JP4395563B2

JP4395563B2 - 振動試験方法

Info

Publication number: JP4395563B2
Application number: JP2003424895A
Authority: JP
Inventors: 隆勝中嶋; 和城津田; 義春寺岸; 利夫高田
Original assignee: OSAKAPREFECTURAL GOVERNMENT
Current assignee: OSAKAPREFECTURAL GOVERNMENT
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005181195A

Description

本発明は、貨物車両等の輸送手段に積載される被輸送品の振動に対する耐久性を評価するための振動試験方法に関するものである。

従来より、車両、鉄道、航空機等の輸送手段に積載される貨物、機器等の被輸送品に対しては、事前に振動試験を行うことにより、その耐久性を評価することが一般的に行われている。このような被輸送品に関しては、現実には輸送中に低加速度の振動を長時間受けることにより損傷が発生している。これに対して、振動試験では、高加速度の振動を短時間、例えば１時間程度加えることにより、損傷が発生しているか否かを検査し、これによって現実の輸送中に被積載物に発生する損傷を予測している。このような振動試験としては、例えば特許文献１で開示されているものがある。
特開２００２-００５７８２号公報

ところで、上記のような振動試験で用いられる試験条件は、振動伝達が線形であることを前提としており、疲労Ｓ−Ｎ曲線に基づいて決定されている。つまり、被輸送品の種類は数多くあり、振動応答特性もその数だけ存在するにもかかわらず、試験条件は一律に定められている。

しかしながら、貨物等の被輸送品は、発泡材料、紙、木材など非線形振動を生ずる緩衝材で支持されていることが多いため、所定値以上の振動に対しては幾何学的大変形を伴った大きい応答振動が現れることがあり、この大きい振動によって被輸送品が損傷することがある。このような現実にもかかわらず、上記のように振動試験の条件は一律であるため、例えば上記所定値より小さい振動加速度が試験条件として付与された場合には、大きい振動が発生することなく試験が行われていた。また、逆に現実の試験条件よりも厳しい条件、つまり上記所定値よりも大きい条件で試験が行われている場合も考えられる。このように、従来の試験方法では、現実の振動状況を正確に再現することができず、振動耐久性の評価精度が低いという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、実輸送環境に即した正確な振動耐久性の評価を行うことができる振動試験方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の振動試験方法は、振動台に被輸送品を配置した後、実輸送の輸送条件における振動加速度で、前記振動台を振動させる第１ステップと、前記振動台上の被輸送品に生ずる振動加速度を計測し、この振動加速度から実輸送の全行程における蓄積疲労を算出し、これを理論蓄積疲労とする第２ステップと、前記実輸送の輸送条件における振動加速度、或いはそれよりも小さい振動加速度で前記振動台を所定時間振動させる第３ステップと、前記被輸送品に生ずる振動加速度を計測した後、その振動加速度に基づいて前記所定時間内に前記被輸送品が受ける蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第４ステップと、前記振動台の振動加速度を増大させ、当該振動加速度で前記振動台を所定時間振動させる第５ステップと、前記被輸送品に生ずる振動加速度を計測した後、その振動加速度に基づいて前記所定時間内に前記被輸送品が受ける蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第６ステップと、前記実蓄積疲労の和が前記理論蓄積疲労になるまで、前記第５及び第６ステップを繰り返す第７ステップとを備えている。

なお、ここでいう被輸送品とは、車両、鉄道等の輸送手段で輸送される製品の他、車両等に搭載される機器など振動による破損が想定される物品を意味している。また、輸送条件とは、例えば、実際の輸送時に車両等の輸送手段で発生する振動加速度、輸送時間、振動周波数などが該当する。また、このほかにも車両搭載機器の場合には、その製品が使用されるときに受ける振動加速度などの条件をいう。

また、本発明に係る第２の振動試験方法は、実輸送において被輸送品に生ずる振動のパワースペクトル密度を計測する第１ステップと、前記被輸送品を振動台上に配置し、前記計測されたパワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を計測する第２ステップと、計測されたパワースペクトル密度を所定の周波数間隔に分割し、逆フーリエ変換によって振動波形を導出した後、この振動波形に基づいて、前記周波数間隔ごとに前記実輸送における全行程の蓄積疲労を算出し、これを理論蓄積疲労とする第３ステップと、前記被輸送品を振動台上に配置し、前記実輸送において計測されたパワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を所定時間振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を計測する第４ステップと、前記第４ステップで計測されたパワースペクトル密度から前記第３ステップと同様にして所定時間内の蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第５ステップと、前記振動台における振動のパワースペクトル密度を増大させ、当該パワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を所定時間振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を計測する第６ステップと、前記第６ステップで計測されたパワースペクトル密度から前記第３ステップと同様にして所定時間内の蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第７ステップと、前記実蓄積疲労の和が前記理論蓄積疲労になるまで、前記第６及び第７ステップを繰り返す第８ステップとを備えている。

前記理論蓄積疲労及び実蓄積疲労は、Ｓ−Ｎ曲線に基づいて算出されることが好ましい。

また、前記振動台を振動させる合計時間は、２０分〜８時間であることがさらに好ましい。

本発明によれば、実輸送環境に即した正確な振動耐久性の評価を行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る振動試験方法の第１実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る試験方法で使用される振動試験装置の概略構成図である。

この振動試験装置は、車両、鉄道等の輸送手段に積載される被輸送物が輸送中の振動によって受ける損傷の有無を予測するためのものである。被輸送物とは、例えば精密機器などが該当し、このような被輸送品は、通常、緩衝材とともに、箱などの容器に収納された状態で輸送される。緩衝材は、発泡材料、紙、木材等で形成され、容器内面と被輸送物との間に配置される。

図１に示すように、この装置は、所定の加速度の振動を発生することが可能な振動台１を備えており、この振動台１上に上記被輸送物Ｐが、緩衝材３に支持された状態で配置される。この振動台１には、所定の加速度の振動を発生する振動発生装置５が取り付けられている。振動台１及び被輸送物Ｐには、これらの振動加速度を検出する第１及び第２の加速度センサ７，９がそれぞれ取り付けられており、これら加速度センサ７，９は、計測装置１１に接続されている。そして、計測装置１１は、計測された振動加速度を解析する解析装置１３に接続されている。この解析装置１３は、実際の輸送における種々の輸送条件が予め記憶されたデータベース１３ａと、被輸送品Ｐに生ずる蓄積疲労を算出する演算部１３ｂと、上記振動発生装置５の動作を制御する制御部１３ｃとを備えている。データベース１３ａに記憶される輸送条件とは、例えば、実際の輸送時に車両等の輸送手段で発生する振動加速度、輸送時間、振動周波数などがある。また、疲労の算出に使用する計算式も記憶されている。この計算式は、種々のものを使用することができるが例えば、疲労Ｓ−Ｎ曲線を利用して、被輸送品Ｐの蓄積疲労βを次式で表すことができる。

ここで、ｎ：振動回数、Ａ：振動加速度、α：被輸送品に固有の値、β：蓄積疲労である。

上記式（１）を用いることで、被輸送品が受ける蓄積疲労が算出される。また、上記制御部１３ｃは、振動発生装置５で発生する振動加速度の変更、調整等の制御を行うものである。

次に、振動試験方法について図２のフローチャートを参照しつつ説明する。ここでは、一例として、精密機器を被輸送品として輸送する場合を想定し、輸送条件が、振動加速度０．５Ｇ（４．９ｍ／ｓ²），輸送時間１０時間、振動周波数１０Ｈｚ、α＝４の場合について試験を行う。この条件により、全輸送行程における振動回数は３．６×１０⁵となる。まず、試験対象となる実輸送環境の輸送条件をデータベース１３ａに蓄積しておき（ステップＳ１）、ここから選択した輸送条件で振動台１を振動させる（ステップＳ２）。この振動台１上には、緩衝材３に支持された被輸送品Ｐが配置されている。そして、被輸送物Ｐに生じる振動加速度を計測し、この振動加速度に基づいて上記式（１）から、被輸送品Ｐが実輸送の全行程で受ける蓄積疲労を算出する（ステップＳ３）。このように算出される実輸送の全行程での蓄積疲労を理論蓄積疲労と称することとする。このとき、上記データベース１３ａから輸送条件を選択する以外に、新たな輸送条件を解析装置１３に入力して理論蓄積疲労を算出することもできる。この輸送条件における理論蓄積疲労は、上記式（１）から２２５００と算出される。

続いて、上記輸送条件における振動加速度、つまり０．５Ｇで振動台１を振動させ（ステップＳ４）、第２加速度センサ９によって被輸送品Ｐの振動加速度を測定する。ここで計測された振動加速度は、振動台１のものと同じであり、０．５Ｇであった。この振動加速度で５分間（振動回数は３×１０³）振動台１を振動させると、式（１）から蓄積疲労は１８８と算出される（ステップＳ５）。以下、このように、所定時間内の振動によって被輸送物Ｐが受ける疲労を実蓄積疲労と称することとする。この時点における実蓄積疲労は、上記理論蓄積疲労には達していないため、さらに振動を付与する必要がある。

そこで、振動台１の振動加速度を増大する（ステップＳ６）。このとき、解析装置１３の制御部１３ｃによって振動台１の振動加速度を上昇させつつ、第１加速度センサ７によって検出された振動加速度が設定すべき振動加速度となるように、振動台１の振動加速度が調整される。ここでは、その一例として０．５Ｇから０．７５Ｇに振動加速度を上昇させる。この振動台１の振動によって被輸送品Ｐで生ずる振動加速度を計測すると０．７５Ｇであった。そして、０．７５Ｇの振動加速度で例えば５分間被輸送品Ｐを振動させると、この５分間における被輸送品Ｐの実蓄積疲労は、式（１）から９４９となる（ステップＳ７）。このとき、上記０．５Ｇにおける実蓄積疲労との合計は１１３７であるが、理論蓄積疲労と比較すると（ステップＳ８）、理論蓄積疲労にはまだ及ばない。そこで、振動台１に付与する振動加速度をさらに上昇させる（ステップＳ８のＮＯ）。

ここで、例えば、振動加速度を上記０．７５Ｇから１．０Ｇにすると、被輸送品Ｐで計測される振動加速度は１０Ｇとなり、５分間の実蓄積疲労は、式（１）から３×１０⁷となる。すなわち、理論蓄積疲労を越えてしまう。このように短時間の振動における実蓄積疲労が理論蓄積疲労を越えると、正確な評価をすることができないため、上記１．０Ｇは付与する振動としては適当ではない。そこで、振動加速度をやや小さい値である０．８Ｇにする。このとき、被輸送物Ｐの振動加速度は、同じ０．８Ｇである。ここまで、０．５Ｇの振動を５分間、０．７５Ｇの振動を５分間行っているので、０．８Ｇの振動加速度で被輸送物が振動される場合には、式（１）から逆算すると、８７分の振動で合計の実蓄積疲労が理論蓄積疲労に達する（ステップＳ８のＹＥＳ）。したがって、ここから８７分間、振動台１を振動させ、合計９７分間振動台１を振動させた後、停止し（ステップＳ９）、被輸送物Ｐが損傷していないかを検査する（ステップＳ１０）。なお、上記のような振動加速度の調整は、解析装置１３の演算部１３ｂで行われる。

以上のように、本実施形態によれば、実輸送時の振動を被輸送品Ｐに付与し、被輸送品Ｐから生ずる振動を計測している。したがって、一律の条件で行われていた従来の試験方法と比べ、試験の精度を向上することができる。そして、実輸送時の振動から徐々に振動を大きくしていき、実蓄積振動の和が理論蓄積疲労に達するまで試験を行うようにしているため、単一の振動加速度で試験を行う場合に比べて試験時間を大幅に短縮することができる。このとき、振動を変化させて徐々に大きくしているので、入力振動に対して、出力振動が大きく変化するような非線形性の振動も考慮した評価を行うことができる。その結果、試験の精度をより大きく向上することができる。

なお、試験を終了させるまでに振動台１を振動させるための時間は、短い程よいが、短すぎると、試験精度が低下するという問題がある。このような観点から、振動時間は５分以上８時間以下であることが好ましく、２０分以上１時間以下であることがさらに好ましい。また、各振動加速度で振動台１を振動させる時間は、短時間であることが好ましく、振動加速度の制御は、蓄積疲労速度により行われる。

なお、上記データベース１３ａには、振動台１に付与する振動と、被輸送品Ｐに生ずる振動との関係を予め記憶しておくこともできる。こうすることで、被輸送品Ｐに生ずる振動加速度を計測するステップを省くことができ、効率よく試験を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明にかかる振動試験方法の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、同一の周波数及び振動加速度で振動台を振動させて試験を行ったが、この第２実施形態では、不規則振動を振動台に付与して試験を行う。以下、これについて図３に示すフローチャートを参照して詳述する。なお、本実施形態では、図１で示したものと同じ装置を使用する。

図３に示すように、まず、実輸送において製品に発生する振動のパワースペクトル密度（ＰＳＤ：Power Spectral Density）を予め計測しておく（ステップＳ１１）。例えば、被輸送品Ｐをトラックに積載して輸送する場合には、トラックの荷台に振動を記録する記録計を配設して予め荷台に発生する振動を記録しておく。そして、緩衝材３に支持された被輸送品Ｐを振動台１上に配置した後、記録された振動と同じ振動で振動台１を振動させ（ステップＳ１２）、被輸送品Ｐに発生する振動のＰＳＤを計測する。なお、上記のように荷台の振動を記録しておく以外に、荷台に配置された被輸送品Ｐの振動を計測しておいてもよく、この場合は、記録したデータからＰＳＤを導出する。以上のように取得された被輸送品のＰＳＤの一例を図４に示す。この例では、荷台に生じた振動のＰＳＤより大きいＰＳＤが被輸送品Ｐに生じている。

次に、図５に示すように、ＰＳＤの全周波数範囲を所定の分割数、例えば対数で１０等分に分割する。続いて、分解したＰＳＤを上記周波数間隔ごとに逆フーリエ変換して図６に示す振動波形を導出する。これに続いて、分割した周波数間隔ごとに、被輸送品Ｐに生じた蓄積疲労を算出する（ステップＳ１３）。このとき、次の式（２）を用いて蓄積疲労を算出し、算出した蓄積疲労を理論蓄積疲労とする。

なお、αは被輸送品固有の値、βは蓄積疲労、ｆ_Oは期待振動数、σは振動加速度の瞬時値に関する確率密度関数の標準偏差、Ｔは実輸送時間、Γはガンマ関数を示している。

続いて、振動台１に上記と同じ実輸送でのＰＳＤを有する振動を所定時間付与した後（ステップＳ１４）、この時間内に生じる各周波数間隔ごとの蓄積疲労を式（２）を用いて算出し、これを実蓄積疲労とする（ステップＳ１５）。このとき算出される実蓄積疲労を理論蓄積疲労と比較すると、例えば図７のようになる。同図では、実蓄積疲労が、未だ理論蓄積疲労に達していないことを示している。

次に、振動のＰＳＤを所定量増大させ、そのＰＳＤを有する振動を所定時間振動台１に付与し（ステップＳ１６）、上記と同様にこの時間内における実蓄積疲労を算出する（ステップＳ１７）。そして、ここまでで得られた各ＰＳＤごとの実蓄積疲労の和を算出し、理論蓄積疲労と比較する（ステップＳ１８）。このとき、図８に示すように、実蓄積疲労の和が理論蓄積疲労に達していなければ（ステップＳ１８のＮＯ）、さらに、ＰＳＤを増大させて試験を続ける（ステップＳ１６）。こうして、ＰＳＤを増大しながら実蓄積疲労を計測し、各ＰＳＤごとの実蓄積疲労の和が理論蓄積疲労に達すると（ステップＳ１８のＹＥＳ）、振動台１の振動を停止し（ステップＳ１９）、被輸送品Ｐの損傷状況を検査する（ステップＳ２０）。

以上のように、本実施形態によれば、実輸送で発生する不規則振動を振動台１に付与して被輸送品Ｐに生ずる振動を計測している。したがって、実輸送により近い環境で試験を行うことができるため、試験精度をさらに向上することかできる。また、第１実施形態と同様に、振動のレベル、つまりＰＳＤを徐々に増大させながら実蓄積疲労の和が理論蓄積疲労に達するまで試験を行っているので、単一の振動を付与する場合に比べて実輸送環境を実現しながらも試験時間を大幅に短縮することができる。

以上、本発明の実施形態について示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、その変更は可能である。例えば、上記実施形態では、蓄積疲労を式（１）または式（２）によって算出しているが、これは一例であり、蓄積疲労が算出される計算式であれば、特には限定されない。また、上記説明では、緩衝材で被輸送品を支持した状態で、振動台に配置しているが、被輸送品をそのまま振動台上に配置し、その振動を計測することもできる。

また、上記第１実施形態では、実蓄積疲労を計測するときに、実輸送時の振動加速度で振動台の振動を開始して徐々に大きくしているが、これよりも小さい振動加速度から振動を開始してもよい。

本発明に係る振動試験方法を実施する振動試験装置の概略構成図である。本発明に係る振動試験方法の第１実施形態を示すフローチャートである。本発明に係る振動試験方法の第２実施形態を示すフローチャートである。実輸送の輸送条件、及び被輸送品に生じた振動の振動周波数とＰＳＤとの関係を示すグラフである。図４のグラフを所定の周波数間隔に分割した例である。図５のグラフから生成された振動波形である。１回目の振動が終了した時点での実蓄積疲労と理論蓄積疲労との関係を示す図である。２回目の振動が終了した時点での実蓄積疲労と理論蓄積疲労との関係を示す図である。

符号の説明

１振動台
７，９加速度センサ
Ｐ被輸送品

Claims

第１のセンサーが設けられた振動台に被輸送品を配置した後、前記第１のセンサーの検出結果に基づいて、実輸送の輸送条件における振動加速度で、前記振動台を振動させる第１ステップと、
前記振動台上の被輸送品に生ずる振動加速度を第２のセンサーで計測し、この振動加速度から実輸送の全行程における蓄積疲労を算出し、これを理論蓄積疲労とする第２ステップと、
前記実輸送の輸送条件における振動加速度、或いはそれよりも小さい振動加速度で前記振動台を所定時間振動させる第３ステップと、
前記第２のセンサーで前記被輸送品に生ずる振動加速度を計測した後、その振動加速度に基づいて前記所定時間内に前記被輸送品が受ける蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第４ステップと、
前記振動台の振動加速度を増大させ、当該振動加速度で前記振動台を所定時間振動させる第５ステップと、
前記被輸送品に生ずる振動加速度を前記第２のセンサーで計測した後、その振動加速度に基づいて前記所定時間内に前記被輸送品が受ける蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第６ステップと、
前記実蓄積疲労の和が前記理論蓄積疲労になるまで、前記第５及び第６ステップを繰り返す第７ステップと、
前記被輸送品の検査を行う第８ステップと、
を備えている振動試験方法。
実輸送において被輸送品に生ずる振動のパワースペクトル密度を計測する第１ステップと、
第１のセンサーが設けられた振動台上に前記被輸送品を配置し、前記第１のセンサーの検出結果に基づいて、前記計測されたパワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を第２のセンサーで計測する第２ステップと、
計測されたパワースペクトル密度を所定の周波数間隔に分割し、逆フーリエ変換によって振動波形を導出した後、この振動波形に基づいて、前記周波数間隔ごとに前記実輸送における全行程の蓄積疲労を算出し、これを理論蓄積疲労とする第３ステップと、
前記被輸送品を振動台上に配置し、前記実輸送において計測されたパワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を所定時間振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を前記第２のセンサーで計測する第４ステップと、
前記第４ステップで計測されたパワースペクトル密度から前記第３ステップと同様にして所定時間内の蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第５ステップと、
前記振動台における振動のパワースペクトル密度を増大させ、当該パワースペクトル密度を有する振動で前記振動台を所定時間振動させ、前記被輸送品に生じる振動のパワースペクトル密度を前記第２のセンサーで計測する第６ステップと、
前記第６ステップで計測されたパワースペクトル密度から前記第３ステップと同様にして所定時間内の蓄積疲労を算出し、これを実蓄積疲労とする第７ステップと、
前記実蓄積疲労の和が前記理論蓄積疲労になるまで、前記第６及び第７ステップを繰り返す第８ステップと
前記被輸送品の検査を行う第９ステップと、
を備えている振動試験方法。
前記理論蓄積疲労及び実蓄積疲労は、Ｓ−Ｎ曲線に基づいて算出される請求項１または２に記載の振動試験方法。
前記振動台を振動させる合計時間が、２０分から８時間である請求項１から３のいずれかに記載の振動試験方法。