JP4441466B2 - Mechanical property test equipment - Google Patents

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  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Description

本発明は、高圧ガス雰囲気下において、金属、セラミックスや樹脂等の材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度あるいは引張疲労強度等の機械的特性を測定するための機械的特性試験装置に関するものである。より詳しくは、安全性に優れ、かつ試験片や治具類の交換を容易に行えるフレーム型の高圧容器を用いた試験装置において、試験装置の荷重負荷用ロッドに作用するガス圧荷重をバランスさせて負荷荷重の測定精度および試験片脱着の作業性を改善した機械的特性試験装置に関するものである。   The present invention relates to a mechanical property testing apparatus for measuring mechanical properties such as tensile strength, compressive strength, bending strength or tensile fatigue strength of materials such as metals, ceramics, and resins in a high-pressure gas atmosphere. . More specifically, in a test device using a frame-type high-pressure vessel that is excellent in safety and can easily replace test pieces and jigs, the gas pressure load acting on the load rod of the test device is balanced. In particular, the present invention relates to a mechanical property test apparatus with improved load load measurement accuracy and workability for attaching / detaching a test piece.

高圧ガス雰囲気下で用いられる金属、セラミックスや樹脂等の材料の引張強度、圧縮強度、曲げ強度、引張疲労強度等の機械的特性を把握することは、高圧ガス雰囲気下でこれらの材料を使用する設備設計上重要なことである。このような特殊環境の下では、材料の特異な現象が発現される。   To grasp the mechanical properties such as tensile strength, compressive strength, bending strength and tensile fatigue strength of materials such as metals, ceramics and resins used under high-pressure gas atmosphere, use these materials under high-pressure gas atmosphere This is important for equipment design. Under such a special environment, a peculiar phenomenon of the material is expressed.

一般的に、高圧ガス雰囲気下では、金属、樹脂、セラミックス等の材料の強度特性が変化する。例えば、数100MPaの高圧下では、金属の延性が増大することが知られており、また、特定のガス雰囲気下、例えば高圧水素ガス雰囲気下では、鋼系材料は水素を吸収して脆化することが知られている。   Generally, the strength characteristics of materials such as metals, resins, and ceramics change under a high-pressure gas atmosphere. For example, it is known that the ductility of a metal increases under a high pressure of several hundred MPa, and in a specific gas atmosphere, for example, a high-pressure hydrogen gas atmosphere, a steel material absorbs hydrogen and becomes brittle. It is known.

特に、近年、水素を燃料とする燃料電池の研究開発が活発化し、自動車や家庭用途を中心に、その適用につき試作段階から実用段階への急速な進歩が認められる。特に、自動車用途では、地球温暖化問題と化石燃料の高騰が後押しする形で、実用車への適用が急速に展開されつつあり、燃料として35MPaあるいは70MPaの高圧まで圧縮した水素を、ボンベに充填して用いる圧縮水素タイプが先行している。   In particular, in recent years, research and development of fuel cells using hydrogen as fuel has been activated, and rapid progress from the prototype stage to the practical use stage has been recognized for its application, mainly in automobiles and household use. In particular, in automotive applications, the application to commercial vehicles is rapidly being developed in the form of boosting the global warming problem and rising fossil fuels, and filling cylinders with hydrogen compressed to a high pressure of 35 MPa or 70 MPa as fuel. Compressed hydrogen type to be used is preceded.

そして、このような高圧状態から減圧弁によって減圧して使用されるが、この弁に使用される材料は鋼系の材料が用いられるため、高圧水素による機械的特性の変化の把握が安全確保の点で非常に重要であり、強度特性についての実験データの蓄積が急務とされている。   Then, the pressure is reduced by a pressure reducing valve from such a high pressure state, and the material used for this valve is a steel-based material. This is very important, and it is an urgent task to accumulate experimental data on strength characteristics.

一方、数10〜数100MPaといった高圧水素ガス雰囲気下で引張強度等の機械的特性を測定する試験装置自体もこのような雰囲気下に暴露されるため、構成材料は勿論、構造的な面でも十分な測定装置がないのが実情である。   On the other hand, since the test apparatus itself for measuring mechanical properties such as tensile strength in a high-pressure hydrogen gas atmosphere of several tens to several hundred MPa is also exposed to such an atmosphere, the structural material as well as the structural material is sufficient. The fact is that there is no simple measuring device.

材料の引張強度や圧縮強度等の機械的特性を測定するためには、特定の寸法・形状の試験片に荷重を負荷すると同時に、その試験片に負荷された荷重および変形量の両方を測定する必要がある。このような測定を高圧ガス雰囲気下で行う場合には、高圧ガス雰囲気を形成する高圧容器内部に設けた試験片支持部に試験片を収納して、高圧容器の外部から試験片に負荷する荷重を別途加えることとなる。   In order to measure mechanical properties such as tensile strength and compressive strength of a material, a load is applied to a test piece of a specific size and shape, and at the same time, both the load applied to the test piece and the amount of deformation are measured. There is a need. When such measurement is performed in a high-pressure gas atmosphere, the load is applied to the test piece from the outside of the high-pressure vessel by storing the test piece in the test piece support provided inside the high-pressure vessel forming the high-pressure gas atmosphere. Will be added separately.

この点における技術的な課題の一つは、荷重負荷用ロッドに作用する高圧ガス圧力による荷重値の誤差等の影響の低減である。この問題を解消するため、従来二つの方法が提案されている。
このような従来例に係る機械的特性試験装置を、添付図面の図5および図6を参照しながら以下に説明する。
One of the technical problems in this respect is to reduce the influence of an error in the load value due to the high pressure gas pressure acting on the load rod. In order to solve this problem, two conventional methods have been proposed.
Such a conventional mechanical property testing apparatus will be described below with reference to FIGS. 5 and 6 of the accompanying drawings.

図6は、従来例に係る材料試験用雰囲気容器の縦断面図を示す(特許文献1参照)。本従来例によれば、荷重負荷軸40とこれによって試験荷重を負荷される試験片44が収納された試験雰囲気室42との間にピストン45と圧力室41を組み合わせた構造部を設け、前記試験雰囲気室42と圧力室41とを配管43により連通させて、高圧容器46内部のガスをこの部分の圧力室41に導入してガス圧による荷重をバランスさせて、荷重負荷軸40にはガス圧による荷重が作用しないように構成する方法である。   FIG. 6 shows a longitudinal sectional view of a conventional material testing atmosphere container (see Patent Document 1). According to this conventional example, the structure part combining the piston 45 and the pressure chamber 41 is provided between the load load shaft 40 and the test atmosphere chamber 42 in which the test piece 44 loaded with the test load is accommodated. The test atmosphere chamber 42 and the pressure chamber 41 are communicated with each other by a pipe 43, and the gas inside the high-pressure vessel 46 is introduced into the pressure chamber 41 in this portion to balance the load due to the gas pressure. In this method, a load due to pressure is not applied.

しかしながら、この材料試験用雰囲気容器47によれば、圧力室41を形成するため、荷重負荷軸40に装着されたシール48、ピストン45に装着されたシール49および前記ピストン45の細い部分に装着されたシール50の3箇所のシールが必要となる。   However, according to the material test atmosphere container 47, in order to form the pressure chamber 41, the seal 48 attached to the load load shaft 40, the seal 49 attached to the piston 45, and the narrow portion of the piston 45 are attached. Three seals of the seal 50 are required.

即ち、負荷軸をそのまま高圧容器から大気中に抜き出す場合には、ガス圧による荷重は負荷として加わるが、構造的にシール部は1箇所で済むのに対して3箇所のシールが必要となり、かつ直径の大きな部分が含まれるため、摺動部分の面積は3倍以上となり、その分摩擦力に起因する抵抗力が大きくなる。また、雰囲気圧力が高圧になるほど、これらの部分で発生する摩擦力が大きくなり、ガスの漏れも発生しやすくなる。   That is, when the load shaft is extracted from the high-pressure vessel into the atmosphere as it is, the load due to the gas pressure is applied as a load, but structurally only one seal portion is required, but three seals are required, and Since a portion with a large diameter is included, the area of the sliding portion is three times or more, and the resistance force due to the frictional force increases accordingly. Further, as the atmospheric pressure becomes higher, the frictional force generated in these portions becomes larger, and gas leakage is more likely to occur.

また、このようなバランス機構を高圧容器の上蓋もしくは下蓋に組み込むとなると、これらのシールリングの交換の容易性も問題となるため、バランス機構を装着する側の蓋はかなり複雑な構造となる。更に、このバランス力を発生させるために、上記の加圧室に圧力容器内と同一のガス圧を付与するための配管等が必要となる等、構造的に非常に複雑にならざるを得ない。   In addition, when such a balance mechanism is incorporated into the upper lid or lower lid of the high-pressure vessel, the ease of replacement of these seal rings also becomes a problem, so the lid on the side where the balance mechanism is mounted has a rather complicated structure. . Furthermore, in order to generate this balance force, it is necessary to have a very complicated structure, such as a pipe for applying the same gas pressure as that in the pressure vessel to the pressure chamber. .

いま一つの方法は、本発明の発明者らによって提案された機械特性試験装置であって、図7に示すように、過重負荷用のプルロッド58と同一直径のバランスロッド54を、荷重負荷用のロッド58と一体的に移動可能として、プルロッド58が貫通している蓋56と対抗する位置で高圧容器55を貫通するように配置する方法である。   Another method is a mechanical property test apparatus proposed by the inventors of the present invention. As shown in FIG. 7, a balance rod 54 having the same diameter as that of the pull rod 58 for overloading is used. In this method, the pull rod 58 is disposed so as to penetrate the high-pressure vessel 55 at a position facing the lid 56 through which the pull rod 58 penetrates.

この方法の場合、上記の方法と比較して、プルロッド58の蓋56とのシール部分に配置されるシールリング53aのプルロッド58との接触面積を小さくできるため、摩擦力による荷重の誤差を低減できるという利点を有している。   In the case of this method, compared to the above method, the contact area between the seal ring 53a and the pull rod 58 arranged at the seal portion of the pull rod 58 with the lid 56 can be reduced, so that the load error due to the frictional force can be reduced. Has the advantage.

しかしながら、高圧容器55の内部にあって、プルロッド58とバランスロッド54を結合する支持部材52には、数10〜100MPaという高いガス圧による大きな荷重が作用するために、これを保持するためには高強度材料を用いても断面積を十分に確保する必要がある。この支持部材52の存在は、試験片51の取付空間を狭くするばかりか、試験片51の交換そのものを非常に煩雑なものとするという問題を有している。   However, since a large load due to a high gas pressure of several tens to 100 MPa is applied to the support member 52 that couples the pull rod 58 and the balance rod 54 inside the high pressure vessel 55, in order to hold this Even when a high-strength material is used, it is necessary to ensure a sufficient cross-sectional area. The presence of the support member 52 has a problem that not only the mounting space of the test piece 51 is narrowed but also the replacement of the test piece 51 itself is very complicated.

また、バランスロッド54は、プルロッド58が貫通する蓋56と対向する蓋57を貫通する構造となるため、これら二つの蓋56,57を貫通する穴の同心度が非常に重要で、これがずれているとプルロッド58に曲げ荷重が発生することになり、荷重測定精度が低下することとなる。
特公昭54−10875号公報 特開2004−340920号公報
Further, since the balance rod 54 has a structure that penetrates the lid 57 that opposes the lid 56 through which the pull rod 58 penetrates, the concentricity of the holes that penetrate these two lids 56 and 57 is very important, and this is shifted. If it exists, a bending load will generate | occur | produce in the pull rod 58, and a load measurement precision will fall.
Japanese Patent Publication No.54-10875 JP 2004-340920 A

上述したような従来例が有する問題点をまとめると、上記第一の従来例においては、シール箇所の増加による摺動面積の増大によって摩擦力に起因する抵抗力が大きくなり、かつガス漏れも発生しやすくなる問題を有していた。また、上記第二の従来例においては、高圧容器内の支持部材が試験片の取り付け空間を狭くし試験片の交換を煩雑にしている上、ロッドが貫通する二つの穴の同心度上荷重測定精度が低下しやすいという問題を有していた。   Summarizing the problems of the conventional example as described above, in the first conventional example, the resistance force due to the frictional force increases due to the increase in the sliding area due to the increase in the seal location, and gas leakage also occurs. Had the problem of being easy to do. In the second conventional example, the support member in the high-pressure vessel narrows the mounting space for the test piece and makes it difficult to replace the test piece, and the load measurement on the concentricity of the two holes through which the rod passes is performed. There was a problem that the accuracy was likely to decrease.

従って、本発明の目的は、高圧容器のシール箇所を増加させず、かつ支持部材が試験片の取付空間を狭くすることのない高精度の機械的特性装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a high-accuracy mechanical property apparatus that does not increase the number of sealing points of the high-pressure vessel and that does not cause the support member to narrow the mounting space of the test piece.

前記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る機械的特性試験装置が採用した手段は、高圧ガス雰囲気下で、高圧容器の内部に装着された試験片に前記高圧容器を貫通する荷重負荷用ロッドを介して、荷重負荷用アクチュエータによって試験荷重を負荷することにより、前記試験片の機械的特性を測定する機械的特性試験装置において、前記高圧容器は高圧円筒容器、上蓋および下蓋にて構成され、前記高圧容器は下蓋が高圧容器架台により固定支持されてなり、前記荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷用ロッドに、この荷重負荷用ロッドの試験片側と反対側の延長上にあって、前記荷重負荷用ロッドの高圧ガス受圧面積と実質的に同一の断面積を有するバランス用のピストンを連結された流体シリンダーが配置されていると共に、前記流体シリンダーが荷重負荷用アクチュエータの前記荷重負荷用ロッドに直結されており、この流体シリンダーはブラケットによって前記高圧容器に固定され、前記荷重負荷用ロッドには円筒状の連結部材が結合されており、この連結部材が前記荷重負荷用アクチュエータを構成する荷重負荷用ロッドにロードセルを介して結合される一方、前記円筒状の連結部材には、前記ブラケットとの干渉を回避するための窓穴が形成されてなることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the means employed by the mechanical property test apparatus according to claim 1 of the present invention penetrates the high-pressure vessel through a test piece mounted inside the high-pressure vessel under a high-pressure gas atmosphere. In a mechanical property test apparatus for measuring mechanical properties of the test piece by applying a test load by a load load actuator through a load load rod, the high pressure vessel is a high pressure cylindrical vessel, an upper lid and a lower lid. The high-pressure vessel has a lower lid fixedly supported by a high-pressure vessel gantry and is mounted on the load-loading rod of the load-loading actuator on an extension of the load-loading rod opposite to the test piece side. Te, with a fluid cylinder which is connected to the piston for balancing having substantially the same cross-sectional area and high-pressure gas receiving area of said load-bearing rod is disposed, The fluid cylinder is directly connected to the load rod of the load load actuator, this fluid cylinder is fixed to the high pressure vessel by a bracket, and a cylindrical connecting member is coupled to the load rod. The connecting member is coupled to a load-loading rod constituting the load-loading actuator via a load cell, while the cylindrical connecting member is formed with a window hole for avoiding interference with the bracket. It is characterized by being made.

本発明の請求項2に係る機械的特性試験装置が採用した手段は、請求項1項記載の機械的特性試験装置において、前記ロードセルが、歪ゲージ式のロードセルであることを特徴とするものである。 Means according to claim 2 Mechanical properties testing device according to the adopted in the present invention, in the mechanical properties testing device according one of claims, wherein the load cell, characterized in that a strain gauge type load cell is there.

本発明の請求項1に係る機械的特性試験装置は、前記高圧容器は高圧円筒容器、上蓋および下蓋にて構成され、前記高圧容器は下蓋が高圧容器架台により固定支持されてなり、前記荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷用ロッドに、この荷重負荷用ロッドの試験片側と反対側の延長上にあって、前記荷重負荷用ロッドの高圧ガス受圧面積と実質的に同一の断面積を有するバランス用のピストンを連結された流体シリンダーが配置されていると共に、前記流体シリンダーが荷重負荷用アクチュエータの前記荷重負荷用ロッドに直結されており、この流体シリンダーはブラケットによって前記高圧容器に固定され、前記荷重負荷用ロッドには円筒状の連結部材が結合されており、この連結部材が前記荷重負荷用アクチュエータを構成する荷重負荷用ロッドにロードセルを介して結合される一方、前記円筒状の連結部材には、前記ブラケットとの干渉を回避するための窓穴が形成されているので、高圧容器の荷重負荷用ロッドのシール箇所は1箇所のみであり、かつバランスロッドが高圧容器内に存在しないので試験片の取り付け空間を狭くすることなく、高精度の機械的特性新装置を実現し得る。また、前記ロードセルには高圧ガスによる荷重が全く作用しないという効果もある。 In the mechanical property testing apparatus according to claim 1 of the present invention, the high-pressure vessel is constituted by a high-pressure cylindrical vessel, an upper lid and a lower lid, and the high-pressure vessel has a lower lid fixedly supported by a high-pressure vessel gantry, A load-bearing rod of the load-loading actuator has a cross-sectional area that is on the extension of the load-loading rod on the side opposite to the test piece side and has substantially the same cross-sectional area as the high-pressure gas pressure receiving area of the load-loading rod. A fluid cylinder having a piston connected thereto, and the fluid cylinder is directly connected to the load rod of the load actuator, the fluid cylinder being fixed to the high pressure vessel by a bracket, A cylindrical connecting member is coupled to the load rod, and this connecting member constitutes the load load actuator. While that is coupled via a load cell rod, wherein the cylindrical connecting member, since the window holes for avoiding interference with the bracket is formed, the sealing portion of the rod for load-bearing of the high-pressure vessel Since there is only one place and the balance rod is not present in the high-pressure vessel, a high-accuracy mechanical property new apparatus can be realized without narrowing the mounting space for the test piece. In addition, there is an effect that the load by the high-pressure gas does not act on the load cell at all.

また、本発明の請求項2に係る機械的特性試験装置によれば、前記ロードセルが、歪ゲージ式のロードセルであるので、荷重負荷用ロッドにより前記試験片に負荷される試験荷重をこのロードセルによって直接測定し得る。その結果、試験荷重値を油圧から換算する場合、荷重負荷用ロッドに作用するシールリングの摩擦力による誤差を排除できるので、試験荷重値を正確に把握できる。 Further, according to the mechanical property test apparatus according to claim 2 of the present invention, since the load cell is a strain gauge type load cell , a test load applied to the test piece by the load rod is applied to the load cell. Can be measured directly. As a result, when the test load value is converted from the hydraulic pressure, the error due to the frictional force of the seal ring acting on the load load rod can be eliminated, so that the test load value can be accurately grasped.

先ず、本発明の実施の形態1に係る機械的特性試験装置を、その模式的縦断面図である図1を用いて以下に説明する。
図1において、機械的特性試験装置1の高圧容器2は、高圧円筒容器3、上蓋4aおよび下蓋4bにて構成される。そして、前記高圧円筒容器3と上蓋4aおよび下蓋4bとが、固定用シールリング17a,17bによって夫々密封されるとともに、高圧ガス雰囲気を形成するための高圧ガス配管12aが、高圧容器架台5を介して下蓋4bに接続されている。
First, a mechanical property test apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIG. 1 which is a schematic longitudinal sectional view thereof.
In FIG. 1, a high-pressure vessel 2 of a mechanical property test apparatus 1 is composed of a high-pressure cylindrical vessel 3, an upper lid 4a, and a lower lid 4b. The high-pressure cylindrical container 3 and the upper lid 4a and the lower lid 4b are sealed by fixing seal rings 17a and 17b, respectively, and a high-pressure gas pipe 12a for forming a high-pressure gas atmosphere And is connected to the lower lid 4b.

そして、前記高圧容器架台5に下蓋4b、荷重負荷用アクチュエータ(油圧シリンダー)6が固定され、下蓋4bの上面には、試験片10を固定してこの試験片10に荷重負荷用ロッド7を介して負荷される試験荷重を受けるための支持部材9が固定されている。   A lower lid 4b and a load-loading actuator (hydraulic cylinder) 6 are fixed to the high-pressure vessel pedestal 5, and a test piece 10 is fixed on the upper surface of the lower lid 4b, and a load-loading rod 7 is attached to the test piece 10. A support member 9 for receiving a test load loaded via the is fixed.

前記試験片10は、固定治具11aおよび11bによって、夫々支持部材9のステー14および荷重負荷用ロッド7に固定されている。そして、この支持部材9は、下蓋4bにねじ込む構造の2本あるいは4本の支柱13と、これら支柱13の上端に固定されたステー14とによって構成され、このステー14に前記固定治具11aが装着されている。   The test piece 10 is fixed to the stay 14 and the load loading rod 7 of the support member 9 by fixing jigs 11a and 11b, respectively. The support member 9 is composed of two or four struts 13 structured to be screwed into the lower lid 4b and a stay 14 fixed to the upper ends of the struts 13, and the stay 14 is provided with the fixing jig 11a. Is installed.

試験荷重は、前記アクチュエータ(油圧シリンダー)6により荷重負荷用ロッド7を介して試験片10に負荷される構成をなしている。この荷重負荷用ロッド7を駆動するアクチュエータ6は、ピストン15aとシリンダー15bにより構成されて、油圧配管16aおよび16bから供給される油圧をピストン15aに作用させ、これによって荷重負荷用ロッド7が駆動されるのである。   The test load is configured to be applied to the test piece 10 via the load load rod 7 by the actuator (hydraulic cylinder) 6. The actuator 6 for driving the load-loading rod 7 is composed of a piston 15a and a cylinder 15b, and applies the hydraulic pressure supplied from the hydraulic pipes 16a and 16b to the piston 15a, whereby the load-loading rod 7 is driven. It is.

前記荷重負荷用ロッド7は、下蓋4bの貫通孔に介在する摺動用シールリング18aを介して高圧容器2内に導入されている。尚、試験片10に作用する試験荷重は、前記アクチュエータ6に供給される油圧から換算して求められる。   The load-loading rod 7 is introduced into the high-pressure vessel 2 through a sliding seal ring 18a interposed in the through hole of the lower lid 4b. Note that the test load acting on the test piece 10 is obtained by conversion from the hydraulic pressure supplied to the actuator 6.

前記アクチュエータ6の荷重負荷用ロッド7と反対側には、荷重負荷用ロッド7の直径と同一径でバランスロッドと一体となったピストン8a、シリンダー8bおよび気密保持のための摺動用シールリング18cとで構成される流体シリンダー8が配置されてなる。そして、高圧ガス配管12bにより、高圧容器内のガス圧と同一圧力の高圧ガスを前記流体シリンダー8内に導入することによって、試験片10に作用するガス圧による荷重をキャンセルする構成としたのである。   On the opposite side of the load rod 7 of the actuator 6 is a piston 8a, a cylinder 8b, which is the same diameter as the load rod 7 and integrated with the balance rod, and a sliding seal ring 18c for maintaining airtightness. The fluid cylinder 8 comprised by this is arrange | positioned. The high pressure gas pipe 12b introduces a high pressure gas having the same pressure as the gas pressure in the high pressure vessel into the fluid cylinder 8, thereby canceling the load due to the gas pressure acting on the test piece 10. .

尚、ピストン8aの断面積は、荷重負荷用ロッド7の受圧面積と同一であることが望ましいが、ガス圧による荷重をキャンセルするのに十分であれば良く、完全に厳密な意味で同一面積であることは要せず、実質的に同一であれば良い。   The cross-sectional area of the piston 8a is preferably the same as the pressure receiving area of the load-loading rod 7, but it is sufficient if it is sufficient to cancel the load due to the gas pressure. It does not need to be, and may be substantially the same.

前記荷重負荷用ロッド7に試験荷重を付与するためのアクチュエータ6は、図1に示したような油圧式の外に、ボールネジと電動モータとを組み合わせた機械式のものでも良い。また、図1においては、荷重負荷用ロッド7がアクチュエータである油圧シリンダー6のピストン15aと一体となった構成としているが、分解組立を容易にするため、および後述する荷重測定用ロードセルを装着するために、荷重負荷用ロッド7とピストン15aとに分割できるような構成とするのが好ましい。   The actuator 6 for applying a test load to the load-loading rod 7 may be a mechanical type in which a ball screw and an electric motor are combined in addition to the hydraulic type as shown in FIG. In FIG. 1, the load-loading rod 7 is integrated with the piston 15a of the hydraulic cylinder 6 as an actuator. However, in order to facilitate disassembly and assembly, a load measuring load cell described later is mounted. Therefore, it is preferable that the load load rod 7 and the piston 15a be divided.

前記高圧容器2内に装着された試験片10を交換する場合は、上蓋4aと高圧容器円筒3とを、図示しない油圧式もしくは機械式の昇降機構を用いて一体的に上方に引き上げて、下蓋4bに固定された支持部材9等が露出する状態にして作業を行う。   When exchanging the test piece 10 mounted in the high-pressure vessel 2, the upper lid 4a and the high-pressure vessel cylinder 3 are integrally lifted upward using a hydraulic or mechanical lifting mechanism (not shown), The operation is performed with the support member 9 and the like fixed to the lid 4b exposed.

尚、当然ではあるが、図1に示した本発明の実施の形態1に係る機械的特性試験装置1によって機械的特性を試験する際には、高圧容器架台5に下蓋4bおよびアクチュエータ6が物理的に固定されるように組み立て得るとともに、更に、前記下蓋4bには支持部材9および高圧円筒容器3が、また前記アクチュエータ6には流体シリンダー8が、図1の如く一体的に固定されていることが肝要である。前記固定手段としては、ボルト・ナット等の一般的な固定手段で良い。   Needless to say, when the mechanical characteristics are tested by the mechanical characteristics test apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention shown in FIG. 1, the lower lid 4b and the actuator 6 are attached to the high-pressure vessel gantry 5. The support member 9 and the high-pressure cylindrical container 3 are fixed to the lower lid 4b, and the fluid cylinder 8 is fixed to the actuator 6 integrally as shown in FIG. It is important that The fixing means may be general fixing means such as bolts and nuts.

次に、本発明の実施の形態2に係る機械的特性試験装置を、その模式的縦断面図である図2および歪ゲージの回路構成を示す回路図である図3を用いて以下に説明する。
尚、本発明の実施の形態2が上記実施の形態1と相違するところは、試験片に作用する試験荷重の把握方法に相違があり、その他は全く同構成であるから、上記実施の形態1と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について以下説明する。
Next, a mechanical characteristic test apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to FIG. 2 which is a schematic longitudinal sectional view thereof and FIG. 3 which is a circuit diagram showing a circuit configuration of a strain gauge. .
It should be noted that the second embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that there is a difference in the method of grasping the test load acting on the test piece, and the rest is exactly the same as the first embodiment. The same reference numerals are attached to the same components, and the differences are described below.

即ち、前記本発明の実施の形態1に係る図1においては、試験片10に作用する試験荷重は油圧シリンダー6の油圧から換算される例で示したが、荷重負荷用ロッド7の下蓋4bへの貫通孔、油圧シリンダー6のピストン部15aおよび流体シリンダー8の各摺動用シールリング18a,18bおよび18cで発生する摩擦力は、前記油圧による試験荷重を阻害するため誤差として含まれることになる。   That is, in FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention, the test load acting on the test piece 10 is shown as an example converted from the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 6, but the lower lid 4b of the load load rod 7 is shown. Friction forces generated at the through holes, the piston portion 15a of the hydraulic cylinder 6 and the sliding seal rings 18a, 18b and 18c of the fluid cylinder 8 are included as errors in order to inhibit the test load due to the hydraulic pressure. .

特に、試験荷重を往復動で付与する疲労試験の場合は、荷重負荷用ロッド7が上方に移動する場合と下方に移動する場合では、摩擦力が逆方向に作用する結果、油圧シリンダー6の油圧は荷重負荷用ロッド7の位置に対してヒステリシスを描くようになり、試験片10に作用する試験荷重を正確に測定し、制御することが困難となる。   In particular, in the case of a fatigue test in which a test load is applied by reciprocating motion, the frictional force acts in the opposite direction when the load-loading rod 7 moves upward and downward, so that the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 6 is increased. Becomes to draw a hysteresis with respect to the position of the load rod 7, and it becomes difficult to accurately measure and control the test load acting on the test piece 10.

そこで、本発明の実施の形態2においては、図2に示すように、歪ゲージ式のロードセル30を支持部材9と固定治具11aとの間に介在させて固定することによって、試験片10に作用する試験荷重を前記ロードセル30で直接測定するように構成したのである。前記ロードセル30の取付位置は、荷重負荷用ロッド7と固定治具11bとの間に介在させても良い。   Therefore, in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, the strain gauge type load cell 30 is interposed between the support member 9 and the fixing jig 11 a and fixed to the test piece 10. The applied test load is directly measured by the load cell 30. The mounting position of the load cell 30 may be interposed between the load loading rod 7 and the fixing jig 11b.

図3は、前記ロードセル30に貼着されて、試験片10に負荷される試験荷重を歪ゲージによって測定するための歪ゲージの回路構成を示す回路図である。図中の符号21a,21b,21c,21dが歪ゲージで、これらの歪ゲージによってホィートストンブリッジ回路20が形成されている。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a strain gauge for measuring a test load attached to the load cell 30 and applied to the test piece 10 with the strain gauge. Reference numerals 21a, 21b, 21c, and 21d in the figure are strain gauges, and the Wheatstone bridge circuit 20 is formed by these strain gauges.

これらの歪ゲージの内、アクティブゲージ21a,21bの2枚は、図2の符号21(21a,21b)に示す通り、ロードセル30外周の180度反対の位置に、荷重付加方向に貼り付け、他の2枚のダミーゲージ21(21c,21d)は、前記アクティブゲージと直角方向となるロードセル30外周の周方向に付設されている。   Of these strain gauges, two of the active gauges 21a and 21b are attached in the direction of load application at positions opposite to the outer periphery of the load cell 30 by 180 degrees as shown by reference numeral 21 (21a and 21b) in FIG. The two dummy gauges 21 (21c, 21d) are attached in the circumferential direction of the outer periphery of the load cell 30 that is perpendicular to the active gauge.

そして、図3において、電圧印加電源22によりホィートストンブリッジ回路20に電圧を印加し、電圧計23により測定される電圧を読み取って、試験片10に作用している試験荷重を検出するように構成されている。   In FIG. 3, a voltage is applied to the Wheatstone bridge circuit 20 by the voltage application power source 22, the voltage measured by the voltmeter 23 is read, and the test load acting on the test piece 10 is detected. It is configured.

このような回路構成にすることにより、4枚の歪ゲージ21a〜21dに一様に付与される外乱による影響、例えば温度変化や静水圧による外乱の影響を排除するとともに、付設時の曲歪成分を解消することができる。   By adopting such a circuit configuration, it is possible to eliminate the influence of disturbance uniformly applied to the four strain gauges 21a to 21d, for example, the influence of disturbance due to temperature change or hydrostatic pressure, and the distortion component at the time of attachment. Can be eliminated.

次に、本発明の実施の形態3に係る機械的特性試験装置を、その模式的縦断面図である図4を用いて以下に説明する。
尚、本発明の実施の形態3が上記実施の形態1と相違するところは、試験片に作用する試験荷重を検出するためのロードセルが、高圧容器内のみならず高圧容器外にも設けられた点に相違があり、その他は全く同構成であるから、上記実施の形態1と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について以下説明する。
Next, a mechanical property test apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described below with reference to FIG. 4 which is a schematic longitudinal sectional view thereof.
The third embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that the load cell for detecting the test load acting on the test piece is provided not only in the high pressure vessel but also outside the high pressure vessel. Since there is a difference in the points, and the others are exactly the same, the same reference numerals are given to the same components as those in the first embodiment, and the differences will be described below.

即ち、前記本発明の実施の形態1に係る図1においては、試験片10に作用する試験荷重は油圧シリンダー6の油圧から換算される例で示したが、本発明の実施の形態3においては、図4に示すように、歪ゲージ式のロードセル30を高圧容器2内の所定位置に設けるとともに、前記ロードセル30とは別のロードセル31を、高圧容器2外の荷重負荷用ロッド7と荷重負荷用のアクチュエータ6の間にも設けたものである。   That is, in FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention, the test load acting on the test piece 10 is shown as an example converted from the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 6, but in the third embodiment of the present invention. 4, a strain gauge type load cell 30 is provided at a predetermined position in the high-pressure vessel 2, and a load cell 31 other than the load cell 30 is connected to the load-loading rod 7 outside the high-pressure vessel 2 and the load load. Also provided between the actuators 6 for use.

高圧ガス雰囲気下のみならず、大気圧下でも機械的な特性試験を実施する場合には、通常の試験機と同様に荷重負荷用ロッド7とアクチュエータ6との間にロードセル31を設けておく方が便利であり、また、高圧容器2内に設置された前記ロードセル30の荷重を検定する作業も簡便に実施することが可能であることが、本発明の実施の形態3に係る図4の機械的特性試験装置1の利点である。   When performing a mechanical characteristic test not only in a high-pressure gas atmosphere but also under an atmospheric pressure, a load cell 31 is provided between the load-loading rod 7 and the actuator 6 in the same manner as in a normal testing machine. The machine shown in FIG. 4 according to the third embodiment of the present invention can be conveniently used, and the operation of verifying the load of the load cell 30 installed in the high-pressure vessel 2 can be easily performed. This is an advantage of the mechanical characteristic test apparatus 1.

尚、この場合、高圧ガス雰囲気で運転すると、この高圧容器2外部に設けられたロードセル31には、高圧ガス圧力による荷重も作用する。従って、このロードセル31の最大荷重として、試験片10に負荷する試験荷重に高圧ガス圧力と荷重負荷用ロッド7の断面積の積によって決まるガス圧力による荷重分を加算した容量が必要であり、試験片10に作用する正味試験荷重については前記ガス圧力による補正が必要となってくる。   In this case, when operated in a high-pressure gas atmosphere, a load due to the high-pressure gas pressure also acts on the load cell 31 provided outside the high-pressure vessel 2. Therefore, as the maximum load of the load cell 31, a capacity obtained by adding a load due to the gas pressure determined by the product of the high pressure gas pressure and the cross-sectional area of the load load rod 7 to the test load applied to the test piece 10 is required. The net test load acting on the piece 10 needs to be corrected by the gas pressure.

次に、本発明の実施の形態4に係る機械的特性試験装置を、その模式的縦断面図である図5を用いて以下に説明する。
尚、本発明の実施の形態4が上記実施の形態1と相違するところは、高圧容器外に本発明の前記実施の形態3とは異なる構成でロードセルを設けた点に相違があり、その他は全く同構成であるから、上記実施の形態1と同一のものに同一符号を付して、その相違する点について以下説明する。
Next, a mechanical property test apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described below with reference to FIG. 5 which is a schematic longitudinal sectional view thereof.
The fourth embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that a load cell is provided outside the high-pressure vessel with a configuration different from that of the third embodiment of the present invention. Since the configuration is exactly the same, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and different points will be described below.

即ち、前記本発明の実施の形態1に係る図1においては、試験片10に作用する試験荷重は油圧シリンダー6の油圧から換算される例で示したが、本発明の実施の形態4においては、図5に示すように、バランスロッドとなるピストン8aを含む流体シリンダー8が荷重負荷用ロッド7に直結されており、前記流体シリンダー8はブラケット32によって高圧容器架台5に物理的に固定されている。   That is, in FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention, the test load acting on the test piece 10 is shown as an example converted from the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 6, but in the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, a fluid cylinder 8 including a piston 8 a serving as a balance rod is directly connected to a load-loading rod 7, and the fluid cylinder 8 is physically fixed to a high-pressure vessel mount 5 by a bracket 32. Yes.

そして、前記荷重負荷用ロッド7には円筒状の連結部材33が結合されており、この連結部材33が試験荷重を負荷させるためのアクチュエータ6を構成する荷重負荷用ロッド7aに、ロードセル31を介して結合されている。   A cylindrical connecting member 33 is coupled to the load-loading rod 7, and the connecting member 33 is connected to a load-loading rod 7 a constituting an actuator 6 for applying a test load via a load cell 31. Are combined.

前記円筒状の連結部材33には、高圧ガス配管12aおよびブラケット32との干渉を回避するための窓穴33aが形成されている。また、前記アクチュエータ6は、図示しないフレームによって容器架台5もしくはブラケット32に固定されている。本発明の実施の形態4に係るこのような構造は前述の実施の形態と比較すると複雑であるが、外部ロードセル31には高圧ガスによる荷重が全く作用しないという効果がある。   The cylindrical connecting member 33 is formed with a window hole 33a for avoiding interference with the high-pressure gas pipe 12a and the bracket 32. The actuator 6 is fixed to the container mount 5 or the bracket 32 by a frame (not shown). Such a structure according to the fourth embodiment of the present invention is more complicated than the above-described embodiment, but has an effect that the load by the high-pressure gas does not act on the external load cell 31 at all.

以上、本発明の実施の実施の形態3,4に係る図4,5においては、ロードセル30,31に貼着された歪ゲージの図を省略しているが、図2および図3を用いて説明したことと同様に、歪ゲージによってホィートストンブリッジ回路を形成して試験荷重を検出できるよう構成していることは言うまでもない。   As described above, in FIGS. 4 and 5 according to Embodiments 3 and 4 of the present invention, the illustration of the strain gauge attached to the load cells 30 and 31 is omitted, but FIG. 2 and FIG. 3 are used. Needless to say, a Wheatstone bridge circuit is formed by a strain gauge so that a test load can be detected in the same manner as described above.

尚、上記においては室温で使用される機械的特性試験装置を対象としたが、試験温度を変化させたり、高温や低温下での機械的特性の試験を実施する場合には、試験温度に応じて試験片を加熱もしくは冷却する必要がある。そのような場合にも本発明は非常に有用となる。   In the above, the mechanical property test equipment used at room temperature is the target. However, when changing the test temperature or conducting the mechanical property test at high or low temperature, it depends on the test temperature. It is necessary to heat or cool the test piece. Even in such a case, the present invention is very useful.

即ち、試験温度範囲が−150℃〜200℃のような範囲の場合には、前記高圧容器2全体を断熱材で囲んだ恒温槽内に収納して、所定の温度のガスを注入・撹拌する方式を採用するのが推奨される。特に、高圧容器内部の雰囲気を水素のような可燃性ガスとする場合には、この恒温槽内を循環させるガスに窒素を使用することにより、水素が高圧容器外へ漏洩した時の安全性の確保が容易になる。   That is, when the test temperature range is in the range of −150 ° C. to 200 ° C., the entire high-pressure vessel 2 is housed in a thermostatic chamber surrounded by a heat insulating material, and a gas at a predetermined temperature is injected and stirred. It is recommended to adopt the method. In particular, when the atmosphere inside the high-pressure vessel is a flammable gas such as hydrogen, the use of nitrogen as the gas circulating in the thermostatic chamber ensures safety when hydrogen leaks outside the high-pressure vessel. Securement becomes easy.

また、−150℃といった低温で試験する場合にも、液体窒素が気化する際の潜熱を利用して冷却する構造を容易に採用することができて好ましい。一方、200℃を越えるような高温が必要な場合には、300℃程度までは上述した恒温槽による構造が採用可能であるが、更に高温を必要とする場合には、高圧円筒容器3の外側に熱媒体を循環させるためのジャケットを装着した構造が好ましい。   Also, when testing at a low temperature of −150 ° C., a cooling structure using latent heat when liquid nitrogen is vaporized can be easily adopted, which is preferable. On the other hand, when a high temperature exceeding 200 ° C. is required, the above-described structure of the thermostatic bath can be adopted up to about 300 ° C., but when a higher temperature is required, the outside of the high-pressure cylindrical container 3 can be used. A structure in which a jacket for circulating the heat medium is attached to the inner part is preferable.

更に、それ以上の高温の場合には、高圧容器2内部において試験片10周囲に電気加熱式のヒータを配置して、その外周に断熱構造体を配置するような構造とするのが好ましい。このような場合、本発明に係る機械的特性試験装置は、試験片10の周囲には支持部材9以外の構造物が存在しないため、ヒータや断熱構造体を装着するのが容易である。   Further, when the temperature is higher than that, it is preferable that an electric heating type heater is arranged around the test piece 10 in the high-pressure vessel 2 and a heat insulating structure is arranged on the outer periphery thereof. In such a case, since the mechanical property test apparatus according to the present invention has no structure other than the support member 9 around the test piece 10, it is easy to mount a heater or a heat insulating structure.

以上の如く、本発明に係る機械的特性試験装置は、高圧ガス雰囲気下で金属、セラミックス、樹脂等の引張試験や疲労強度等の機械的特性の測定試験を、試験荷重を高精度に測定しかつ制御することを可能とし、また試験片の交換作業を簡素化する等、試験データの採取による材料力学的な技術の貢献に資するところが非常に大きい。   As described above, the mechanical property test apparatus according to the present invention measures the test load with high accuracy in the tensile test of metal, ceramics, resin, etc. and the measurement test of mechanical properties such as fatigue strength in a high-pressure gas atmosphere. In addition, it greatly contributes to the contribution of material mechanical technology by collecting test data, such as enabling control and simplifying the work of exchanging test pieces.

特に、早期の材料強度規格の制定が望まれている所定の高圧水素雰囲気下での金属材料等の強度特性の測定を、高精度にかつ効率的に実施することを可能にするものであり、地球温暖化への有効な対策として期待されている水素を燃料とする燃料電池や水素エンジン等の機器類の安全設計にも寄与するところが大きい。   In particular, it is possible to carry out the measurement of strength properties of metallic materials, etc. under a predetermined high-pressure hydrogen atmosphere, for which early establishment of material strength standards is desired, with high accuracy and efficiency, It greatly contributes to the safety design of equipment such as fuel cells and hydrogen engines that use hydrogen as a fuel, which is expected as an effective measure against global warming.

本発明の実施の形態1に係る機械的特性試験装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the mechanical characteristic test apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る機械的特性試験装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the mechanical property test apparatus which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明に係る歪ゲージの回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of the strain gauge which concerns on this invention. 本発明の実施の形態3に係る機械的特性試験装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the mechanical property test apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る機械的特性試験装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the mechanical characteristic test apparatus which concerns on Embodiment 4 of this invention. 従来の材料試験用雰囲気容器を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the conventional atmosphere container for material tests. 従来の機械特性試験装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the conventional mechanical property test apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…機械的特性試験装置, 2…高圧容器, 3…高圧円筒容器,
4a…上蓋,4b…下蓋,
5…高圧容器架台, 6…油圧アクチュエータ, 7…荷重負荷用ロッド,
8…流体シリンダー,8a…バランスロッド(ピストン),8b…シリンダー
9…支持部材, 10…試験片,
11a,11b…固定治具, 12a,12b…高圧ガス配管,
13…支柱, 14…ステー, 15a…ピストン,15b…シリンダー,
16a,16b…油圧配管, 17a,17b…固定用シールリング,
18a,18b,18c…摺動用シールリング,
20…ホィートストンブリッジ回路, 21a,21b,21c,21d…歪ゲージ,22…電圧印加電源, 23…電圧計,
30,31…ロードセル, 32…ブラケット,
33…連結部材,33a…窓穴
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mechanical property test apparatus, 2 ... High pressure vessel, 3 ... High pressure cylindrical vessel,
4a ... upper lid, 4b ... lower lid,
5 ... High-pressure vessel mount, 6 ... Hydraulic actuator, 7 ... Load load rod,
8 ... Fluid cylinder, 8a ... Balance rod (piston), 8b ... Cylinder 9 ... Support member, 10 ... Test piece,
11a, 11b ... Fixing jig, 12a, 12b ... High pressure gas piping,
13 ... post, 14 ... stay, 15a ... piston, 15b ... cylinder,
16a, 16b ... hydraulic piping, 17a, 17b ... fixing seal ring,
18a, 18b, 18c ... sliding seal ring,
20 ... Wheatstone bridge circuit, 21a, 21b, 21c, 21d ... Strain gauge, 22 ... Voltage application power source, 23 ... Voltmeter,
30, 31 ... load cell, 32 ... bracket,
33 ... Connecting member, 33a ... Window hole

Claims (2)

高圧ガス雰囲気下で、高圧容器の内部に装着された試験片に前記高圧容器を貫通する荷重負荷用ロッドを介して、荷重負荷用アクチュエータによって試験荷重を負荷することにより、前記試験片の機械的特性を測定する機械的特性試験装置において、
前記高圧容器は高圧円筒容器、上蓋および下蓋にて構成され、前記高圧容器は下蓋が高圧容器架台により固定支持されてなり、
前記荷重負荷用アクチュエータの荷重負荷用ロッドに、この荷重負荷用ロッドの試験片側と反対側の延長上にあって、前記荷重負荷用ロッドの高圧ガス受圧面積と実質的に同一の断面積を有するバランス用のピストンを連結された流体シリンダーが配置されていると共に、
前記流体シリンダーが荷重負荷用アクチュエータの前記荷重負荷用ロッドに直結されており、この流体シリンダーはブラケットによって前記高圧容器に固定され、
前記荷重負荷用ロッドには円筒状の連結部材が結合されており、この連結部材が前記荷重負荷用アクチュエータを構成する荷重負荷用ロッドにロードセルを介して結合される一方、
前記円筒状の連結部材には、前記ブラケットとの干渉を回避するための窓穴が形成されてなることを特徴とする機械的特性試験装置。
Under a high-pressure gas atmosphere, a test load is applied to a test piece mounted inside the high-pressure vessel through a load-loading rod that penetrates the high-pressure vessel, and thereby a mechanical load of the test piece is obtained. In a mechanical property testing device for measuring properties,
The high-pressure vessel is composed of a high-pressure cylindrical vessel, an upper lid and a lower lid, and the high-pressure vessel has a lower lid fixedly supported by a high-pressure vessel gantry,
The load load rod of the load load actuator is on an extension of the load load rod opposite to the test piece side and has a cross-sectional area substantially the same as the high pressure gas pressure receiving area of the load load rod. A fluid cylinder connected to a balancing piston is arranged ,
The fluid cylinder is directly connected to the load rod of the load actuator, and the fluid cylinder is fixed to the high pressure vessel by a bracket,
A cylindrical connecting member is connected to the load-loading rod, and the connecting member is connected to a load-loading rod constituting the load-loading actuator via a load cell,
A mechanical property testing apparatus, wherein the cylindrical connecting member is formed with a window hole for avoiding interference with the bracket .
前記ロードセルが、歪ゲージ式のロードセルであることを特徴とする請求項1に記載の機械的特性試験装置。 The load cell, the mechanical properties testing device according to claim 1, characterized in that the strain gauge type load cell.
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