JP4453980B2 - ホース曲げ剛性測定装置 - Google Patents
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Description
この発明は、ホース曲げ剛性測定装置に関し、詳しくは、可撓性を有するゴムホースや樹脂ホースなどの供試ホースの曲げ剛性を測定するための装置に関するものである。
各種の液体や気体を送出するための輸送用ホース、あるいは所定の圧力を供給するための圧力供給用ホースには、可撓性があって取り廻しのし易いゴムホースや樹脂ホースなどが一般に使用されている。
この種のホースは、取り廻しがし易い反面、曲げ荷重が作用すると、キンクや座屈などにより潰れが発生して所定の流量が確保できなくなるおそれがある。そこで、この種のホースについては、どの程度の曲げ荷重に耐えられるかを予め測定しておく必要があり、従来一般には、手動による折り曲げ試験や万能型引張・圧縮試験機を用いた３点曲げ試験が行われていた。
なお、この種のホースの曲げ荷重を測定可能な装置として、ホースの両端部を把持可能な一対のチャックと、一対のチャック間にてホースの中間部に吊るされる錘とを備えた「構造部材の力学挙動観察装置」が一般に開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３３６３８７号公報
ところで、前述した手動による折り曲げ試験では、試験者によって測定結果に差が生じるため、客観的な測定が困難である。一方、万能型引張・圧縮試験機を用いた３点曲げ試験では、圧縮治具がホースの表面に接触するため、ホースの表面に不整が生じてホースがキンクする際のモーメントや曲率を正確に測定することができず、殊に、曲率の大きい領域でのホースの曲げ剛性を正確に測定することができない。なお、特許文献１に記載された「構造部材の力学挙動観察装置」は、原理的には３点曲げ試験と同様であるため、同様の問題をはらんでいる。
すなわち、従来例においては、可撓性を有するホースのモーメントや曲率を正確に測定することができず、殊に、曲率の大きい領域でのホースの曲げ剛性を客観的かつ正確に測定することができない。
ところで、この種のホースの応力解析を行うコンピュータシミュレーションにおいて、幾何学的非線形性を考慮した梁としてホースをモデル化すると、メッシュ作成が簡便となって計算時間を短縮できる。この梁の構成則としては剛性が用いられているが、梁の構成則としての剛性は、線形としてだけではなく非線形な曲げモーメントと曲率の関係として計算することが可能である。
そこで、この発明は、可撓性を有するホースの曲げ剛性を客観的に、かつ、正確に測定することができるホース曲げ剛性測定装置を提供することを課題とする。
この発明に係るホース曲げ剛性測定装置は、可撓性を有する供試ホースの曲げ剛性を測定するための装置であって、軸間距離が離れた状態から軸間方向に相互に接離可能に支持された一対のロータリーディスクと、各ロータリーディスクの軸心を通る中心線上にて各ロータリーディスクの側面の左右対称位置に前記供試ホースの両端部を固定する一対のホース固定具と、前記一対のロータリーディスクに対して端部が相互に逆向きに巻き回されて止着された索体と、前記一対のロータリーディスクを相互に逆向きに回動させるように前記索体を牽引可能な牽引手段と、前記索体の牽引荷重を測定する牽引荷重測定手段と、前記一対のロータリーディスクの回動角度を測定する回動角度測定手段とを備えていることを特徴とする。
この発明に係るホース曲げ剛性測定装置では、牽引手段が索体を牽引すると、一対のロータリーディスクが相互に逆向きに回動し、この一対のロータリーディスクに一対のホース固定具を介して両端部が固定された供試ホースに曲げ荷重が作用する。その際、牽引荷重測定手段により計測された牽引荷重と、索体が巻き回されたロータリーディスクの有効半径とによって供試ホースに作用する曲げモーメントが測定され、回動角度測定手段により計測されたロータリーディスクの回動角度によって供試ホースの曲率が測定される。そして、測定された供試ホースの曲げモーメントと曲率とによって可撓性を有する供試ホースの曲げ剛性が客観的に、かつ、正確に測定される。
ここで、索体とは、単線または撚線からなる糸、ワイヤ、コード、ケーブル、ロープ等を意味する。これらの索体の材料としては、天然繊維、合成繊維、鋼線、高強度繊維などが使用可能である。
この発明のホース曲げ剛性測定装置において、前記牽引手段は万能引張試験機のクロスヘッドにより構成することができる。また、牽引手段は重量既知の錘により構成することもできる。
また、前記牽引荷重測定手段はロードセルで構成し、このロードセルを介してクロスヘッドまたは錘が前記索体を牽引するように構成することができる。
さらに、前記一対のロータリーディスクには、前記回動角度測定手段としての角度目盛またはエンコーダを付設することができる。また、一対のロータリーディスクには、前記牽引荷重測定手段に代わるトルクゲージを付設することができる。
この発明に係るホース曲げ剛性測定装置によれば、牽引手段により索体を牽引して一対のロータリーディスクを相互に逆向きに回動させると、供試ホースに曲げ荷重が作用する。その際、牽引荷重測定手段により計測された牽引荷重と、索体が巻き回されたロータリーディスクの有効半径とによって供試ホースに作用する曲げモーメントが測定され、回動角度測定手段により計測されたロータリーディスクの回動角度によって供試ホースの曲率が測定される。従って、測定された供試ホースの曲げモーメントと曲率とによって可撓性を有する供試ホースの曲げ剛性を客観的に、かつ、正確に測定することができる。
以下、図面を参照してこの発明に係るホース曲げ剛性測定装置の実施形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係るホース曲げ剛性測定装置の全体構造を概略的に示す正面図、図２は図１に示したホース曲げ剛性測定装置の各部の構造を示す斜視図、図３は図２に示したホース曲げ剛性測定装置の正面図、図４は図２に示したホース曲げ剛性測定装置の側面図である。
図１〜図４に示す一実施形態のホース曲げ剛性測定装置は、可撓性を有するゴムホースや樹脂ホースなどの供試ホースＨの曲げ剛性を測定するための装置であって、図１に示した万能型引張試験機１を利用してその固定台１Ａとクロスヘッド１Ｂとの間に構成されている。
このホース曲げ剛性測定装置は、供試ホースＨの両端部を一対のロータリーディスク２，２に着脱自在に固定するためのホース固定具３，３と、供試ホースＨに曲げ荷重を作用させるように一対のロータリーディスク２，２を相互に逆向きに回動させるための索体４と、この索体４を牽引する牽引手段としてのクロスヘッド１Ｂと、索体４の牽引荷重測定手段としてのロードセル５と、一対のロータリーディスク２，２の回動角度を測定する回動角度測定手段としての画像処理装置６とを備えて構成されている。
ここで、一対のロータリーディスク２，２の支持構造について説明すると、万能型引張試験機１の固定台１Ａ上にはベースプレート７が固定され、このベースプレート７上には横長の前後一対の架台８，８がそれぞれ左右一対の支柱９，９を介して支持されている。前後一対の架台８，８上には左右方向に延びる前後一対のガイドレール１０，１０が略水平な姿勢で相互に平行に固定されており、各ガイドレール１０にはそれぞれスライダ１１が摺動自在に装着されている。そして、各スライダ１１上にはそれぞれベアリングホルダ１２が固定され、各ベアリングホルダ１２には前後方向に延びるロータリーディスク２の中心軸２Ａがそれぞれ回転自在に支持されている。
このような支持構造により、一対のロータリーディスク２，２は、中心軸２Ａ，２Ａの軸間距離が左右に離れた状態で前後にオフセットして支持されており、中心軸２Ａ，２Ａの軸間方向に相互に干渉することなく接近できるようになっている。そして、このロータリーディスク２，２は、外周溝に索体４を巻き回させる滑車として構成されている。
一対のホース固定具３（一方のみ図示する）は、前後にオフセットして左右に配置されている一対のロータリーディスク２，２の対向面において、そのロータリーディスク２，２の中心間を結ぶ基準線上の左右対称位置に配設されている。このホース固定具３は、図５に示すように、ロータリーディスク２の対向面に一片が固定されるＬ型ブラケット３Ａと、このＬ型ブラケット３Ａの他片に固定されるニップル３Ｂとを有する。そして、このニップル３Ｂに供試ホースＨの端部を嵌合し、その嵌合部を図示しないクリップで締め付けることにより、前記基準線上に配置された供試ホースＨの両端部が着脱自在に固定される。
図２〜図４に示すように、索体４は、例えば細い鋼線を撚った細径のワイヤケーブルで構成されている。この索体４は、両端部が一対のロータリーディスク２，２に対し相互に逆向きに巻き回された状態で適宜の手段により止着されており、その中間部が一対のロータリーディスク２，２の内側部分から上方に引き出されている。そして、この上方に引き出された索体４の中間部は、引張治具１３を介してロードセル５に吊持されており、このロードセル５は万能型引張試験機１のクロスヘッド１Ｂに固定されている。
引張治具１３は、ロードセル５の下部に縦軸廻りに回転自在に連結された支持ブロック１３Ａと、この支持ブロック１３Ａに上端部が横軸廻りに回転自在に連結された一対のアーム１３Ｂ，１３Ｂと、一対のアーム１３Ｂ，１３Ｂの下端部間に両端部が横軸廻りに回転自在に支持された横向きの引張ローラ１３Ｃとを備えて構成されている。
そして、一対のロータリーディスク２，２の内側部分から上方に引き出された索体４の中間部は、応力集中がないように、引張治具１３の引張ローラ１３Ｃの上面を周回してこれに支持されている。そして、この索体４の中間部は、クロスヘッド１Ｂの上方移動に応じて引張ローラ１３Ｃが上方移動する際、索体４の両端部を介して一対のロータリーディスク２，２を相互に逆向きにバランス良く回動させるように構成されている。
図１に示した画像処理装置６は、データ処理用のパーソナルコンピュータＰＣにデータを出力可能なＣＣＤカメラ６Ａを備えている。このＣＣＤカメラ６Ａは、例えば図５に示した一対の標線マーカＭ，Ｍを撮像することにより、両者の間隔の変化を観察する。すなわち、標線マーカＭ，Ｍが設けられた一対のベアリングホルダ１２，１２の間隔の変化から一対のロータリーディスク２，２の中心軸２Ａ，２Ａ間の距離の変化を観察する。
また、ＣＣＤカメラ６Ａは、例えば一方のロータリーディスク２に設けられたラインマークＬの角度変化を観察してロータリーディスク２の回動角度を測定する。
以上のように構成された一実施形態のホース曲げ剛性測定装置では、図１に示した万能型引張試験機１の作動に伴いクロスヘッド１Ｂが徐々に上昇すると、クロスヘッド１Ｂに固定されたロードセル５を介して引張治具１３の引張ローラ１３Ｃが上昇する。これに伴い、索体４の中間部が上方に引き上げられることにより、索体４の両端部を介して一対のロータリーディスク２，２が相互に逆向きにバランス良く回動する。そして、この一対のロータリーディスク２，２に一対のホース固定具３，３を介して両端部が固定された供試ホースＨに曲げ荷重が作用する。
その際、ロードセル５により索体４の牽引荷重（張力）Ｔが測定され、この牽引荷重（張力）Ｔと、索体４が巻き回されたロータリーディスク２の有効半径ｒとによって供試ホースＨに作用する曲げモーメントＭθがＭθ＝Ｔｒとして測定される。
なお、このような供試ホースＨの曲げモーメントＭθの測定において、索体４とロータリーディスク２，２との間の摩擦力は、牽引荷重（張力）Ｔに較べて極めて小さいものと仮定して無視することとする。また、ロータリーディスク２，２間に働く水平分力は、ロータリーディスク２，２から引張ローラ１３Ｃまでの距離が十分に長いものとして無視することとする。
一方、画像処理装置６のＣＣＤカメラ６Ａによって観察されたラインマークＬの角度変化からロータリーディスク２の回動角度が測定され、このロータリーディスク２の回動角度に基づいて供試ホースＨの曲率が測定される。そして、測定された供試ホースＨの曲げモーメントＭθと曲率とによって可撓性を有する供試ホースＨの曲げ剛性が客観的に、かつ、正確に測定される。
なお、ロータリーディスク２の回動角度は、クロスヘッド１Ｂの移動量から推定される索体４の引出量と、ロータリーディスク２の有効半径ｒとから算出してもよい。
このように、一実施形態のホース曲げ剛性測定装置によれば、測定された供試ホースＨの曲げモーメントＭθと曲率とによって可撓性を有する供試ホースＨの曲げ剛性を客観的に、かつ、正確に測定することができる。
この発明に係るホース曲げ剛性測定装置は、前述した一実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、索体４を上方に引き上げる構成としたが、逆に索体４を引き下げる構成としてもよい。また、例えば、索体４を牽引する牽引手段は、図６および図７に示すように、重量既知の錘Ｗで構成してもよい。この場合、一対のロータリーディスク２，２には一対の索体１４，１４の一端部が相互に逆向きに巻き回されて止着され、この一対の索体１４，１４の他端部に一対の錘Ｗ，Ｗが吊り下げられる。
また、一対のロータリーディスク２，２には、その回動角度測定手段としての角度目盛やエンコーダを付設することができるし、ロードセル５に代わるトルクゲージを付設することができる。
さらに、手前側の架台８には、一対のロータリーディスク２，２の中心軸２Ａ，２Ａ間の距離を測定するためのスケールＳを必要に応じて適宜付設することができる。また、このスケールＳに代えてリニヤゲージ、デジタルノギスなどの電気信号を出力できる変位計を付設すれば、一対のロータリーディスク２，２の中心軸２Ａ，２Ａ間の距離をリアルタイムで計測可能となる。
また、牽引荷重測定手段としてのロードセル５は、これをばね秤やプッシュプルゲージ等に変更可能である。
１ 万能型引張試験機
１Ａ 固定台
１Ｂ クロスヘッド
２ ロータリーディスク
３ ホース固定具
４ 索体
５ ロードセル
６ 画像処理装置
６Ａ ＣＣＤカメラ
７ ベースプレート
８ 架台
９ 支柱
１０ ガイドレール
１１ スライダ
１２ ベアリングホルダ
１３ 引張治具
１３Ｃ 引張ローラ
Ｈ 供試ホース
Ｗ 錘
ＰＣ パーソナルコンピュータ
１Ａ 固定台
１Ｂ クロスヘッド
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３ ホース固定具
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５ ロードセル
６ 画像処理装置
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７ ベースプレート
８ 架台
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１０ ガイドレール
１１ スライダ
１２ ベアリングホルダ
１３ 引張治具
１３Ｃ 引張ローラ
Ｈ 供試ホース
Ｗ 錘
ＰＣ パーソナルコンピュータ
Claims (7)
- 可撓性を有する供試ホースの曲げ剛性を測定するための装置であって、
軸間距離が離れた状態から軸間方向に相互に接離可能に支持された一対のロータリーディスクと、
各ロータリーディスクの軸心を通る中心線上にて各ロータリーディスクの側面の左右対称位置に前記供試ホースの両端部を固定する一対のホース固定具と、
前記一対のロータリーディスクに対して端部が相互に逆向きに巻き回されて止着された索体と、
前記一対のロータリーディスクを相互に逆向きに回動させるように前記索体を牽引可能な牽引手段と、
前記索体の牽引荷重を測定する牽引荷重測定手段と、
前記一対のロータリーディスクの回動角度を測定する回動角度測定手段とを備えていることを特徴とするホース曲げ剛性測定装置。 - 前記牽引手段が万能引張試験機のクロスヘッドにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のホース曲げ剛性測定装置。
- 前記牽引手段が重量既知の錘により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のホース曲げ剛性測定装置。
- 前記牽引荷重測定手段がロードセルで構成されており、このロードセルを介してクロスヘッドが前記索体を牽引するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のホース曲げ剛性測定装置。
- 前記回動角度測定手段として前記一対のロータリーディスクに角度目盛が付設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のホース曲げ剛性測定装置。
- 前記回動角度測定手段として前記一対のロータリーディスクにエンコーダが付設されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のホース曲げ剛性測定装置。
- 前記牽引荷重測定手段に代わるトルクゲージが前記一対のロータリーディスクに付設されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のホース曲げ剛性測定装置。
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