JP4665893B2 - 材料試験機 - Google Patents

Description

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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