JP2015215236A - ゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴムまたはエラストマーの温度条件および速度条件を考慮した動摩擦係数を測定することができる測定方法および装置を提供する。
【解決手段】回転する回転盤２の上に載置したゴムまたはエラストマーのサンプルＳの表面に、定位置に固定した回転ローラ３を鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重Ｎで押圧した状態にして、回転ローラ３をサンプルＳの上でサンプル回転方向に対して接線方向に向けて転動させ、この状態で回転ローラ３に作用する接線方向の水平荷重Ｆを測定するとともに、回転ローラ３の走行方向前後の位置のサンプルＳの表面温度ｔ１、ｔ２を測定し、この表面温度ｔ１、ｔ２と、回転するサンプルＳと回転ローラ３との相対的走行速度Ｖと、鉛直荷重Ｎおよび水平荷重Ｆとに基づいてサンプルＳの動摩擦係数Ｘを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法および装置に関し、さらに詳しくは、温度条件および速度条件を考慮した動摩擦係数を測定することができるゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法および装置に関するものである。

コンベヤベルトを駆動するための消費電力は、コンベヤベルトの種類や駆動ローラ等の周辺設備、さらにはコンベヤベルトに積載する運搬物の重量の変動等の影響を受けて変動することが知られている。ベルトコンベヤが長機長になると、コンベヤベルトを支持する支持ローラの数が増加するため、消費電力に関してはコンベヤベルトと支持ローラとの接触に起因する動力損失が支配的になる。そのため、コンベヤベルトが支持ローラの乗り越え時に生じる動力損失、即ち、支持ローラの乗り越え抵抗力を低減させることが重要な課題になっている。

コンベヤベルトが支持ローラを乗り越える際に、コンベヤベルトの下カバーゴムが変形し、この変形が元に戻るには若干の時間を要する。この復元に要する時間的な遅れにより乗り越え抵抗力が発生し、この乗り越え抵抗力と支持ローラが下カバーゴムを押圧する鉛直方向荷重との比が、コンベヤベルト（下カバーゴム）の動摩擦係数といわれている。そして、この動摩擦係数は環境温度やベルト走行速度によって変化する。

従来、例えば、コンベヤベルトのカットサンプルを評価対象体にして支持ローラの乗り越え抵抗力を測定する方法および装置が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この文献で提案されているような従来の方法および装置では、コンベヤベルトが置かれる環境温度およびベルト走行速度の影響を考慮したカバーゴムの動摩擦係数を測定することができなかった。また、コンベヤベルトに限らず、種々のゴム製品やエラストマー製品についても、環境温度およびその製品の使用速度の影響を考慮した動摩擦係数を把握できれば有益である。

特開２００６−２９２７３６号公報

本発明の目的は、温度条件および速度条件を考慮した動摩擦係数を測定することができるゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法は、回転盤の上に載置したゴムまたはエラストマーのサンプルの表面に、定位置に固定した回転ローラを鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重で押圧し、前記回転盤を回転させることにより前記サンプルを回転させた状態にして、前記回転ローラを前記サンプルの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動させ、この状態で前記回転ローラに作用する前記接線方向の水平荷重を測定するとともに、前記回転ローラの走行方向前後の位置の前記サンプルの表面温度を測定し、測定したこの表面温度と、回転する前記サンプルと前記回転ローラとの相対的走行速度と、前記鉛直荷重および前記水平荷重とに基づいて、前記サンプルの動摩擦係数を算出することを特徴とする。

本発明のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置は、ゴムまたはエラストマーのサンプルが載置される回転盤と、この回転盤に載置された前記サンプルの表面を押圧する定位置に固定された回転ローラと、この回転ローラに鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重を負荷する鉛直荷重負荷手段と、回転する前記サンプルと前記回転ローラとの相対的走行速度を測定する速度センサと、前記回転ローラに作用する水平荷重を測定する水平荷重センサと、前記回転ローラの走行方向前後の位置の前記サンプルの表面温度を測定する温度センサと、前記鉛直荷重と前記相対的走行速度と前記水平荷重および前記表面温度とが入力される制御手段とを備え、前記回転盤を回転させることにより前記サンプルを回転させて、前記回転ローラを前記サンプルの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動させた状態で前記接線方向の前記水平荷重を測定するとともに、前記表面温度および前記相対的走行速度を測定して、測定した前記表面温度と、前記相対的走行速度と、前記鉛直荷重および前記水平荷重とに基づいて、前記制御手段により前記サンプルの動摩擦係数を算出する構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、回転盤の上で回転するサンプルの表面に、定位置に固定した回転ローラを鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重で押圧して、回転ローラをサンプルの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動させた状態にする。この状態で回転ローラに作用する前記接線方向の水平荷重を測定するとともに、回転ローラの走行方向前後の位置のサンプルの表面温度を測定し、測定したこの表面温度と、回転するサンプルと回転ローラとの相対的走行速度と、鉛直荷重および水平荷重とに基づいて、サンプルの動摩擦係数を算出するので、ゴムまたはエラストマーの温度条件および速度条件を考慮した動摩擦係数を測定することができる。

本発明の測定装置を側面視で例示する説明図である。 図１の測定装置の恒温槽の内部を平面視で例示する説明図である。

以下、本発明のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法および装置を図に示した実施形態に基づいて説明する。本発明の測定対象となるゴムまたはエラストマー製品としては、タイヤ、コンベヤベルト、Ｖベルト、ゴムロール、エラストマーロール等を例示できる。

図１〜図２に例示する本発明のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置１（以下、測定装置１という）は、平板状のゴムまたはエラストマーのサンプルＳが載置される回転盤２と、回転盤２に載置されたサンプルＳの表面を押圧する回転ローラ３と、鉛直荷重負荷手段４と、水平荷重センサ１２と、速度センサ１３と、温度センサ１４ａ、１４ｂと、制御手段１５とを備えている。回転盤２は上面が平坦な円盤（例えば金属製）であり、駆動モータ等により駆動されて回転軸２ａを中心にして回転する。この実施形態ではサンプルＳがコンベヤベルトのカバーゴムである。

この測定装置１は、さらに、回転盤２とともにサンプルＳが内部に配置される恒温槽１６を備えている。恒温槽１６は内部温度を例えばマイナス３０℃以上プラス８０℃以下の任意の温度に設定できる構成になっている。恒温槽１６の内部温度は例えば、そのサンプルＳと同仕様のカバーゴムが使用されるコンベヤベルトの使用環境に応じて設定される。この恒温槽１６の対向する側面の内面にはそれぞれ、温度センサ１４ａ、１４ｂが設けられている。

鉛直荷重負荷手段４は、回転ローラ３に鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重Ｎを負荷する。鉛直荷重Ｎの大きさは例えば、１０Ｎ〜２０００Ｎである。この実施形態の鉛直荷重負荷手段４は、恒温槽１６の上面外側から内部に貫通する荷重アーム６と、荷重アーム６に固定される錘５と、恒温槽１６の外部に近接して立設される垂直アーム８と、垂直アーム８に上下方向に回動可能に固定されて恒温槽１６の側面外側から内部に貫通して一端部が荷重アーム６に連結される横アーム７とを備えている。荷重アーム６の横アーム７との連結部の下端部には鉛直荷重センサ１１が設けられている。横アーム７の他端部には分銅９ａが載置されるバランス分銅台９が取り付けられている。

荷重アーム６の下端にはアタッチメント３ａを介して回転ローラ３が着脱可能に取り付けられている。回転ローラ３は荷重アーム６を回転軸にして回転自在になっている。アタッチメント３ａには水平荷重センサ１２および速度センサ１３が設けられている。

錘５の重さは、荷重アーム６およびアタッチメント３ａを介して回転ローラ３に負荷される。そして、バランス分銅台９に載置する分銅９ａの重さを異ならせることで回転ローラ３に鉛直下向きに負荷する鉛直荷重Ｎの大きさを変えることができる。したがって、回転ローラ３に負荷する鉛直荷重Ｎが所定の大きさになるように、バランス分銅台９に載置する分銅９ａの重さを調整する。回転ローラ３に負荷される鉛直荷重Ｎの大きさは鉛直荷重センサ１１によって測定される。鉛直荷重センサ１１の形態（例えば、ひずみゲージタイプ等）や設置場所は特に限定されない。

垂直アーム８に設置された上下調整ハンドル１０を操作することにより、横アーム７の上下位置が変化する。これに伴って、平面視では定位置に固定されている回転ローラ３の上下位置も変化する。

回転ローラ３は金属製や硬質樹脂製等である。例えば、コンベヤベルトの下カバーゴムを支持する実際の支持ローラと同等の仕様にする。回転ローラ３の外径は例えば１０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。

速度センサ１３は、回転盤２の上で回転するサンプルＳと回転ローラ３との相対的走行速度Ｖを測定する。この相対的走行速度Ｖは、実際のコンベヤベルトでは走行速度に相当する。この相対的走行速度Ｖは例えば、０．５ｍ／ｓ以上１５ｍ／ｓ以下である。この相対的走行速度Ｖを測定できれば、速度センサ１３の形態や設置場所は特に限定されない。

回転ローラ３が配置される回転盤２の半径方向位置に応じてサンプルＳの周速度が変化するので相対的走行速度Ｖは変化する。この実施形態では、回転ローラ３を回転盤２の半径方向で複数の異なる定位置で固定できる構成になっているので、異なる定位置で回転ローラ３を固定することにより相対的走行速度Ｖを変化させることができる。即ち、回転盤２が一定の回転数に設定された状態であっても、回転ローラ３の位置を異ならせるだけで相対的走行速度Ｖは変化させることができる。

水平荷重センサ１２は、回転ローラ３に作用する水平荷重Ｆを測定する。水平荷重Ｆを測定できれば、水平荷重センサ１２の形態（例えば、ひずみゲージタイプ等）や設置場所は特に限定されない。

温度センサ１４ａ、１４ｂはそれぞれ、回転ローラ３の走行方向前後の位置のサンプルＳの表面温度ｔ１、ｔ２を測定する。この実施形態では非接触型温度センサを用いているが、サンプルＳの表面温度ｔ１、ｔ２を測定できれば温度センサ１４ａ、１４ｂの形態や設置場所は特に限定されない。

制御手段１５としてはパーソナルコンピュータ等を用いることができ、この制御手段１５には、鉛直荷重Ｎと相対的走行速度Ｖと水平荷重Ｆおよび表面温度ｔ１、ｔ２とが入力される。

サンプルＳは一定厚さの円形状であり、その厚さは例えば１．０ｍｍ以上４５．０ｍｍ以下である。サンプルＳとしては、コンベヤベルトの下カバーゴムに使用されるゴムに限定されず、上カバーゴムに使用されるゴムにすることもある。上カバーゴムは走行するコンベヤベルトのリターン側において、表面がリターン側支持ローラに当接して支持されるので動摩擦係数の把握が必要なこともある。その他、種々のゴム製品またはエラストマー製品に使用されるゴムやエラストマーをサンプルＳにすることができる。

測定装置１を用いた本発明のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法の手順の一例は以下のとおりである。

回転盤２の上に載置したサンプルＳの表面に、回転ローラ３の転動面が接する位置に上下位置を調節して平面視で定位置に固定した状態にする。次いで、鉛直荷重負荷手段４によって回転ローラ３に対して鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重Ｎを負荷して、この回転ローラ３によってサンプルＳの表面を押圧した状態にする。

この状態で、回転盤２を所定の回転数で回転させることによりサンプルＳを回転させた状態にする。このとき回転ローラ３は、サンプルＳの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動する。この状態で回転ローラ３に作用するこの接線方向（即ち、走行方向）の水平荷重Ｆを水平荷重センサ１２により逐次測定するとともに、温度センサ１４ａ、１４ｂによって回転ローラ３の走行方向前後の位置のサンプルＳの表面温度ｔ１、ｔ２を逐次測定する。

測定したこの表面温度ｔ１、ｔ２と、回転するサンプルＳと回転ローラ３との相対的走行速度Ｖと、鉛直荷重Ｎおよび水平荷重Ｆとは制御手段１５に入力されて、これら入力されたデータに基づいてサンプルＳの動摩擦係数Ｘを算出する。

単純な動摩擦係数Ｘは、水平荷重Ｆ＝Ｘ・Ｎの式によって算出される。しかしながら、動摩擦係数Ｘはコンベヤベルトが置かれる環境温度およびベルト走行速度に比較的大きな影響を受ける（環境温度依存性およびベルト走行速度依存性が高い）。そこで、恒温室１６の内部の温度を複数種類に異ならせて、上述した同じ手順によって動摩擦係数Ｘの環境温度依存性を把握することができる。また、相対的走行速度Ｖを複数種類に異ならせて、上述した同じ手順によって動摩擦係数Ｘの速度依存性を把握することができる。したがって、カバーゴムの温度条件および速度条件を考慮した動摩擦係数Ｘを測定することができる。

さらに、回転ローラ３の走行方向前後の位置のサンプルＳの表面温度ｔ１、ｔ２を逐次測定している。回転ローラ３を乗り越える際のサンプルＳのヒステリシスロス（エネルギー損失）は熱エネルギーとして現れる。そこで、走行方向後方位置の表面温度ｔ２から前方位置の表面温度ｔ１を差し引くことにより、ヒステリシスロスの程度を把握することができる。

サンプルＳの表面位置に対する回転ローラ３の上下変動（沈み込み量）を逐次測定する上下位置センサ（ひずみゲージ等）を設けることもできる。この上下位置センサによる測定データに基づいて、回転ローラ３の沈み込み量とヒステリシスロスとの関係、沈み込み量とサンプルＳの温度上昇の関係等を把握することができる。

１ 測定装置
２ 回転盤
２ａ 回転軸
３ 回転ローラ
３ａ アタッチメント
４ 鉛直荷重負荷手段
５ 錘
６ 荷重アーム
７ 横アーム
８ 垂直アーム
９ バランス分銅台
９ａ 分銅
１０ 上下調整ハンドル
１１ 鉛直荷重センサ
１２ 水平荷重センサ
１３ 速度センサ
１４ａ、１４ｂ 温度センサ
１５ 制御手段
１６ 恒温槽
Ｓ サンプル

Claims (8)

1. 回転盤の上に載置したゴムまたはエラストマーのサンプルの表面に、定位置に固定した回転ローラを鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重で押圧し、前記回転盤を回転させることにより前記サンプルを回転させた状態にして、前記回転ローラを前記サンプルの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動させ、この状態で前記回転ローラに作用する前記接線方向の水平荷重を測定するとともに、前記回転ローラの走行方向前後の位置の前記サンプルの表面温度を測定し、測定したこの表面温度と、回転する前記サンプルと前記回転ローラとの相対的走行速度と、前記鉛直荷重および前記水平荷重とに基づいて、前記サンプルの動摩擦係数を算出することを特徴とするゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法。
2. 測定した前記表面温度に基づいて、前記サンプルのヒステリシスロスを算出する請求項１に記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法。
3. 恒温槽の内部に前記回転盤とともに前記サンプルを配置して、その内部温度をマイナス３０℃以上プラス８０℃以下の任意の温度に設定して前記水平荷重および前記表面温度を測定する請求項１または２に記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法。
4. 前記回転ローラを前記回転盤の半径方向で異なる定位置で固定することにより、前記相対的走行速度を変化させる請求項１〜３のいずれかに記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定方法。
5. ゴムまたはエラストマーのサンプルが載置される回転盤と、この回転盤に載置された前記サンプルの表面を押圧する定位置に固定された回転ローラと、この回転ローラに鉛直下向きの所定の大きさの鉛直荷重を負荷する鉛直荷重負荷手段と、回転する前記サンプルと前記回転ローラとの相対的走行速度を測定する速度センサと、前記回転ローラに作用する水平荷重を測定する水平荷重センサと、前記回転ローラの走行方向前後の位置の前記サンプルの表面温度を測定する温度センサと、前記鉛直荷重と前記相対的走行速度と前記水平荷重および前記表面温度とが入力される制御手段とを備え、前記回転盤を回転させることにより前記サンプルを回転させて、前記回転ローラを前記サンプルの上でサンプル回転方向に対して接線方向を走行方向として転動させた状態で前記接線方向の前記水平荷重を測定するとともに、前記表面温度および前記相対的走行速度を測定して、測定した前記表面温度と、前記相対的走行速度と、前記鉛直荷重および前記水平荷重とに基づいて、前記制御手段により前記サンプルの動摩擦係数を算出する構成にしたことを特徴とするゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置。
6. 測定した前記表面温度に基づいて、前記制御手段により前記サンプルのヒステリシスロスを算出する構成にした請求項５に記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置。
7. 前記回転盤とともに前記サンプルを内部に配置する恒温槽を備え、恒温槽の内部温度をマイナス３０℃以上プラス８０℃以下の任意の温度に設定できる構成にした請求項５または６に記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置。
8. 前記回転ローラを前記回転盤の半径方向で複数の異なる定位置で固定できる構成にした請求項５〜７のいずれかに記載のゴムまたはエラストマーの動摩擦係数の測定装置。

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