JP2013104779A - フレッティング疲労試験治具、フレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷応力に対する相対すべり量を任意に変化させてフレッティング疲労強度を容易かつ低コストで評価することができるフレッティング疲労試験治具、そのフレッティング疲労試験治具を備えたフレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法を提供する。
【解決手段】相対すべりによる疲労を評価するフレッティング疲労試験装置１に、試験片５０を取り付けるためのフレッティング疲労試験治具２０ａ、２０ｂであって、前記試験片５０を押圧するように配置されて、前記試験片５０と接触する境界において前記試験片を相対すべり可能に支持する少なくとも一つの接触部２２ａ、２２ｂと、前記接触部に前記相対すべり方向に負荷応力に応じた変位を付与する弾性体２１ａ、２１ｂと、を備えることを特徴とするフレッティング疲労試験治具２０ａ、２０ｂ。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービン材料等のフレッティング疲労試験に用いられるフレッティング疲労試験治具、フレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法に関するものである。

フレッティングとは、面圧が作用している機械の構造物同士の接触面間において、摩擦力を伴った微小な相対すべり（数μｍ〜数十μｍ程度）が繰り返し生じる現象である。例えば、蒸気タービンの翼根と翼溝のはめあい部では、蒸気タービンの運転時に、面圧が作用した状態で微小な相対すべりが繰り返し生じ、フレッティングによる疲労（フレッティング疲労）が生じる。このフレッティング疲労により、構造部材にき裂が発生したり、構造部材が破壊されたりすることがある。フレッティング現象を伴う場合、構造部材の疲労強度は、フレッティング現象を伴わない場合と比べて大きく低下するため、構造部材の設計の際に大きな問題とされている。

上述した構造部材のフレッティング疲労強度を測定する手法として種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、試験片を固定するチャックと、試験片の下部を軸方向に加振する加振装置と、試験片の平行部を両側よりシューで押圧しチャックからの距離を調整可能とした面圧負荷装置とからなるフレッティング疲労試験装置が提案されている。

また、特許文献２には、一端にロードセルが取り付けられた試験片の他端をばね板の中央部に支持するとともに、前記ばね板の両端をベースにねじ止めし、更に前記ねじにロードセルが取り付けられた接触片を支持したフレッティング疲労試験装置が提案されている。

実開昭５７−７５５５５号公報 実開平５−３６３４９号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２に提案されたようなフレッティング試験装置では、図５の直線１００で示されるように、ある負荷応力に対してひとつのすべり量のみでフレッティング疲労強度を評価することになる。相対すべり量は、フレッティング疲労特性に大きな影響を及ぼす因子であり、より信頼性の高い構造部材の設計をするために、できるだけ多くの負荷応力とすべり量の対応につきフレッティング疲労強度を評価することが好ましい。
また、図５の直線１００で示される応力と相対すべり量の関係のみではなく、図５のＡ及びＢの領域でフレッティング疲労試験を行うためには、試験条件ごとに異なる治具を作製すれば可能であるが、多大なコストと時間がかかるという問題がある。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、負荷応力に対する相対すべり量を任意に変化させてフレッティング疲労強度を容易かつ低コストで評価することができるフレッティング疲労試験治具、そのフレッティング疲労試験治具を備えたフレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明は、相対すべりによる疲労を評価するフレッティング疲労試験装置に、試験片を取り付けるためのフレッティング疲労試験治具であって、前記試験片を押圧するように配置されて、前記試験片と接触する境界において前記試験片を相対すべり可能に支持する少なくとも一つの接触部と、前記接触部の少なくとも一つに、前記相対すべり方向に負荷応力に応じた変位を付与する弾性体とを備えることを特徴としている。

本発明のフレッティング疲労試験治具によれば、試験片を押圧する接触部と、この接触部を相対すべり方向に負荷応力に応じた変位を付与する弾性体とを備えているので、フレッティング疲労試験装置に用いた場合に、負荷応力をできるだけ多くの相対すべり量と対応させてフレッティング疲労試験を行うことが可能となる。また、簡易な構成としているので容易かつ低コストで試験を行うことができる。

また、前記弾性体は、対向配置された少なくとも一対の接触部を支持していて、前記弾性体の少なくとも一つは、弾性定数を調節可能とされても良い。
このような構成のフレッティング疲労試験治具によれば、対向配置された接触部が試験片を支持する構成とされているので、フレッティング疲労試験装置に用いた場合に、繰り返しの負荷応力がかかる方向がずれることを抑制してフレッティング疲労試験を行うことが可能となる。また、弾性体の弾性定数を調節可能な構成とされているので、負荷応力に対する相対すべり量を変化させて多様な条件のフレッティング疲労試験を行うことができ、設計に必要とするデータを容易かつ低コストで得ることが可能となる。

また、前記弾性体は、対向配置された少なくとも一対の接触部を支持していて、前記弾性体がそれぞれ弾性定数を調節可能とされても良い。
このような構成のフレッティング疲労試験治具によれば、弾性定数の異なる弾性体に支持された接触部が試験片を押圧する構成とされているので、フレッティング疲労試験において、負荷応力に対応する複数の相対すべり量に基づくフレッティング疲労試験を行うことが可能となる。

また、前記弾性体は、皿バネを備えていても良い。
皿バネを備えた弾性体とすることにより、弾性体の弾性定数を容易に調節することができる。また、安価な弾性体とすることができるため、試験にかかるコストを低減することが可能である。

また、本発明は、上述のフレッティング疲労試験治具と、前記試験片に対して、繰り返しの応力を負荷する応力負荷手段と、を備えることを特徴としている。
本発明の疲労試験装置によれば、上述したフレッティング疲労試験治具と、応力負荷手段を備えているので、一回の試験において負荷応力に対する複数の相対すべり量を測定することができる。

また、本発明は、フレッティング疲労試験装置を用いて相対すべりによる疲労を評価するフレッティング疲労強度評価方法であって、弾性体に支持されて試験片に対して押圧するように構成された接触部によって前記試験片を前記フレッティング疲労試験装置に取り付け、前記弾性体の弾性定数を調節することにより、前記試験片に繰り返しの応力を負荷して前記試験片と前記接触部との間で生じる相対すべり量を変化させてフレッティング疲労強度を評価することを特徴としている。

本発明の疲労強度評価方法によれば、接触部により試験片を押圧しながら繰り返しの応力を負荷するので、接触部と試験片の境界で相対すべりを生じさせ、確実にフレッティング疲労試験を行うことができる。また、弾性定数を調整することにより、フレッティング試験時の負荷応力に対する相対すべり量を変化させることができるので、構造部材の設計に必要とされる試験条件で容易かつ低コストに試験を行うことが可能となる。

本発明によれば、負荷応力に対する相対すべり量を任意に変化させてフレッティング疲労強度を容易かつ低コストで評価することができるフレッティング疲労試験治具、そのフレッティング疲労試験治具を備えたフレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るフレッティング疲労試験治具とフレッティング疲労試験装置の概略説明図である。 一実施形態に係るフレッティング疲労試験治具のバネ部の拡大図である。 一実施形態に係るフレッティング疲労試験を行った時の負荷応力と相対すべりの関係の一例を表した図である。 第二の実施形態に係るバネ部の説明図である。 従来のフレッティング疲労試験治具を用いたフレッティング疲労試験時の負荷応力と相対すべり量の関係を示す図である。

（第一の実施形態）
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態は、フレッティング疲労試験治具、フレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法に関するものである。

図１に、本実施形態に係る試験片がセットされている状態のフレッティング疲労試験装置１を示す。このフレッティング疲労試験装置１は、フレッティング疲労試験装置１の枠体であるベース部１０と、ベース部１０に固定されたフレッティング疲労試験治具２０と、ロードセル３０と、ロードセル３０の下方に配置されるアクチュエーター４０と、を備えている。そして、試験片５０は、フレッティング疲労試験治具２０とロードセル３０によって支持されている。

ベース部１０は、フレッティング疲労試験治具２０を固定する部位である。このベース部１０とフレッティング疲労試験治具２０は、強固に固定されてフレッティング疲労試験時には動かないようになっている。なお、フレッティング疲労試験治具２０が固定される位置は、試験片５０の大きさ等に応じて、最適な位置に設定すれば良い。

フレッティング疲労試験治具２０（２０ａ、２０ｂ）は、一端がベース部１０に固定されている弾性体２１ａ、２１ｂと、弾性体２１ａ、２１ｂに支持されている接触部２２ａ、２２ｂと、接触部２２ａ、２２ｂを試験片側に押圧する押圧手段６０と、を備えている。
弾性体２１ａ、２１ｂは、バネ部２３ａ、２３ｂと、バネ部２３ａ、２３ｂの一端に接続されている第一の支持部２４ａ、２４ｂと、バネ部２３ａ、２３ｂの他端に接続されている第二の支持部２５ａ、２５ｂと、を有している。

図２にバネ部２３ａの拡大図を示す。バネ部２３ａは、複数の皿バネ２６と、これらの皿バネ２６を内部に収める筐体２７とを備えており、皿バネ２６の内部には第二の支持部２５ａに接続されたロッド２８が設けられている。ロッド２８は上方の皿バネ２６と下方の皿バネ２６の間に配置されており、ロッド２８が動くことにより皿バネ２６が弾性的に作用するようになっている。なお、バネ部２３ｂも、バネ部２３ａと同様の構成とされている。

バネ部２３ａ、２３ｂは、皿バネ２６の種類を変更することによって、バネ部２３ａ、２３ｂのバネ定数を調節できるようになっている。図２では、皿バネ２６が６つの場合について示しており、６つの皿バネ２６の種類の組み合わせを変更することによってバネ定数を調節できるようになっている。なお、本実施形態では、皿バネ２６が直列に接続された構成としているが、皿バネ２６を並列に接続しバネ定数を調節する構成としても良い。

本実施形態では、バネ部２３ａのバネ定数が、バネ部２３ｂのバネ定数よりも大きくなるように調節されている。また、このようにすることで、弾性体２１ａの弾性定数が弾性体２１ｂの弾性定数よりも大きくなる。
なお、フレッティング疲労試験で実施する試験条件に応じて、最適なバネ定数をもつバネの種類、組み合わせを選択して使用すれば良い。

第一の支持部２４ａ、２４ｂと第二の支持部２５ａ、２５ｂは、弾性体２１ａ、２１ｂの長手方向に延在し、第二の支持部２５ａ、２５ｂの試験片側には接触部２２ａ、２２ｂが支持されている。
接触部２２ａ、２２ｂは、押圧手段６０によって試験片側へ押圧されて、さらに弾性体２１ａ、２１ｂを押圧し、試験片５０に面圧を負荷するものである。本実施形態では、接触部２２ａ、２２ｂは対抗配置されている。

実際に、フレッティング疲労試験を行う際には、接触部２２ａ、２２ｂのエッジと試験片５０の間に相対すべりが発生し、フレッティング疲労が生じることとなる。なお、接触部２２ａ、２２ｂの材質（硬さ、摩耗のし易さ）、表面粗さ等は、フレッティング疲労強度に影響を及ぼす因子であるので、必要に応じて最適な材質のものを選択するようにすれば良い。

押圧手段６０は、弾性体２１ａ、２１ｂを押圧するボルト６１ａ、６１ｂと、ボルト６１ａ、６１ｂを支持するリング形状のリング部６２を有している。
ボルト６１ａ、６１ｂは、リング部６２の側面からリング部６２の円心方向へとリング部６２を貫通し、第二の支持部２５ａ、２５ｂの側面に配置されている。リング部６２は、円形状をしており、第二の支持部２５ａ、２５ｂを囲うように配置されている。リング部６２とボルト６１ａ、６１ｂの接する面はネジ切りがされており、ボルト６１ａ、６１ｂをねじ込むことによって弾性体２１ａ、２１ｂを押圧できるようになっている。そして、弾性体２１ａ、２１ｂを介して接触部２２ａ、２２ｂと試験片５０の間に面圧が負荷されて、試験片５０はフレッティング疲労試験治具に取り付けられる。

ロードセル３０は、フレッティング疲労試験時に負荷される繰り返しの応力（図１の上下方向にかかる応力）を測定するためのものである。
アクチュエーター４０（応力負荷手段）は、フレッティング疲労試験時に負荷される繰り返しの応力を発生させるためのものである。フレッティング疲労試験に必要とされる応力や試験速度に応じて、最適なアクチュエーターを選択すれば良い。このアクチュエーターの下方は、図示しないフレッティング疲労試験装置１の枠体に支持されている。
なお、試験片５０については、測定対象とする材料から所定の試験片形状に加工すれば良い。

次に、このように構成されたフレッティング疲労試験装置１を用いたフレッティング疲労強度の評価方法について説明する。
まず、図１のように、フレッティング疲労試験治具の第一の支持部２４ａ、２４ｂをベース部の所定の位置に対向配置し、対向配置された一対の接触部２２（接触部２２ａ、２２ｂ）を試験片に配置する。そして押圧手段６０のリング部６２を第二の支持部２５ａ、２５ｂを囲うように配置し、ボルト６１ａ、６１ｂをねじ込んで弾性体２１ａ、２１ｂを押圧し、接触部２２ａ、２２ｂから試験片５０へと面圧を負荷して試験片５０を取り付ける。

本実施形態では、バネ部２３ａのバネ定数が、バネ部２３ｂのバネ定数よりも大きくなるように予め調節されており、弾性体２１ａの弾性定数が、弾性体２１ｂの弾性定数よりも大きくなっている。そして、試験片５０にロードセル３０とアクチュエーター４０を順に取り付け、アクチュエーター４０から試験片５０へと繰り返しの応力を負荷する。アクチュエーター４０により負荷される応力によって生じる接触部２２ａ、２２ｂと試験片５０の境界の相対すべりの変位量は、レーザー変位計等の測定器によって計測される。

この時に試験片５０に負荷される応力および相対すべり量の関係を図３に示す。弾性体２１ａ（弾性定数が大きい）側の接触部２２ａと試験片５０の間の負荷応力と相対すべり量の関係は、負荷応力に対して相対すべり量が小さく直線７０のようになっている。一方、弾性体２１ｂ（弾性定数が小さい）側の接触部２２ｂと試験片５０の間の負荷応力と相対すべり量の関係は、負荷応力に対して相対すべり量が大きくなっており、直線８０のようになっている。そのため、本実施形態のフレッティング疲労試験装置１を用いることで、同一負荷応力に対して相対すべり量が異なる条件でフレッティング疲労強度を評価することが可能となる。

そして、所定の応力を所定の回数（または試験片が破断されるまで）繰り返し負荷することにより、ある応力下における２種類の相対すべり量の場合のフレッティング疲労強度を把握することができる。

また、さらに異なる負荷応力と相対すべり量の条件でフレッティング疲労試験を行う場合には、皿バネ２６を調節してバネ定数を変化させて上述した試験を再度実施する。このようにして、負荷応力に対する多様な相対すべり量についてフレッティング疲労試験を行うことが可能である。

本実施形態に係るフレッティング疲労試験治具２０によれば、試験片５０を押圧する接触部２２ａ、２２ｂと試験片５０が相対すべりする方向における弾性体２１ａ、２１ｂのバネ定数を調節できるので、フレッティング疲労試験を行う際に、負荷応力を複数の相対すべり量と対応させて容易に試験を行うことが可能となる。そして、構造部材を設計する際に必要とされる条件でのデータの取得が可能となるので、より精度の高い設計をすることができる。

また、接触部２２ａ、２２ｂが対向配置されたて試験片を支持する構成とされているので、フレッティング疲労試験時に負荷される応力の方向がずれることを抑制し、信頼性の高いフレッティング疲労試験を行うことができる。

また、同負荷応力で２種類の相対すべり量の条件を一度のフレッティング疲労試験において行うことができるので、試験の回数を減らして短時間でデータの取得をすることができ、また試験にかかる費用を低コストに抑えることが可能となる。

また、本実施形態では、バネ部は６つの皿バネ２６から構成されており、皿バネ２６の種類を変更することにより、フレッティング疲労試験に必要なバネ定数を任意に設定できるようになっているので、負荷応力に対する相対すべり量の関係を広い範囲に変化させてフレッティング疲労試験を行うことが可能となる。

また、本実施形態のフレッティング疲労試験装置１によれば、上述したフレッティング疲労試験治具２０と、試験片に応力を負荷するアクチュエーター４０とを備えているので、負荷応力に対する相対すべり量を変化させてフレッティング疲労試験を行うことが可能である。

また、本実施形態のフレッティング疲労強度評価方法によれば、負荷応力に対する相対すべり量の関係を広範囲に変化させることができるので、構造部材の設計に必要とされる試験条件でフレッティング疲労強度を評価することが可能となる。また、一度の試験で同時に２つの負荷応力と相対すべりの条件で試験を行うことができるので、試験の回数を減少させて短時間で必要なデータを採取し、試験に要する費用も低減することができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態に係るフレッティング疲労試験治具について説明する。
第二の実施形態は、バネ部の構成が第一の実施形態と異なる点を除いて、その他の構成については第一の実施形態と同様であり、詳細な説明を省略する。

図４に、第二の実施形態のバネ部２３ｃを説明する図を示す。バネ部２３ｃは、複数の皿バネ２６と、これらの皿バネ２６を内部に収める筐体２７と、筐体２７の下方にナット９０を備えている。そして、皿バネ２６の内部には第二の支持部２５ａに接続されたロッド２８が設けられている。ロッド２８は上方の皿バネ２６と下方の皿バネ２６の間に配置されており、ロッド２８が動くことにより皿バネ２６が弾性的に作用するようになっている。

この皿バネ２６は、ナット９０を締めつけることによって、皿バネ２６が縮む構成とされている。このような構成のバネ部２３ｃの場合、ナット９０の締め付け量に応じて皿バネ２６が変位し、バネ定数を調節することができる。

上述した構成のバネ部２３ｃを備えたフレッティング疲労試験治具によれば、フレッティング疲労試験の際に、ナット９０の締め付ける量に応じてバネ定数を調節することができるので、負荷応力に対する相対すべり量を容易に変更して試験を行うことが可能となる。
なお、第二の実施形態において、第一の実施形態のように、皿バネの種類や組み合わせ方法を変更してバネ定数を調節することとしても良い。

以上、本発明の一実施形態である、フレッティング疲労試験治具、フレッティング疲労試験装置、及び、フレッティング疲労強度評価方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施の形態では、接触部が二つの場合について説明したが、接触部は一つでも、三つ以上であっても良い。また、二つの弾性体のうち片方の弾性体は、バネ部を備えていない構成とされても良い。

また、上記の実施の形態では、弾性体は皿バネを備える場合について説明したが、コイルスプリング等の他のバネを備えることとしても良い。

１ フレッティング疲労試験装置
２０（２０ａ、２０ｂ） フレッティング疲労試験治具
２１（２１ａ、２１ｂ） 弾性体
２２（２２ａ、２２ｂ） 接触部
４０ アクチュエーター（応力負荷手段）
５０ 試験片

Claims (6)

1. 相対すべりによる疲労を評価するフレッティング疲労試験装置に、試験片を取り付けるためのフレッティング疲労試験治具であって、
   前記試験片を押圧するように配置されて、前記試験片と接触する境界において前記試験片を相対すべり可能に支持する少なくとも一つの接触部と、
   前記接触部の少なくとも一つに、前記相対すべり方向に負荷応力に応じた変位を付与する弾性体と、を備えることを特徴とするフレッティング疲労試験治具。
2. 前記弾性体は、対向配置された少なくとも一対の接触部を支持していて、前記弾性体の少なくとも一つは、弾性定数を調節可能とされていることを特徴とする請求項１に記載のフレッティング疲労試験治具。
3. 前記弾性体は、対向配置された少なくとも一対の接触部を支持していて、前記弾性体がそれぞれ弾性定数を調節可能とされていることを特徴とする請求項１に記載のフレッティング疲労試験治具。
4. 前記弾性体は、皿バネを備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフレッティング疲労試験治具。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフレッティング疲労試験治具と、
   前記試験片に対して、繰り返しの応力を負荷する応力負荷手段と、を備えることを特徴とするフレッティング疲労試験装置。
6. フレッティング疲労試験装置を用いて相対すべりによる疲労を評価するフレッティング疲労強度評価方法であって、
   弾性体に支持されて試験片に対して押圧するように構成された接触部によって前記試験片を前記フレッティング疲労試験装置に取り付け、
   前記弾性体の弾性定数を調節することにより、前記試験片に繰り返しの応力を負荷して前記試験片と前記接触部との間で生じる相対すべり量を変化させてフレッティング疲労強度を評価することを特徴とするフレッティング疲労強度評価方法。

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