリンダ機構４０には、油圧回路４１を介して圧油を供給する両吐出型斜板ポンプ５０を接続し、閉回路構成としている。この両吐出型斜板ポンプ５０の駆動モータとともに、斜板切り替え操作を行う斜板５２とシリンダ機構５４により圧油の吐出する流路の方向を切り替えるため、水平加振シリンダ機構４０へ交互に圧油を吐出することができ、閉回路内の作動油のみで往復運動できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧状態にある試験片に加圧方向と交差する方向へアクチュエータにより振動させる多軸試験機に係り、特に高速道路等の橋桁の下部に備えられる免振ゴムの加圧加振試験に好適な多軸試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、免振ゴムの特性試験を行う場合、多軸試験機を用いて、加圧下で水平振動試験を行うことがある。このような用途に用いられる試験機は、通常、アクチュエータによりほぼ２００トンの加圧下にある試験片を２００ｍｍ程度のストロークで繰り返し水平振動させるものとされ、一般的には水平振動用アクチュエータの動作を大出力の駆動モータを用いて油圧ポンプを回し、これをアキュムレータに蓄圧した状態で、油圧サーボ弁により切換制御して両ロッドシリンダ機構に圧油を供給する方式が採用されている。
【０００３】
この従来方式の概略図を図４に示す。この方式は、図示しない試験片を振動させるアクチュエータ１１と、前記アクチュエータ１１を動作させる作動油を加圧する油圧ユニットと、から構成されている。前記作動油は、一方向吐出定容量形ポンプ１２により開回路を形成した油圧回路１８を介して作動油タンク１３からアキュムレータ１４に送られた後、前記アキュムレータ１４で蓄圧される。蓄圧された作動油はサーボ弁１５へ送られ、前記サーボ弁１５では作動油をアクチュエータ１１への注入方向を制御することにより、アクチュエータ１１の両ロッドを動作させる。前記アクチュエータ１１の作動油を排出する側から排出された作動油は、前記サーボ弁１５を通り作動油タンク１３へ排出される。また、アキュムレータ１４で一定以上の圧力に蓄圧された作動油はリリーフ弁１６を通り作動油タンク１３に戻る。
また、水平方向への繰り返し荷重と鉛直方向への一定荷重を免振ゴムに与えて耐久試験を行う試験機としては特許文献１が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−４１８７０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、作動油をアキュムレータ１４で蓄圧し、サーボ弁１５で作動方向を制御する油圧サーボ弁を使用した方式では、試験片を振動させない待機状態でも一方向吐出定容量形ポンプ１２を駆動させて圧油を油圧回路１８に吐出させなければならない。また、加圧された前記試験片を高速で振動させるには、アキュムレータ１４の容量を大容量化する必要がある。また、前記アキュムレータ１４で加圧する作動油を大量にタンクに貯蔵しなくてはならず、さらに、作動油タンク１３を冷却する装置１７も設置する必要があり、装置の設置面積が大きくなっていた。
【０００６】
本発明は前記従来技術の欠点を解消するために、加圧下にある試験片を水平方向に加振するのに、使用する油量が極めて少なくても十分な振動試験を行わせることができる駆動モータの消費エネルギの小さい多軸試験機を提供することを目的とする。第二には、設備面積を半減することのできる多軸試験機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、加圧状態にある試験片に加圧方向と交差する方向にアクチュエータにより振動させる多軸試験機において、前記アクチュエータを油圧シリンダ機構により構成し、当該油圧シリンダ機構の両油室に圧油を供給可能な両吐出型斜板ポンプを接続し、この斜板ポンプの駆動モータとともに、斜板切り替え操作ユニットにより吐出流路方向を切り替え可能としてなることを特徴とする。
この場合、前記駆動モータにはフライホイールを接続して慣性回転可能な構成にできる。
【０００８】
さらに、前記斜板切り替えユニットは斜板操作用油圧シリンダ機構を用い、当該斜板操作用油圧シリンダ機構の両油室にモータ駆動の両吐出型ポンプを接続して斜板切り替えを可能としてなる構成にできる。
なお、上記手段による多軸試験機は、垂直方向（一方向）に加圧された状態にある試験片に水平加振を行うためのものであるが、加圧方向（垂直方向）と同方向に試験片を加振できるようにした多軸試験機とすることもできる。
【０００９】
【作用】
上記のごとく構成した本発明では、アクチュエータに両吐出型斜板ポンプを接続し、油圧回路を閉回路構成として、この両吐出型斜板ポンプより交互に圧油を吐出させて前記アクチュエータを往復動作させることができる。これにより、アクチュエータを動作させる作動油は閉回路中の油量で足り、アキュムレータへその都度蓄圧する必要がなくなる。このため、アキュムレータやこれから吐出される圧油の経路の切り替え用サーボ弁が必要ない。すなわち、作動油は油圧回路内にある作動油だけでアクチュエータを動作できるので、大量の作動油を作動油タンクに貯蔵する必要がない。このため、アキュムレータと作動油タンクの設置場所を必要とせず、装置の設置面積を半減にすることができる。さらに、作動油を冷却するための冷却装置を設置する必要がない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係る多軸試験機の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。実施形態に係る多軸試験機を免振ゴムの試験用の二軸試験機に適用した例について説明する。図１（ａ）は二軸試験機の平面図であり、図１（ｂ）は側面図である。
【００１１】
この実施形態に係る多軸試験機は、床盤上に設置された垂直油圧シリンダ機構のベース２０を有し、このベース２０には機枠が取り付けられている。この機枠は門形フレーム２１からなり、ベース２０から立ちあがる支柱部をガイドシャフト２２として構成している。門型フレーム２１の水平中心部には垂直油圧シリンダ機構１１０が下向きに伸縮できるように取り付けられている。前記ガイドシャフト２２に案内されて加圧ブロック２９がスライド昇降できるように取り付けられ、この加圧ブロック２９を前記垂直油圧シリンダ機構１１０により昇降駆動させるようにしている。加圧ブロック２９は、ベース２０上に置かれた水平方向に往復運動できるスライドテーブル３０と対面されており、スライドテーブル３０上に置かれた試験片３１を加圧する。
【００１２】
また、スライドテーブル３０には両ロッド型の水平加振シリンダ機構４０（以下、水平加振シリンダ機構という）が連結されており、水平加振シリンダ機構４０のロッド４０Ａの水平往復運動とともにスライドテーブル３０も水平往復運動する構成となっている。前記水平加振シリンダ機構４０の図示しないピストン両側の油室には油圧回路４１を介して両吐出型斜板ポンプ５０を接続し、前記油圧回路４１は閉回路構成としている。油圧回路４１内には所定圧力に加圧された油が封じ込められている。また、油圧回路４１には回路内の圧力を一定に保つリリーフ弁４３が設けられている。ただし、このリリーフ弁４３は斜板５２の制御により油圧回路４１内の油圧制御が可能ならば、必ずしも必要とはしない。
【００１３】
前記両吐出型斜板ポンプ５０の概略図を図２に示す。この両吐出型斜板ポンプ５０は作動油を吸引して圧油を吐出するピストン５１を収容した回転ブロック５１Ａを有し、この回転ブロック５１Ａを斜板５２に摺動させながら駆動モータ４２（図１参照）に連結された回転シャフト４２Ａによって回転させるようにしている。斜板５２はハウジング５０Ａ内に保持され、傾斜角度を変更できるように取り付けられている。斜板５２の角度を変更するために斜板切り替え操作ユニットが設けられている。この斜板切り替え操作ユニットは、斜板５２にアーム５３が設けられており、このアーム５３の先端部に斜板操作用油圧シリンダ機構５４のピストンを連結している構成である。この斜板操作用油圧シリンダ機構５４のピストン両側の油室ＡとＢには、油圧回路５６を介して両吐出型ポンプ５８を接続されている。この両吐出型ポンプ５８には駆動モータ６０が接続されている。この駆動モータ６０が駆動して、両吐出型ポンプ５８より前記ピストン両側の油室ＡとＢに交互に圧油を吐出させ、斜板操作用シリンダ機構５４のピストンを動作させている。これにより斜板５２の角度が切り替えられ、両吐出型斜板ポンプ５０が圧油を吐出する流路の方向と吐出量を切り替えできるものとなっている。したがって、斜板５２は水平加振シリンダ機構４０（図１参照）の前記ピストン両側の油室へ交互に圧油を吐出するよう斜板切り替え動作させることができる。
【００１４】
試験片３１を垂直油圧シリンダ機構１１０で加圧した状態で水平加振シリンダ機構４０のロッド４０Ａを水平往復運動させてスライドテーブル３０を水平振動させる場合、試験片３１の水平方向の変位、水平方向の速度及び水平方向に掛かる力の、それぞれの時間に対する関係は図３のようになる。スライドテーブル３０が水平加振シリンダ機構４０に押圧され、試験片３１が押圧方向に変位したときの方向（図１の図面に向かって左方向）を正とする。また、試験片３１が水平加振シリンダ機構４０の引圧方向に変位したときの方向（図１の図面に向かって右方向）を負とする。
【００１５】
スライドテーブル３０がロッド４０Ａにより押圧又は引圧されて水平振動する場合、試験片３１は時間に対してほぼ正弦波を描くように変位する。このような、ほぼ正弦波を描くように変位している試験片３１の水平方向の速度及び水平方向に掛かる力の関係は次のようになる。変位０の位置を正方向に向かって通過するとき（時刻ｔ０）の速度は正方向に向かって最大となり、試験片３１に掛かる水平方向の力は０となる。次に、試験片３１の変位が正方向に最大となるとき（時刻ｔ１）の速度は０となり、力は負方向に向かって最大となる。次に、試験片３１が変位０の位置を負方向に向かって通過するとき（時刻ｔ２）の速度は負方向に向かって最大となり、力は０となる。次に、試験片３１の変位が負方向に最大になるとき（時刻ｔ３）の速度は０となり、力は正方向に向かって最大となる。これらの関係は、試験片３１に掛かる力は水平方向の速度より位相が９０°進み、この水平方向の速度は水平方向の変位より位相が９０°進む位相関係である。
【００１６】
この位相関係をなす場合において、試験片３１がする仕事は水平方向の速度と水平方向に掛かる力との積により計算される。この水平方向の速度及び水平方向に掛かる力の振幅をそれぞれ１とすると、試験片３１がする仕事は最大で０．５となる。すなわち、時刻ｔ０と時刻ｔ１との中間時間において、試験片３１がする仕事は０．５となる。同様にして、時刻ｔ１と時刻ｔ２との中間時間、時刻ｔ２と時刻ｔ３との中間時間、時刻ｔ３と時刻ｔ４との中間時間のそれぞれにおいて、試験片３１がする仕事は０．５となり、時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３及びｔ４において、試験片３１がする仕事は０となる。この試験片３１がする仕事は、振幅が０．５となり、周期が変位の描く正弦波の１／２となる、正弦波を描く。また、試験片３１がする仕事の絶対値を取ると図３のような波形になり、これに（１／２）^１／２を掛けて実効値を計算すると約０．３５となる。
【００１７】
また、両吐出型斜板ポンプ５０がする仕事は、吐出される油量と圧力との積により算出される。油圧回路４１は閉回路を構成しているので、両吐出型斜板ポンプ５０がする仕事は油圧回路４１を介してロッド４０Ａに伝達される。さらに、ロッド４０Ａに連結されたスライドテーブル３０を介して試験片３１に伝達される。このため、試験片３１が実効値で０．３５の仕事が必要な場合は、両吐出型斜板ポンプが０．３５の仕事をすればよい。すなわち、試験片３１を振幅１の水平振動させるには、両吐出型斜板ポンプを回す駆動モータが０．３５の仕事をして圧油を吐出させればよい。例えば、試験片３１を水平振動させるために、従来技術では１２００ｋＷ容量の駆動モータを用いて一方向吐出定容量形ポンプ１２を回す必要があった場合でも、本実施形態では４２０ｋＷ容量の駆動モータを用いて両吐出型斜板ポンプ５０を回すことで水平振動できる。
【００１８】
前記位相関係を利用するために、油圧回路４１を閉回路構成として油圧回路４１内に所定の圧力に加圧した油を封じ込め、さらに両吐出型斜板ポンプ５０を用いて圧油を吐出することで、従来のサーボ弁１５を利用した開回路に圧油を吐出する一方向吐出定容量形ポンプ１２に比べ、駆動モータの容量を極めて小さくできる。
【００１９】
この構成により、試験片３１を垂直油圧シリンダ機構１１０で加圧した状態で、水平加振シリンダ機構４０により水平振動する水平振動試験は次のようになる。回転ブロック５１Ａと斜板５２を摺動するピストン５１とが駆動モータ４２の駆動とともに回転すると、油圧回路４１へ圧油を吐出する。また、斜板５２の傾き角度は斜板操作用油圧シリンダ機構５４により変更されるため、油圧回路４１へ吐出される圧油の向きは交互に切り替わる。これにより、両吐出型斜板ポンプ５０は油圧回路４１へ吐出方向を変えながら圧油を吐出する。水平加振シリンダ機構４０の一対の油室（スライドテーブル３０を接続したヘッド側または接続しないヘッド側）へ交互に圧油が供給され、水平加振シリンダ機構４０のロッド４０Ａは水平往復運動を行う。ただし、油圧回路４１中には予め所定圧力に加圧された油が封じ込められている。スライドテーブル３０は、ロッド４０Ａにより押圧又は引圧されることにより水平往復運動を行い、試験片３１の水平振動試験を行える。また、両吐出型斜板ポンプ５０を油圧回路４１に接続し、閉回路中を循環する作動油によってロッド４０Ａを水平往復運動させる構成としているため、作動油を加圧するアキュムレータや、大量の作動油を貯蔵する作動油タンクを必要とせず、同時に二軸試験機の設置面積の半分を占めていたアキュムレータ設置面積の分を減少することができる。
【００２０】
また、駆動モータ４２にフライホイール４４を接続して、フライホイール４４と共に駆動モータ４２も慣性回転を行う構成とする。すなわち、フライホイール４４で蓄積されたエネルギを駆動モータ４２へ一度に伝達するよう構成しているので、駆動モータ４２で発生させるエネルギはフライホイール４４から伝達された分だけエネルギを小さくすることができる。フライホイール４４の回転エネルギＥはＥ＝（１／２）Ｊω^２で表される。ここで、Ｊは慣性モーメント、ωは角速度である。例えば、フライホイール４４の重量を３００ｋｇ、回転半径を０．５ｍとし、フライホイール４４が１５００ｒｐｍから１２００ｒｐｍまで減速してエネルギを駆動モータ４２に伝達したときのエネルギは３３３ｋＷとなる。このため、駆動モータ４２の容量はフライホイール４４で生じた分のエネルギを小さくできる。従来技術では、１２００ｋＷ容量の駆動モータ４２が必要であった場合でも、駆動モータ４２にフライホイール４４を接続した二軸試験機は、約９０ｋＷ容量の駆動モータ４２を用いることができ、水平加振シリンダ機構４０を水平振動できる。このため、小型の駆動モータ４２で大出力を必要とする水平振動を行えるので、コスト削減を図ることができる。
【００２１】
このような構成により、本実施形態に係る二軸試験機では、水平加振シリンダ機構４０の油室に接続する油圧回路４１中に圧油を所定圧力で封じ込め、両吐出型斜板ポンプ５０により高圧下で圧油を吐出する方向を切り替えることができる。これによりアキュムレータを用いることなく垂直加圧状態にある試験片３１に対して水平加振の試験を実施できるのである。水平加振のストロークの変更は、両吐出型斜板ポンプ５０から吐出する方向の切り替え角度以内の範囲で斜板角度の変更を行うことで任意に設定することができる。
【００２２】
また、本実施形態では水平加振シリンダ機構４０に閉回路をなす油圧回路４１を介して両吐出型斜板ポンプ５０より圧油を吐出させる構成としたが、シリンダ機構を垂直に配設し、両吐出型斜板ポンプより圧油を吐出することにより前記シリンダ機構のロッドを垂直振動できるように構成することもできる。これにより試験片３１を垂直方向の伸縮試験などを行う装置に適用できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、加圧状態にある試験片に加圧方向と交差する方向にアクチュエータにより水平振動させる多軸試験機において、前記アクチュエータを油圧シリンダ機構により構成し、当該油圧シリンダ機構の両油室に圧油を供給可能な両吐出型斜板ポンプを接続し、この斜板ポンプの駆動モータとともに、斜板切り替え操作ユニットにより吐出流路方向を切り替え可能としてなる構成としたので、加圧下にある試験片を加圧方向と交差する方向に加振するのに、使用する油量が極めて少なくても十分な振動試験を行わせることができ、設備面積を半減することのできる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】水平加振を行う多軸試験機を示す概略図である。
【図２】両吐出型斜板ポンプを示す概略図である。
【図３】水平振動しているときの変位、速度、力及び仕事の関係を示す図である。
【図４】従来技術の多軸試験機を示す概略図である。
【符号の説明】
１１………アクチュエータ、１２………一方向吐出定容量形ポンプ、１４………アキュムレータ、１５………サーボ弁、２３………垂直油圧シリンダ機構、３０………スライドテーブル、４０………両ロッド型の水平加振シリンダ機構、４２………駆動モータ、４４………フライホイール、５０………両吐出型斜板ポンプ、５１………ピストン、５２………斜板、５４………斜板操作用シリンダ機構。

Claims (3)

1. 加圧状態にある試験片に加圧方向と交差する方向にアクチュエータにより振動させる多軸試験機において、前記アクチュエータを油圧シリンダ機構により構成し、当該油圧シリンダ機構の両油室に圧油を供給可能な両吐出型斜板ポンプを接続し、この斜板ポンプの駆動モータとともに、斜板切り替え操作ユニットにより吐出流路方向を切り替え可能としてなることを特徴とする多軸試験機。
2. 前記駆動モータにはフライホイールを接続して慣性回転可能としてなることを特徴とする請求項１記載の多軸試験機。
3. 前記斜板切り替え操作ユニットは斜板操作用油圧シリンダ機構を用い、当該斜板操作用油圧シリンダ機構の両油室にモータ駆動の両吐出型ポンプを接続して斜板切り替えを可能としてなることを特徴とする請求項１記載の多軸試験機。

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