JP2010151755A - 往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの試験片を、それぞれ別の剛性の高い部材に固定して相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置において、各試験片のまわりに余分な空間がほとんどない場合でも、試験片の摺動面に、ドレンを模擬する水滴を、その供給タイミング、供給頻度、供給量を任意かつ正確に変化させて供給することができ、かつ摺動面以外への水滴の飛散を抑制することができる往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置を提供する。
【解決手段】試験片の摺動面に離れた位置から水滴を噴射して供給する水噴射ノズル１４と、水噴射ノズルに遠隔から加圧水を供給する水供給管１６と、加圧空気で加圧された加圧水を内部に保有し水供給管に供給する加圧水タンク１８と、水供給管に設けられ加圧水の流れを開放自在に閉鎖する２ポート弁２０と、２ポート弁を制御する弁制御装置２２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置に関する。

試験片の試験条件を実機使用条件に模擬して試験する試験装置として、例えば特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１は、高温雰囲気を模擬する特性評価装置であり、特許文献２は高圧雰囲気を模擬する摩擦摩耗試験装置であり、特許文献３は、コーティング部材の実機使用条件を模擬する耐久性試験装置と方法である。

特開昭６２−２７８４２７号公報、「高温摩耗特性評価装置」 特開平４−１９１６３７号公報、「高圧雰囲気摩擦摩耗試験装置」 特開２００３−３１５２５３号公報、「コーティング部材の耐久性試験方法および試験装置」

例えば、レシプロ空気圧縮機におけるピストンリングとシリンダライナは、潤滑油の存在しない「無潤滑ドライ状態」、又は圧縮空気中の水分が凝縮してドレンとして間欠的に供給される「無潤滑ウェット状態」で相互に往復動する。
そのため、レシプロ空気圧縮機に用いられるピストンリングは、自己潤滑性を有する樹脂やカーボン材が用いられる。しかしこれらの材料からなるピストンリングは、油潤滑状態で用いられる金属製のピストンリングと比較して、摩擦による摩耗が激しい。
そこで、このようなピストンリングとシリンダライナを試験片とする往復動摩耗試験装置が強く要望されていた。

この往復動摩耗試験装置では、実機の使用条件を模擬するために、ピストンリングとシリンダライナの各試験片を、それぞれ別の剛性の高い部材に固定して相対的に摺動させる必要がある。
また、実機の使用条件を模擬するため、これらの試験片の摺動面を、圧縮空気中の水分が凝縮してドレンとして間欠的に供給される「無潤滑ウェット状態」に模擬する必要がある。
しかし、上述した従来技術では、摩擦材料の寿命に大きな影響を及ぼす、ドレンの混入を模擬できなかった。そのため、摩擦摩耗評価の１つとして摩擦試験中に水を供給した場合の挙動を検証する必要があった。

また、各試験片は、それぞれ別の剛性の高い部材に固定して相対的に摺動させ、かつ試験片を所定の温度に加熱・保持するために電気炉等に収容するため、各試験片のまわりに余分な空間がほとんどない。そのため、ドレン混入を模擬する装置を組み込む余地がほとんどなかった。

また、レシプロ空気圧縮機におけるドレン混入のメカニズムは現時点でほとんど不明であるため、ドレンを模擬するために水を水滴で供給する必要があった。
さらに、水滴の供給タイミング、水滴の供給頻度、水滴量、等を種々に変化させて試験する必要があった。
また、摺動面以外へ水滴が溢れると、他の機器が故障するおそれがあるため、他の範囲への飛散を抑制する必要があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、２つの試験片を、それぞれ別の剛性の高い部材に固定して相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置において、各試験片のまわりに余分な空間がほとんどない場合でも、試験片の摺動面に、ドレンを模擬する水滴を、その供給タイミング、供給頻度、供給量を任意かつ正確に変化させて供給することができ、かつ摺動面以外への水滴の飛散を抑制することができる往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置を提供することにある。

本発明によれば、２つの試験片を相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置であって、
前記試験片の摺動面に離れた位置から水滴を噴射して供給する水噴射ノズルと、
該水噴射ノズルに加圧水を供給する水供給管と、
加圧空気で加圧された加圧水を内部に保有し前記水供給管に供給する加圧水タンクと、
前記水供給管に設けられ加圧水の流れを開放自在に閉鎖する２ポート弁と、
該２ポート弁を制御する弁制御装置とを備えた、ことを特徴とする往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記２ポート弁は、２ポート空圧切換弁であり、
前記弁制御装置は、前記２ポート空圧切換弁にパイロット圧を供給するための２ポート電磁切換弁と、該２ポート電磁切換弁を制御する空圧制御装置とからなる。

また、前記往復動摩耗試験装置は、前記一方の試験片に対し他方の試験片をその長さ方向に周期的に往復動させる往復駆動装置を備えており、
前記ドレン浸入環境模擬装置は、前記試験片の摺動面に水滴を噴射するタイミングで、往復駆動装置の特定の周期位置を検出し周期位置信号を出力する周期位置検出センサーを備える。

前記空圧制御装置は、所定の往復動数毎に、所定の繰返し数、所定の時間間隔Ｔ１で、所定の噴射時間Ｔ２の間、前記２ポート電磁切換弁を開くようになっている。

前記空圧制御装置は、前記往復動周期位置信号を所定の往復動数までカウントダウンし、カウントダウン終了信号を出力するカウントダウンカウンターと、
往復動カウントダウン終了信号で所定の繰返し数をカウントする繰返し数カウンターと、
前記カウントダウン終了信号により所定の時間間隔Ｔ１で噴射信号を出力する通電タイマーと、
前記噴射信号により所定の噴射時間Ｔ２の間、前記２ポート電磁切換弁を開くバルブ開閉タイマーとを有する。

上記本発明の構成によれば、弁制御装置により２ポート弁を制御し、水タンク内で加圧された水を、水供給チューブを介して水噴射ノズルに供給し、水噴射ノズルから試験片の摺動面に離れた位置から水滴を噴射して供給することができる。
従って、各試験片のまわりに余分な空間がほとんどない場合でも、試験片の摺動面に、ドレンを模擬する水滴を供給することができる。

また、前記空圧制御装置が、前記２つの試験片の間に水滴を噴射するタイミングで、往復駆動装置の特定の周期位置を検出し周期位置信号を出力する周期位置検出センサーを備えることにより、所望の供給タイミングで試験片の間に水滴を噴射することができる。

さらに、カウントダウンカウンター、繰返し数カウンター、通電タイマーおよびバルブ開閉タイマーを有することにより、所定の往復動数毎に、所定の繰返し数、所定の時間間隔Ｔ１で、所定の噴射時間Ｔ２の間、前記２ポート電磁切換弁を開くことにより、所望の供給頻度で供給量を任意かつ正確に変化させて供給することができる。
また、摺動部位だけを狙って必要量のみを供給することで、他の範囲への飛散を抑制することができる。

従って、２ポート弁（２ポート空圧切換弁）を用いて、摩擦試験部へごく少量の水滴を断続的に噴射・供給することによって、実機で発生するドレンを模擬した水滴の供給が行え、より実機環境に即した試験結果を得られるようになる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のドレン浸入環境模擬装置を備えた往復動摩耗試験装置の部分構成図である。
この図において、１は細長い棒状試験片、２はピン状試験片である。この往復動摩耗試験装置は、細長い棒状試験片１を長さ方向（図で左右方向）に往復動させ、棒状試験片１の側面（図で下面）にピン状試験片２の端面（上面）を押し付けて摺動させるようになっている。
棒状試験片１とピン状試験片２は、例えば往復動圧縮機におけるシリンダライナとピストンリングを想定している。しかし、本発明はこれらに限定されず、２つの試験片を相対的に摺動させる限りで、試験片を自由に選定することができる。

棒状試験片１は、この例では幅１２ｍｍ×長さ１３０ｍｍ×厚さ８ｍｍの細長い矩形片であり、水平に延びる往復駆動軸３の下面に図示しないボルト等で強固に固定される。
往復駆動軸３は、軸受４Ａ，４Ｂにより水平移動可能に支持されている。

ピン状試験片２は、この例では直径１６ｍｍ×長さ２０ｍｍ、試験面直径８ｍｍの円筒形部材であり、往復駆動軸３を間隔を隔てて囲む押付フレーム４の下部に押付端面を上向きに固定されている。
押付フレーム４は、ロードセル５、コイルバネ６を介して図示しない吊上装置に連結され、棒状試験片１の側面にピン状試験片２の端面を一定の荷重で上向きに押付けるようになっている。この荷重は、ロードセル５で検出し、吊上装置へフィードバックして制御される。

往復動摩耗試験装置は、一方の試験片（ピン状試験片２）に対し他方の試験片（棒状試験片１）をその長さ方向に周期的に往復動させる往復駆動装置７を備えている。

図２は、往復駆動装置の構成図である。この往復駆動装置７は、図示しない電動機又は原動機で回転駆動されるフライホイール８と、電動機又は原動機で回転駆動され往復駆動軸３を所定のストロークで往復動するクランク９とからなる。
所定のストロークは、往復動圧縮機を想定して、例えば１００ｍｍである。
なお、本発明はこれらに限定されず、往復動をクランク以外で行ってよい。また、往復駆動軸３の往復動回数（揺動回数）は、例えば１〜１２００サイクル／分の範囲で自由に設定できるのがよい。

図２において、ピン状試験片２の固定位置をｘ＝０、棒状試験片１の中心の長さ方向位置をｘとする。
図２（Ａ）において、棒状試験片１がストロークの右端に位置するときのフライホイール８の回転角θを０とすると、（Ｂ）は回転角θが９０度、（Ｃ）は１８０度、（Ｄ）は２７０度のときをそれぞれ示している。

図２において、試験片１の摺動面にドレンを模擬した水滴を噴射するタイミングは、噴射した水滴が２つの試験片１，２の間に直ぐに供給される位置、すなわち図２（Ｃ）の位置が望ましい。
そのため、本発明のドレン浸入環境模擬装置１０は、フライホイール８の一部に設けられたセンサー感知部１１（例えば貫通穴）と、フライホイール８の外側に隙間を隔てて固定され、センサー感知部１１を検出する周期位置検出センサー１２（例えば光電スイッチ）とを備え、試験片１の摺動面に水滴を噴射する図２（Ｃ）のタイミングで、往復駆動装置７の特定の周期位置を検出し周期位置信号を出力するようになっている。
この構成により、往復駆動装置７の回転速度が変化した場合でも、２つの試験片１，２の間に噴射した水滴が直ぐに供給される位置（図２（Ｃ）の位置）に、正確に水滴を噴射することができる。

なお、センサー感知部１１と周期位置検出センサー１２は、この構成に限定されず、往復駆動装置７の回転速度が変化した場合でも、水滴を噴射するタイミングが変化しない限りで他の構成であってもよい。また、センサー感知部１１と周期位置検出センサー１２の少なくとも一方を移動可能に構成して、このタイミングを調整できるようにしてもよい。

図３は、本発明のドレン浸入環境模擬装置の全体構成図である。この図において、本発明のドレン浸入環境模擬装置１０は、上述した周期位置検出センサー１２の他に、水噴射ノズル１４、水供給管１６、加圧水タンク１８、２ポート弁２０、及び弁制御装置２２を備える。

水噴射ノズル１４は、この例では先端部分を所定の角度（例えば９０度）に円弧状に曲げられた金属製の細管であり、試験片１の摺動面に向けて水滴を離れた位置から噴射して供給するようになっている。
この水噴射ノズル１４は、試験片１の摺動面に水滴が到達できる位置に固定して設けられ、摺動部位だけを狙って供給することで、他の範囲への飛沫を回避している。
水噴射ノズル１４による水滴の飛距離は、１０〜２００ｍｍ程度であるのが望ましい。この飛距離は、加圧水タンク１８の加圧空気の圧力で調整することができる。

水供給管１６は、水噴射ノズル１４と加圧水タンク１８の供給口１８ａとを連通する金属製又は可撓性のパイプであり、水噴射ノズル１４に遠隔から加圧水を供給する。

加圧水タンク１８は、空圧源３０に減圧弁１９（又は圧力調節弁）を介して連結された密閉容器であり、加圧空気で加圧された加圧水を内部に保有し、水供給管１６に加圧水を供給するようになっている。
なお、加圧水タンク１８には、図示しない水供給装置により水を適宜補給できるようになっているのが好ましい。

２ポート弁２０は、水供給管１６の途中に設けられ、加圧水の流れを開放自在に閉鎖する。この例において、２ポート弁２０は、２ポート空圧切換弁である。

弁制御装置２２は、２ポート空圧切換弁２０にパイロット圧を供給するための２ポート電磁切換弁２３と、２ポート電磁切換弁２３を制御する空圧制御装置２４とからなり、２ポート弁（２ポート空圧切換弁２０）を制御する。

図４は、本発明による空圧制御装置の全体構成図である。この図に示すように、空圧制御装置２４は、カウントダウンカウンター２５、繰返し数カウンター２６、通電タイマー２７、バルブ開閉タイマー２８を備え、所定の往復動数N毎に、所定の繰返し数m、所定の時間間隔Ｔ１で、所定の噴射時間Ｔ２の間、２ポート電磁切換弁２０を開くようになっている。

カウントダウンカウンター２５は、周期位置検出センサー１２からの往復動周期位置信号１２ａを所定の往復動数Ｎまでカウントダウンし、カウントダウン終了信号２５ａを出力する。往復動数Ｎは、１〜９９９の範囲で任意に設定できるのがよい。

繰返し数カウンター２６は、往復動カウントダウン終了信号２５ａで所定の繰返し数ｍをカウントする。繰返し数ｍは、１〜９９の範囲で任意に設定できるのがよい。

通電タイマー２７は、カウントダウン終了信号２５ａにより一定の時間間隔Ｔ１で噴射信号２７ａを出力する。時間間隔Ｔ１は、任意の時間に設定できるのがよい。
また、噴射信号２７ａの繰返し数が所定の繰返し数ｍに達した時点で、繰返し数カウンター２６によりカウントダウン終了信号２５ａの出力を停止する。

バルブ開閉タイマー２８は、噴射信号２７ａにより所定の噴射時間Ｔ２の間、弁開信号２８ａを出力し、その間、２ポート電磁切換弁２０を開く。時間間隔Ｔ２は、任意の時間に設定できるのがよい。

図５は、本発明によるドレン浸入環境模擬装置の作動説明図である。
この図において、（Ａ）はピン状試験片２に対する棒状試験片１のストローク位置、（Ｂ）は周期位置検出センサー１２の往復動周期位置信号１２ａ、（Ｃ）はカウントダウンカウンター２５のカウントダウン終了信号２５ａ、（Ｄ）は繰返し数カウンター２６のカウント信号、（Ｅ）は通電タイマー２７の噴射信号２７ａ、（Ｆ）はバルブ開閉タイマー２８の弁開信号２８ａである。

以下、図５に基づき本発明の作動を説明する。
（Ａ） この試験では、シリンダライナを模擬した棒状試験片１が、ピストンリングを模擬したピン状試験片２に対してｘ方向に往復動する。
（Ｂ） 棒状試験片１の往復回数は周期位置検出センサー１２で検出され１周期毎に往復動周期位置信号１２ａが出力される。
（Ｃ） カウントダウンカウンター２５より往復動周期位置信号１２ａを所定の往復動数Ｎまでカウントダウンし、カウントダウン終了信号２５ａを出力する。
（Ｄ） 繰返し数カウンター２６により、往復動カウントダウン終了信号２５ａで所定の繰返し数ｍをカウントする。カウント時に通電タイマー２７へ接点信号が発信される。
（Ｅ） 通電タイマー２７により、カウントダウン終了信号２５ａにより一定の時間間隔Ｔ１で噴射信号２７ａを出力する。
（Ｇ） バルブ開閉タイマー２８により、噴射信号２７ａにより所定の噴射時間Ｔ２の間、弁開信号２８ａを出力し、その間、２ポート電磁切換弁２０を開く。

上述した本発明の構成により、以下の効果が得られる。
（１） ２ポート空圧切換弁２による強制噴出により、試験部の接触状態の制約を回避できる。
（２） 試験部近傍に２ポート空圧切換弁２の設置空間が無くても、水噴射ノズル１４を用いることで、２ポート空圧切換弁２を離れたところに設置できる。
（３） 飛距離、供給量は２ポート空圧切換弁２の空気圧力とバルブ開閉時間を調整することで任意に調整できる。
（４） ２ポート空圧切換弁２の材料に気をつければ、水以外の液体にも応用できる。
（５） 水滴で供給するので、噴射目標部位以外への飛沫を極力抑えられる。
（６） センサー感知部１１をクランクの位相を考慮して設置すれば噴射タイミングを調整できる。

従って、本発明により、摩擦試験部へごく少量の水滴を断続的に噴射・供給することによって、実機で発生するドレンを模擬した水滴の供給が行え、より実機環境に即した試験結果を得られるようになる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のドレン浸入環境模擬装置を備えた往復動摩耗試験装置の部分構成図である。 往復駆動装置の構成図である。 本発明のドレン浸入環境模擬装置の全体構成図である。 本発明による空圧制御装置の全体構成図である。 本発明によるドレン浸入環境模擬装置の作動説明図である。

符号の説明

１ 試験片（棒状試験片）、２ 試験片（ピン状試験片）、
３ 往復駆動軸、４ 押付フレーム、４Ａ，４Ｂ 軸受、
５ ロードセル、６ コイルバネ、
７ 往復駆動装置、８ フライホイール、９ クランク、
１０ ドレン浸入環境模擬装置、１１ センサー感知部、
１２ 周期位置検出センサー（光電スイッチ）、１２ａ 往復動周期位置信号、
１４ 水噴射ノズル（金属製細管）、１６ 水供給管、
１８ 加圧水タンク、１８ａ 供給口、１９ 減圧弁（又は圧力調節弁）、
２０ ２ポート弁（２ポート空圧切換弁）、２２ 弁制御装置、
２３ ポート電磁切換弁、２４ 空圧制御装置、
２５ カウントダウンカウンター、２５ａ カウントダウン終了信号、
２６ 繰返し数カウンター、
２７ 通電タイマー、２７ａ 噴射信号、
２８ バルブ開閉タイマー、２８ａ 弁開信号

Claims (5)

1. ２つの試験片を相対的に摺動させる往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置であって、
   前記試験片の摺動面に離れた位置から水滴を噴射して供給する水噴射ノズルと、
   該水噴射ノズルに加圧水を供給する水供給管と、
   加圧空気で加圧された加圧水を内部に保有し前記水供給管に供給する加圧水タンクと、
   前記水供給管に設けられ加圧水の流れを開放自在に閉鎖する２ポート弁と、
   該２ポート弁を制御する弁制御装置とを備えた、ことを特徴とする往復動摩耗試験装置のドレン浸入環境模擬装置。
2. 前記２ポート弁は、２ポート空圧切換弁であり、
   前記弁制御装置は、前記２ポート空圧切換弁にパイロット圧を供給するための２ポート電磁切換弁と、該２ポート電磁切換弁を制御する空圧制御装置とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のドレン浸入環境模擬装置。
3. 前記往復動摩耗試験装置は、前記一方の試験片に対し他方の試験片をその長さ方向に周期的に往復動させる往復駆動装置を備えており、
   前記ドレン浸入環境模擬装置は、前記試験片の摺動面に水滴を噴射するタイミングで、往復駆動装置の特定の周期位置を検出し周期位置信号を出力する周期位置検出センサーを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のドレン浸入環境模擬装置。
4. 前記空圧制御装置は、所定の往復動数毎に、所定の繰返し数、所定の時間間隔Ｔ１で、所定の噴射時間Ｔ２の間、前記２ポート電磁切換弁を開くようになっている、ことを特徴とする請求項１に記載のドレン浸入環境模擬装置。
5. 前記空圧制御装置は、前記往復動周期位置信号を所定の往復動数までカウントダウンし、カウントダウン終了信号を出力するカウントダウンカウンターと、
   往復動カウントダウン終了信号で所定の繰返し数をカウントする繰返し数カウンターと、
   前記カウントダウン終了信号により所定の時間間隔Ｔ１で噴射信号を出力する通電タイマーと、
   前記噴射信号により所定の噴射時間Ｔ２の間、前記２ポート電磁切換弁を開くバルブ開閉タイマーとを有する、ことを特徴とする請求項３に記載のドレン浸入環境模擬装置。

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