JP2020046264A - ホースの耐疲労性評価システム - Google Patents

ホースの耐疲労性評価システム Download PDF

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Abstract

【課題】繰り返しの内圧付与によるホースの変形具合の経時変化を把握できるホースの耐疲労性評価システムを提供する。【解決手段】評価対象のホース１１を予め設定された形状で固定フレーム２に設置し、ホース１１の表面に歪みゲージ４ａおよびマーカ４ｂが付された状態にして、ホース１に所定内圧を繰り返し付与する過程で、歪みゲージ４ａにより歪みデータを取得するとともに、カメラ装置５によりホース１１の外形を撮影して画像データを取得して、取得された歪みデータおよび画像データに基づいて、同じ内圧時の複数の時点間でのホース１１の形状変化を把握する。【選択図】図１

Description

本発明は、ホースの耐疲労性評価システムに関し、さらに詳しくは、繰り返しの内圧付与によるホースの変形具合の経時変化を把握できるホースの耐疲労性評価システムに関するものである。
高圧ゴムホース等には、使用中に相応に高い内圧が繰り返し作用するため、優れた耐疲労性が要求される。従来、ホースの耐疲労性の評価方法としては、ホースに所定内圧を繰り返し指定回数付与した時点でホースの破壊の有無を確認する方法が知られている（例えば、特許文献１の段落００５０参照）。即ち、ＪＩＳ Ｋ ６３３０−８に規定されている衝撃圧力試験による評価方法では、ホースが疲労する過程でどのように変形し、その変形がどのように進行するのかを把握できない。ホースの耐疲労性を向上させるには、このようなホースの特性を把握することが役立つため、評価方法には更なる工夫をする余地がある。
特開２０１４−２０６３６１号公報
本発明の目的は、繰り返しの内圧付与によるホースの変形具合の経時変化を把握できるホースの耐疲労性評価システムを提供することにある。
上記目的を達成するためホースの耐疲労性評価システムは、評価対象のホースが予め設定された形状に固定されて設置される固定フレームと、前記ホースに所定内圧を繰り返し付与する加圧機構とを備えたホースの耐疲労性評価システムにおいて、前記ホースの表面に付される歪みゲージおよびマーカと、前記ホースの外形を撮影するカメラ装置と、前記歪みゲージにより取得された歪みデータおよび前記カメラ装置により取得された画像データが入力される演算部とを備えて、前記歪みデータおよび前記画像データに基づいて、前記演算部により、同じ内圧時の複数の時点間での前記ホースの形状の変形具合が算出される構成にしたことを特徴とする。
本発明によれば、表面に歪みゲージおよびマーカが付された状態のホースに所定内圧を繰り返し付与する過程で、歪みゲージにより取得された歪みデータと、カメラ装置により取得したホースの外形の画像データとに基づいて、同じ内圧時の複数の時点間でのースの形状変化を把握する。これにより、繰り返しの内圧付与によるホースの変形具合の経時変化を把握することができる。
本発明のホースの耐疲労性評価システムを側面視で例示する説明図である。 図１の評価システムを平面視で例示する説明図である。 図１のホースを一部切り欠いて内部構造を例示する説明図である。 別のホースを一部切り欠いて内部構造を例示する説明図である。 所定内圧の付与サイクルを例示するグラフ図である。 所定内圧を付与した時のホースの外径寸法の経時変化を例示するグラフ図である。 所定内圧を付与した時のホースの長手方向寸法の経時変化を例示するグラフ図である。 ホースのＦＥＭ解析モデルを側面視で例示する説明図である。
以下、本発明のホースの耐疲労性評価システムを、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ホースの耐疲労性評価システム１（以下、評価システム１という）は、油圧ホースなどの評価対象であるホース１１が予め設定された形状で固定されて設置される固定フレーム２と、ホース１１に所定内圧Ｐを繰り返し付与する加圧機構３と、ホース１１の表面に取り付けられる歪ゲージ４ａおよびマーカ４ｂと、カメラ装置５と、演算部８とを備えている。この実施形態では、評価システム１はさらに、サーモグラフィ６と、温度センサ７と、恒温槽１０とを備えている。
図３に例示するように、ホース１１は、内周側から順に、内面層１２、補強層１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）、外面層１５が同軸状に積層された構造となっている。図面の一点鎖線ＣＬは、ホース軸心を示している。内面層１２、外面層１５は、ゴムや樹脂等によって形成されている。補強層１３は補強線材１４が編組されて形成されている。補強線材１４としては、アラミド繊維、炭素繊維、ＰＢＯ繊維などの各種樹脂繊維やスチールコードなどの金属線が使用される。
図４に例示するように、ホース１１の補強層１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）は、補強線材１４がスパイラル状に巻き付けられて形成されている場合もある。この補強層３の構造では、半径方向に隣り合って積層される補強層１３では、互いの補強線材１４は交差する方向に設定される。補強層１３の積層数はホース１１に要求される性能に応じて、適宜設定される。
図１、図２に例示するように評価システム１では、ホース１１の両端部にはホース金具１６が取り付けられる。ホース金具１６は、ホース１１を実際に使用する際に取り付けられるものを用いて、実際の加締め力でホース１１に取付けるとよい。ホース１１は、ホース金具１６を介して固定フレーム２に固定される。この実施形態では、ホース１１の両端部に取り付けられたそれぞれのホース金具１６が固定フレーム２に固定されることで、ホース１１が円弧状（半円形状）になっている。
この円弧状のホース１１の曲率半径は、ホース１１が実際に使用される状態の曲率半径、或いは、その曲率半径よりも小さくするとよい。この曲率半径は例えば、ホース１１の外径の５倍〜１５倍に設定される。ホース１１は、円弧状ではなく直線状の状態（即ち、曲率半径が無限大）で固定フレーム２に固定することもできる。この実施形態では、固定フレーム２に１本のホース１１が設置されているが、１つの固定フレーム２に複数本のホース１１を設置することもできる。
一方のホース金具１６には、加圧機構３の配管３ａが連結され、他方のホース金具１６は閉塞された状態にする。加圧機構３は、配管３ａに圧力センサ３ｂを備えている。加圧機構３は、ホース１１の内部に作動油などの圧力流体Ｌを充填させて、ホース１１に対して所定内圧Ｐを繰り返し付与する。所定内圧Ｐは、図５に例示するような圧力波形によって付与される。図５では、圧力波形は正弦波になっているが例えば三角波にすることもできる。
圧力センサ３ｂにより検知された圧力データが、ホース１１に付与された内圧として演算部８に逐次入力される。加圧機構３の動作は制御部９により制御される。したがって、所定内圧Ｐの大きさ、付与時間、圧力付与サイクルは制御部９により制御される。例えば、１台のコンピュータを演算部８および制御部９として使用することができる。
歪ゲージ４ａは、ホース１１の表面の所定範囲に取り付けられる。例えば、所定内圧Ｐが付与された時の変形量が相対的に大きな範囲の複数カ所に歪ゲージ４ａを取り付けることが好ましい。ゴム製のホース１１では、圧縮変形よりも引張変形が致命的な損傷につながるので、最大の引張変形（歪データ）を取得できるように歪みゲージ４ａを取り付けるとよい。この実施形態では、ホース１１の長手方向中央部の範囲で半径方向外側の表面と、それぞれのホース金具１６の近傍範囲で半径方向外側の表面に歪ゲージ４ａが取り付けられている。
歪ゲージ４ａは、リード線を通じて演算部８に接続されている。これにより、歪ゲージ４ａにより取得された歪データが演算部８に逐次入力される。この歪みゲージ４ａにより取得される歪みデータによって、歪みゲージ４ａが付された範囲（位置）の局所的な変形具合（変位量および変形方向）を精度よく把握できる。
ホース１１の表面にはマーカ４ｂが付されている。マーカ４ｂとしては、例えば、周囲の表面と異なる色のマーキング等を用いる。マーカ４ｂも歪みゲージ４ａと同様に、ホース１１の変形量が相対的に大きな範囲の複数カ所に取り付けることが好ましい。ホース１１の表面のマーカ４ｂが付された範囲に歪みゲージ４ａが付された状態にするとよい。この実施形態では、ホース１１の長手方向および径方向に所定ピッチで離間して配置されたメッシュ状のマーカ４ｂがホース１１の表面に付されている。
マーカ４ｂは広い範囲、または、多数箇所に付すことが容易なので、マーカ４ｂの変形具合（移動具合）に基づいて、ホース１１のより広範囲の変形具合（変位量および変形方向）を把握することができる。
カメラ装置５は、ホース１１の外形の画像データを取得する。例えばカメラ装置５として、静止画または動画を撮影できるデジタルカメラが使用される。カメラ装置５により取得された画像データは演算部８に入力される。演算部８に入力された画像データはモニタ５ａに表示される。カメラ装置５は１台または複数台が設置される。この実施形態では、ホース１１の側面視の画像データおよびホース１１の正面視上方からの画像データが取得できるように２台のカメラ装置５が設置されている。少なくともいずれか１台のカメラ装置５によって、マーカ４ｂが付されている範囲の画像データが取得される。カメラ装置５の設置台数を１台にして、ホース１１に対してカメラ装置５を所望の位置に移動可能にすることもできる。カメラ装置５の移動は制御部９によって制御させるとよい。
サーモグラフィ６は、ホース１１の表面温度データを非接触で取得する。サーモグラフィ６により取得された温度データは演算部８に入力される。演算部８に入力された温度データは、複数に区分された温度範囲毎に異なる色でモニタ５ａに表示される。これにより、ホース１１の表面の温度分布を視覚的に把握できる。カメラ装置５により取得された画像データと、サーモグラフィ６により取得された温度データは、択一的にモニタ５ａに表示することも、両方を同時にモニタ５ａに表示することもできる。
サーモグラフィ６は、１台または複数台が設置される。この実施形態では、ホース１１の側面視の表面温度データおよびホース１１の正面視上方からの表面温度データが取得できるように２台のサーモグラフィ６が設置されている。少なくともいずれか１台のサーモグラフィ６によって、マーカ４ｂが付されている範囲の表面温度データが取得されるとよい。サーモグラフィ６の設置台数を１台にして、ホース１１に対してサーモグラフィ６を所望の位置に移動可能にすることもできる。サーモグラフィ６の移動は制御部９によって制御させるとよい。
温度センサ７は、ホース１の周辺環境温度データを取得する。温度センサ７により取得された周辺環境温度データは演算部８に入力される。この実施形態では、ホース１は恒温槽１０の内部に配置されている。したがって、恒温槽１０の内部空間の温度が周辺環境温度データとして温度センサ７により取得される。恒温槽１０の内部空間の温度は、制御部９によって所望の温度に制御される
以下、評価システム１を用いてホース１１の耐疲労性を評価する手順の一例を説明する。
図１、図２に例示するように、ホース１１は予め設定された形状で固定フレーム２に設置される。ホース１１には加圧機構３の配管３ａが連結される。ホース１１の表面には歪みゲージ４ａおよびマーカ４ｂが付された状態にする。ホース１１のセッティングが完了した時点で、歪みゲージ４ａにより歪みデータ、カメラ装置５によりホース１１の画像データ、サーモグラフィ６により表面温度データ、温度センサにより周辺環境温度データがそれぞれ取得される。この時点で取得されたそれぞれのデータは、初期状態のデータとして演算部８に記憶される。
次いで、加圧機構３によって、ホース１１に所定内圧Ｐを繰り返し付与する。所定内圧Ｐの大きさ、付与時間、圧力付与サイクルは例えば、ホース１１の実際の使用条件と同等の条件、または、より厳しい条件に設定される。所定内圧Ｐの付与は、予め設定された時間が経過するまで、または、予め設定された圧力付与サイクルの回数に達するまで、或いは、ホース１１が損傷するまで繰り返し継続される。
所定内圧Ｐを繰り返し付与する過程で、例えば所定の時間間隔（所定時間経過毎、或いは、所定数の圧力付与サイクル経過毎）で所定時間の間、歪みゲージ４ａにより歪みデータ、カメラ装置５により画像データ、サーモグラフィ６により表面温度データ、温度センサ７により周辺環境温度データがそれぞれ取得される。即ち、ホース１１に所定内圧Ｐを繰り返し付与しながら、それぞれのデータが取得される。
カメラ装置５、サーモグラフィ６の設置台数が１台の場合は、それぞれのデータを取得する際にこれらを移動させて、ホース１１に対して所望の複数の位置からそれぞれのデータを取得することができる。或いは、カメラ装置５やサーモグラフィ６を所定位置に固定した状態にして、ホース１１（ホース１１、固定フレーム２および加圧機構３）を所望の位置に移動させる構成にしてもよい。この構成によっても、ホース１１に対して所望の複数の位置からそれぞれのデータを取得することができる。
１回の圧力付与サイクルの中で、ピークとなる最大値の圧力が付与された時（即ち、所定圧力Ｐが付与された時）に、初期状態を基準にしてホース１１の膨張具合（外径寸法の拡大変位）は最大となり、長手方向の収縮具合（長さ寸法の縮小変位）は最大となる。一方、最小値の圧力が付与された時（即ち、付与圧力ゼロの時）に、初期状態を基準にしてホース１１の膨張具合（外径寸法の拡大変位）は最小となり、長手方向の収縮具合（長さ寸法の縮小変位）は最小となる。付与された圧力が最大値とゼロの間の任意の時では、ホース１１の膨張具合および長手方向の収縮具合は、付与された圧力が最大値の時の状態とゼロの時の状態との中間の状態になる。
圧力付与回数が増えるに連れてホース１１は疲労するため、同じ内圧時であってもホース１１の膨張具合および長手方向の収縮具合は変化する。したがって、同じ所定圧力Ｐが付与された時であっても、圧力付与回数が少ない時点よりも多い時点の方が、ホース１１がより疲労しているので、ホース１１の膨張具合および長手方向の収縮具合には経時変化が生じる。
そこで、取得された歪みデータおよび画像データに基づいて、同じ内圧時（例えば、所定内圧Ｐが付与された時や付与された内圧がゼロの時など）の複数の時点間でのホース１１の形状変化を把握する。具体的には、同じ内圧時の複数の時点間での歪みデータを用いて、ホース１１の形状変化としてホース１１の膨張具合および長手方向の収縮具合が、歪みデータの変位量として算出される。これにより、歪みゲージ４ａが付された範囲（位置）のホース１１の表面の局所的な変形具合（変位量および変形方向）を精度よく把握できる。
また、画像データにはマーカ４ｂの画像データが含まれているので、同じ内圧時の複数の時点の画像データを比較することで、この複数の時点間でのマーカ４ｂの変位量（移動量）を算出できる。そこで、ホース１１の形状変化としてホース１１の膨張具合および長手方向の収縮具合が、このマーカ４ｂの変位量として算出される。これにより、マーカ４ｂが付された範囲のホース１１の表面の変形具合（変位量および変形方向）を把握できる。マーカ４ｂを用いることで、歪みゲージ４ａに比して、ホース１１のより広範囲の変形具合を把握し易くなる。
図６は、所定内圧Ｐを付与した時のホース外径寸法の経時変化を例示している。実線はホース金具１６の近傍範囲のデータであり、×印はホース１１が破損したことを示している。破線はホース１１の長手方向中央部の範囲のデータを示している。
図７は、所定内圧Ｐを付与した時のホース長手方向寸法の経時変化を例示している。実線はホース金具１６の近傍範囲のデータであり、×印はホース１１が破損したことを示している。破線はホース１１の長手方向中央部の範囲のデータを示している。
ホース金具１６の近傍範囲は、ホース１１に対して加締め力が作用するとともに、ホース金具１６の影響によって周辺との剛性差が大きくなる。そのため、繰り返しの圧力付与によってホース１１に損傷が発生し易い範囲である。そこで、ホース１１の少なくとも一方端部にホース金具１６が取り付けられた状態にして上述した評価を行うと、ホース１１の実際の使用状態に近似した状態で、ホース１１の耐疲労性を評価することができる。
本発明によれば、上述したとおり、歪みデータや画像データに基づいて算出されたホース１１の形状変化によって、繰り返しの内圧付与によるホース１１の変形具合の経時変化を把握することができる。したがって、ホース１１の経時変形が相対的に大きい範囲を特定することができ、また、どの程度の変形具合でホース１１が損傷するのかを特定できる。このようにしてホース１１の耐疲労性として、ホース１１が疲労する過程でどのように変形し、その変形がどのように進行するのかを把握することが可能になる。把握した結果をさらに分析、検討することで、ホース１１の耐疲労性を向上させる有効な対策を講じ易くなる。
ホース１１の表面の局部的な変形具合の経時変化は、歪みデータに基づいて把握して、ホース１１の表面のより広範囲の変形具合の経時変化は、画像データに基づいて把握すればよい。この実施形態のように、ホース１１の表面のマーカ４ｂが付された範囲に歪みゲージ４ａが付された状態にすると、マーカ４ｂの変位量と歪みデータの変位量との相関関係を精度よく把握できる。この相関関係が把握できれば、例えば、同じ耐疲労性の評価を繰り返し行う場合は、ホース１１の表面に付す歪みゲージ４ａとマーカ４ｂのいずれかを省略することもできる。
この実施形態では、所定内圧Ｐを繰り返し付与する過程で、サーモグラフィ６によりホース１１の表面温度データが取得される。このサーモグラフィ６により取得された表面温度データに基づいて、演算部８により、同じ内圧時の複数の時点間での表面温度の変化が算出される。そして、同じ内圧時の複数の時点間でのホース１１の表面形状の変化と表面温度の変化との関係が演算部８により算出される。
例えば、所定内圧Ｐが付与された時の複数の時点間で、ホース１１の表面形状の変化率と、表面温度の変化率との関係が算出される。これにより、比較した両者の相関関係を把握できる。例えば、ホース１１の破損しそうな範囲は、周辺よりも過剰に発熱して表面温度が高くなる傾向がある。それ故、この相関関係を把握することで、ホース１１の破損し易い範囲を特定することでき、また、ホース１１が破損する時期を推定することが可能になる。
さらに、この実施形態では、所定内圧Ｐを繰り返し付与する過程で、温度センサ７によりホース１１の周辺環境温度データが取得される。この温度センサ７により取得された周辺環境温度データに基づいて、演算部８により、同じ内圧時の複数の時点間での周辺環境温度データの変化が算出される。そして、同じ内圧時の複数の時点間でのホース１１の表面温度の変化と周辺環境温度の変化との関係が演算部８により算出される。これにより、ホース１１の表面温度の変化に対するホース１１の周辺環境温度の影響を把握できる。一般的には、周辺環境温度が高くなるに連れてホース１１の表面温度が高くなる傾向を示す相関関係を把握できる。そこで、この相関関係を用いて、ホース１１の表面温度の変化に対する周辺環境温度の変化の影響を排除することができる。即ち、表面温度データを周辺環境温度データに基づいて補正することで、ホース１１自体の発熱による表面温度の変化を把握し易くなる。
歪みゲージ４ａおよびマーカ４ｂが付される範囲は、ホース１１の実際の使用時に、より大きな歪み（最大歪み）が生じる範囲であることが望ましい。そこで、図８に例示するように、ホース１１のＦＥＭ解析モデルＳを用いて、ホース１１に所定内圧Ｐを付与した時のホース１１における歪みデータを演算部８により予め算出する。そして、算出された歪みデータが最大値になる範囲に相当するホース１１の表面の範囲に歪みゲージ４ａおよびマーカ４ｂが付された状態にするとよい。
図８のＦＥＭ解析モデルＳではホース１１が表面を多数のメッシュに区分されていて、ホース金具１６は変形しない剛体で所定位置に固定された設定になっている。演算部８には、ＦＥＭ解析のために、ホース１１を構成するゴム部材（内面層１２、外面層１４）および補強線材１４（補強層１３）それぞれのヤング率、ポアソン比、形状データ等が演算部８に入力される。
また、このＦＥＭ解析モデルＳを用いて、ホース１１に所定内圧Ｐを付与した時の歪みゲージ４ａが付されている範囲の歪みデータを予め算出する。そして、この予め算出された歪みデータと、ホース１１に所定内圧Ｐを付与した時に歪みゲージ４ａによって取得された歪みデータと比較して、比較した両者の差異を把握する。この両者の差異の大きさによって、ＦＥＭ解析の解析精度の程度が判明するので、この差異を小さくするようにＦＥＭ解析モデルＳの設定を改良するとよい。
１ ホースの耐疲労性評価システム
２ 固定フレーム
３ 加圧機構
３ａ 配管
３ｂ 圧力センサ
４ａ 歪ゲージ
４ｂ マーカ
５ カメラ装置
５ａ モニタ
６ サーモグラフィ
７ 温度センサ
８ 演算部
９ 制御部
１０ 恒温槽
１１ ホース
１２ 内面層
１３（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ） 補強層
１４ 補強線材
１５ 外面層
１６ ホース金具
ＣＬ ホース軸心
Ｌ 加圧流体
Ｓ シミュレーションモデル
Ｓ１ ホース
Ｓ２ ホース金具

Claims (7)

  1. 評価対象のホースが予め設定された形状に固定されて設置される固定フレームと、前記ホースに所定内圧を繰り返し付与する加圧機構とを備えたホースの耐疲労性評価システムにおいて、
    前記ホースの表面に付される歪みゲージおよびマーカと、前記ホースの外形を撮影するカメラ装置と、前記歪みゲージにより取得された歪みデータおよび前記カメラ装置により取得された画像データが入力される演算部とを備えて、前記歪みデータおよび前記画像データに基づいて、前記演算部により、同じ内圧時の複数の時点間での前記ホースの形状の変形具合が算出される構成にしたことを特徴とするホースの耐疲労性評価システム。
  2. 前記ホースの表面温度データを取得するサーモグラフィを有し、前記表面温度データに基づいて前記演算部により、同じ内圧時の前記複数の時点間での前記表面温度の変化具合が算出されて、同じ内圧時の前記複数の時点間での前記形状の変化具合と前記表面温度の変化具合との関係が算出される構成にした請求項１に記載のホースの耐疲労性評価システム。
  3. 前記ホースの周辺環境温度データを取得する温度センサを有し、前記演算部により前記周辺環境温度データと前記表面温度データとの関係が算出される構成にした請求項２に記載のホースの耐疲労性評価システム。
  4. 前記表面の前記マーカが付される範囲内に前記歪みゲージが付される範囲が設定される請求項１〜３のいずれかに記載のホースの耐疲労性評価システム。
  5. 前記ホースの少なくとも一方端部に取付けられるホース金具を有し、このホース金具を介して前記ホースが前記固定フレームに設置された状態になる請求項１〜４のいずれかに記載のホースの耐疲労性評価システム。
  6. 前記表面の前記歪みゲージおよび前記マーカが付される範囲が、前記ホースの前記ホース金具の周辺範囲および前記ホースの長手方向中央部の範囲に設定される請求項１〜５のいずれかに記載のホースの耐疲労性評価システム。
  7. 前記ホースのＦＥＭ解析モデルを用いて、前記ホースに前記所定内圧を付与する過程で前記ホースの表面に生じる歪みデータが予め算出されて前記演算部に入力されていて、この算出されたＦＥＭ解析による歪みデータと前記歪みゲージにより取得された歪みデータとに基づいて、同じ内圧時の前記ホースの表面の前記歪みゲージが付された範囲での前記ＦＥＭ解析による歪みデータと前記歪みゲージにより取得された歪みデータとの差異が前記演算部により算出される構成にした請求項１〜６のいずれかに記載のホースの耐疲労性評価システム。
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