JP2015190874A - フレッティング疲労試験方法およびフレッティング疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触片と試験片との接触面に固着域とすべり域とを発生させることができ、フレッティング疲労特性を正確に測定することができるフレッティング試験方法を提供する。
【解決手段】一対のパッド１１に押圧子１４を取り付け、パッド１１に挿通したボルト１２を締め付けて押圧子１４で試験片３を押圧する。試験片３に高周波ねじり振動を与えて疲労試験を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば蒸気タービン材料等に対して行うフレッティング疲労試験方法およびフレッティング疲労試験装置に関する。

フレッティングとは、機械装置において面圧が作用している構造部材どうしの接触面間において、摩擦力を伴った数μｍ〜数十μｍ程度の微小な相対すべりが繰り返し生じる現象である。たとえば、蒸気タービンの翼根と翼溝の嵌合部では、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。

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。たとえば、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押圧子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。

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、ばね板の両端をベースにねじ止めし、さらに、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。

特許文献３には、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を目的とし、試験片を押圧するように配置されて、試験片と接触する境界において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、接触部の少なくとも一つに、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フレッティング疲労試験装置が提案されている。また、非特許文献１には、超音波による引張圧縮加振によって迅速に評価できる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 特開２０１３−１０４７７９号公報

International Jounal of Fatigue23(2001) 449-453 フレッティング疲労の破壊機構「材料」Vol.46,No.11, pp. 1233-1241, Nov. 1997

非特許文献２の図２（ｂ）には、フレッティング疲労の破壊機構について記載されている。この図に示すように、振動する接触片と試験片の接触面には、両者の間に相対すべりのない固着域と、相対すべりが生じるすべり域とが存在し、固着域とすべり域との境界付近からき裂が発生する。

ところが、特許文献１〜３および非特許文献１に記載の技術では、フレッティング現象の再現が困難であり、接触片と試験片の接触面の全面がすべり域となる。そして、接触片との擦過によって試験片に生じた摩耗による切欠効果により、フレッティング現象を伴わない通常の疲労よりも早期にき裂が発生する。したがって、上記した従来の技術では、フレッティング疲労特性を正確に把握できていないのが現状である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、接触片と試験片との接触面に固着域とすべり域とを安定して発生させることができ、フレッティング疲労特性を正確に測定することができるフレッティング試験方法およびフレッティング試験装置を提供することを目的としている。

本発明は、試験片に接触部を押圧し、試験片を高周波加振するフレッティング疲労試験方法において、接触部を試験片に取り付けることを特徴とする。

また、本発明のフレッティング疲労試験装置は、試験片を支持する支持手段と、試験片に振動を与える振動発生手段と、試験片に押圧される接触部と、接触部を試験片に押圧した状態で取り付ける装着部とを備えたことを特徴とする。

従来においては、接触部を試験片とは切り離された機器に支持していたが、機器の構成要素が多いため、接触部が振動する試験片に対して相対すべりすることが避けられなかった。そのために、接触部の全域がすべり域となっていた。これに対して、本発明では、接触部を試験片に取り付けているため、試験片に対する接触部の密着状態が損なわれず、したがって、密着した部分で固着域が形成され、固着域の外側ですべり域が形成される。

本発明によれば、接触片と試験片との接触面に固着域とすべり域とを発生させることができ、フレッティング疲労特性を正確に測定することができる。

本発明の実施形態のフレッティング疲労試験装置の全体を示す側面図である。 （Ａ）は実施形態における押圧治具を示す斜視図、（Ｂ）は接触部を示す斜視図、（Ｃ）は接触部の他の例を示す斜視図である。 試験片を示す側面図である。 実施例におけるＳ−Ｎ線図である。 実施例におけるブリッジ状押圧子を用いたときの接触部を示す写真である。 実施例における板状押圧子を用いたときの接触部を示す写真である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１はフレッティング疲労試験装置の全体を示す側面図である。図１において符号１はねじり振動発生部である。ねじり振動発生部１の下端面には、角度増幅ホーン２が取り付けられ、角度増幅ホーン２の下端面には試験片３が取り付けられている。図３に示すように、試験片３は、両端に設けられた頭部３ａと、頭部３ａよりも小径な軸部３ｂとからなる線対称形状をなしている。軸部３ｂは、頭部３ａから断面の輪郭線が弧状をなして減少する曲面部３ｃと、曲面部３ｃの裾から直径が一定となって伸びる円柱部３ｄとからなっている。

図１に示すように、フレッティング疲労試験装置には、角度増幅ホーン２の下端部と試験片３の下端部に臨む変位検出センサ４が配置されている。変位検出センサ４の検出結果は変位測定器５に入力され、試験片３の頭部３ａどうしのねじれ角度が算出される。そのねじれ角度はコンピュータ６に入力され、コンピュータ６は、試験片３に生じるせん断応力を算出する。コンピュータ６は、発信器７を制御し、発信器７は、高周波のパルス信号をねじり振動発生部１に出力する。そして、ねじり信号発生部１は、入力されたパルス信号に対応したねじり振動を発生する。そのねじり振動の角度は、角度増幅ホーン２によって増幅される。

図２は実施形態の押圧治具１０を示す斜視図である。押圧治具１０は、一対のパッド１１を備えている。パッド１１は、板状をなし、試験片３を挟むようにして配置されている。パッド１１にはボルト１２が取り付けられ、ボルト１２にはナット１３が取り付けられている。また、パッド１１には、押圧子（接触部）１４が取り付けられている。押圧子１４は、超硬合金やハイス鋼のような硬い材料で構成され、図２（Ｂ）に示すような寸法で上下両縁部が試験片３側に突出している。なお、押圧子１４は図２（Ｃ）に示すような平坦な板状のものでもよい。

パッド１１の一方には、歪みゲージ１５が貼着されている。歪みゲージ１５の検出信号はコンピュータ６に出力され、コンピュータ６は、押圧子１４から試験片３に加えられる荷重を算出する。すなわち、ボルト１２を締め付けることによって押圧子１４が試験片３を押圧する荷重を所定の値に設定し、試験片３にねじり振動を与えたときに押圧子１４と試験片３との接触部に固着域とすべり域が発生するようにする。

図３に試験片３の頭部３ａのねじり変位量とせん断応力を示す。図３に示すように、試験片３に高周波振動を与えると、２つの頭部３ａが変位し、中央部に変位が生じない節が生じる。この節を中心としたある範囲が押圧子１４との相対すべりがゼロといって差し支えない固着域であり、固着域の外側にすべり域が生じる。そして、固着域とすべり域の境界付近にき裂が発生すると、ねじり変位量が増加し、変位検出センサ４がそれを検出する。

以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ＳＣＭ４２０Ｈ材により図３に示す試験片３を作製した。試験片３の頭部３ａの直径は９ｍｍとした。軸部３ｂの長さは１３ｍｍ、円柱部３ｄの長さは６ｍｍで直径は４ｍｍとした。ＳＫＨ５１材で図３（Ｂ）に示すブリッジ状の押圧子１４を作製し、押圧治具１０に取り付けた。そして、ボルト１２を締め付けて８００Ｎの力で試験片３を押圧し、その状態で約２００００Ｈｚのねじり振動を試験片３に与えて共振周波数が５０Ｈｚ以上低下したとき、あるいは繰り返し数が１０^９回に達したときに試験を中断した。また、図３（Ｃ）に示す板状の押圧子１４を用いて同様のフレッティング疲労試験を行った。

比較のために、図３に示す試験片３に対して下側の頭部３ａがない試験片を用い、その試験片の片側から押圧子で押圧する通常の疲労試験を行った。以上の疲労試験の結果を図４に示す。図４に示すように、フレッティングの影響で著しく疲労強度が低下する。また、ブリッジ状の試験片でも板状の試験片でも同様の結果が得られた。

図５はブリッジ状の押圧子を用いたときの試験片の接触部を示す顕微鏡写真である。この写真に示すように、接触部には摩耗していない領域（固着域）と黒く摩耗している領域（すべり域）が存在し、両者の境界付近からき裂が生じている。図６は板状の押圧子を用いたときの試験片の接触部を示す顕微鏡写真であり、図５と同様の状態である。

以上のように、本発明ではフレッティング疲労試験において試験片と押圧子との接触部に固着域とすべり域が生じ、フレッティング疲労特性が正確に測定できることが確認された。

なお、上記実施形態および実施例では、高周波ねじり振動によるフレッティング疲労試験に本発明を適用したが、直線動の振動によるフレッティング疲労試験に適用することもできる。また、試験片は上記のようなダンベル状のものに限定されるものではなく、円柱状のものなど形状は任意である。

本発明は、フレッティング疲労試験に利用可能である。

１…ねじり振動発生部、２…角度増幅ホーン、３…試験片、４…変位検出センサ、
４…変位検出センサ、５…変位測定器、６…コンピュータ、７…発信器、
１０…押圧治具、１１…パッド、１２…ボルト、１３…ナット、
１４…押圧子（接触部）、１５…歪みゲージ。

Claims (2)

1. 試験片に接触部を押圧し、前記試験片を高周波加振するフレッティング疲労試験方法において、前記接触部を前記試験片に取り付けることを特徴とするフレッティング疲労試験方法。
2. 試験片を支持する支持手段と、前記試験片に振動を与える振動発生手段と、前記試験片に押圧される接触部と、前記接触部を前記試験片に押圧した状態で取り付ける装着部とを備えたことを特徴とするフレッティング疲労試験装置。

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