JP2010151772A - 振動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型のポンプや作動油タンクを必要とせず、また大荷重を被検体に加えながら高周波で被検体を加振可能な振動試験装置を提供する。
【解決手段】第１吸排口と第２吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、ピストン、ピストンによって内部空間が第１の圧力室と第２の圧力室に区切られるスリーブ及びピストンに連結されると共に先端がスリーブの外部に突出するピストンロッドとを備えた油圧シリンダユニットと、ピストンロッドの先端に設けられた加振テーブルと、第１及び第２の圧力室を夫々第１及び第２の吸排口に接続する配管とを有し、ポンプを正逆方向に往復駆動することによってピストンを上下動させることにより加振テーブル上に固定された被検体を振動させ、配管同士を連通させるバイパス管とバイパス管の中途に設けられ圧力室に背圧を加えるアキュムレータとをさらに有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、正逆両方向に駆動可能なポンプによって油圧シリンダユニットを駆動し、油圧シリンダユニットのピストンロッドに取り付けられた加振テーブルを往復移動させてこの加振テーブル上の被検体を加振する振動試験装置に関する。

油圧シリンダにて被検体を振動させる振動試験装置としては、特許文献１のような、固定容量ポンプとサーボバルブを用いたものが利用される。このような振動試験装置は、大荷重を被検体に加えつつ、高い周波数で被検体を振動させることが可能である。サーボバルブを使用する油圧振動試験装置の回路図の一例を図５に示す。
特開２０００−２６１７

図５に示される油圧振動試験装置１０１は、ポンプユニット１１０、作動油タンク１２０、油圧シリンダユニット１３０、サーボバルブ１４０、及び加振テーブル１５０を有する。加振テーブル１５０の上にはワークＷが固定されており、加振テーブル１５０を往復移動させることによりワークＷを加振する。

ポンプユニット１１０は、モータ１１２によって固定容積型のポンプ本体１１１を駆動するものであり、作動油タンク１２０とサーボバルブ１４０との間に配置されている。なお、モータ１１２の回転方向は一方向であり、正転のみが可能となっている。また、モータ１１２の回転数は略一定に保たれる。ポンプユニット１１０は、作動油タンク１２０から作動油をサーボバルブ１４０に送るのみの機能を有し、且つその流量は略一定に保たれる。

シリンダユニット１３０は、スリーブ１３１と、このスリーブ１３１内で移動可能なピストン１３２と、ピストン１３２の一面からスリーブ１３１の外部に突出するピストンロッド１３３とを有する。ピストンロッド１３３の先端には、加振テーブル１５０が固定されている。スリーブ１３１の内部は、ピストン１３２によって第１圧力室１３１ａと第２圧力室１３１ｂに分けられている。第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂには、作動油が封入されている。また、第１圧力室１３１ａ及び第２圧力室１３１ｂは、配管１６１、１６２を介して夫々サーボバルブ１４０に接続されている。

サーボバルブ１４０は、ポンプユニット１１０から送られる作動油を配管１６１、１６２のいずれに送るかを切り換えると共に、配管に送られる作動油の油圧を制御する為に使用されている。また、サーボバルブ１４０は作動油が送られない配管を作動油タンク１２０に接続する。上記のサーボバルブ１４０の切替動作及び油圧調整動作は、コントローラ１０２によって制御される。

ポンプユニット１１０から送られる作動油が配管１６１に送られるようにすると、第１圧力室１３１ａに作動油が供給され、第１圧力室１３１ａの内圧が上昇する。これにより、ピストン１３２は第２圧力室１３１ｂに向かって押し下げられ、加振テーブル１５０が降下する。この時、第２圧力室１３１ｂ内の作動油は、配管１６２及びサーボバルブ１４０を介して作動油タンク１２０に戻される。一方、ポンプユニット１１０から送られる作動油が配管１６２に送られるようにすると、第２圧力室１３１ｂに作動油が供給され、第２圧力室１３１ｂの内圧が上昇する。これにより、ピストン１３２は第１圧力室１３１ａに向かって押し上げられ、加振テーブル１５０が上昇する。この時、第１圧力室１３１ａ内の作動油は、配管１６１及びサーボバルブ１４０を介して作動油タンク１２０に戻される。

なお、図５に示されるように、ポンプユニット１１０からサーボバルブ１４０に向かう配管１６３と、サーボバルブ１４０から作動油タンク１２０に向かう配管１６４とは、バイパス管１６５を介して連結している。ポンプユニット１１０が供給する作動油の全てが油圧シリンダユニット１３０に向かうことは無く、一部はこのバイパス管１６５を介して作動油タンク１２０に戻される。なお、配管１６３及び１６４内での作動油の逆流を防止するため、各配管には夫々逆止弁１６６、１６７が設けられている。

このように、サーボバルブ式の振動試験装置においては、コントローラ１０２がサーボバルブ１４０を制御して、第１圧力室１３１ａと第２圧力室１３１ｂのどちらに作動油を送るかを周期的に切り換えることによって、加振テーブル１５０を往復移動させる。サーボバルブ式の油圧振動試験装置においては、高圧、大流量で循環する作動油の一部を、サーボバルブ１４０によって油圧シリンダユニット１３０に送るものであるため、第１圧力室１３１ａと第２圧力室１３１ｂのどちらに作動油を送るかを切り換えると、作動油が送られる圧力室の圧力は瞬時に高圧に上昇し、タイムラグを生じることなく加振テーブル１５０の移動方向が切り換わる。このため、高い周波数で加振テーブルを加振することが可能である。

加振テーブル１５０には、加速度センサ１０３が設けられており、コントローラ１０２は加速度センサ１０３の検出結果に基づいて、加振テーブル１５０の変位、速度又は加速度を演算し、所望の変位、速度又は加速度波形で加振テーブル１５０が振動するように、サーボバルブ１４０を制御することが可能である。

上記のようなサーボバルブを使用した油圧アクチュエータにおいて、所望の圧力の作動油を油圧シリンダに供給するためには、流量が十分に大きいポンプを連続駆動させる必要がある。このため、このようなポンプを使用する振動試験装置によるエネルギの消費量は、被検体の加振に必要なエネルギよりもはるかに大きなものとなり、無駄なエネルギが消費されていた。また、そのようなポンプによって作動油を循環させるためには大容量の作動油タンクを必要としていた。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、大型のポンプや作動油タンクを必要とせず、また大荷重を被検体に加えながら高周波で被検体を加振可能な振動試験装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の振動試験装置は、サーボモータによって第１吸排口と第２吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、ピストン、ピストンによって内部空間が第１の圧力室と第２の圧力室に区切られるスリーブ及びピストンに連結されると共に先端がスリーブの外部に突出するピストンロッドとを備えた油圧シリンダユニットと、ピストンロッドの先端に設けられた加振テーブルと、第１及び第２の圧力室を夫々第１及び第２の吸排口に接続する配管とを有し、ポンプを正逆方向に往復駆動することによって第１及び第２の圧力室に交互に油圧を掛けピストンを上下動させることにより加振テーブル上に固定された被検体を振動させ、配管同士を連通させるバイパス管とバイパス管の中途に設けられ第１及び第２の圧力室に背圧を加えるアキュムレータとをさらに有する。

本発明の振動試験装置においては、サーボモータによって正逆両方向に駆動されるポンプを使用し、このポンプを油圧シリンダユニットにサーボバルブを介さずに直接接続して油圧シリンダユニットを駆動する。本発明の振動試験装置においては、ポンプから出力される作動油の流量及び方向に応じて油圧シリンダユニットが駆動されるものであるため、サーボバルブ式の振動試験装置に使用されるもののような大型のポンプや作動油タンクを必要としない。また、上記の理由により、本発明の振動試験装置によるエネルギの消費量は被検体の加振に必要なエネルギと比べてさほど大きいものとはならないため、サーボバルブ式の振動試験装置と比較してエネルギ消費量を大幅に抑えることが可能となる。

サーボモータによって正逆両方向に駆動されるポンプにおいては、ポンプの駆動方向を反転させる際に作動油の圧力が低下し、この圧力が十分に上昇するまでに数１０ミリ秒程度のタイムラグが発生するという特徴がある。このため、単にポンプを油圧シリンダユニットに接続したのみの構成であれば、ポンプの駆動方向を反転させて加振テーブルの移動方向を切り換える時に、上記のタイムラグが発生し、その間上記加振テーブルを動かすことができない。このため、このタイムラグが無視できない影響を及ぼすような高周波数（数１０Ｈｚ以上）で被検体を振動させることができない。しかしながら、本発明においては、アキュムレータがバイパス管を介して油圧シリンダユニットの第１圧力室と第２圧力室に背圧を加えているため、ポンプの駆動方向を反転したとしても作動油の圧力の低下は殆ど発生せず、上記のタイムラグは極めて小さなものとなる。このため、本発明の振動試験装置においては、高周波で被検体を振動させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態の振動試験装置の回路図である。図１に示されるように、本実施形態の振動試験装置１は、ポンプユニット１０、作動油タンク２０、油圧シリンダユニット３０、加振テーブル５０及びアキュムレータ７０を有しており、加振テーブル５０を上下に移動してその上に固定された被検体Ｗを加振するものである。

ポンプユニット１０は、ポンプ本体１１とサーボモータ１２とを有する。サーボモータ１２は、サーボアンプ４から出力される交流電流によって駆動されるようになっており、その駆動軸１２ａを正逆両方向へ回転させることができ、且つ、駆動軸１２ａの回転数を精密に調整できるようになっている。なお、サーボモータ１２は、高出力で高い繰り返しレートの反転駆動が可能な低慣性ＡＣサーボモータである。

また、ポンプ本体１１は、第１吸排口１１ａから第２吸排口１１ｂへ、或いは第２吸排口１１ｂから第１吸排口１１ａへ作動油を送ることが可能なピストンポンプである。そして、サーボモータ１２によってポンプ本体１１を駆動することによって、ポンプ本体１１が供給する作動油の流量及び方向を変化させることができる。例えば、サーボモータ１２を一定の周期で往復駆動させると、第１吸排口１１ａと第２吸排口１１ｂとの間を流れる作動油の流量及び方向は周期的に変化する。

シリンダユニット３０は、スリーブ３１と、このスリーブ３１内で移動可能なピストン３２と、ピストン３２の一面からスリーブ３１の外部に突出するピストンロッド３３とを有する。ピストンロッド３３の先端には、加振テーブル５０が固定されている。スリーブ３１の内部は、ピストン３２によって第１圧力室３１ａと第２圧力室３１ｂに分けられている。第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂには、作動油が封入されている。また、第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂは夫々、配管６１、６２を介してポンプ本体１１の第１吸排口１１ａと第２吸排口１１ｂに接続されている。なお、配管６１、６２としては、加振テーブル５０を移動させる際に発生する作動油の圧力上昇（数１０ＭＰａ程度）に耐えられる（弾性変形を起こさない）高圧ホースなどが使用される。

作動油タンク２０は、夫々逆止弁６３、６４を介して第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂに接続されている。各逆止弁６３、６４は、夫々第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂの内圧が作動油タンク２０内の油圧（大気圧）よりも小さくなったときに開き、作動油タンク２０から作動油を供給する。本実施形態においては、振動試験装置１に油圧シリンダユニット３０を取り付け、第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂに作動油を充填する際に、逆止弁６３、６４が開いて作動油タンク２０から各圧力室３１ａ、３１ｂに作動油が移動する。

具体的には、第１圧力室３１ａ及び第２圧力室３１ｂには、エア抜きのための図示しないバルブが設けられており、第１圧力室３１ａのバルブを開け、且つ第２圧力室３１ｂのバルブを閉じた状態で、第２吸排口１１ｂから第１吸排口１１ａに作動油及びエアが送られるようポンプユニット１０を駆動する。すると、第２圧力室３１ｂ及び配管６２内のエアが配管６１を介して第１圧力室３１ａのバルブから抜ける。そして、第２圧力室３１ｂの圧力が大気圧未満に低下するので、逆止弁６４が開いて作動油が配管６２、６１を介して第１圧力室３１ａに充填される。

作動油が第１圧力室３１ａに充填された後、第１圧力室３１ａのバルブを閉じ、第２圧力室３１ｂのバルブを開け、第１吸排口１１ａから第２吸排口１１ｂに作動油が送られるようポンプユニット１０を駆動する。すると、第２圧力室３１ｂ及び配管６２内のエアが第２圧力室３１ｂのバルブから抜け、また、ピストン３２が上昇して第１圧力室３１ａ側に充填されている作動油が配管６１に押し出される。ピストン３２が上死点まで上昇すると、第１圧力室３１ａ及び配管６１内の作動油の圧力が大気圧未満となり、逆止弁６３が開いて作動油が第２圧力室３１ｂに移動する。第２圧力室３１ｂに作動油が充填された後、第２圧力室３１ｂのバルブを閉じる。

以上説明した振動試験装置１において、加振テーブル５０を振動させる機構について以下に説明する。加振テーブル５０を上昇させる際は、作動油が第１吸排口１１ａから第２吸排口１１ｂに移動するようにポンプユニット１０を駆動する。すると、作動油が配管６２を介して第２圧力室３１ｂに供給され、ピストン３２が第１の圧力室３１ａ側に押し込まれ、ピストンロッド３３及び加振テーブル５０が上昇する。第１圧力室３１ａ内の作動油は、ピストン３２の移動に伴って配管６１を介してポンプユニット１０に移動し、ポンプユニット１０から配管６２を介して第２圧力室３１ｂに送られる。

加振テーブル５０を降下させる際は、作動油が第２吸排口１１ｂから第１吸排口１１ａに移動するようにポンプユニット１０を駆動する。すると、作動油が配管６１を介して第１圧力室３１ａに供給され、ピストン３２が第２の圧力室３１ｂ側に押し込まれ、ピストンロッド３３及び加振テーブル５０が降下する。第２圧力室３１ｂ内の作動油は、ピストン３２の移動に伴って配管６２を介してポンプユニット１０に移動し、ポンプユニット１０から配管６１を介して第１圧力室３１ａに送られる。

図１に示されるように、本実施形態の振動試験装置１の加振テーブル５０には加速度センサ３が取り付けられている。コントローラ２は、加速度センサ３の検出結果に基づいて加振テーブル５０の変位、速度、又は加速度を演算し、この演算結果に基づいてサーボアンプ４に与える目標値を設定し、これをサーボアンプ４に送る。サーボアンプ４は、電源５から供給される電力から、コントローラ２が指定する目標値に基づいて設定される周期及び振幅を有する交流電流を生成し、これをサーボモータ１２に出力する。これによって、例えば所定の変位、速度、或いは加速度振幅で加振テーブル５０を加振することができる。なお、加速度センサ３の代わりに、変位センサ或いは速度センサを使用しても良い。

このように、本実施形態においては、正逆両方向に駆動可能なポンプユニット１０によって作動油を油圧シリンダユニット３０の第１圧力室３１ａ又は第２圧力室３１ｂに供給することにより、加振テーブル５０を上下方向に移動させて、その上に固定された被検体Ｗを振動させるようになっている。

さらに、本実施形態の振動試験装置１は、配管６１と６２とをバイパスするバイパス管６５と、バイパス管６５の中途に設けられたアキュムレータ７０とを有する。アキュムレータ７０は、その内部に所定の圧力の窒素ガス等のガス層が形成されている圧力容器であり、配管６１及び６２を介して油圧シリンダユニット３０の第１圧力室３１ａ又は第２圧力室３１ｂを加圧する。

バイパス管６５及びアキュムレータ７０を備えない構成においては、作動油が供給されない側の配管（加振テーブル５０の上昇時においては配管６１、降下時においては配管６２）は、大気圧に近い程度の低い圧力となっている。そのため、加振テーブル５０の上昇と降下が切り換わった直後は、作動油が供給される側の配管及び圧力室の圧力をこの低い圧力からピストン３２を移動できるだけの高い圧力（１０〜数１０ＭＰａ）にするまでに、数１０ミリ秒程度の時間を要する。この期間は、加振テーブル５０が移動しないタイムラグとなる。このため、加振の周期に対して、このタイムラグが無視できない大きさとなる為、数１０Ｈｚ以上の高い周波数で加振テーブル５０を加振することはできなかった。

本実施形態の振動試験装置１においては、作動油が供給される側の配管及び圧力室の圧力が上記高い圧力を維持できるよう、アキュムレータ７０が加圧を行っているため、加振テーブル５０の上昇と下降が切り換わった直後であっても、作動油が供給される側の配管及び圧力室の圧力は十分に高く保たれている。このため、アキュムレータ７０が無い構成におけるタイムラグは殆ど発生せず、数１０Ｈｚ以上の周波数で加振テーブル５０を加振可能である。なお、タイムラグをできる限り小さくするため、アキュムレータ７０のガス層の圧力、すなわちアキュムレータ７０が作動油に加える圧力の大きさは、ピストン３２の移動に必要な最低圧力よりも大きくなるよう設定されている。また、バイパス管６５としては、高圧ホースなど、アキュムレータ７０が作動油に加える圧力に十分耐えられるものが使用される。

また、ポンプユニット１０のポンプ本体１１はピストンポンプである為、駆動時に脈動を生じるが、本実施形態においては、ポンプユニット１０と油圧シリンダユニット３０との間にアキュムレータ７０が設けられており、このアキュムレータ７０によって脈動が吸収される。この特徴は、図２（ａ）に示される様な、フレーム５２と加圧テーブル５０との間で被検体Ｗを挟み込んで加振テーブル５０を上昇させ、被検体Ｗに上下方向の圧縮静荷重を加える圧縮試験を行う際に有用である。上記特徴は同様に、図２（ｂ）に示されるような、加振テーブル５０及びフレーム５２’に取り付けられた治具５３、５４を被検体に固定して加振テーブル５０を降下させ、被検体Ｗに上下方向の引張静荷重を加える引張試験を行う際にも有用である。

また、図２（ａ）及び（ｂ）の構成のように、フレームと加振テーブルとの間に被検体Ｗを配置し、加振テーブルを往復移動させて被検体Ｗに加える荷重を周期的に変動させるような繰り返し荷重試験を行うことも可能である。その場合は、フレーム又は加振テーブルにロードセルなどの荷重センサを設け、コントローラ２がこの荷重センサの計測結果に基づいてポンプユニットを制御する構成とすることも可能である。例えば、被検体Ｗに加える荷重の振幅が一定となるように被検体Ｗに繰り返し荷重を加える、いわゆる疲労試験を行うことが可能である。

次に、以上説明した本実施形態の振動試験装置１にて振動試験を行った結果及び、アキュムレータを備えない振動試験装置にて振動試験を行った結果について説明する。図３は、本実施形態の振動試験装置１（実施例）にて、サーボモータ１２を軸転角が周波数５０Ｈｚの正弦波形となるよう反転駆動させたときの加速度及び変位をプロットしたグラフである。また、図４は、アキュムレータを備えない振動試験装置（比較例）にて、サーボモータ１２を軸転角が周波数５０Ｈｚの正弦波形となるよう反転駆動させたときの加速度及び変位をプロットしたグラフである。なお、実施例の振動試験装置と比較例の振動試験装置とでは、アキュムレータの有無以外の差異は無く、また、サーボアンプ４からサーボモータ１２に送られる交流電流の振幅及び周波数は、実施例と比較例との間で差異は無い。

図３に示されるように、実施例においては加速度及び変位の波形は正弦波状を示しており、ワークＷが５０Ｈｚで振動していることが分かる。一方、図４に示されるように、比較例においては、加速度波形は正弦波から大きく崩れており、またその振幅も実施例の１０分の１未満である。そして、比較例においては、ワークＷの変位は殆ど変化していない。

このように、本実施形態の振動試験装置は、高い周波数で被検体を加振することができる。

本発明の実施の形態の振動試験装置の回路図である。 本発明の実施の形態の振動試験装置において、被検体に静荷重を加えるための構成を示した図である。 本発明の実施例における加振テーブルの加速度及び変位をプロットしたグラフである。 比較例における加振テーブルの加速度及び変位をプロットしたグラフである。 サーボバルブを使用する従来の油圧式振動試験装置の回路図の一例である。

符号の説明

１ 振動試験装置
２ コントローラ
３ 加速度センサ
４ サーボアンプ
５ 電源
１０ ポンプユニット
１１ ポンプ本体
１１ａ 第１吸排口
１１ｂ 第２吸排口
１２ サーボモータ
２０ 作動油タンク
３０ 油圧シリンダユニット
３１ スリーブ
３１ａ 第１圧力室
３１ｂ 第２圧力室
３２ ピストン
３３ ピストンロッド
５０ 加振テーブル
６５ バイパス管
７０ アキュムレータ

Claims (6)

1. サーボモータによって第１吸排口と第２吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、
   ピストンと、該ピストンによって内部空間が第１の圧力室と第２の圧力室に区切られるスリーブと、該ピストンに連結されると共に先端が該スリーブの外部に突出するピストンロッドとを備えた油圧シリンダユニットと、
   前記ピストンロッドの先端に設けられた加振テーブルと、
   前記第１及び第２の圧力室を、夫々前記第１及び第２の吸排口に接続する配管と、
   を有し、前記ポンプを正逆方向に往復駆動することによって前記第１及び第２の圧力室に交互に油圧を掛けて前記ピストンを上下動させることにより前記加振テーブル上に固定された被検体を振動させる振動試験装置であって、
   前記配管同士を連通させるバイパス管と、前記バイパス管の中途に設けられ前記第１及び第２の圧力室に背圧を加えるアキュムレータとをさらに有することを特徴とする振動試験装置。
2. 前記アキュムレータが前記第１の圧力室と第２の圧力室に加える背圧力の大きさは、前記油圧シリンダユニットのシリンダの駆動に必要な最低圧力よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記ポンプがピストンポンプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動試験装置。
4. センサと、前記サーボモータを制御するコントローラとをさらに有し、
   前記制御手段は、前記センサの検出結果に基づいて前記サーボモータを制御する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動試験装置。
5. 前記センサが、加振テーブルの変位、速度或いは加速度を計測するセンサを含み、
   前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて前記加振テーブルが所定の変位、速度或いは加速度振幅で振動するよう前記ポンプユニットを制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
6. 前記センサが、被検体に加わる荷重を計測する荷重センサを有し、
   前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて、前記被検体に加わる荷重が所定の変動幅となるよう前記ポンプユニットを制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。

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