JP2018009823A - ゴムの摩耗試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実使用に合致したゴムの摩耗状態をより高精度で簡便に把握することができるゴムの摩耗試験装置を提供する。【解決手段】ゴムの試験サンプルＳを保持部３により保持し、圧着機構１０によってこの試験サンプルＳに対して、回転している回転体４の円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与することにより、試験サンプルＳを所定の定位置で円周面４ａに押圧しつつ、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容した状態にして、スティック・スリップ現象を再現して試験サンプルＳを摩耗させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ゴムの摩耗試験装置に関し、さらに詳しくは、実使用に合致したゴムの摩耗状態を、より高精度で簡便に把握することができるゴムの摩耗試験装置に関するものである。

従来、ゴムの耐摩耗性を評価する試験機として、ＤＩＮ摩耗試験機やウィリアムス摩耗試験機が知られている。しかしながら、これら摩耗試験機は、予め設定された一定条件下の耐摩耗性を把握することを目的としている。そのため、コンベヤベルトの様々な使用環境に整合した条件に設定することができず、実使用した場合のコンベヤベルトの上カバーゴムの耐摩耗性を精度よく予測することが難しい。

そこで、環状のベルトサンプルおよびベルトコンベヤ装置と類似した機構を用いた摩耗試験装置が提案されている（特許文献１参照）。この試験装置によれば、コンベヤベルトの実際の使用条件に類似した条件下で試験を行えるので、上カバーゴムの耐摩耗性を精度よく把握するには有利である。しかしながら、環状のベルトサンプルが必要となり、試験装置の構造も複雑になる。

ところで、対象物とゴムとが接触状態で相対移動してゴムに対して対象物が摺動している場合、両者は常に一様に接触している訳ではない。ゴムが対象物から受ける力（摩擦力）に対抗して弾性変形する工程（粘り工程）と、この摩擦力に対抗できずに弾性変形が解消されて対象物に対してゴムが滑る工程（滑り工程）とを繰り返すスティック・スリップ現象が生じている。従来の試験装置では、このスティック・スリップ現象を十分に考慮してないため、ゴムの摩耗状態を高精度で把握するには改善の余地がある。

特開２０１６−９０４１７号公報

本発明の目的は、実使用に合致したゴムの摩耗状態を、より高精度で簡便に把握することができるゴムの摩耗試験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の摩耗試験装置は、ゴムの試験サンプルを保持する保持部と、前記試験サンプルが接触する円周面を有する回転体と、この回転体を回転駆動する駆動部と、前記保持部に保持されている前記試験サンプルに、前記円周面に向けた付加力を付与するとともに、この付加力と反対方向への前記試験サンプルの移動を常に許容する圧着機構とを備えて、回転駆動されている前記回転体に対して前記保持部に保持されている前記試験サンプルを所定の定位置で前記円周面に圧着させる構成にしたことを特徴とする。

本発明によれば、前記圧着機構を用いて、前記保持部に保持されている前記試験サンプルに対して、回転駆動されている前記回転体の前記円周面に向けた付加力を付与して所定の定位置で前記円周面に圧着させるとともに、この付加力と反対方向への前記試験サンプルの移動を常に許容することで、スティック・スリップ現象を再現することができる。そのため、環状のゴムサンプルや複雑な構造の装置を用いることなく、実使用に合致したゴムの摩耗状態を、より高精度で把握することが可能になる。

本発明の摩耗試験装置を正面視で例示する説明図である。 図１の摩耗試験装置の一部を平面視で例示する説明図である。 スティック・スリップ現象を例示する説明図である。 摩耗試験装置の別の実施形態の一部の構成を正面視で例示する説明図である。 コンベヤベルトラインを単純化して例示する説明図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明のゴムの摩耗試験装置を、図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図２に例示する本発明のゴムの摩耗試験装置１では、試験対象とするゴムの試験サンプルＳは環状体ではなく、ブロック状などの塊を使用すればよい。この試験装置１は、試験サンプルＳを保持する保持部３と、回転体４と、回転体４を回転駆動する駆動部５と、圧着機構１０とを備えている。この実施形態の摩耗試験装置１は、さらに、動力計６ａ、温度センサ６ｂ、カメラ６ｃ、制御部７、温調機構８およびスクレーパ１６を備えていて、動力計６ａおよび制御部７を除く構成部品がベース２の上に設置されたケーシング２ａによって覆われている。

保持部３は試験サンプルＳを着脱自在に保持する。保持部３は単数に限らず、複数設けることもできる。

回転体４は、円柱状または円筒状の研磨輪であり、試験サンプルＳが接触する円周面４ａを有している。円周面４ａが試験サンプルＳに対する研磨面となる。回転体４は、その円中心に設けられている回転軸４ｂを中心にして回転可能になっている。

円周面４ａの材質や表面粗さ等は、試験条件によって適切な仕様が選択される。例えば、円周面４ａの仕様が異なる複数の回転体４を用意しておき、必要な円周面４ａの仕様に応じて回転体４を交換する構成にする。或いは、円周面４ａのみ交換可能な回転体４にすることもできる。この場合は、必要な仕様の円周面４ａを回転体４のコアに装着する。

駆動部５は例えば駆動モータであり制御部７に接続されている。制御部７によって回転体４(回転軸４ｂ)の回転速度が所望の速度に制御される。この実施形態では、動力計６ａを介して駆動部５と制御部７とが接続されている。動力計６ａは回転体４の回転駆動に要するエネルギ（例えば、駆動モータ５の消費電力）を計測する。動力計６ａによる計測データは制御部７に入力、記憶される。

圧着機構１０は、保持部３に保持されている試験サンプルＳに対して、円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与する。これにより、保持部３に保持されている試験サンプルＳを、回転駆動されている回転体４に対して所定の定位置で円周面４ａに圧着させる。圧着機構１０はさらに、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容する構成になっている。

具体的には、この実施形態の圧着機構１０は、保持部３が連結されたＬ字状の保持アーム１１ａと、保持アーム１１ａに一端が接続されたワイヤ１２と、このワイヤ１２の他端に接続された錘１５とで構成されている。回転体４の回転軸４ｂと平行に配置されている支持軸１４が、ベース２に立設されている支柱１１を貫通して回転自在に支持されている。この支持軸１４の一端部に保持アーム１１ａが固定され、他端部にはバランサー１３が固定されている。

錘１５の重量が、ワイヤ１２を介して保持アーム１１ａに作用する。そのため、ワイヤ１２の張力によって、保持アーム１１ａと一体化している保持部３は、試験サンプルＳとともに、支持軸１４を中心にして回転する。即ち、錘１５の重量が保持部３に保持されている試験サンプルＳに作用して、試験サンプルＳに対して円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与する。

付加力Ｆの大きさは、錘１５の重量を変更することで容易に変えることができる。或いは、保持アーム１１ａに対するワイヤ１２の接続位置と支持軸１４との水平距離や、バランサー１３の重量を変更することで付加力Ｆの大きさを変更することもできる。また、錘１５を取り除いた状態で付加力Ｆがゼロとなるようにバランサー１３を設置することもできる。例えば、錘１５を取り除いた状態の圧着機構１０の自重を打ち消して付加力Ｆがゼロとなるように、バランサー１３の重量と支持軸１４からの距離を選択する。錘１５を取り除いた状態で付加力Ｆがゼロとなるようにバランサー１３を設置し、且つ、試験サンプルＳと支持軸１４との距離と、保持アーム１１ａに対するワイヤ１２の接続位置と支持軸１４との距離とを等しくすることにより、錘１５の重量と付加力Ｆとを等しくすることができる。

円周面４ａに対向する試験サンプルＳの表面は、常に一定の大きさの付加力Ｆ（規定荷重）によって円周面４ａに押圧されて接触した状態になる。付加力Ｆの向きは、回転体４の回転中心（回転軸４ｂ）に向かう方向にすることが好ましい。この方向にすることで、付加力Ｆによって試験サンプルＳを安定して円周面４ａに押圧して接触させることができる。支持軸１４を中心とした保持アーム１１ａの回転を円滑にするために、例えばベアリングを介して支持軸１４を支柱１１で支持するとよい。

ここで、試験サンプルＳは、錘１５の重量に基づいて円周面４ａに向かって押圧されているだけである。そのため、保持アーム１１ａが支持軸１４を中心に回転することで、試験サンプルＳは付加力Ｆと反対方向に常時、移動が可能になっている。これに伴い、試験サンプルＳに対して付加力Ｆと反対方向の力が作用すれば、試験サンプルＳは円周面４ａから離反する方向に移動することが可能である。

圧着機構１０は、この実施形態に例示した構成に限定されない。圧着機構１０は、保持部３に保持されている試験サンプルＳに対して、円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与して所定の定位置で円周面４ａに圧着させるとともに、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容する構成であれば、様々な構成を採用することができる。

この実施形態では、試験サンプルＳが回転軸４ｂと同じ水平レベル位置で円周面４ａに接触しているが、試験サンプルＳが円周面４ａに接触する位置（回転体４の周方向位置）はこれに限らない。例えば、回転軸４ｂの上方の位置で試験サンプルＳが円周面４ａに接触する構成にすることもできる。このように試験サンプルＳを円周面４ａに圧着させる所定の定位置は、適宜設定することができる。

温度センサ６ｂは、円周面４ａまたは試験サンプルＳの少なくとも一方の温度を検知する。温度センサ６ｂによる検知データは、制御部７に入力、記憶される。カメラ６ｃは、試験サンプルＳの動きを撮影し、撮影した動画データは、制御部７に入力、記憶される。

温調機構８は、試験サンプルＳを所望の温度に調整する。この実施形態では、温調機構８はケーシング２ｂの上面に備わっている。温調機構８によってケーシング２ｂの内部温度を所定温度に調整することで、間接的に試験サンプルＳの温度が調整される。

温調機構８は制御部７によって制御される。試験サンプルＳを直接加温するヒータや、直接冷却する冷却器を温調機構８として採用することもできる。

スクレーパ１６は例えばブラシ状であり、円周面４ａに接触している。この実施形態では、スクレーパ１６は、回転軸４ｂを挟んで試験サンプルＳとは反対側の位置で円周面４ａに接触している。

ところで、実際のコンベヤベルトラインでは、図５、図６に例示するように、コンベヤベルト１７Ａによって搬送された搬送物２０が別のコンベヤベルト１７Ｂに投入されて、搬送先に搬送される。コンベヤベルト１７Ｂは、プーリ１８、１８間に架け渡されていて所定のテンションで張設されている。

コンベヤベルト１７Ｂは、帆布やスチールコード等の心体で構成される心体層１７ｃと、心体層１７ｃを挟む上カバーゴム１７ａと下カバーゴム１７ｂとにより構成されている。心体層１７ｃは、コンベヤベルト１７Ｂを張設するためのテンションを負担する。コンベヤベルト１７Ｂのキャリア側では下カバーゴム１７ｂが支持ローラ１９により支持され、リターン側では上カバーゴム１７ａが支持ローラ１９により支持されている。コンベヤベルト１７Ｂのキャリア側では、例えばベルト幅方向に３つの支持ローラ１９が配置されていて、これらの支持ローラ１９によってコンベヤベルト１７Ｂは所定のトラフ角度ａで凹状に支持されている。

一般に搬送物２０は、走行速度Ｖ１が相対的に遅いコンベヤベルト１７Ａから走行速度Ｖ２が相対的に速いコンベヤベルト１７Ｂに投入される（走行速度Ｖ１＜走行速度Ｖ２）。コンベヤベルト１７Ｂの上カバーゴム１７ａ上では、投入された搬送物２０の速度が走行速度Ｖ１からＶ２に変化することになる。そのため、上カバーゴム１７ａに対して搬送物２０が摺動し、この摺動が主要因の１つとなって上カバーゴム１７ａは摩耗する。

このように搬送物２０が上カバーゴム１７ａに対して摺動する場合、スティック・スリップ現象が生じている。スティック・スリップ現象では、上述したように粘り工程と滑り工程とを繰り返すため、対象物が摺動するゴムＲの表面には、図３に例示するように摺動方向ＦＤに所定のピッチＰで摩耗の筋Ｌが形成される。このピッチＰは滑り工程に対応し、摩耗の筋Ｌは粘り工程に対応する。本発明の摩耗試験装置１では、このスティック・スリップ現象を再現することが可能になっている。

以下、この摩耗試験装置１を用いてゴムの摩耗状態を把握する方法を説明する。

図１、２に例示するように、保持部３には試験サンプルＳを保持させる。円周面４ａは所望の仕様に設定する。例えば、試験サンプルＳとしてコンベヤベルトの上カバーゴム１７ａを評価する場合には、そのコンベヤベルトによって搬送する搬送物２０の形状等に整合する表面粗さの円周面４ａを用いる。また、試験サンプルＳに所望の付加力Ｆが付与されるように錘１５の重量を設定し、設定した所望の速度で回転体４を回転させる。また、温調機構８を作動させて試験サンプルＳを所望の温度に設定する。これらの設定は例えば、試験サンプルＳのゴムが実使用される条件に合致するように行われる。

このように設定した摩耗試験装置１では、図１に例示するように試験サンプルＳには、回転する回転体４の円周面４ａに向けた付加力Ｆが付与される。試験サンプルＳは回転体４に対して所定の定位置で、付加力Ｆによって円周面４ａに押圧されて接触する。回転体４は回転しているため、試験サンプルＳと円周面４ａとは摺動状態となり、試験サンプルＳの円周面４ａとの接触面は徐々に摩耗する。

所定の試験時間後に、試験サンプルＳの摩耗量の測定や摩耗面を観察する。また、試験前後での試験サンプルＳの表面粗さを比較して、総合的に試験サンプルＳの摩耗状態を把握する。

ここで、本発明では、試験サンプルＳは付加力Ｆと反対方向への移動が常に許容されている。そのため、円周面４ａで摺動している試験サンプルＳでは、円周面４ａとの摩擦力に対抗して弾性変形する工程（粘り工程）と、この摩擦力に対抗できずに弾性変形が解消されて円周面４ａに対して滑る工程（滑り工程）とを繰り返すことができる。即ち、スティック・スリップ現象が再現される。

一方、試験サンプルＳに対して流体シリンダ等によって付加力Ｆを付与する構成であると、試験サンプルＳは付加力Ｆと反対方向に移動できる余地がないため、常時、円周面４ａに密着した状態になる。そのため、粘り工程と滑り工程とを繰り返すことができずにスティック・スリップ現象を再現することができない。

本発明によれば、スティック・スリップ現象を再現することができるので、実使用に合致したゴムの摩耗状態を、より高精度で把握することが可能になる。特に、コンベヤベルトの上カバーゴムの摩耗状態を把握するには好適である。

また、試験サンプルＳはブロック状などの小片でもよく、わざわざ環状体を用意する必要もない。しかも、試験サンプルＳに対して回転体４の円周面４ａに向けた付加力Ｆを付与して所定の定位置で円周面４ａに圧着させるとともに、付加力Ｆと反対方向への試験サンプルＳの移動を常に許容する構成にするには、複雑な構造の装置を用いる必要はない。

本発明では、試験中に温度センサ６ｂにより円周面４ａまたは試験サンプルＳの少なくとも一方の温度変化を検知できる。試験サンプルＳが摩耗する際には熱エネルギが生じるので、温度センサ６ｂによる検知データに基づいて、摩耗する際のエネルギを把握することができる。ゴムの種類によってこのエネルギの大きさは異なる。そのため、この検知データは、例えば、このエネルギを小さくできるゴム種を把握するには有益である。

動力計６ａによって回転体４の回転駆動に要するエネルギを計測することで、エネルギの変動が把握できる。回転体４の回転駆動に要するエネルギは、ティック・スリップ現象の粘り工程では相対的に大きくなり、滑り工程では相対的に小さくなる。そのため、動力計６ａにより検知したエネルギの変動に基づいて、その試験サンプルＳのティック・スリップ現象における所定のピッチＰを把握することが可能になる。このピッチＰはゴム種や試験条件によって異なるので、ゴムの摩耗状態を評価するには１つの指標になる。

また、動力計６ａによる検知データに基づいて、試験サンプルＳに作用する摩耗力を算出することもできる。例えば、付加力Ｆを付与して試験サンプルＳを回転体４の円周面４ａに接触させた場合と、接触させない場合とで、回転体４を所定速度で回転駆動させる際に要するエネルギを比較することで、試験サンプルＳと円周面４ａとの摩擦によって生じているエネルギを算出できる。即ち、比較したエネルギの差が摩擦によるエネルギとして近似できる。そして、回転体４の外径や回転速度等は既知なので、試験サンプルＳに作用している摩擦力を概ね算出できる。これにより、ゴム種毎に試験サンプルＳに付与する付加力Ｆと摩擦力との関係を把握することができる。

この実施形態では、カメラ６ｃによって試験サンプルＳの動きを撮影することで、スティック・スリップ現象における試験サンプルＳの挙動を確認することができる。スティック・スリップ現象における粘り工程と滑り工程とを繰り返す１周期は、回転体４の回転速度やゴム種によって変化するが、例えば０．０１秒〜０．０３秒程度である。したがって、１秒で１００コマ以上の撮影ができる高速度のカメラ６ｃを用いるとよい。

また、カメラ６ｃの撮影データにより、試験サンプルＳの押圧方向の変形量を把握することもできる。したがって、試験サンプルＳの変形量と付加力Ｆとの関係、この変形量と摩擦力との関係を把握することも可能になる。

試験サンプルＳの耐摩耗性には温度依存性がある。そこで、温調機構８によって試験サンプルＳの温度を異ならせて試験をすることで、この温度依存性をゴム種毎に把握することができる。

この実施形態では、回転体４が回転することにより、円周面４ａに付着している試験サンプルＳの摩耗くず等は、スクレーパ１６によって除去される。これにより、円周面４ａを常に一定の表面粗さに維持し易くなるため、試験サンプルＳのゴムの摩耗状態を高精度で把握するには益々有利になる。スクレーパ１６の円周面４ａとの接触位置は、試験サンプルＳに対して回転体４の回転方向前方側にして、かつ、なるべく下方に配置すると、除去された摩耗くず等が飛散することを防止できる。

図４に例示する摩耗試験装置１の別の実施形態では、試験サンプルＳが接触している円周面４ａと、この試験サンプルＳとの間に介在物Ｗを投入する投入機構８を備えている。介在物Ｗとしては、試験サンプルＳのゴムが使用される条件下で、このゴムに付着することが想定される材料等を用いる。介在物Ｗの具体例としては、水、油、砂などの微小粒子が挙げられる。

投入機構８を設けることにより、介在物Ｗの有無による試験サンプルＳの摩耗状態の違いを把握することができる。そのため、実使用に合致したゴムの摩耗状態を精度よく把握するには益々、有利になる。介在物Ｗの供給量（供給速度）は、制御部７により制御するとよい。

１ 摩耗試験装置
２ ベース
３ 保持部
４ 回転体
４ａ 円周面
４ｂ 回転軸
５ 駆動部
６ａ 動力計
６ｂ 温度センサ
６ｃ カメラ
７ 制御部
８ 温調機構
９ 投入機構
１０ 圧着機構
１１ 支柱
１１ａ 保持アーム
１２ ワイヤ
１３ バランサー
１４ 支持軸
１５ 錘
１６ スクレーパ
１７Ａ コンベヤベルト
１７Ｂ 別のコンベヤベルト
１７ａ 上カバーゴム
１７ｂ 下カバーゴム
１７ｃ 芯体層
１８ プーリ
１９ 支持ローラ
２０ 搬送物
Ｓ 試験サンプル
Ｗ 介在物

Claims (8)

1. ゴムの試験サンプルを保持する保持部と、前記試験サンプルが接触する円周面を有する回転体と、この回転体を回転駆動する駆動部と、前記保持部に保持されている前記試験サンプルに、前記円周面に向けた付加力を付与するとともに、この付加力と反対方向への前記試験サンプルの移動を常に許容する圧着機構とを備えて、回転駆動されている前記回転体に対して前記保持部に保持されている前記試験サンプルを所定の定位置で前記円周面に圧着させる構成にしたことを特徴とするゴムの摩耗試験装置。
2. 前記回転体の回転速度および前記付加力を制御する制御部を備えた請求項１に記載のゴムの摩耗試験装置。
3. 前記回転体の回転駆動に要するエネルギを計測する動力計を備えた請求項１または請求項２に記載のゴムの摩耗試験装置。
4. 前記円周面または前記試験サンプルの少なくとも一方の温度を検知する温度センサを備えた請求項１〜３のいずれかに記載のゴムの摩耗試験装置。
5. 前記試験サンプルの動きを撮影するカメラを備えた請求項１〜４のいずれかに記載のゴムの摩耗試験装置。
6. 前記試験サンプルの温度を調整する温調機構を備えた請求項１〜５のいずれかに記載のゴムの摩耗試験装置。
7. 前記円周面に接触するスクレーパを備えた請求項１〜６のいずれかに記載のゴムの摩耗試験装置。
8. 前記試験サンプルが接触している前記円周面と、この試験サンプルとの間に介在物を投入する投入機構を備えた請求項１〜７のいずれかに記載のゴムの摩耗試験装置。

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