JP2843118B2 - 軸疲労試験装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、航空用ガスタービンエンジン等の回転機械
の回転軸の疲労強度確認を行ない得るようにした軸疲労
試験装置に関するものである。

［従来の技術］ 以下、従来の軸疲労試験装置を第８図・第９図を用い
て説明する。

ベース１の上部に支持部材２を介して軸一端部固定治
具３を設ける。

ベース１の上方に前記軸一端部固定治具３と水平方向
に対向させて軸他端部固定治具４を配設し、ベース１か
ら立設されたスタンド５を用いて、前記軸一端部固定治
具３と軸他端部固定治具４間を結ぶ線を中心として揺動
自在となるよう、軸他端部固定治具４を枢支する。

軸他端部固定治具４に、前記揺動の中心から第９図の
左右に伸びる２本のアーム6,7を設け、該アーム6,7の先
端とベース１との間に、ユニバーサルジョイント８を介
して、夫々略上下方向に伸縮動可能な一対のねじり用ア
クチュエータ9,10を介装し、軸他端部固定治具４を揺動
可能とする。

軸他端部固定治具４の軸一端部固定治具３とは反対の
側とベース１から立設された支持部材11との間に、ユニ
バーサルジョイント12を介して、略水平方向に伸縮動可
能な引張りアクチュエータ13を介装して、軸他端部固定
治具４を前記引張り用アクチュエータ13の長手方向に移
動可能とする。

尚、14は疲労試験が行なわれる軸である。

先ず、軸一端部固定治具３と軸他端部固定治具４の間
に疲労試験を行なおうとする軸14の両端を固定する
（尚、第８図では軸14の両端に形成されたフランジをボ
ルト止めしている）。

次に、引張り用アクチュエータ13を周期的に伸縮動
し、軸他端部固定治具４ごと軸14の他端を引張り用アク
チュエータ13の長手方向に往復移動することにより、軸
14に周期的に引張り荷重を掛ける。

そして、軸14に引張り荷重が掛けられた状態で、ねじ
り用アクチュエータ9,10を互に反対方向に周期的に伸縮
動し、軸他端部固定治具４ごと軸14の他端を繰返し揺動
することにより、軸14に周期的にねじり方向の荷重を掛
ける。

これにより、軸14の引張りとねじりに対する疲労試験
が行なわれる。

第10図は従来の軸疲労試験装置の他の例である。

ベース15の上部に、前後に間隔をおいて前部架台16と
後部架台17とを設ける。

前部架台16の上部に、上下方向に屈伸自在な屈伸リン
ク18及び支持部材19を介してロータリーアクチュエータ
20を上下方向に僅かに傾動し得るように支持し、該ロー
タリーアクチュエータ20の出力軸にカップリング21を介
して作動軸22を持続し、該作動軸22の先端に軸一端部固
定治具23を取り付ける。

後部架台17の上部に、疲労試験を行なう軸14の他端近
傍を挿通固定自在な軸他端部固定治具25を、前記軸一端
部固定治具23と対向させて配設し、該軸他端部固定治具
25を上下方向に屈伸自在な屈伸リンク24を介して上下方
向に僅かに傾動し得るよう後部架台17に支持する。

後部架台17上部の軸他端部固定治具25より前部側の位
置に、軸受26を介して前記軸14を挿通支持可能な軸中間
部支持部材27を設け、且つ、後部架台17上部の軸他端部
固定治具25より後部側の位置に、前記軸14を回動可能で
且つ上下方向には移動不能に係止保持する軸他端部係止
保持具28を支持部材29を介して設置する。

前記作動軸22の中途部に球面軸受30を備えたブラケッ
ト31を挿通配置し、ブラケット31とベース15との間に上
下方向に伸縮動可能な曲げ用アクチュエータ32を介装
し、前記軸他端部固定治具25とベース15から立設したフ
レーム34との間に上下方向に伸縮動可能な曲げ用アクチ
ュエータ33を介装する。

先ず、疲労試験を行なおうとする軸14一端のフランジ
を軸一端部固定治具23に固定し、軸14を軸中間部支持部
材27の軸受26及び軸他端部固定治具25に挿通支持させた
後、軸14他端近傍のフランジを軸他端部固定治具25に固
定し、更に軸14の他端を軸他端部係止保持具28に回転可
能で且つ上下方向に移動不能に係止保持させる（尚、第
10図では軸14は分割可能なものを使用しており、又両端
に形成されたフランジでボルト止めされている）。

次に、曲げ用アクチュエータ32,33を周期的に伸縮動
し、軸14の一端部に下向きの荷重を及び軸14の他端部に
上向きの荷重を掛けたり各荷重を解放したりすることに
より、軸中間部支持部材27の軸受26及び軸他端部係止保
持具28を支点として第10図に仮想線で示すように軸14を
曲げたり伸ばしたりする。

そして、軸14を曲げたり伸ばしたりした状態で、ロー
タリーアクチュエータ20を作動し、カップリング21、作
動軸22、軸一端部固定治具23を介て軸14の一端を交互に
ねじり、軸14にねじり方向の荷重を掛けたり緩めたりす
る。

これにより、軸14の曲げとねじりに対する疲労試験が
行なわれる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記従来の軸疲労試験装置には、以下の
ような問題があった。

近年、特に航空用ガスタービンエンジンの分野では、
軽量化のためタービンとコンプレッサをつなぐ細長い回
転軸をできるだけ薄肉の中空体とすることが重要になり
つつあるが、回転軸を可能なかぎり薄肉の中空体とした
場合、回転軸にはこれまでの引張り荷重とねじり荷重に
加えて新たに曲げ荷重の影響が無視出来なくなって来る
ので、回転軸に引張りとねじりと曲げの三種類の荷重を
同時に掛けた上で回転軸の疲労強度を試験する必要が生
じてきた。

しかも、航空用ガスタービンエンジンのタービンとコ
ンプレッサをつなぐ細長い中空の回転軸は、一体物とは
限らず、複数部材をスプライン部やカービックカップリ
ング部で結合してある結合物の場合もあるが、このよう
な結合物の場合には、回転軸が曲げられつつ回転するこ
とによりスプライン部やカービックカップリング部がこ
すれ合ういわゆるフレッティング現象を生じスプライン
部やカービックカップリング部の疲労強度が著しく減少
するので、フレッティング現象による疲労強度の減少度
合いも含めて回転軸の疲労強度を試験できるようにする
ことが回転軸の設計上不可欠となる。

ところが、従来の軸疲労試験装置は、第８図・第９図
に示すものは引張りとねじり、第10図に示すものはねじ
りと曲げと、いずれも二種類の荷重しか同時に回転軸に
掛けることができないので回転軸の薄肉化に対応した疲
労試験を行なうことができなかった。

本発明は、上述の実情に鑑み、引張りとねじりと曲げ
の三種類の荷重を同時に掛けた上で回転軸の疲労強度を
試験し得るようにした軸疲労試験装置を提供することを
目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ベースの上方にコラムを介してヘッドプレ
ートを支持し、ベース上部に軸下端部固定治具を取り付
け、軸下端部固定治具の上方に軸下端部固定治具と上下
に対向させて軸上端部固定治具を配設し、円の中心から
半径方向に伸びる少なくとも３本のアームを円の周方向
に対し等間隔に備えて成るアームプレートの前記中心に
前記軸上端部固定治具を支持し、アームプレートの前記
中心とヘッドプレートとの間に略上下方向に伸縮動可能
な引張り用アクチュエータを接続し、アームプレートの
各アーム先端付近とヘッドプレートとの間に略上下方向
に伸縮動可能な曲げ用アチュエータを接続し、アームプ
レートのアーム先端付近に略水平方向に伸縮動可能なね
じり用アクチュエータを接続したことを特徴とする軸疲
労試験装置にかかるものである。

［作用］ 軸下端部固定治具と軸上端部固定治具との間に疲労試
験をしようとする軸を支持固定し、中心に前記軸上端部
固定治具を支持するアームプレートを引張り用アクチュ
エータを用いて引張ることにより軸に引張り荷重が掛け
られる。

又、アームプレートをねじり用アクチュエータを用い
てねじることにより軸にねじり方向の荷重が掛けられ
る。

更に、アームプレートを曲げ用アクチュエータを用い
て曲げることにより軸に曲げ荷重が掛けられる。

以上を組合せることにより、引張りとねじりと曲げの
三種類の荷重を同時に掛けた上で軸の疲労強度が試験さ
れる。

［実 施 例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図〜第５図は、本発明の一実施例である。

ベース35の上方に油圧シリンダ等の上下方向へ伸縮自
在な４本のコラム36を介して十文字状のヘッドプレート
37を支持し、中空のフレーム38を形成する。

該フレーム38のベース35上部に軸下端部固定治具39を
取り付け、フレーム38の内部に前記軸下端部固定治具39
と上下に対向させて軸上端部固定治具40を配設し、円の
中心から半径方向に伸びる少なくとも３本（本実施例で
は４本）のアーム41,42,43,44を円の周方向に対し等間
隔に備えて成るアームプレート45を設け、該アームプレ
ート45の前記中心に前記軸上端部固定治具40を支持す
る。

アームプレート45の前記中心とヘッドプレート37との
間に、第２図に示すような、球面体46a,46bと球面受47
a,47bと両者間にオイル層48a,48bを形成するためのシー
ル49a,49bとから成る静圧軸受50a,50bを介して、略上下
方向に伸縮動可能な引張り用アクチュエータ51を接続す
る。

アームプレート45の各アーム41,42,43,44先端付近と
ヘッドプレート37の上部に固定したサブプレート51との
間に、ユニバーサルジョイント53を介して、略上下方向
に伸縮動可能な曲げ用アクチュエータ54,55,56,57を接
続する。

アームプレート45のアーム42,44先端付近とベース35
から立設したスタンド58との間に、ユニバーサルジョイ
ント59を介して、略水平方向に伸縮動可能なねじり用ア
クチュエータ60,61を接続する。

引張り用アクチュエータ51及び曲げ用アクチュエータ
54,55,56,57並びにねじり用アクチュエータ60,61とアー
ムプレート45との接続部分に夫々荷重検出器62,63,64,6
5,66,67,68を設け、荷重検出器62,63,64,65,66,67,68か
らの検出信号を演算制御装置69に入力し得るようにす
る。

又、入力装置70から引張り用アクチュエータ51及び曲
げ用アクチュエータ54,55,56,57並びにねじり用アクチ
ュエータ60,61の動きを設定した入力信号、及び疲労試
験を行なおうとする軸71に貼り付けた歪ゲージ等のセン
サ72からの応答信号を演算制御装置69に入力し、前記検
出信号や入力信号や応答信号に基づき引張り用アクチュ
エータ51及び曲げ用アクチュエータ54,55,56,57並びに
ねじり用アクチュエータ60,61を制御するようにする。

次に、作用について説明する。

軸下端部固定治具39と軸上端部固定治具40との間に疲
労試験を行なおうとする軸71の上下端に形成されたフラ
ンジをボルト止めする。この際、コラム36を伸縮動させ
ることによりフレーム38の高さを変えて疲労試験を行な
おうとする軸71の長さに対応させることができる。

そして、演算制御装置69に、入力装置70からの引張り
用アクチュエータ51及び曲げ用アクチュエータ54,55,5
6,57並びにねじり用アクチュエータ60,61の動きを設定
した入力信号に基づいて各アクチュエータ51,54,55,56,
57,60,61に対する制御荷重の指令信号を送り、且つ各ア
クチュエータ51,54,55,56,57,60,61とアームプレート45
との接続部分に設けた荷重検出器62,63,64,65,66,67,68
からの検出信号と疲労試験を行なおうとする軸71に貼り
付けた歪ゲージ等のセンサ72からの応答信号に基づいて
前記制御荷重の指令信号を修正させて、各アクチュエー
タ51,54,55,56,57,60,61のフィードバック制御を行なわ
せる。

これにより、演算制御装置69は引張り用アクチュエー
タ51に対して荷重制御信号を送り、引張り用アクチュエ
ータ51を収縮動し、アームプレート45及び軸上端部固定
治具40ごと軸71の上端を上方へ引張り、軸71に引張り荷
重を掛ける。

又、演算制御装置69はねじり用アクチュエータ60,61
に対して荷重制御信号を送り、ねじり用アクチュエータ
60,61を周期的に伸縮動し、アームプレート45及び軸上
端部固定治具40ごと軸71の上端を周方向へ交互にねじる
ことにより、軸71に周期的なねじり方向の荷重を掛け
る。

更に、演算制御装置69は曲げ用アクチュエータ54,55,
56,57に対して荷重制御信号を送り、曲げ用アクチュエ
ータ54,55,56,57を互に位相を90度ずつずらして周期的
に伸縮動させることにより、第４図・第５図に示すよう
に、アームプレート45に略円錐形を描かせ、軸71に周方
向へ移り変る曲げ荷重を掛けて、軸71上端に振れ回り運
動を起こさせる。この際、静圧軸受50a,50bとユニバー
サルジョイント53,59よりアームプレート45が各アクチ
ュエータ51,54,55,56,57,60,61に対して自由に動けるよ
うになっているので、引張り荷重、曲げ荷重、ねじり方
向の荷重の相互干渉が軽減される（第６図（イ）（ロ）
（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）参照）。

以上により、例えば航空用ガスタービンエンジンの分
野で、軽量化のためタービンとコンプレッサをつなぐ細
長い回転軸をできるだけ薄肉の中空体とした場合に必要
となる、回転中の回転軸に生じる引張りとねじりと曲げ
の三種類の荷重を同時に掛けた上での回転軸の疲労強度
試験を行なうことができるようになる。

しかも、引張りとねじりと曲げの三種類の荷重を同時
に掛けて回転軸の疲労強度を試験することができるの
で、航空用ガスタービンエンジンのタービンとコンプレ
ッサをつなぐ細長い回転軸が、複数部材をスプライン部
やカービックカップリング部で結合した結合物の場合に
は、回転軸が曲げられつつ回転することによりスプライ
ン部やカービックカップリング部がこすれ合って生じる
いわゆるフレッティング現象によるスプライン部やカー
ビックカップリング部の疲労強度の減少を加味された回
転軸の疲労強度が試験されることになる。

続いて、試験の精度を高めるための制御方法について
説明する。

引張り用アクチュエータ51や曲げ用アクチュエータ5
4,55,56,57やねじり用アクチュエータ60.61からアーム
プレート45や軸71に所定の荷重を加えようとしても、各
アクチュエータ51,54,55,56,57,60,61による荷重の相互
干渉の発生（特に曲げ用アクチュエータ55,57とねじり
用アクチュエータ60,61両方が接続されているアームプ
レート45のアーム42,44に顕著である）や、各アクチュ
エータ51,54,55,56,57,60,61の作動速度を早めたときに
アームプレート45及び軸71に作用する慣性の影響等か
ら、軸71には加えた荷重に見合う大きさの荷重が掛らな
いことがある。このため、試験の結果に誤差が生じるこ
とになる。

そこで先ず、各アクチュエータ51,54,55,56,57,60,61
ごとにアームプレート45に一定の大きさの静的な荷重を
加え、各場合につき軸71に作用した荷重を歪ゲージ等の
センサ72で計測し、各アクチュエータ51,54,55,56,57,6
0,61から加えた荷重の大きさと軸71に作用した荷重の大
きさとの関係を予め求めておき、入力装置70からの入力
信号に応じて演算制御装置69で求められる各アクチュエ
ータ51,54,55,56,57,60,61への制御荷重を求めた関係に
基づいて補正させるようにする。

次に、各アクチュエータ51,54,55,56,57,60,61により
アームプレート45に相互に関連性のない動的な荷重を同
時に発生させて、各アクチュエータ51,54,55,56,57,60,
61とアームプレート45との接続部分に設けた荷重検出器
62,63,64,65,66,67,68でアームプレート45に作用した荷
重を検出し、荷重検出器62,63,64,65,66,67,68からの検
出信号を演算制御装置69に入力して各アクチュエータ5
1,54,55,56,57,60,61からアームプレート45への荷重の
伝達関数を求めておき、入力装置70からの入力信号に応
じて演算制御装置69で求められる各アクチュエータ51,5
4,55,56,57,60,61への制御荷重を求めた伝達関数に基づ
いて更に補正させるようにする。

その結果、上記したような制御を行なわない第７図
（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）の場合に
は、入力装置70からの入力信号が演算制御装置69で補正
されないまま一転鎖線で示すような制御荷重として各ア
クチュエータ51,54,55,56,57,60,61へ送られるので、実
線で示す軸71の応答荷重が破線で示す軸71の目標荷重と
異なってしまうが、上記したような制御を行なう第６図
（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）の場合に
は、入力装置70からの入力信号が演算制御装置69で補正
された上で一点鎖線で示すような制御荷重となって各ア
クチュエータ51,54,55,56,57,60,61へ送られるので、軸
71の応答荷重が軸71の目標荷重と一致され、その分だけ
試験精度が向上される。

但し、第６図（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）
（ト）は各アクチュエータ51,54,55,56,57,60,61につい
ての荷重と時間との関係を示す線図（（イ）（ロ）
（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）は夫々アクチュエータ
51,54,55,56,57,60,61に対応しており、又、縦軸は荷
重、横軸は時間を夫々表している）である。

尚、本発明は、上述の実施例にのみ限定されるもので
はなく、アームプレートのアームの数は三本としても四
本以上としても良いこと、ねじり用アクチュエータはア
ームプレートのアーム全てに取り付けても良いこと、そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変
更を加え得ることは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の軸疲労試験装置によれ
ば、引張りとねじりと曲げの三種類の荷重を同時に掛け
た条件のもとで軸の疲労強度を試験できるという優れた
効果を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の全体斜視図、第２図は第１図
の引張り用アクチュエータとヘッドプレートおよびアー
ムプレートとの接続部分に介在された静圧軸受の断面
図、第３図は第１図のための制御系統図、第４図は軸の
曲げを示す側面図、第５図は第４図の斜視図、第６図
（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）は各アク
チュエータについての荷重と時間との関係を示す線図、
第７図（イ）（ロ）（ハ）（ニ）（ホ）（ヘ）（ト）は
補正を行なわない場合の各アクチュエータについての荷
重と時間との関係を示す線図、第８図は従来例の側面
図、第９図は第８図のIX−IX矢視図、第10図は他の従来
例の側面図である。 図中35はベース、36はコラム、37はヘッドプレート、39
は軸下端部固定治具、40は軸上端部固定治具、41,42,4
3,44はアーム、45はアームプレート、51は引張り用アク
チュエータ、54,55,56,57は曲げ用アクチュエータ、60,
61はねじり用アクチュエータを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川嶋 鋭裕 東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷229番地 石川島播磨重工業株式会社瑞穂工場内 (56)参考文献 特開 昭61−97546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−300938（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベースの上方にコラムを介してヘッドプレ
   ートを支持し、ベース上部に軸下端部固定治具を取り付
   け、軸下端部固定治具の上方に軸下端部固定治具と上下
   に対向させて軸上端部固定治具を配設し、円の中心から
   半径方向に伸びる少なくとも３本のアームを円の周方向
   に対し等間隔に備えて成るアームプレートの前記中心に
   前記軸上端部固定治具を支持し、アームプレートの前記
   中心とヘッドプレートとの間に略上下方向に伸縮動可能
   な引張り用アクチュエータを接続し、アームプレートの
   各アーム先端付近とヘッドプレートとの間に略上下方向
   に伸縮動可能な曲げ用アクチュエータを接続し、アーム
   プレートのアーム先端付近に略水平方向に伸縮動可能な
   ねじり用アクチュエータを接続したことを特徴とする軸
   疲労試験装置。