JP4396845B2 - 高速引張試験機 - Google Patents

Description

本発明は、両端部を把持した試験片に対して高速度の引張荷重を加え、そのときの試験片の挙動を調査するための高速引張試験機に関する。

試験片に対して高速度の引張荷重を加え、試験片に作用する荷重と伸び（変位）との関係を計測するとともに、破断点などを調査する高速引張試験機が知られている。この種の引張試験機においては、試験片に衝撃的な引張負荷を加えるために、負荷用のアクチュエータが所要の速度に達した時点で試験片に対して急激に引張負荷を作用させる必要がある。

従来のこの種の高速引張試験機としては、図５に要部構成を断面図で示すものが知られている（例えば特許文献１参照）。この例においては、試験片Ｗの一端部を把持する掴み具５１をテーブル等に固定されているロードセル５２に固着するとともに、試験片Ｗの他端部を把持する掴み具５３をロッド５４に固着し、このロッド５４を負荷機構のピストン５５に対して軸方向に可動に設けている。ピストン５５の下端部には上向きに広がりテーパ孔からなる係合部５６ａを備えた係合部材５６を固着する一方、ロッド５４の上端部には上向きに広がるテーパ部からなる被係合部５４ａを形成した構成を採っている。この構成において、ピストン５５を高速度で上昇させたときに、図中Ｌで示す助走区間を経た後に、係合部材５６の係合部５６ａがロッド５４の被係合部５４ａに係合してこれを上昇させる。つまり、ピストン５５は、起動後にＬで表される助走区間を経ることにより所定の速度に達した時点で係合部材５６を介してロッド５４に係合してこれを上昇させるため、ロッド５４並びに上側の掴み具５２は高速度の初速度のもとに上昇し、これによって試験片Ｗには衝撃的な引張荷重が加えられる。

また、上記とは別の構成として、従来、図６に要部断面図を示すようなワンバー方式等と称される装置も知られている。この図６の装置では、試験片Ｗの一端部を把持する掴み具６１をバー６２に固着する一方、他方の掴み具６３を被打撃ブロック６４に固着するとともに、掴み具６１およびバー６２を貫通させる孔６５ａを備えた環状の打撃ブロック６５を所定の速度で被打撃ブロック６４に衝突させ、これによって試験片Ｗに衝撃的な引張負荷を加える。
特開２００４−１９１２２７号公報

ところで、上記した従来の高速引張試験機のうち、図５に示したテーパ孔の係合部とテーパ面の被係合部を備えたものにあっては、それぞれ金属面である係合部と被係合部の対向面が衝突して試験片に衝撃引張負荷を作用させるため、金属面どうしが反発して引張速度が意図するものとは異なる速度になってしまう場合がある。

また、図６に示した環状の打撃ブロックを被打撃ブロックに衝突させるものにあっては、引張当初において打撃ブロックが試験片を覆った状態となるため、高速度カメラ等で試験中の試験片の様子を観察することができないという問題もある。

本発明は上記した従来のこの種の試験機が有する問題を解決するためになされたもので、試験片に対して意図する速度のもとに衝撃的引張荷重を加えることが可能で、しかも試験中における試験片の様子を高速度カメラ等により観察することのできる高速引張試験機の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の高速引張試験機は、試験片の両端部を把持する一対の掴み具のうちの一方を、助走機構を介して油圧シリンダのピストンに係合させ、そのピストンの駆動により上記一方の掴み具を他方の掴み具に対して急速に離隔させることによって、試験片に高速度の引張負荷を作用させる高速引張試験機において、上記助走機構が、上記一方の掴み具に一端部が固着され、他端部外周に被係合部が突出形成されたロッドと、上記ピストンに固着され、当該ピストンが所定の助走区間だけ移動した時点で上記ロッドの被係合部に係合する係合部が形成されてなる係合部材によって構成され、かつ、その係合部材の係合部と上記ロッドの被係合部の互いの対向面のいずれかに、低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材が配置されているとともに、上記係合部材が、上記ロッドを内包する略円筒体であり、その一端側に上記係合部が内側に突出形成され、その係合部材の側面には、上記緩衝部材を出し入れ可能な窓が形成されていることによって特徴付けられる。

ここで、本発明においては、上記係合部材の係合部と上記ロッドの被係合部の互いの対向面が、それぞれ上記ピストンの移動方向に直交する平坦面とする構成（請求項２）を好適に採用することができる。

本発明は、一方の掴み具をロッドに固着して、そのロッドに被係合部を形成するとともに、そのロッドの被係合部に対して、ピストンに固着された係合部材の係合部を助走区間を介して係合させる助走機構を採用することにより、試験中の試験片の観察を可能とするとともに、係合部と被係合部との互いに対向する面間に、緩衝部材を介在させることによって、係合時における反発を可及的に少なくし、課題を解決しようとするものである。

すなわち、係合部と被係合部の対向面、つまり係合時に相互に衝突する面間に低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材を介在させると、助走区間を経てこれらが係合（衝突）するときに、相互に反発することを抑制することができ、係合部と被係合部とが速やかに一体運動をすることが可能となり、試験片に対してピストンの速度と同じ速度のもとに引張負荷を加えることができる。

しかも、本発明においては、係合部材の形状を、被係合部を含むロッドを内包する略円筒体としてその一端側に係合部を内側に突出形成した形状とし、その略円筒体をした係合部材の側面に窓を設けて緩衝部材を出し入れ可能としているので、緩衝部材の劣化時に簡単にこれを交換することができる。

また、請求項２に係る発明のように、係合部と被係合部の互いの対向面を、ピストンの移動方向に直交する平坦面とすると、これらの両面間の平行度を向上させて密着性を良好なものとするための加工が容易となる。

ここで、本発明における低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材の材料としては、例えば各種低反発性ゴムや、シリコーンを主材料とするゲル状素材などを好適に採用することができる。

本発明によれば、ピストンに固着された係合部材を、試験片を把持する一方の掴み具が固着されたロッドに対して所定の助走区間を介して係合させることによって試験片に衝撃的な引張負荷を加える構成を採用するとともに、その係合部材の係合部とロッドの被係合部の互いの対向面のいずれかに、低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材を配置することにより、係合部と被係合部とが高速度で衝突したときに、これら両者が反発しあうことを抑制して速やかに一体運動することを可能としているので、安定してピストンの速度とほぼ等しい速度の引張負荷を試験片に加えることができる。しかも、係合部を略円筒体としてその側面に窓を形成しているので、緩衝部材が劣化したときにその交換が容易となり、メンテナンスの容易化を図ることができる。

また、請求項２に係る発明のように、係合部と被係合部の互いに対向する面を、ピストンの移動方向と直交する平坦面とすると、これら両面が密着して速やかに力を伝達するために必要な両面間の平行度を得るための加工が容易となり、従来のテーパ孔とテーパ面とを衝突させる場合に比して、低コストで信頼性の高い高速引張試験機が得られる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の要部構成を示す断面図であり、図２（Ａ）はその係合部材５２の斜視図で、同図（Ｂ）はその平面図であり、同図（Ｃ）は緩衝部材７の斜視図である。

試験片Ｗの両端部を把持する一対の掴み具１ａ，１ｂのうち、一方の掴み具１ａはテーブル２に固定されたロードセル３に固着されており、他方の掴み具１ｂは連結部材４を介して後述する助走機構５を構成するロッド５１の下端部に固定されている。このロッド５１の上端部には、その外周に向けてフランジ状に突出する被係合部５１ａが形成されている。

掴み具１ａ，１ｂの上方には油圧シリンダのピストン６が配置されており、このピストン６は油圧シリンダの駆動により引張負荷方向である鉛直上方に移動する。そして、このピストン６の下端部には略円筒状をした係合部材５２の上端部が固着されている。係合部材５２は、前記したロッド５１を内包しており、その内径寸法はロッド５１の被係合部５１ａの外径寸法よりも僅かに大きく設定されている。この係合部材５２の下端部には内フランジ状に内側に突出する係合部５２ａが形成されており、この係合部材５２とロッド５１によって助走機構５を構成している。係合部材５２の係合部５２ａおよびロッド５１の被係合部５１ａの互いの対向面、つまり係合部５２ａの上面および被係合部５１ａの下面は、それぞれ引張負荷方向に直交する水平面に沿った平坦面となっており、係合部５２ａの上面には低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材７が配置されている。

係合部材５２の側面部分には、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように窓５２ｂが形成されている。また、緩衝部材７は、同図（Ｃ）に示すように、その中心にロッド６を貫通させる孔７ａが形成されてなる環状をしているとともに、その孔７ａと外周とを繋ぐように切れ目７ｂが形成されている。この構成により、緩衝部材７が劣化した場合には、窓５２ｂを介してこれを容易に交換することができる。ここで、緩衝部材７の材質としては、例えば内外ゴム株式会社製ハネナイト（商品名）などの低反発性ゴムや、例えば株式会社ジェルテック製αゲル（商品名）などのシリコーンを主材料とするゲル状素材を用いることができる。

以上の構成において、高速引張試験を行うに当たっては、図１に示す状態から、油圧シリンダを駆動してピストン６を高速度で上昇させる。これにより、油圧シリンダの起動当初はピストン６のみが上昇し、図中Ｌで示す助走区間を経て所要の速度に達した時点で係合部材５２の係合部５２ａの上面がロッド５１の被係合部５１ａの下面に緩衝部材７を介在させた状態で係合し、ロッド５１を急激に持ち上げる。これにより、掴み具１ｂが高速度で上昇し、試験片Ｗに高速度の引張荷重が加わる。

係合部５２ａの上面と被係合部５１ａの下面とが係合、つまり衝突する際、これらの両面間に緩衝部材７が介在しているが故に、金属面どうしが衝突する場合に比して互いに反発することが抑制され、係合部５１と被係合部５２とが係合した後にこれらが速やかに一体運動をする。その結果、上側の掴み具１ｂは助走区間Ｌを経たピストン６の速度とほぼ同じ速度で急激に上昇し、試験片Ｗに意図する速度のもとに引張負荷が加えられる。

図３は以上の本発明の実施の形態と図５に示した従来装置との比較実験を行ったグラフであり、（Ａ）が本発明の実施の形態、（Ｂ）は従来装置の実験結果をそれぞれ示している。この実験においては、ピストンを目標速度５ｍ／ｓの速度で上昇させ、そのときのピストンの速度と上側の掴み具の速度を個別に実測した。これらのグラフから明らかなように、本発明の実施の形態においては掴み具の速度はピストンとの係合した直後からほぼピストンの速度と等しくなるのに対し、従来装置においては、掴み具の速度はピストンとの係合直後に係合部と被係合部との反発によりピストンの速度よりも大幅に速い速度で上昇し、意図する速度のもとに試験片に引張負荷を作用させることができなかった。

ここで、以上の実施の形態においては、被係合部５１ａと係合部５２ａの互いの対向面を、引張方向に直交する平坦面とした例を示したが、本発明は必ずしもこのような平坦面とする必要はなく、図４に要部断面図を示すように、被係合部５１ａの下面Ｃ１および係合部５２ａの上面Ｃ２を、それぞれ同角度の円錐面とすることもでき、この場合、緩衝部材７の上下面についてもこれらの角度に対応する円錐面とすることが望ましい。

本発明の実施の形態の要部構成を示す断面図である。 （Ａ）は本発明の実施の形態における係合部材５２の斜視図、（Ｂ）はその平面図で、（Ｃ）は同じく本発明の実施の形態における緩衝部材７の斜視図である。 本発明の実施の形態と図５に示す従来の高速引張試験機の実際の引張速度の比較をするための実験結果を示すグラフで、（Ａ）が本発明の実施の形態のピストン速度と掴み具速度の実測結果を、（Ｂ）が従来装置のピストン速度と掴み具速度の実測結果をそれぞれ示すグラフである。 本発明の他の実施の形態の要部構成示す断面図である。 ピストンに助走区間を設けて掴み具を移動させる従来の高速引張試験機の要部構成を示す断面図である。 従来のワンバー法と称される方式を採用した高速引張試験機の要部構成図である。

１ａ，１ｂ 掴み具
２ テーブル
３ ロードセル
４ 連結部材
５ 助走機構
５１ ロッド
５１ａ 被係合部
５２ 係合部材
５２ａ 係合部
５２ｂ 窓
６ ピストン
７ 緩衝部材
７ａ 孔
７ｂ 切れ目
Ｗ 試験片

Claims (2)

1. 試験片の両端部を把持する一対の掴み具のうちの一方を、助走機構を介して油圧シリンダのピストンに係合させ、そのピストンの駆動により上記一方の掴み具を他方の掴み具に対して急速に離隔させることによって、試験片に高速度の引張負荷を作用させる高速引張試験機において、
   上記助走機構が、上記一方の掴み具に一端部が固着され、他端部外周に被係合部が突出形成されたロッドと、上記ピストンに固着され、当該ピストンが所定の助走区間だけ移動した時点で上記ロッドの被係合部に係合する係合部が形成されてなる係合部材によって構成され、かつ、その係合部材の係合部と上記ロッドの被係合部の互いの対向面のいずれかに、低反発性の柔軟材料からなる緩衝部材が配置されているとともに、上記係合部材が、上記ロッドを内包する略円筒体であり、その一端側に上記係合部が内側に突出形成され、その係合部材の側面には、上記緩衝部材を出し入れ可能な窓が形成されていることを特徴とする高速引張試験機。
2. 上記係合部材の係合部と上記ロッドの被係合部の互いの対向面が、それぞれ上記ピストンの移動方向に直交する平坦面であることを特徴とする請求項１に記載の高速引張試験機。

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