JP2014066603A - 疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労試験において試験対象物が第二方向に変位する場合であっても、試験対象物の伸びの測定精度が高い疲労試験装置を提供する。
【解決手段】試験対象物に対して第一方向に向かって引張・圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記試験対象物に対して前記第一方向に交差する第二方向から当接する伸び計測部と、該伸び計測部に固定された第一治具８１と、該第一治具８１に対して前記第一方向から当接する第二治具８２と、前記第一治具８１と前記第二治具８２との間に介装されて、前記第二治具８２を前記第一治具８１に対して前記第一方向に付勢するバネ部材８４と、前記第二治具８２に接続され、前記第二治具８２の変位を検出する変位検出部と、を備え、前記バネ部材８４の両端部が、前記第一治具８１及び前記第二治具８２に対して、それぞれ第二方向に相対移動不能に接続されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば高温下において疲労試験が行われる疲労試験装置に関する。

一般的に、材料の疲労強度データを取得するには、測定対象となる材料から丸棒型の試験片や板状型の試験片（試験対象物）を採取して疲労試験が行われている。疲労試験は、例えば動力源を油圧にしたアクチュエータを備えた試験機を用いて、疲労試験機の荷重の負荷方向に引張及び圧縮の荷重が負荷されて実施される。このとき、通常の疲労試験では、一方向に荷重を負荷する単軸負荷型の試験が行われる。
なお、本明細書においては、疲労試験装置のアクチュエータから負荷される荷重の方向を第一方向と称することがある。

また、上述の疲労試験を行う場合には、試験片の伸びを測定するための伸び計として抱きかかえ方式の伸び計が使用されるが、高温水中環境のような特別の環境下で疲労試験を行う場合には、抱きかかえ方式の伸び計を使用することができず、特殊な伸び計が使用されている。
例えば、特許文献１には、圧力容器内に配置された検出棒と、この検出棒の先端側に配置された変位検出装置とを備えた伸び測定器が開示されている。

特公昭５８−８４６４号公報

ところで、疲労試験においては、実機の形態を模擬して行われる場合があり、実機の構成部材を試験片として実際に用いて疲労試験が行われたり、実機の負荷形態を模擬して疲労試験が行われたりしている。
実機の負荷形態を模擬して疲労試験を行う場合には、試験片に曲げの外力が負荷されたり、試験片に対して複数の方向から荷重が負荷されたりするために試験片がたわみ、試験片の変位方向が第一方向のみではなくなる。つまり、試験片が第一方向のみに変位するのではなく、第一方向と交差する第二方向にも変位することになる。このような場合、通常の抱きかかえ式の伸び計や特許文献１に示すような伸び計測器では、伸び計が試験片の第二方向の変位に対して追従できず、伸びの計測が困難となる。

特に、高温水中下で行われる疲労試験においては、疲労試験装置に用いられる伸び計が特殊な伸び計で構成されることが多く、試験片が第二方向に変位する場合に正確な伸びを測定することが極めて困難であり、測定精度の向上が求められている。

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、疲労試験において試験対象物が第二方向に変位する場合であっても、試験対象物の伸びの測定精度が高い疲労試験装置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、本発明の疲労試験装置は、試験対象物に対して第一方向に向かって引張・圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記試験対象物に対して前記第一方向に交差する第二方向から当接する伸び計測部と、該伸び計測部に固定された第一治具と、該第一治具に対して前記第一方向から当接する第二治具と、前記第一治具と前記第二治具との間に介装されて、前記第二治具を前記第一治具に対して前記第一方向に付勢するバネ部材と、前記第二治具に接続され、前記第二治具の変位を検出する変位検出部と、を備え、前記バネ部材の両端部が、前記第一治具及び前記第二治具に対して、それぞれ第二方向に相対移動不能に接続されてい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、試験対象物に対して第二方向から当接する伸び計測部と、この伸び計測部に固定された第一治具と、この第一治具に対して第一方向から当接する第二治具と、第一治具と第二治具との間に介装されたバネ部材とを備えており、バネ部材の端部が第一治具及び第二治具に対して第二方向に相対移動不能にされているので、試験対象物が第二方向に変位するような場合であってもバネ部材が第二方向にずれることを抑制できる。そして、伸び計測部から伝達された第一方向の伸びを第一治具、バネ部材、及び第二治具を介して変位検出部に正確に伝達でき、疲労試験における試験片の伸びの測定精度を向上させることができる。したがって、試験対象物が第二方向に変位する場合においても疲労試験データを取得することが可能となる。
なお、引張・圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段の荷重負荷方向を第一方向と称し、この第一方向と交差する方向を第二方向と称している。第二方向とは、例えば第一方向と直交する方向である。

また、前記第二治具には、前記バネ部材の端部を嵌め込み可能な凸部または凹部が形成されていても良い。
この構成では、バネ部材の端部が第二治具の凸部または凹部に嵌めこまれることになるので、バネ部材に対して第二方向から力が加えられた場合においても、第二治具の凹部または凸部によってバネ部材の移動が不能とされる。したがって、伸び計測部が第二方向に移動する場合であっても、バネ部材の第二方向への移動を防止でき、第一方向の試験片の伸びをより正確に変位検出部へと伝達することが可能となる。

さらに、前記第一治具と前記バネ部材との間に設けられた第三治具を備え、該第三治具に、前記バネ部材の端部を嵌め込み可能な凹部または凸部が形成されていても良い。
このような構成では、第一治具とバネ部材との間に設けられた第三治具の凹部または凸部によってバネ部材が第二方向へ移動することを確実に防止することができる。したがって、疲労試験における試験片の伸びの測定精度をさらに向上させることが可能となる。

また、前記第一治具に、第一方向に凹んだ受け部が形成され、前記第二治具は、第一方向から前記受け部に当接する突起部を有することが好ましい。
第一治具に受け部が形成され、第二治具に受け部と当接する突起部が形成されている場合は、伸び計測部の第一方向の変位を正確に変位検出部に伝達することができ、疲労試験における試験片の伸びの測定精度が向上する。

また、前記第一治具を貫通するとともに、前記バネ部材の内方に向かって延在し、バネ部材を支持するネジを備えていても良い。
この場合、第一治具を貫通するネジが、バネ部材の内方に配置されており、ネジがバネ部材を支持する構成とされているので、バネ部材が第二方向に移動することを防止可能となる。
また、第三治具を備える場合に、ネジによって第一治具と第三治具を一体的にすることができ、治具の操作性を向上させることができる。

本発明によれば、疲労試験において試験対象物が第二方向に変位する場合であっても、試験対象物の伸びの測定精度が高い疲労試験装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る疲労試験装置に用いられる試験片の概略図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 一実施形態に係る疲労試験装置の概略構成を示す正面図である。 一実施形態に係る疲労試験装置の概略構成を示す側面図である。 図３の伝達部（第一治具近傍）の拡大図である。 試験片の配置位置と、疲労試験時における試験片の状態との関係を説明するための概略図である。 図４において、第二治具に凸部が形成されず、第三治具に凹部が形成されていない場合を示す図である。 一実施形態に係る疲労試験装置を用いたときの疲労試験の荷重−伸び曲線を示す図である。（ａ）は本発明例、（ｂ）は参考例を示している。

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。
まず、本実施形態に係る疲労試験装置１に用いられる試験片１００（試験対象物）の形状について説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る試験片１００は、板状型試験片であり、くびれ部１１０と、つかみ部１２０と、を有している。

くびれ部１１０の中央には平行部１１１が形成されている。そして、本実施形態においては、平行部１１１の中央には、溶接部１３０が形成されている。この溶接部１３０は、例えば配管の溶接部である。このような試験片１００は、例えば、疲労試験時の荷重負荷方向における試験片１００の中央に溶接部が配置されるように、配管を機械加工して得ればよい。

溶接部１３０は、２つの配管が突き合わせ溶接されることによって形成されており、試験片１００においては、図１（ｂ）の下側が配管の内周面側、図１（ｂ）の上側が配管の外周面側に対応している。本実施形態においては、溶接部１３０のような実機を対象として疲労試験を行っている。

つかみ部１２０は、疲労試験時に治具に固定する際に治具につかまれる部位である。このつかみ部１２０は、試験片１００の両端部に設けられており、試験片１００を固定するためのフランジ部１２３と、固定孔１２４とが形成されている。

次に、本発明の実施形態に係る疲労試験装置１について説明する。
本実施形態に係る疲労試験装置１は、図２及び図３に示すように、ロードフレーム１０と、このロードフレーム１０の中央から下方に向けて延在するベース部２０と、ベース部２０の下方に配置され試験片１００を固定するための固定治具３０と、試験片１００に対して荷重を負荷する荷重負荷手段４０と、試験片１００の伸びに応じて変位する伸び計測部５０と、この伸び計測部５０に接続された伝達部８０と、この伝達部８０を介して伸び計測部５０に接続された伝達棒６０と、これらの部材を覆うように配置された圧力容器７０と、を備えている。

なお、本実施形態においては、荷重負荷手段によって試験片に荷重が負荷される方向を第一方向（図２、図３において上下方向）、疲労試験装置１の側面視において第一方向と直交する方向を第二方向（図３において左右方向）と称する。また、図２及び図３においては、圧力容器７０の外方については図示が省略されている。

ロードフレーム１０は、天板１１と、この天板１１から下方に延在する４本の支柱１２とを備えている。そして、この天板１１の中央部から下方に向けてベース部２０が延在している。

固定治具３０は、試験片１００を疲労試験装置１に固定するための治具であり、試験片１００のフランジ部１２３と嵌合させるための凹部３５が形成されている。そして、下側の固定治具３０は、荷重負荷手段４０と接続されている。
本実施形態においては、試験片１００は固定治具３０の凹部３５とスペーサ９１の間に配置され、ネジ９２で固定されている。

荷重負荷手段４０は、駆動部４１と、図示しないアクチュエータとを備えている。この荷重負荷手段４０は、アクチュエータが動作することによって、駆動部４１が上下方向に移動可能とされており、疲労試験の際には、試験片１００に引張及び圧縮の荷重が繰り返し負荷されるようになっている。

伸び計測部５０は、疲労試験の際に試験片１００の伸びを測定するためのものである。この伸び計測部５０は、接触式の伸び計測部であり、伸び計測部５０の先端側（図３において第二方向右側）には、一対のナイフエッジ５１（圧接子）が設けられ、試験片１００の平行部１１１に当接されている。伸び計測部５０は、その先端側が伸び計測部５０を支持する支持治具５２ａ、５２ｂに支持され、基端側が支持治具５２ｃによって支持されている。伸び計測部５０は、連結部５０ａにおいて図示しない板バネが介在されている。

支持治具５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、ロードフレーム１０に固定されている。これらの支持治具５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、弾性体５３（ばね）を有し、この弾性体５３によって伸び計測部５０を支持するようになっている。
そして、伸び計測部５０は、伸び（変位）を伝達棒６０に伝える伝達部８０に接続されている。

図４に、本実施形態に係る疲労試験装置１の伝達部８０（第一治具近傍）の拡大図を示す。なお、図４においては、伸び計測部５０の図示が省略されている。
伝達部８０は、伸び計測部５０に接続された第一治具８１と、この第一治具８１に第一方向から当接された第二治具８２と、第一治具８１の上側内方に配置された第三治具８３と、第二治具８２と第三治具８３の間に介装されたバネ部材８４と、を備えている。

第一治具８１は、図４に示すように、チャネル（コの字）形状をしている。この第一治具８１の下側の内面には、Ｖ字型に凹んだ受け部８１ａが形成されている。なお、ここで第一治具８１の内面とは、チャネル（コの字）で囲まれる内方側の面のことを意味している。

第二治具８２は、リング形状をしており、三角柱形状の支持部材８５を有している、この支持部材の頂点である突起部８５ａが、上述した第一治具８１の受け部８１ａに当接する構成とされている。この第二治具８２には伝達棒６０が固定されており、第二治具８２から下方に延在している。
そして、本実施形態においては、第二治具８２は凸部８２ａを有しており、バネ部材８４の内方に凸部８２ａが嵌めこみ可能とされ、バネ部材８４の下端側が左右方向に移動不可能にされている。

第三治具８３は、第一治具８１とバネ部材８４の間に配置されている。本実施形態においては、第三治具８３には、凹部８３ａが形成されており、この凹部８３ａにバネ部材８４の上端が嵌め込まれている。この凹部８３ａによってバネ部材８４の上端側が左右方向に移動不可能にされている。
バネ部材８４は、第一方向に延在する弾性体であり、第二治具８２に対して第一方向に付勢するためのものである。
本実施形態においては、第一治具８１と第三治具８３を貫通するようにネジ８６が設けられており、このネジ８６は、バネ部材８４の内方へと延在し、バネ部材８４の上端側を支持している。

伝達棒６０は２本あり、上下方向に延在している。この伝達棒６０の先端側（図２、３において下側）には、コイル５６が設けられている。このコイル５６は、図示しない伸び出力検知器に接続されている。そして、これらの伝達棒６０と、コイル５６と、伸び出力検知器とによって変位検出部が構成され、第二治具８２の変位が測定されるようになっている。

圧力容器７０は、疲労試験を高温下で行うために設けられた容器である。本実施形態においては、圧力容器７０の内部には水が封入可能とされており、圧力容器７０内は、高温・高圧環境を維持できるようになっている。

このような構成の疲労試験装置１においては、疲労試験を行う場合、第一方向（上下方向）に引張・圧縮荷重が負荷されて上下方向に試験片１００が伸縮すると、伸び計測部５０のナイフエッジ５１、５１間の距離が変動する。このナイフエッジ５１、５１間の距離に応じて、伸び計測部５０の連結部５０ａに設けられている板バネを介し、治具８０が上下することで、試験片１００の伸びが伝達棒６０に伝達されてコイル５６に起電力が発生し、伸び出力検知器によって試験片１００の伸びが計測されるようになっている。

図５（ａ）は荷重負荷手段４０の引張・圧縮荷重の中心軸Ｏと試験片１００の中心軸が一致する場合の概略図を示している。一方、図５（ｂ）は、引張・圧縮荷重の中心軸Ｏと、試験片１００の中心軸がずれている場合の概略図を示している。
疲労試験においては、一軸負荷荷重による疲労試験（図５（ａ）参照）だけではなく、実機の負荷形態を模擬するために、引張・圧縮荷重が負荷される方向（第一方向）と交差する方向（第二方向）に外力を負荷することが求められる場合がある。

例えば、図５（ｂ）に示すように、中心軸Ｏと、試験片１００の中心軸をずらしたときには、引張・圧縮荷重に加えて曲げの応力を重畳させることができる。試験片１００を負荷荷重の中心軸Ｏからずらした場合において、引張荷重が負荷された際は、試験片１００の輪郭がＡに示すようにたわみ、圧縮荷重が負荷された際は、試験片１００の輪郭がＢに示すようにたわむことになる。このように引張・圧縮荷重が負荷されて試験片１００がたわむと、図５（ｂ）において、配管の内側に相当する試験片１００の左面側から優先的にき裂が、発生・進展し、実機の破壊形態を模擬した疲労試験を行うことが可能である。

しかしながら、図５（ｂ）に示すように疲労試験を行う場合、第一方向（上下方向）に加えて第二方向（左右方向）にも伸び計測部５０のナイフエッジ５１が移動し、試験片１００の正確な伸びの測定を行うことが困難となる。特に、高温高圧環境下で疲労試験を行う場合は、伸びの測定データが不安定になりやすく、測定が極めて困難となる。
具体的には、疲労試験時に、図６に示すように第二治具１８２に凸部が形成されておらず、第三治具１８３に凹部が形成されていない場合は、伝達部１８０のバネ部材１８４が左右方向に移動しやすく、正確な伸びの測定ができなくなる。
したがって、本実施形態においては、このバネ部材８４の第二方向の移動を防止するために、第二治具８２に凸部８２ａが設けられ、第三治具８３に凹部８３ａが形成されているのである。

本実施形態に係る疲労試験装置１によれば、試験片１００に対して第二方向から当接する伸び計測部５０と、この伸び計測部５０に固定された第一治具８１と、この第一治具８１に対して第一方向から当接する第二治具８２と、第一治具８１と第二治具８２との間に介装されたバネ部材８４とを備えており、バネ部材８４の両端部が第一治具８１及び第二治具８２に対して第二方向に相対移動不能にされているので、試験片１００がたわんだ場合であってもバネ部材８４が第二方向にずれることを防止することができる。そして、伸び計測部５０から伝達された第一方向の伸びを第一治具８１及び第二治具８２を介して変位検出部に正確に伝達でき、疲労試験の測定精度を向上させることができる。したがって、試験片１００が第二方向に変位する場合においても疲労試験データを取得することが可能となる。

また、第二治具８２には、バネ部材８４と係合可能とされた凸部８２ａが形成されており、バネ部材８４の下端部が凸部８２ａに嵌めこまれているので、バネ部材８４に対して第二方向から力が加えられた場合においても、凸部８２ａによってバネ部材８４の第二方向への移動が不能とされる。したがって、伸び計測部５０が第二方向に移動する場合であっても、受け部８１ａと突起部８５ａの連結部が安定し、第一方向の伸びをより正確に変位検出部へと伝達することが可能となる。

さらに、第一治具８１とバネ部材８４との間に設けられた第三治具８３を備え、この第三治具８３には、バネ部材８４の上端部が凹部８３ａに嵌めこまれているので、第一治具８１とバネ部材８４との間に設けられた第三治具８３の凹部８３ａによってバネ部材８４が第二方向へ移動することを確実に防止することができ、受け部８１ａと突起部８５ａの連結部が安定する。したがって、疲労試験の測定精度をさらに向上させることが可能となる。

また、第一治具８１には、受け部８１ａが形成され、第二治具８２は、受け部８１ａと当接する突起部８５ａを有する支持部材８５を有しているので、第一治具８１及び第二治具８２の第一方向の変位を正確に変位検出部に伝達でき、疲労試験の測定精度をより向上させることが可能となる。

また、第一治具８１を貫通するとともに、バネ部材８４の内方に向かって延在し、バネ部材８４を支持するネジ８６を備え、ネジ８６がバネ部材８４を支持する構成とされているので、バネ部材８４が第二方向に移動することを防止できる。
また、第三治具８３を備える場合に、ネジ８６によって第一治具８１と第三治具８３を一体的にし、治具の操作性を向上できる。

本実施形態に係る疲労試験装置１の効果についてさらに具体的に説明する。
図７（ａ）は本実施形態に係る疲労試験装置１を用いて、図５（ｂ）に示したように荷重負荷方向の中心軸Ｏと試験片１００の中心軸をずらして疲労試験を実施したときの荷重−伸び曲線の１サイクルを示している。
図７（ｂ）は、図６に示したように、第二治具１８２に凸部が形成されておらず、第三治具１８３に凹部が形成されていない場合の荷重−伸び曲線の１サイクルを示している。

なお、図７においては、縦軸が負荷荷重、横軸が試験片の伸びとされている。
また、この疲労試験は、試験片が塑性変形するまで荷重を負荷する低サイクル疲労試験の場合を示している。
また、固定治具３０に対する試験片１００の配置位置や試験片１００の形状は、図７（ａ）、（ｂ）ともに同じ条件で疲労試験を実施している。

図７（ａ）に示すように、本実施形態に係る疲労試験装置１を用いて疲労試験を行う場合は、良好な荷重−伸び曲線が得られ、疲労試験データを採取することが可能である。
一方、図７（ｂ）に示すように、第二治具に凸部が形成されておらず、第三治具に凹部が形成されていない場合は、バネ部材が第二方向にずれ、受け部８１ａと突起部８５ａの連結部が不安定になり、良好な荷重−伸び曲線を得ることができず、疲労試験データを採取することができない。

以上、本発明の一実施形態である疲労試験装置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、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

なお、上記の実施形態においては、第二治具に凸部が形成されバネ部材の端部に嵌めこまれる場合について説明したが、第二治具には凹部が形成され、この凹部がバネ部材に嵌めこまれる構成とされても良い。また、第三治具に凹部が形成されバネ部材が嵌めこまれる場合について説明したが、第三治具にバネ部材を覆う凸部が形成され、バネ部材が嵌めこまれる構成とされても良い。また、上記の実施形態においては第三治具に凹部が形成される場合について説明したが、第三治具を省略し第一治具に凹部が形成されていても良い。また、バネ部材の両端部は、例えば第二治具及び第三治具に溶接によって固定されても良い。
すなわち、バネ部材が第二方向に相対移動不能とされる構成であれば、第三治具は省略されていても良い。また、バネ部材が第二方向に相対移動不能とされる構成であれば、第一治具、第二治具、及び第三治具は上記の実施形態に限定されるものではなく、その他の構成とされていても良い。

また、上記の実施形態においては、圧力容器の内部において高温・高圧水中環境で疲労試験を行う場合について説明したが、高温の大気環境下で疲労試験を行っても良い。また、常温環境で行われる疲労試験に本発明を適用しても良い。

さらに、上記の実施形態においては、固定治具と試験片の間に、固定治具と試験片との間の隙間を埋めるスペーサが配置されていても良い。

１ 疲労試験装置
３０ 固定治具
４０ 荷重負荷手段
５０ 伸び計測部
８１ 第一治具
８１ａ 受け部
８２ 第二治具
８２ａ 凸部
８３ 第三治具
８３ａ 凹部
８４ バネ部材
８５ａ 突起部
８６ ネジ
１００ 試験片（試験対象物）

Claims (5)

1. 試験対象物に対して第一方向に向かって引張・圧縮荷重を負荷する荷重負荷手段と、
   前記試験対象物に対して前記第一方向に交差する第二方向から当接する伸び計測部と、
   該伸び計測部に固定された第一治具と、
   該第一治具に対して前記第一方向から当接する第二治具と、
   前記第一治具と前記第二治具との間に介装されて、前記第二治具を前記第一治具に対して前記第一方向に付勢するバネ部材と、
   前記第二治具に接続され、前記第二治具の変位を検出する変位検出部と、を備え、
   前記バネ部材の両端部が、前記第一治具及び前記第二治具に対して、それぞれ第二方向に相対移動不能に接続されていることを特徴とする疲労試験装置。
2. 前記第二治具には、前記バネ部材の端部を嵌め込み可能な凸部または凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の疲労試験装置。
3. 前記第一治具と前記バネ部材との間に設けられた第三治具を備え、
   該第三治具に、前記バネ部材の端部を嵌め込み可能な凹部または凸部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の疲労試験装置。
4. 前記第一治具に、第一方向に凹んだ受け部が形成され、
   前記第二治具は、第一方向から前記受け部に当接する突起部を有す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疲労試験装置。
5. 前記第一治具を貫通するとともに、前記バネ部材の内方に向かって延在しバネ部材を支持するネジを備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の疲労試験装置。

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