JP2016121928A - 疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試験体に対して一定の荷重を与えた状態で高速で振動負荷を与える疲労試験装置を提供する。【解決手段】試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，前期試験体の一端と係合され，かつ前記加振手段に固定された固定冶具と，前記試験体の他端と係合された動作冶具と，前記動作冶具を前記加振手段に対して水平方向に滑らかに移動させる移動手段と，前記動作冶具に対して非接触の態様で荷重を与える負荷手段とを備える。これにより，試験体に対して一定の荷重を与えた状態で高速で振動負荷を与えることを実現する。【選択図】図１

Description

本発明は，疲労試験装置に関するものである。

繊維強化プラスチックに代表されるように，高分子材料や樹脂材料の様々な工業製品への適用が広まっている。今後これらの材料は，疲労や衝撃といった過酷な負荷の作用する環境で使用される，建設機械や建造物への適用拡大が期待されている。

このような機械や建造物では，自重や圧力，もしくは熱変形に起因する力のように一定の荷重が加わった状態で使用される。このため，稼働時もしくは使用時に振動荷重が加わると，一定の荷重に振動荷重が重畳した状態となる。また，機械や建造物の稼働時や使用時に加わる振動荷重は，その周波数が数１００Ｈｚまで達することもある。

一般に材料の疲労強度は，繰返し負荷される荷重に起因する応力(以下，繰返し応力と記す)に，平均的に負荷されている荷重に起因する応力(以下，平均応力と記す)が重畳することによって低下することが知られている。また，材料は高速で繰返し変形する際には少なからず発熱し，特に高分子材料や樹脂材料の疲労強度は発熱によっても低下することが知られている。したがって，材料に対して平均応力を発生させる一定の荷重が与えられた状態で，高速で振動荷重を与えることのできる疲労試験装置の実現が望まれる。

材料に対して高速で振動荷重を与える試験装置としては，超音波を利用した疲労試験機がある。この試験装置は，超音波振動を用いて数１０ｋＨｚの周波数で高速に疲労試験を行うことが可能である。しかしながら，この装置は比較的剛性の高い金属材料を主な試験対象としているため，剛性の低い高分子材料や樹脂材料の疲労試験においては必要な変形量を発生させることが難しい。

金属材料と比較して剛性の低い高分子材料や樹脂材料に対して必要な変形量を発生させる試験装置としては，例えば試験体を片持ち梁の態様で加振装置に取り付け，試験体の共振周波数で加振することにより，比較的小さな加振力で大変形を与えることを可能とする試験装置が提案されている（特許文献１）。

特開２０１０-１２１９３９号公報

上記の疲労試験装置においては，平均応力を発生させた状態で繰返し応力を発生させる機構が備えられていないため，実稼働時や使用時に想定される状態を実現することは難しい。

（特許文献１）に係る技術では，平均値ゼロで振動する繰返し応力を試験体に発生させることを目的としており，平均応力と繰返し応力とを重畳させる機構は備えられていない。

そこで，樹脂材料などの比較的剛性の低い材料に対して高速で繰返し荷重を負荷する疲労試験装置において，材料の疲労強度に関する信頼性を向上する点で解決すべき課題がある。

本発明の目的は，かかる従来技術の事情を鑑みてなされたものであり，試験体に対して一定の荷重を与えた状態で振動荷重を与えることが可能となる疲労試験装置を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明は疲労試験装置において、
試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
前期試験体の一端と係合され，かつ前記加振手段に固定された固定冶具と，
前記試験体の他端と係合された動作冶具と，
前記動作冶具を前記加振手段に対して水平方向に滑らかに移動させる移動手段と，
前記動作冶具に対して非接触の態様で荷重を与える負荷手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は疲労強度評価システムにおいて，
前記固定冶具、もしくは前記動作治具に与えられる荷重を計測する前記固定冶具、もしくは前記動作治具に設けられた荷重計測手段と，
前記荷重計測手段の荷重を制御する制御手段と，
前記制御手段の状態を記録する記録手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は疲労強度評価システムにおいて，
前記負荷手段に設けたすき間の変化を計測する変位計測手段と，
前記変位計測手段と電気的に接続された前記荷重を制御する制御手段と，
前記制御手段と電気的に接続された前記制御手段の状態を記録する記録手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は疲労強度評価システムにおいて，
重力負荷方向に対して前記試験体の幅方向が平行となるように前記試験体を配置し，
前記加振手段によって前記試験体の厚さ方向に加振を与えることを特徴とするものである。

更に、上記課題を達成するために本発明は疲労試験装置において、
試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
前記試験体と前記試験体の長手方向に対して垂直方向に滑らかに回転できる態様で係合され，かつ前記加振手段に固定された固定冶具と，
固定冶具と同様に試験体に係合され，かつ前記加振手段に固定された移動手段によって前記加振手段に対して水平方向に滑らかに移動できる動作冶具と，
前記動作冶具に対して非接触の態様で荷重を与える負荷手段とを備えたことを特徴とするものである。

更に、上記課題を達成するために本発明は疲労試験装置において、
試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
前記試験体の両端を前記加振手段に係合する冶具と，
前記試験体の厚さ方向の荷重を非接触の態様で試験体に与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とするものである。

更に、上記課題を達成するために本発明は疲労試験装置において、
試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
前記試験体の両端を前記加振手段に係合する冶具と，
前記試験体の長手方向に対して垂直な回転モーメントを非接触の態様で前記試験体に与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とするものである。

更に、上記課題を達成するために本発明は疲労試験装置において、
試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
前記試験体の一端を前記加振手段に係合する冶具と，
前記試験体の長手接線方向に平行な荷重を前記試験体の他端に非接触の態様で与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明は疲労強度評価システムにおいて，
加振手段の重心位置に対して質量が偏り無く分布するように物体を配置することを特徴とするものである。

また、本発明は疲労強度評価システムにおいて，
内包物を密閉する容器を，前記疲労試験装置の一部もしくは全体を取り囲む状態で配置していることを特徴とするものである。

本発明によれば，機械や建造物の実稼働時や使用時に想定される，一定の荷重が負荷された状態において高速で振動荷重が負荷される状態を模擬した疲労試験の実施が実現できる。

実施例１の外観図 実施例１の側面図 平均的に負荷される荷重による疲労強度の低下を示す模式図 実施例２の側面図 実施例３の側面図 実施例４の外観図 実施例５の側面図 実施例６の側面図 実施例７の側面図 実施例８において磁力を負荷する機構を拡大した側面図 実施例９の側面図 実施例１０の外観図 実施例１１の側面図 実施例１１の側面図 直線形の試験体の外観図 中央に切欠きを付けた試験体の外観図

以下，図面を参照して本発明による疲労試験装置の一例を説明する。

図１および図２に実施例１として示す疲労試験装置１は，その外観形状および側面視形状に示すように，試験体３の一端を冶具１０によって加振台１４に固定し，加振台１４に固定されたリニアスライダ８によって加振台１４に対して水平方向に滑らかに移動できる冶具９と試験体３の他端とを係合し，冶具９および冶具９と対面する態様で加振台１４に固定された冶具１１のそれぞれに磁石４ａおよび４ｂを一定のすき間１２を設けた状態で配置し，すき間１２の距離を調整するためのスペーサ１３を冶具１１に挿入し，加振加速度波形２を計測するための加速度センサ７を加振台１４に固定し，試験体の応答加速度波形５を計測するための加速度センサ６を試験体に固定した実施形態である。

これにより，図３に示すように，加振によって発生する平均値ゼロの曲げの繰返し応力に一定の平均応力を重畳させた試験の実施が可能となる。なお，加振加速度波形２と応答加速度波形５との位相差が９０°となるように制御することで，共振状態での疲労試験の実施が可能となる。疲労試験装置１は，試験体３を固定する冶具１０，試験体３に一定の荷重を負荷する磁石４ａ，４ｂおよびこれらの磁石を取り付ける冶具９，１１が一体となって加振台１４によって加振されるため，試験装置の小型化が可能になるという利点を有する。また，バネや錘によって機械的に平均応力を与える場合と異なり，平均応力が振動に起因する慣性力の影響を受けにくい，平均応力が経年変化しにくいといった利点を有する。また，平均応力を発生する機構が非接触であるため，接触部を有する場合と異なり，当該機構においてすべり摩擦に起因する発熱を防止できるという利点も有する。

図４に実施例２として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，実施例１の疲労試験装置において，加振台１４に固定される冶具１１に電磁石１９を配置し，リニアスライダ８によって加振台１４に対して水平方向に移動可能な冶具９と磁石４ａとの間に荷重計測機器１８を配置し，荷重計測機器１８と電磁石１９とに制御装置１６を電気的に接続し，記録装置１７を制御装置１６に電気的に接続した実施形態である。

これにより，試験体３の剛性低下などによって，すき間１２の距離が変化した場合においても，荷重計測機器１８の計測結果を基に電磁石１９に流す電流を制御装置１６によって制御し，磁力を一定に保持することが可能となる。また，電流値を記録装置１７によって記録することにより，すき間１２の変化を測定することが可能となるため，試験体の剛性低下を測定することが可能となる。

図５に実施例３として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，実施例１の疲労試験装置において，加振台１１に固定される冶具１１に電磁石１９を配置し，変位計測機器２２をすき間１２の状態を観察可能な位置に配置し，荷重計測機器１８と電磁石１９とに制御装置１６を電気的に接続し，記録装置１７を制御装置１６に電気的に接続した実施形態である。

これにより，実施例２と同様にすき間１２の距離が変化した場合においても，変位計測機器２２の計測結果を基に電磁石１９に流す電流を制御装置１６によって制御し，磁力を一定に保持することが可能となる。また，この実施形態においては，変位計測機器２２の計測結果を基に，すき間１２の距離が一定に保持されるように電磁石１９に流す電流を制御し，試験体に対して一定の変位を与えた状態で振動荷重を与える疲労試験を実施することが可能となる。

図６に実施例４として示す疲労試験装置１は，その外観形状に示すように，前述の実施例１から実施例３のいずれかの疲労試験装置において，試験体３の幅方向が重力方向と平行となるように，冶具９，冶具１０，冶具１１およびリニアスライダ８を，加振台１４に固定された略Ｔ字断面形状の冶具２３に固定し，加振台１４に対して試験体３の厚さ方向の加振加速度波形２を与える実施形態である。

これにより，応答加速度波形５が重力方向に対して水平な面内に発生するため，前述の実施例１から実施例３よりも重力の影響を低減した状態での疲労試験の実施が可能となる。

図７に実施例５として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，前述の実施例１から実施例３のいずれかの疲労試験装置において，冶具９および冶具１０にピン２５ａおよびピン２５ｂを介して係合された冶具２４ａおよび冶具２４ｂと試験体３の両端とをボルト１５で締結した実施形態である。

これにより，試験体３の両端において曲げモーメントがゼロとなり，リニアスライダ８と冶具９との接触部や加振台１４と冶具１０との接合部に負荷される曲げモーメントがゼロとなるため，試験中に冶具や加振台に損傷が発生する確率を低減することが可能となる。

図８に実施例６として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，試験体３の一端を冶具１０によって加振台１４に固定し，加振台１４に固定されたリニアスライダ８によって加振台１４に対して水平方向に滑らかに移動できる冶具９と試験体３の他端とを係合し，対面する態様で，かつ一定のすき間１２を設けた状態で磁石４ｃおよび磁石４ｄをそれぞれ試験体３および加振台１４に配置し，試験体３の長手方向に対して平行に加振加速度波形２を入力する実施形態である。

これにより，一定の曲げ荷重が試験体３に与えられた状態で，試験体３の長手方向に対して平行な応答加速度波形５が試験体３に発生するため，平均値ゼロの長手方向の繰返し応力と一定の曲げ応力とを重畳させた疲労試験が可能となる。このとき，磁石４ｃの断面積よりも磁石４ｄの断面積の方が大きいことが望ましい。

図９に実施例７として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，試験体３の両端を冶具９および冶具１０によって加振台１４に固定し，対面する態様で，かつ一定のすき間１２を設けた状態で磁石４ｃおよび磁石４ｄをそれぞれ試験体３および加振台１４に冶具２０ａおよび冶具２０ｂを介して配置し，試験体３の厚さ方向に対して平行に加振加速度波形２を入力する実施形態である。

これにより，一定の曲げモーメントが試験体３に与えられた状態で，試験体３の厚さ方向に対して平行な応答加速度波形５が試験体３に発生するため，平均値ゼロの曲げの繰返し応力と曲げモーメントに起因する一定の曲げ応力とを重畳させた疲労試験が可能となる。このとき，磁石４ｃの断面積よりも磁石４ｄの断面積の方が大きいことが望ましい。

図１０に実施例８として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，前述の実施例１から実施例７のいずれかの疲労試験装置において，凸断面形状の磁石４ｅと凹断面形状の磁石４ｆとを，一定のすき間１２を設けて対面する態様で配置した実施形態である。

これにより，前述の実施例１から実施例７よりも安定的に磁力を発生できるため，試験体３に発生する平均応力を安定化することが可能となる。

図１１に実施例９として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，試験体３の一端を冶具１０によって加振台１４に固定し，試験体３の他端に磁石４ｇを配置し，加振時の磁石４ｇの軌跡に沿った断面形状を有する磁石４ｈを磁石４ｇと対面する態様で加振台１４に固定した実施形態である。

これにより，試験体３に対して試験体３の長手接線方向に平行な荷重が与えられるため、試験体３の長手方向に垂直な回転モーメントを付与できる。加振によって発生する平均値ゼロの曲げの繰返し応力と一定の平均応力とを重畳させた疲労試験が可能となる。また，必要な部品の点数が少ないため，試験装置の簡略化も可能となる。

図１２に実施例１０として示す疲労試験装置１は，その外観形状に示すように，前述の実施例１から実施例９のいずれかの疲労試験装置において，加振台１４の任意の位置にカウンターウェイト２１を配置した実施形態である。

これにより，加振台１４の重心位置に対して質量を偏りなく分布させることが可能となるため，前述の実施例１から実施例９よりも高精度に加振加速度波形２を発生させることが可能となる。

図１３および図１４に実施例１１として示す疲労試験装置１は，その側面視形状に示すように，前述の実施例１から実施例１０に示した疲労試験装置の一部もしくは全体を取り囲む態様で環境槽２６を配置した実施形態である。

これにより，たとえば平均値ゼロの曲げの繰返し応力に平均応力と腐食環境の影響を重畳させた疲労試験が可能となる。また，一定の荷重を非接触状態で与えられるため，図１３に示すように環境槽の外側から荷重を与えられるという利点や，図１４に示すように試験装置全体を環境中に配置した場合においても環境による荷重の時間変化が生じにくいという利点を有する。

上記の各実施例では，試験体３はボルト１５を介して冶具９および冶具１０に固定されているが，図１５および図１６に示すように試験体３につかみ部２７ａ，２７ｂを設け，これらのつかみ部を冶具９および冶具１０で挟み込んで固定しても良い。

１…疲労試験装置，２…加振加速度波形，３…試験体，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ…磁石，５…応答加速度波形，６…加速度センサ，７…加速度センサ，８…リニアスライダ，９…冶具，１０…冶具，１１…冶具，１２…すき間，１３…スペーサ，１４…加振台，１５…ボルト，１６…制御装置，１７…記録装置，１８…荷重計測機器，１９…電磁石，２０ａ，２０ｂ…冶具，２１…カウンターウェイト，２２…変位計測機器，２３…冶具，２４ａ，２４ｂ…回転冶具，２５ａ，２５ｂ…ピン，２６…環境槽，２７ａ，２７ｂ…つかみ部，２８…切欠き

Claims (10)

1. 試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
   前期試験体の一端と係合され，かつ前記加振手段に固定された固定冶具と，
   前記試験体の他端と係合された動作冶具と，
   前記動作冶具を前記加振手段に対して水平方向に滑らかに移動させる移動手段と，
   前記動作冶具に対して非接触の態様で荷重を与える負荷手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
2. 請求項１の疲労強度評価システムにおいて，
   前記固定冶具、もしくは前記動作治具に与えられる荷重を計測する前記固定冶具、もしくは前記動作治具に設けられた荷重計測手段と，
   前記荷重計測手段の荷重を制御する制御手段と，
   前記制御手段の状態を記録する記録手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
3. 請求項１の疲労試験装置において，
   前記負荷手段に設けたすき間の変化を計測する変位計測手段と，
   前記変位計測手段と電気的に接続された前記荷重を制御する制御手段と，
   前記制御手段と電気的に接続された前記制御手段の状態を記録する記録手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項の疲労試験装置において，
   重力負荷方向に対して前記試験体の幅方向が平行となるように前記試験体を配置し，
   前記加振手段によって前記試験体の厚さ方向に加振を与えることを特徴とする疲労試験装置。
   
5. 試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
   前記試験体と前記試験体の長手方向に対して垂直方向に滑らかに回転できる態様で係合され，かつ前記加振手段に固定された固定冶具と，
   固定冶具と同様に試験体に係合され，かつ前記加振手段に固定された移動手段によって前記加振手段に対して水平方向に滑らかに移動できる動作冶具と，
   前記動作冶具に対して非接触の態様で荷重を与える負荷手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
6. 試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
   前記試験体の両端を前記加振手段に係合する冶具と，
   前記試験体の厚さ方向の荷重を非接触の態様で試験体に与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
7. 試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
   前記試験体の両端を前記加振手段に係合する冶具と，
   前記試験体の長手方向に対して垂直な回転モーメントを非接触の態様で前記試験体に与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
8. 試験体に対して振動負荷を連続的に与える加振手段と，
   前記試験体の一端を前記加振手段に係合する冶具と，
   前記試験体の長手接線方向に平行な荷重を前記試験体の他端に非接触の態様で与える前記試験体および前記加振手段に固定された負荷手段とを備えたことを特徴とする疲労試験装置。
   
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項の疲労試験装置において，
   加振手段の重心位置に対して質量が偏り無く分布するように物体を配置することを特徴とする疲労試験装置。
   
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項の疲労試験装置において，
    内包物を密閉する容器を，前記疲労試験装置の一部もしくは全体を取り囲む状態で配置していることを特徴とする疲労試験装置。