JP3816427B2

JP3816427B2 - 試験機

Info

Publication number: JP3816427B2
Application number: JP2002271819A
Authority: JP
Inventors: 辺明彦川; 野浩一郎小
Original assignee: 株式会社東京衡機製造所
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: JP2004108933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御された雰囲気内において疲労試験等の試験を行うための試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高温高圧等の腐食環境下での材料強度の評価に対するニーズが高まってきている。特に最近では、上記環境中における低サイクル疲労試験を行うことが望まれている。引張圧縮荷重を試験片に負荷して低サイクル疲労試験を行う際には、オートクレーブと呼ばれる内部雰囲気調整可能な試験容器内に試験片をセットし、試験容器を貫通する負荷軸により前記試験片に荷重を負荷している。荷重の検出は試験容器外の負荷軸上に設けられたロードセルにより検出するのが一般的である。
【０００３】
低サイクル疲労試験を行う場合には、大きな圧縮荷重が試験片に負荷されるため、精度の良い試験を行うためには、試験片を座屈させない（試験片に曲げ応力が発生しない）ことが極めて重要である。そのためには、試験機の荷重負荷機構を精度良く製造するとともに、荷重負荷機構の剛性を高める必要があり、特に負荷軸の横剛性（負荷軸の軸線方向と直交する方向に負荷軸を曲げようとした場合の曲げ剛性を意味する。以下同じ。）を高めることが重要である。
【０００４】
負荷軸の横剛性を高めるためには、負荷軸を太く短くすることが必要であるが、負荷軸は試験容器外にある荷重負荷装置から試験容器内にある試験片へと荷重伝達を行うものであるため、短くすることは容易ではない。また、負荷軸を太くすると、可動部分の重量増により荷重負荷装置の負担が高くなるため好ましくない。
【０００５】
また、負荷軸を太くすると以下のような問題もある。すなわち、前述したように荷重負荷軸が試験容器を貫通しているため、負荷軸と試験容器との間で圧力シールが必要となるが、このシール部において発生する摩擦力は負荷軸を太くするほど大きくなる。摩擦力が大きくなると、試験片に負荷される荷重波形にも影響を及ぼすおそれがある。また、荷重を試験容器外の負荷軸上に設けたロードセルで検出する場合には、ロードセルは摩擦力も検出してしまうため、荷重検出精度が損なわれてしまうという問題がある。
【０００６】
実開昭６０−７２５４９号公報には、シール部の摩擦力をロードセルが検出しないようにする構成が記載されている。ここでは、負荷軸を２分割して、試験片に接続される上側負荷軸を荷重負荷装置に接続される下側負荷軸に形成された空洞内に挿入し、試験容器と負荷軸との間のシールは下側負荷軸の外周にて行い、上側負荷軸の前記空洞内に差し込まれた部分にロードセルを形成するといった構成がとられている。
【０００７】
しかし、このような構成をとると、上側負荷軸と下側負荷軸との間の相対変位が生じうること、並びに限られたスペース内に十分な検出能を持つロードセル構造を配置するために上側負荷軸のロードセル対応部分を空洞化せざるを得ないこと等に起因して、負荷軸全体の横剛性を確保することが困難となる。また、シールのサイズが大きくなるため、試験片に負荷される荷重波形にも悪影響を与えるおそれがある。
【０００８】
【特許文献１】
実開昭６０−７２５４９号公報（第２図）
【特許文献２】
実開昭５９−３３４７号公報（第１図および第２図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実状に鑑みなされたものであり、負荷軸を太くすることなく、負荷軸の曲げ剛性を増大させることと等価な効果を得ることができる試験機の構成を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、試験容器と、前記試験容器外に配置された荷重負荷装置と、前記試験容器を貫通して延び、前記荷重負荷装置で発生した荷重を前記試験容器内に配置された試験片の一側に伝達する負荷軸と、前記試験容器内に配置された支持体と、前記試験容器内に配置されるとともに前記負荷軸および前記支持体に接続された負荷軸支持部材と、を備え、前記負荷軸支持部材は、前記負荷軸がその軸線方向に変位することを実質的に妨げない程度に前記軸線方向の荷重に対する低い変形抵抗を有し、かつ、前記負荷軸が前記軸線方向と直交する方向に変位することを実質的に防止することができる程度に前記軸線方向と直交する方向の荷重に対する高い変形抵抗を有することを特徴とする試験機を提供する。
【００１１】
好適な実施形態においては、前記負荷軸支持部材は、前記負荷軸の軸線方向と直交する平面上で延びる板状体から形成される。また、好適な実施形態においては、前記支持体は、例えば負荷軸の周りに配置された複数の支柱である。好適な実施形態においては、前記支柱は前記負荷軸を中心とする円周を等分した位置に配置され、前記負荷軸支持部材は、前記平面上を各支柱まで延びて各支持体に接続される。好適な実施形態においては、前記負荷軸支持部材は、円盤形に形成される。前記板状体はフレキシブルプレートと呼ばれる。フレキシブルプレートは、試験容器内の雰囲気に耐え、かつバネ性を有する適当な金属材料により形成することが好適である。
【００１２】
本発明による試験機は、前記試験容器内に配置されて前記試験片の他側を支持する支持体と、前記試験片の他側を支持する支持体に設けられて前記負荷軸が前記試験片に負荷した荷重を検出する荷重検出器（例えばロードセル）と、を更に備えて構成することができる。前記試験片の他側を支持する支持体と前記負荷軸支持部材が接続される支持体は同一の部材であってもよいし、異なる部材であってもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１および図２を参照して本発明の実施の形態について説明する。図面には、本発明による試験機の一例として、低サイクル疲労試験を行うのに適した疲労試験機が示されている。
【００１４】
疲労試験機は、図示しない雰囲気調節手段（例えば温度調整装置、圧力調整装置、湿度調整装置等）により内部雰囲気の調節が可能となっている試験容器１を有する。試験容器１は、蓋板１ａと、蓋板１ａ上に載置されるフランジ１ｃ付きのカップ形状の容器本体１ｂとを有する。試験時には、容器本体１ｂは蓋板１ａに強固に固定されるともに、フランジ１ｃと蓋板１ａとの間はシール部材１ｄによりシールされる。
【００１５】
蓋板１ａ上には、支持体２が固定されている。この支持体２全体は、十分に高い剛性を有している。支持体２は、複数の支柱２ａと支柱２ａの上端に固定された天板２ｂとを有している。支柱２ａは図２に示すように４本あるが、図１では下記負荷軸４と重なる位置にあるものは表示していない。天板２ｂには、試験片Ｓに負荷された荷重を検出するロードセル３が設けられている。試験片Ｓの上端は、ロードセル３と試験片Ｓとの間に介在するか若しくはロードセル３一体型の試験片支持要素（図示せず）により支持されている。
【００１６】
蓋板１ａの中央部には貫通孔が設けられており、貫通孔には試験片Ｓに荷重を負荷する負荷軸４が貫通している。負荷軸４の上側は試験容器１内にあり、荷重負荷軸４の下側は試験容器１外にある。荷重負荷軸４と蓋板１ａとの間は、前記貫通孔内周面に配置されたシール部材５によりシールされている。
【００１７】
蓋板１ａは、図示しない定盤上に設置されたベース板６ａ上に立設された支柱６ｂにより支持されている。
【００１８】
負荷軸４は鉛直方向に延びており、負荷軸４の上端は図示しない試験片支持要素（例えば負荷軸４上端に形成された試験片がねじ込まれる孔）を介して試験片Ｓの下端に接続される。負荷軸４の下端はベース板６ａ上に取り付けられた荷重負荷装置８に接続されている。負荷軸４の下端近傍にはロードセル７が設けられている。荷重負荷装置８は、ロードセル３および／またはロードセル７が検出した荷重に基づいて、試験片Ｓに負荷される荷重を制御できるように構成することができる。
【００１９】
試験容器１外において、負荷軸４にはバランスピストン４ａが設けられている。バランスピストン４ａは、荷重負荷軸４の拡径部として形成することができる。バランスピストン４ａは、蓋板１ａに固定されたシリンダ４ｂ内に収容されている。シリンダ４ｂの下室４ｃは、管４ｄを介して試験容器１内と連通している。また、シリンダ４ｂの上室４ｅは、大気に開放されている。バランスピストン４ａは、試験容器１内の圧力によって負荷軸４に負荷された荷重を補償する。なお、符号４ｆ、４ｇを付した部材は、いずれもシール部材である。
【００２０】
図２に示すように、４本の支柱２ａは負荷軸４を中心とする円周上に等間隔で配置されている。試験容器１内において、負荷軸４および支柱２ａは円盤状のフレキシブルプレート９により連結されている。フレキシブルプレート９は負荷軸４および支柱２ａに強固に固定されている。フレキシブルプレート９は、試験容器内の雰囲気に耐え、かつバネ性を有する適当な金属材料により形成することが好適である。
【００２１】
フレキシブルプレート９は、負荷軸４がその軸線Ａ方向に変位することを妨げることがないようにその厚さＴが十分に薄く形成されている。従って、フレキシブルプレート９は、負荷軸４から負荷軸４の軸線Ａ方向の力を受けた場合には容易に変形する。その一方で、フレキシブルプレート９は負荷軸４の軸線Ａ方向と直交する平面上に拡がっているため、フレキシブルプレート９は負荷軸４から負荷軸４の軸線Ａ方向と直交する方向の力を受けた場合には殆ど変形せず、負荷軸４の軸線Ａ方向と直交する方向の変位を阻止する。従って、試験片Ｓに圧縮荷重が負荷される場合に、負荷軸４に倒れや曲がりが発生することを防止することができ、試験片Ｓが座屈することを効果的に防止することができる。
【００２２】
フレキシブルプレート９は、強固に固定されさえすれば、どのような手段で負荷軸４および支柱２ａに取り付けてもよい。例えば、フレキシブルプレート９を、荷重負荷軸４および支柱２ａに溶接してもよい。しかし、装置のメンテナンスの容易化および試験時の作業性等を考慮すると、フレキシブルプレート９は、荷重負荷軸４および支柱２ａの少なくとも一方から取り外し可能とすることが好ましい。
【００２３】
特に図２（ｂ）には、フレキシブルプレート９の負荷軸４および支柱２ａへの取付方法の一例が示されている。負荷軸４および各支柱２ａには、フランジ１０が設けられている。フレキシブルプレート９には、負荷軸４および各支柱２ａに対応する位置に穴が形成されている。フレキシブルプレート９の各穴に負荷軸４および各支柱２ａが通され、フレキシブルプレート９はフランジ１０上に載置される。さらに、フレキシブルプレート９上に、負荷軸４および各支柱２ａを通して、リング１１が載置される。リング１１はネジ１２によりフランジ１０に固定され、これによりフレキシブルプレート９は負荷軸４および各支柱２ａに堅固に固定される。
【００２４】
上記実施形態には、負荷軸４に倒れや曲がりが発生することを防止することができることに加えて、更に以下の利点がある。
【００２５】
負荷軸４を太くする必要がなくなるため、負荷軸４の重量を低減することができ、荷重負荷装置８の負担を低減することができる。
【００２６】
また、負荷軸４を太くする必要がなくなるため、シール部材５と負荷軸４との間の摩擦を低減することができる。これにより試験片Ｓに負荷される荷重の波形を安定させることができる。また、試験容器１外に配置したロードセル７により試験荷重を検出する必要がある場合、例えば試験容器１内の雰囲気（例えば高温）により試験容器１内にロードセル３を配置することができない場合に、ロードセル７が検出する荷重に含まれるシール部の摩擦力を抑制することができ、精度の良い試験を行うことができる。なお、この場合、ロードセル７の検出荷重にフレキシブルプレート９の変形抵抗が含まれることになるが、その値はシール部の摩擦力に比べれば小さく、また、補正も容易である。
【００２７】
また、ロードセル３を負荷軸４の反対側に配置しているため、この試験容器１内に配置されたロードセル３を荷重検出用のロードセルとして用いた場合には、ロードセル３が検出する荷重にシール部の摩擦力およびフレキシブルプレート９の変形抵抗が含まれることはなく、試験片Ｓに負荷される荷重を精度良く検出することができる。
【００２８】
また、ロードセル３を負荷軸４の反対側に配置しているため、ロードセル３の配置スペースには十分な余裕がある。このため、扁平な横剛性の高いロードセルを用いることができるため、試験片Ｓの座屈をより効果的に防止することができる。なお、扁平な横剛性の高いロードセルとしては、本件出願人による実用新案登録出願に係る実開昭５９−３３４７号に開示されたものを用いることができる。
【００２９】
上記実施形態は、以下のように改変することも可能である。
【００３０】
図１には、フレキシブルプレート９を負荷軸４の異なる２つの高さ位置に設けているが、これには限定されず、３つ以上の異なる高さ位置に設けてもよい。また、フレキシブルプレート９を負荷軸４の１つのみの高さ位置に設けることもできるが、負荷軸の曲がりおよび倒れを防止する観点からは、複数の異なる高さ位置に設けることがより好ましい。
【００３１】
また、図示された実施形態においては、試験片Ｓの上端およびロードセル３を保持するための支持体２の支柱２ａにフレキシブルプレート９を固定したが、これに限定されるものではなく、フレキシブルプレート９を固定するための専用の支持体を設けてもよい。しかし、フレキシブルプレート９は支持体２全体の剛性向上にも寄与するため、支持体２の一部にフレキシブルプレート９を固定することがより好ましい。
【００３２】
また、図示された実施形態においては、フレキシブルプレート９は円盤状の部材であったが、これには限定されない。例えば、フレキシブルプレート９は、各支柱２ａ近傍を頂点とする多角形若しくはその類似形状、または負荷軸４から各支柱に向けて延びる複数の腕を有するような形状（例えば、負荷軸４を中心とする十文字形状のプレート）であってもよい。
【００３３】
なお、上記実施形態においては、試験容器１内部および外部にロードセル３、７をそれぞれ設けたが、上述した利点のうちの一部のみが求められるのであれば、ロードセル３、７の一方のみを設けてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷軸を太くすることなく負荷軸の剛性を高めたのと等価な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による疲労試験機の構成を示す断面図。
【図２】フレキシブルプレートの負荷軸および支柱への取付状態を説明する図であって、図２（ａ）は図１におけるIIａ−IIａ線に沿う拡大断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるIIｂ−IIｂ線に沿う拡大断面図。
【符号の説明】
１試験容器
２支持体
３荷重検出器（ロードセル）
４負荷軸
８荷重負荷装置
９負荷軸軸支持部材（フレキシブルプレート）
Ｓ試験片

Claims

試験容器と、
前記試験容器外に配置された荷重負荷装置と、
前記試験容器を貫通して延び、前記荷重負荷装置で発生した荷重を前記試験容器内に配置された試験片の一側に伝達する負荷軸と、
前記試験容器内に配置された支持体と、
前記試験容器内に配置されるとともに前記負荷軸および前記支持体に接続された負荷軸支持部材と、を備え、
前記負荷軸支持部材は、前記負荷軸がその軸線方向に変位することを実質的に妨げない程度に前記軸線方向の荷重に対する低い変形抵抗を有し、かつ、前記負荷軸が前記軸線方向と直交する方向に変位することを実質的に防止することができる程度に前記軸線方向と直交する方向の荷重に対する高い変形抵抗を有することを特徴とする試験機。
前記負荷軸支持部材は、前記負荷軸の軸線方向と直交する平面上で延びる板状体であることを特徴とする、請求項１に記載の試験機。
前記支持体は前記負荷軸の周りに複数配置されており、前記負荷軸支持部材は、前記各支持体まで延びて各支持体に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の試験機。
前記負荷軸支持部材は、円盤形であることを特徴とする、請求項３に記載の試験機。
前記試験容器内に配置され、前記試験片の他側を支持する支持体と、
前記試験片の他側を支持する支持体に設けられ、前記負荷軸が前記試験片に負荷する荷重を検出する荷重検出器と、
を更に備えたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の試験機。