JP4665893B2 - 材料試験機 - Google Patents

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本発明は、復動式油圧シリンダで供試体を負荷する材料試験機に関する。
従来から、復動式油圧シリンダを用いて供試体を負荷する試験機が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1のものは、非常停止信号が出力されると、復動式油圧シリンダの一対のシリンダ室を連通して、供試体へ負荷が加わらないようにしている。
特開2001−141628号公報
しかしながら、油圧力による負荷が供試体に加わることはないが、ピストンロッドやロードセルの自重が供試体に加わる。そのため、貴重な材料で製作された供試体に不所望な荷重が負荷された状態が継続してしまうことがある。
(1)請求項1の発明による材料試験機は、供試体を負荷する復動式油圧シリンダと、油圧源からの圧油を制御して前記復動式油圧シリンダを駆動制御する制御弁と、油圧力を蓄圧するアキュムレータと、試験時に前記制御弁を前記復動式油圧シリンダに接続し、試験停止時に前記アキュムレータを前記復動式油圧シリンダに接続する切換え動作を択一的に行う切換弁とを備え、前記復動式油圧シリンダのピストンは異なる受圧面積を有するように構成され、前記試験停止時、前記ピストンの受圧面積差に応じて、前記アキュムレータに蓄圧した油圧力で前記ピストンを前記供試体から離間する方向に移動するように構成したことを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1に記載の材料試験機において、前記試験時に試験の異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により異常が検出されると、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように前記切換弁を切換える制御手段とを有することを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1または2に記載の材料試験機において、前記試験の終了を検出する終了検出手段と、前記終了検出手段により試験終了が検出されると、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように前記切換弁を切換える制御手段とを有することを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項1乃至3項のいずれか1項に記載の材料試験機において、前記材料試験機への電源遮断時または停電時に前記切換弁への切換信号が遮断されたとき、前記切換弁は、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように切換わることを特徴とする。
(5)請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の材料試験機において、前記材料試験の停止時に前記ピストンが前記供試体から離間する方向に移動する速度を調節する速度調節手段をさらに備えることを特徴とする。
(6)請求項6の発明は、請求項5に記載の材料試験機において、前記速度調整手段は、前記アキュムレータと前記切換弁との間に設けられた可変絞りであることを特徴とする。
本発明による材料試験機によれば、試験を停止したときに復動式油圧シリンダのピストンを供試体から離間する方向に移動するので、試験停止時、供試体に不所望の負荷が加わることがない。
以下、本発明による材料試験機を圧縮試験機に適用した一実施の形態について、図1〜2を参照しながら説明する。圧縮試験機100は、供試体Sに圧縮力を負荷する復動式油圧シリンダ101を備えている。復動式油圧シリンダ101は、シリンダ本体101aと、シリンダ本体101a内で往復運動するピストン101bとを有している。シリンダ本体101a内には、ピストン101bにより第1および第2のシリンダ室101cおよび101dが形成されている。
ピストン101bには上ロッド101b1と下ロッド101b2が設けられている。ピストン101bの上ロッド側の受圧面積をA1、下ロッド側の受圧面積をA2とするとき、A1<A2となるように、上ロッド101b1の径は下ロッド101b2の径よりも大きい。すなわち、第1および第2のシリンダ室101cおよび101dの油圧力が同一の場合、ピストン101bは、供試体Sから離間する方向、図1においては、上方向に移動する。
下ロッド101b2の端部にはロードセル151を介して上圧盤161が設けられている。上圧盤161は、テーブル163上に設けられた下圧盤162との間に供試体Sを挟み込み、復動式油圧シリンダ100により供試体Sに圧縮負荷を与える。ロードセル151は、供試体Sに働く圧縮荷重を検出して後述する制御回路200に出力する。一方、上ロッド101b1の変位、すなわち供試体Sの変形量を検出する変位計152が設けられ、変位計152の変位信号は制御回路200に出力される。
復動式油圧シリンダ101の第1および第2のシリンダ室101cおよび101dは、それぞれ入口ポートP1およびP2を介して、それぞれ管路102と103と接続されている。管路102および103は切換弁104およびサーボ弁105を介して油圧ポンプ106とタンク107に接続されている。
切換弁104の圧油入口側には4つの入力ポートA1,A2,B1,およびB2が設けられている。入力ポートA1およびA2には、サーボ弁105の出力ポートC1およびC2がそれぞれ接続されている。入力ポートB1およびB2はそれぞれ管路109によりアキュムレータ110と接続されている。切換弁104は、初期位置と試験位置とに切換えられる電磁切換弁である。初期位置においては、入口ポートB1およびB2を2つの出口ポートを介して第1および第2のシリンダ室101cおよび101dに接続し、試験位置では、入口ポートA1およびA2を2つの出口ポートを介して第1および第2のシリンダ室101cおよび101dに接続する。
アキュムレータ110はチェック弁111を介して油圧ポンプ106と接続され、アキュムレータ110には油圧ポンプ106から吐出される圧油が蓄圧される。アキュムレータ110と切換弁104との間の管路109には、異常停止時などに復動式油圧シリンダ100が上昇する際の速度調整用の可変絞り112が設けられている。
油圧ポンプ106は電動モータ108で駆動され、電動モータ108は制御回路200からのモータ駆動信号により駆動される。切換弁104とサーボ弁105も制御回路200からの制御信号で駆動される。
制御回路200は、CPU、ROM、RAMおよび周辺回路などで構成され、後述するプログラムを実行して圧縮試験を制御する。制御回路200には、電源スイッチ210と試験開始スイッチ211とが接続されている。電源スイッチ210の投入により圧縮試験機に電源が供給され、試験開始スイッチ211の投入により、圧縮試験が開始される。また、制御回路200には、ロードセル151からの荷重信号と、変位計152からの変位信号とが入力されている。制御回路200は、入力された荷重信号や変位信号に基づいて、後述するようにサーボ弁105の駆動信号と切換弁104の開閉信号を出力する。
なお、電源スイッチ210を開いた電源遮断時または停電時には、切換弁104への切換信号が遮断される。これにより、切換弁104が初期位置に切り換わり、アキュムレータ110が復動式油圧シリンダ100に接続される。
制御回路200で実行される処理について説明する。図2は、制御回路200のCPUに予め記憶したプログラムを実行して行われる処理の流れを示すフローチャートである。ステップS1において電源スイッチ210の開閉を判定し、電源スイッチ210が閉じていると判定されるとステップS2へ進み、電源スイッチ210が開いていると判定されるとステップS12へ進む。ステップS2において、切換弁104を初期位置に設定する。切換弁104が初期位置になっているとき、復動式油圧シリンダ100の入力ポートP1およびP2は切換弁104の入口ポートB1およびB2に接続される。したがって、第1および第2のシリンダ室101cおよび101dは、油圧ポンプ106およびタンク107から遮断され、アキュムレータ110に接続される。このとき、アキュムレータ110に所定圧力が蓄圧されていれば、所定圧力が第1および第2のシリンダ室101cおよび101dに作用し、ピストン101が上昇する。
ステップS3において、電動モータ108を起動すると油圧ポンプ106から圧油が吐出される。ステップS2で切換弁104を初期位置へ切り換えたときアキュムレータ110に蓄圧されていなければ、このステップS3で油圧ポンプ106から圧油が吐出されたときに、油圧ポンプ106の吐出油でピストン101bが上昇する。
ステップS2またはステップS3においてピストン101bが上昇した状態においては、目標信号と検出信号との偏差がゼロとなるように、変位計152の出力信号と等しい変位を目標信号として設定する。したがって、サーボ弁105は0信号状態になり停止している。次に、ステップS4において、図示しない操作スイッチにより切換弁104を試験位置状態に切り換え、入口ポートA1およびA2を第1および第2のシリンダ室101cおよび101dに接続する。これにより、サーボ弁105による位置フィードバック制御が実行可能となる。この実施の形態では、変位フィードバック制御がデフォルトとして設定されているものとする。
なお、変位フィードバック制御とは、変位を目標値として供試体を負荷するモードである。なお、この実施の形態では、荷重を目標値として供試体を負荷する荷重フィードバック制御も選択可能である。
ユーザが上下圧盤間に供試体Sをセットし、図示しない操作スイッチにより上圧盤161を降下させて供試体Sに軽く当接させたのち、試験開始スイッチ211をオン操作する。これにより、ステップS5において、試験開始スイッチ211が閉成されたことが判定されるとステップS6に進む。このとき、試験条件入力操作で入力された試験条件に応じて、変位フィードバック制御あるいは荷重フィードバック制御に切り換わるとともに、目標信号も設定される。ステップS6において、設定された目標信号と検出信号との差分を計算する。ここで、目標信号とは、試験条件入力操作で入力された荷重や変位の試験目標波形を表す信号であり、検出信号とは、ロードセル151あるいは変位計152の出力信号である。
ステップS7では、ロードセル151や変位計152の出力信号が異常値を示している等、試験時の異常を判定する。異常が判定されなければ、ステップS8に進む。ステップS8において、ステップS5で計算した差分に相当する駆動信号をサーボ弁105へ供給する。これにより、供試体Sに負荷される荷重や供試体Sの変位が目標値となるように、サーボ弁105を通して所定の圧油が復動式油圧シリンダ100へ供給される。ステップS9において試験終了が判定されるまでステップS6〜S9を繰り返す。
試験終了が判定されるとステップS10へ進み、切換弁104を初期位置へ切換える信号を出力する。これにより、ピストン101bが上部位置に移動して保持される。ステップS12で電動モータ108を停止する。
ステップS1で電源スイッチ210が開いていると判定された場合、およびステップS7で試験異常が判定されると、ステップS11において、切換弁104を初期位置へ切換えるとともに、ステップS12において、電動モータ108への電圧印加を中止して電動モータ108を停止する。試験中の異常は、目標波形信号に対して、荷重あるいは変位の絶対値や荷重あるいは変位の変化速度が所定上限値や下限値を超えているときに検出される。ステップS11の処理により切換弁104が初期位置に切り換わると、ピストン101が供試体Sから離間する方向に移動する。
このように構成された圧縮試験機の動作を説明する。
電源スイッチ210を投入して試験を準備すると、電動モータ108が起動して油圧ポンプ106から圧油が吐出される。このとき、サーボ弁105は試験開始位置にあるから油圧ポンプ106の吐出油は遮断されている。また、切換弁104は初期位置にあり、入口ポートB1およびB2が復動式油圧シリンダ100の入口ポートP1およびP2に接続されている。このため、入口ポートB1およびB2にはアキュムレータ110の圧力や、チェック弁111を介した油圧ポンプ106の吐出圧力が作用し、第1および第2のシリンダ室101cおよび101dに同一圧力が印加されてピストン101bが上昇する。この上昇速度は可変絞り112により調節することができる。
上下圧盤161と162の間に供試体Sをセットするとともに、図示しない操作パネルなどから目標試験波形を含む試験条件を設定する。試験開始スイッチ211をオン操作すると試験が開始される。制御回路200は、切換弁104を試験位置に切換え、また、供試体Sに負荷される荷重や供試体Sの変形量が目標試験波形に応じて変化するようサーボ弁105を駆動し、これにより、復動式油圧シリンダ100が駆動されて供試体Sが負荷される。試験条件入力操作時に、目標試験波形を適宜設定することにより、単純圧縮試験、圧縮疲労試験など、種々の条件で材料試験を行うことができる。
試験中、アキュムレータ110には所定圧力の油圧が蓄圧される。試験中に異常が検出されると、制御回路200は電動モータ108を停止するとともに、切換弁104を初期位置に切換える。これにより、油圧シリンダ100の第1および第2のシリンダ室101cおよび101dにアキュムレータ110に蓄圧された圧油が供給され、ピストン110Bには、(ピストンの上下の受圧面積差(A2−A1)×アキュムレータ110の圧力)に応じた力Fが働き、ピストン101bが上昇する。力Fは、ピストン101bの質量と、ロードセル151の質量と、上圧盤161の質量を加算した値の負荷に打ち勝ってピストン101bが上昇するように設定される。
なお、異常信号により停止した圧縮試験機を再起動する際、ユーザは操作パネルなどから異常解除操作を行う。これにより、制御回路200は、変位フィードバック制御に設定するとともに、異常停止信号により上昇しているピストン101bの位置を変位計152の出力信号から認識して、その変位量を目標信号に設定する。したがって、目標値と検出信号との差分である誤差信号がゼロとなり、異常解除操作により切換弁104が試験位置に切り換えられても、サーボ弁105の入力が0信号のため、ピストン110bはその位置に保持され動かない。
停電時は、電動モータ108が停止して油圧ポンプ106からの吐出も停止されるとともに、切換弁104への切換信号が遮断されて切換弁104は初期位置に切り換わる。そのため、上述した様にしてアキュムレータ110の蓄圧によりピストン101bが上方へ移動する。また、試験終了時、制御回路200は、切換弁104を初期位置へ切換える。したがって、試験終了時も同様にしてアキュムレータ110の蓄圧により、もしくは、油圧ポンプ106からの圧油によりピストン101bが上昇する。
以上のように構成した圧縮試験機では次のような作用効果を奏することができる。
(1)試験中に異常が検出されると切換弁104が初期位置へ切り換わり、アキュムレータ110の蓄圧により復動式油圧シリンダ100のピストン101bが供試体Sから離間する方向に上昇する。その結果、ピストン101bの質量、ロードセル151の質量、上圧盤161の質量の総和が供試体Sにかかることが防止される。
(2)ピストン101bの受圧面積差を用い、試験中にアキュムレータ110に蓄圧した圧油をシリンダ室101cおよび101dに印加するだけで、ピストン101bを上昇させるようにした。その結果、ピストン101bを移動するアクチュエータを別途設けたり、シリンダ室101cおよび101dに供給する圧力を制御する圧力制御弁などを設ける必要がなく、最低限のコストで上記機能を実現できる。
(3)異常検出時に加えて、供試体Sに対する試験が終了したときも同様にしてピストン101bを供試体Sから離間する方向に移動するようにした。そのため、試験終了後に無意味が荷重が供試体Sに作用することがない。また、次の供試体Sをセットする際に上圧盤161を手動で上昇させる必要がなく、操作性が向上する。
(4)上述したピストン移動速度を可変絞り112により調節可能とした。したがって、ピストン101bの移動速度がユーザの好みに調節することができる。
本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。たとえば、異常時にのみピストン101bを自動的に上昇させるようにしてもよい。圧縮試験機として説明したが曲げ試験機などにも適用することができる。
特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係では、油圧ポンプ106が油圧源に対応し、制御回路200が制御手段、終了検出手段および異常検出手段に対応し、可変絞り112が速度調節手段に対応する。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
本発明の実施の形態に係る圧縮試験機の構成例を示す図 実施の形態に係る圧縮試験機の処理手順を示すフローチャート
符号の説明
100:圧縮試験機 101:復動式油圧シリンダ
101b:ピストン 101c,101d:シリンダ室
104:切換弁 105:サーボ弁
106:油圧ポンプ 110:アキュムレータ
112:可変絞り 151:ロードセル
161:上圧盤 162:下圧盤
200:制御回路 S:供試体

Claims (6)

  1. 供試体を負荷する復動式油圧シリンダと、
    油圧源からの圧油を制御して前記復動式油圧シリンダを駆動制御する制御弁と、
    油圧力を蓄圧するアキュムレータと、
    試験時に前記制御弁を前記復動式油圧シリンダに接続し、試験停止時に前記アキュムレータを前記復動式油圧シリンダに接続する切換え動作を択一的に行う切換弁とを備え、
    前記復動式油圧シリンダのピストンは異なる受圧面積を有するように構成され、
    前記試験停止時、前記ピストンの受圧面積差に応じて、前記アキュムレータに蓄圧した油圧力で前記ピストンを前記供試体から離間する方向に移動するように構成したことを特徴とする材料試験機。
  2. 請求項1に記載の材料試験機において、
    前記試験時に試験の異常を検出する異常検出手段と、
    前記異常検出手段により異常が検出されると、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように前記切換弁を切換える制御手段とを有することを特徴とする材料試験機。
  3. 請求項1または2に記載の材料試験機において、
    前記試験の終了を検出する終了検出手段と、
    前記終了検出手段により試験終了が検出されると、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように前記切換弁を切換える制御手段とを有することを特徴とする材料試験機。
  4. 請求項1乃至3項のいずれか一項に記載の材料試験機において、
    前記材料試験機への電源遮断時または停電時に前記切換弁への切換信号が遮断されたとき、前記切換弁は、前記アキュムレータが前記復動式油圧シリンダに接続するように切換わることを特徴とする材料試験機。
  5. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の材料試験機において、
    前記試験停止時に前記ピストンが前記供試体から離間する方向に移動する速度を調節する速度調節手段をさらに備えることを特徴とする材料試験機。
  6. 請求項5に記載の材料試験機において、
    前記速度調整手段は、前記アキュムレータと前記切換弁との間に設けられた可変絞りであることを特徴とする材料試験機。
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