JP2010054204A - 試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロードセルの容量を超えた試験力が負荷されることを防止する。
【解決手段】ピストン１１の一端面側からロッド１２が突設された複動型の片ロッドシリンダ１０と、片ロッドシリンダ１０を介して供試体ＴＰに負荷される試験力を検出するロードセル４と、油圧源３１から片ロッドシリンダ１０のボトム室１０ａへの駆動圧油の流れを制御するサーボ弁７と、サーボ弁７を介さずに片ロッドシリンダ１０のロッド室１０ｂへ圧油を供給する圧油供給手段３１，Ｌ２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、片ロッドシリンダを介して供試体に試験力を負荷する試験機に関する。

従来、片ロッドシリンダの駆動により供試体に試験力を負荷する試験機が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の試験機では、片ロッドシリンダのロッド室およびボトム室をそれぞれサーボ弁を介して油圧源またはタンクに接続し、サーボ弁の切換によりロッド室およびボトム室への圧油の流れを制御して疲労試験などを行う。

特開平６−３４５３９２号公報

この種の片ロッドシリンダでは、ロッド室がボトム室よりも受圧面積が小さいため、シリンダ縮退時の最大推力はシリンダ伸張時の最大推力よりも小さくなる。このため疲労試験を行う場合には、シリンダ縮退時の最大推力を基準にしてロードセルの容量などを決定していた。しかしながら、例えばシリンダ伸張時にサーボ弁が故障してしまうと、ロードセルの容量を超えた推力が発生するおそれがある。

本発明による試験機は、ピストンの一端面側からロッドが突設された複動型の片ロッドシリンダと、片ロッドシリンダを介して供試体に負荷される試験力を検出する試験力検出手段と、油圧源から片ロッドシリンダのボトム室への駆動圧油の流れを制御するサーボ弁と、サーボ弁を介さずに片ロッドシリンダのロッド室へ圧油を供給する圧油供給手段とを備えることを特徴とする。
ボトム室の受圧面積を、ロッド室の受圧面積の２倍とすることが好ましい。
油圧源を油圧ポンプにより構成し、油圧ポンプからの圧油をサーボ弁よりも上流側から分岐してロッド室へ導く分岐回路を設けるようにしてもよい。
この場合、分岐回路にアキュムレータを接続することもできる。

本発明によれば、シリンダのボトム室へサーボ弁を介して圧油を供給するとともに、サーボ弁を介さずにロッド室へ圧油を供給するようにしたので、サーボ弁の故障等によってボトム室に駆動圧油が作用し続けた際の油圧シリンダの最大推力を抑えることができる。

以下、図１〜図３を参照して本発明による試験機の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る試験機の概略構成を示す図である。基台１のテーブル１ａ上には一対の支柱２が立設されている。支柱２には図示しない油圧シリンダによりクロスヘッド３が昇降可能に支持されている。クロスヘッド３にはロードセル４を介して上つかみ具５が取り付けられ、上つかみ具５により供試体ＴＰの上端部が把持されている。上つかみ具５の下方には下つかみ具６が設けられ、供試体ＴＰの下端部は下つかみ具６により把持されている。

基台１には試験力負荷用の油圧シリンダ１０が取り付けられている。この油圧シリンダ１０は、ピストン１１の上端面からロッド１２が突設された片ロッドシリンダであり、基台テーブル１ａを貫通してロッド１２が鉛直方向に伸縮可能となっている。片ロッドシリンダは両ロッドシリンダと異なり、ピストン１１の下端面にロッド１２が突設されていないため、油圧シリンダ１０の全長が短く、コンパクトに試験機を構成できる。

下つかみ具６はロッド１２の上端部に固定され、油圧シリンダ１０の伸縮により下つかみ具６が昇降し、供試体ＴＰに試験力が負荷される。油圧シリンダ１０の駆動はサーボ弁７により制御される。

油圧シリンダ１０の駆動量は変位センサ２０により検出される。変位センサ２０は、磁歪線を発生させるプローブ２１の周囲に磁石２２を設け、プローブ２１に沿って非接触で磁石２２が移動することで磁歪線上にねじり歪を発生させ、その歪の伝播時間を測定することによって磁石位置を測定する磁歪式リニア変位センサである。本実施の形態では、ブラケット２３を介して油圧シリンダ１０の下端部でプローブ２１を支持し、このプローブ２１をロッド１２の下端部を鉛直方向に貫通して配設するとともに、プローブ２１の周囲にロッド１２と一体に磁石２２を配設する。

ロードセル４によって検出された試験力信号と、変位センサ２０によって検出された変位信号はコントローラ８に入力される。コントローラ８はこれらからの入力信号に基づきサーボ弁７を制御し、油圧シリンダ１０の駆動を制御する。

図２は、油圧シリンダ１０の駆動用油圧回路図である。なお、図では油圧シリンダ１０を横置きにして示している。油圧シリンダ１０のボトム室１０ａは、サーボ弁７に接続されている。サーボ弁７はコントローラ８からの信号により切り換わる３位置切換弁であり、図の中立位置ではボトム室１０ａは油圧ポンプ３１およびタンクからブロックされている。サーボ弁７がイ位置に切り換わると、ボトム室１０ａは管路Ｌ１を介して油圧ポンプ３１に連通し、ロ位置に切り換わるとタンクに連通する。

一方、油圧シリンダ３１のロッド室１０ｂは、管路Ｌ１から分岐した分岐管路Ｌ２を介して油圧ポンプ３１に接続されている。すなわちロッド室１０ｂはサーボ弁７を介さずに油圧ポンプ３１に連通している。分岐管路Ｌ２の途中にはアキュムレータ３２が接続されている。管路３１には回路の最高圧を規制するリリーフ弁３３が接続されている。油圧シリンダ１０のボトム室１０ａの受圧面積Ｓａはロッド室１０ｂの受圧面積Ｓｂの２倍に設定されている（Ｓａ＝Ｓｂ×２）。

本実施の形態に係る試験機を用いて疲労試験を行う場合の動作を説明する。疲労試験は、油圧シリンダ１０を所定の周期で伸縮して供試体ＴＰを繰り返し負荷する試験であり、ロードセル４の出力が一定のサイン波となるようにサーボ弁７をフィードバック制御して行う。

サーボ弁７が位置イ側に切り換えられると、油圧ポンプ３１からの圧油Ｐがサーボ弁７を介してボトム室１０ａに作用する。このとき油圧ポンプ３１からの圧油Ｐはサーボ弁７を介さずにロッド室１０ｂにも作用する。このためピストン１１はＦａ（＝Ｐ×Ｓａ−Ｐ×Ｓｂ）の力で押動され、この力Ｆａにより油圧シリンダ１０が伸張する。ここで、ＳａはＳｂの２倍であり、Ｆａ＝Ｐ×Ｓｂとなる。

ボトム室１０ａはロッド室１０ｂよりも単位ストローク長当たりの容積が大きいため、シリンダ１０を伸張する場合には、シリンダ１０を縮退する場合よりも多くの圧油供給量が必要になる。本実施の形態では、油圧シリンダ１０の伸張時におけるロッド室１０ｂからの戻り油は管路Ｌ２を介してボトム室１０ａに導くことができるため、油圧ポンプ３１の必要吐出量を抑えることができ、ポンプ３１を小型化できる。

一方、サーボ弁７が位置ロ側に切り換えられると、ボトム室１０ａはタンクに連通し、油圧ポンプ３１からの圧油はロッド室１０ｂのみに作用する。このためピストン１１はＦｂ（＝Ｐ×Ｓｂ）の力で押動され、この力Ｆｂにより油圧シリンダ１０が縮退する。これにより油圧シリンダ１０の伸張時と縮退時のピストン１１を押す力が互いに等しくなる（Ｆａ＝Ｆｂ）。Ｆａ，Ｆｂは供試体ＴＰに負荷し得るシリンダ１０の最大推力（最大試験力）であり、本実施の形態ではこの最大推力をシリンダ推力の上限値として、これを基準にしてロードセル４の容量や油圧シリンダ１０の周囲の油圧部品等の仕様を設定する。

油圧ポンプ３１には管路Ｌ１，Ｌ２を介してアキュムレータ３２が接続されているため、油圧シリンダ１０をサイン波で駆動した際に、油圧ポンプ３１からの余剰の圧油がアキュムレータ３２に蓄圧される。この蓄圧油は疲労試験時にボトム室１０ａとロッド室１０ｂに作用するため、その分、ポンプ吐出量を低減することができる。アキュムレータ３２からの圧油が作用することにより、疲労試験時の圧力変動を抑えることもできる。

サーボ弁７やフィードバック系のセンサ（ロードセル４など）が故障し、例えばサーボ弁７が位置イに切り換わったままの状態になると、ボトム室１０ａに最大圧力が作用し続け、油圧シリンダ１０が最大に伸張する。この場合、サーボ弁７の切換に拘わらずボトム室１０ｂには油圧ポンプ３１からの圧油が作用するため、サーボ弁７が故障した場合にも油圧シリンダ１０の推力の上限値は変化しない。したがって、ロードセル４の容量を超えた試験力が負荷されることはなく、ロードセル４や油圧部品等の破損、供試体ＴＰの破損を防止できる。

これに対し、例えば図３に示すようにサーボ弁７を介してボトム室１０ａとロッド室１０ｂにそれぞれ油圧ポンプ３１からの圧油を供給する方式では、次のような問題がある。すなわちサーボ弁７が位置イに切り換わったままの状態になると、ロッド室１０ｂはタンクに連通するため、油圧シリンダ１０による試験力はＰ×Ｓａとなり、油圧シリンダ１０の縮退時の試験力Ｐ×Ｓｂよりも大きくなる。したがって、シリンダ縮退時の試験力Ｐ×Ｓｂに合わせてシリンダ推力の上限値を設定していた場合には、シリンダ推力が上限値を超え、ロードセル４の容量を超えた試験力が負荷されて、ロードセル４や油圧部品等が破損するおそれがある。これを防止するためには、例えば図示のようにリリーフ弁３４を設けてボトム室１０ａに作用する最高圧を制限する必要があり、部品点数の増加を招く。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）油圧ポンプ３１からの圧油をサーボ弁７を介して油圧シリンダ１０のボトム室１０ａに供給するとともに、サーボ弁７を介さずにロッド室１０ｂに供給し、サーボ弁７の切換により油圧シリンダ１０を伸縮させ、供試体ＴＰに試験力を負荷するようにした。すなわち油圧シリンダ１０の最大推力を、ポンプ圧Ｐ×ボトム室受圧面積Ｓａで定まるのではなく、Ｐ×（Ｓａ−ロッド室受圧面積Ｓｂ）により定まるようにした。これにより例えばサーボ弁７の故障によってボトム室１０ａにポンプ吐出圧が作用し続けた際の油圧シリンダ１０の最大推力を抑えることができ、ロードセル４の容量を超えた試験力が負荷されることを防止できる。

（２）ボトム室１０ａの受圧面積Ｓａをロッド室１０ｂの受圧面積Ｓｂの２倍としたので、油圧シリンダ１０の伸張時と縮退時の試験力が互いに等しくなり（Ｆａ＝Ｆｂ）、効率的に疲労試験を行うことができる。これに対し、例えば受圧面積Ｓａを受圧面積Ｓｂの２倍よりも大きくした場合には、シリンダ１０の伸張時と縮退時の試験力を等しくして両振りの疲労試験を行うために、シリンダ伸張時にボトム室１０ａに作用する油圧力を抑える必要があり、効率が悪い。
（３）油圧シリンダ１０のボトム室１０ｂを、分岐回路Ｌ２を介してサーボ弁７よりも上流側の管路Ｌ１に接続するようにしたので、シリンダ１０の伸張時にロッド室１０ｂからの戻り油をボトム室１０ａに導くことができ、ポンプ吐出量を節約できる。
（４）分岐回路Ｌ２にアキュムレータ３２を接続するようにしたので、ポンプ吐出量の不足をアキュムレータ３２の蓄圧油で補うことができるとともに、疲労試験時の圧力変動を抑えることができる。

なお、上記実施の形態では、油圧ポンプ３１からの圧油を分岐回路Ｌ２を介して油圧シリンダ１０のロッド室１０ｂに供給するようにしたが、圧油供給手段はこれに限らない、単一の油圧ポンプ３１を油圧源とするのではなく、ボトム室１０ａとロッド室１０ｂへの油圧源を別々に設けてもよい。ボトム室１０ａの受圧面積Ｓａをロッド室１０ｂの受圧面積Ｓｂの２倍としたが、少なくともサーボ弁７を介してボトム室１０ａへ圧油を供給するとともに、サーボ弁７を介さずにロッド室１０ｂへ圧油を供給するのであれば、受圧面積Ｓａ，Ｓｂの比は上述したものに限らない。分岐回路Ｌ２にアキュムレータ３２を接続したが、アキュムレータ３２を省略してもよい。ロードセル４により供試体ＴＰに負荷される試験力を検出したが、試験力検出手段はこれに限らない。サーボ弁７の構成も図２に示したものに限らない。

上記実施の形態では、油圧シリンダ１０を鉛直方向に伸縮する縦型の試験機として構成する例を説明したが、横型の試験機として構成することもできる。また、反力フレームを有さない耐久試験用加振機としても使用できる。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の試験機に限定されない。

本発明の実施の形態に係る試験機の全体構成を示す図。 図１の油圧シリンダの駆動用油圧回路図。 図２の比較例を示す図。

符号の説明

４ ロードセル
７ サーボ弁
１０ 油圧シリンダ
１０ａ ボトム室
１０ｂ ロッド室
１２ ロッド
３１ 油圧ポンプ
３２ アキュムレータ
Ｌ２ 分岐回路

Claims (4)

1. ピストンの一端面側からロッドが突設された複動型の片ロッドシリンダと、
   前記片ロッドシリンダを介して供試体に負荷される試験力を検出する試験力検出手段と、
   油圧源から前記片ロッドシリンダのボトム室への駆動圧油の流れを制御するサーボ弁と、
   前記サーボ弁を介さずに前記片ロッドシリンダのロッド室へ圧油を供給する圧油供給手段とを備えることを特徴とする試験機。
2. 請求項１に記載の試験機において、
   前記ボトム室の受圧面積は、前記ロッド室の受圧面積の２倍であることを特徴とする試験機。
3. 請求項１または２に記載の試験機において、
   前記油圧源は油圧ポンプであり、
   前記圧油供給手段は、前記油圧ポンプからの圧油を前記サーボ弁の上流側から分岐して前記ロッド室へ導く分岐回路を有することを特徴とする試験機。
4. 請求項３に記載の試験機において、
   前記分岐回路には、アキュムレータが接続されていることを特徴とする試験機。

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