JP4881598B2 - Exciter, excitation method - Google Patents
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Description
本発明は、起振装置及び加振方法に関し、特に遠心場における模型実験に好適な起振装置及び加振方法に関する。 The present invention relates to a vibration generator and a vibration method, and more particularly to a vibration generator and a vibration method suitable for a model experiment in a centrifugal field.
従来より、地震時の地盤特性や構造物の振動特性を調べるため、縮尺模型に振動を加える加振実験が行われている。このような加振実験に用いられる起振装置として、例えば特許文献1には、錘と、この錘を上下動させる手段であるエアシリンダと、錘を弾性的に支持する手段とを備えた起振装置が記載されている。このような起振装置によれば、錘が弾性的に支持されているため、より小さな加振力で錘を上下動させ、加振対象物を加振することができる。 Conventionally, in order to investigate the ground characteristics at the time of an earthquake and the vibration characteristics of a structure, an excitation experiment in which vibration is applied to a scale model has been performed. As an exciter used for such an excitation experiment, for example, Patent Document 1 discloses an oscillator provided with a weight, an air cylinder that is a means for moving the weight up and down, and a means for elastically supporting the weight. A vibration device is described. According to such a vibration generating device, since the weight is elastically supported, the weight can be moved up and down with a smaller vibration force to vibrate the vibration target.
ところで、縮尺模型を用いた加振実験において、寸法のみを縮尺しただけでは、力学的相似則を満足することができない。そこで、近年、高速回転運動により遠心力を発生させた遠心場において実験を行うことにより力学的相似則を満足させる実験方法がとられることがある。
このような遠心場における加振実験では、起振装置の荷重負荷が大きくなるので、試料模型にかかる荷重負担が大きくなり、実験精度が低下してしまう。このため、遠心場における加振実験に用いられる起震装置は軽量であることが望ましい。 In the excitation experiment in such a centrifugal field, the load load of the vibration generator increases, so that the load load applied to the sample model increases and the experimental accuracy decreases. For this reason, it is desirable that the seismic device used for the vibration experiment in the centrifugal field is lightweight.
しかしながら、上記説明した起振装置は、上下動させるための手段として用いられるエアシリンダ等の重量及び錘の質量により、起振装置全体としての重量が非常に大きくなってしまうという問題があった。 However, the above-described vibration generator has a problem that the weight of the whole vibration generator becomes very large due to the weight of the air cylinder or the like used as means for moving up and down and the mass of the weight.
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、遠心場における模型実験等に適した軽量な起振装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a lightweight vibration exciter suitable for a model experiment or the like in a centrifugal field.
本発明の起振装置は、シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じてシリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダを有し、前記油圧シリンダの前記ロッド側が加振対象物に固定され、前記油圧シリンダが油圧の供給により伸縮するのに応じて、前記シリンダ本体が慣性質量として作用することにより前記加振対象物を加振する起振装置であって、前記シリンダ本体の重量が伝達され、その反力が、前記伝達されるシリンダ本体の重量の向きとは逆向きに前記シリンダ本体に伝達されるように設けられた弾性体と、前記シリンダ本体の重量を圧縮荷重として、前記弾性体に伝達する荷重伝達手段と、を有することを特徴とする。 Exciter device of the present invention comprises a cylinder body, have a hydraulic cylinder having a rod moves forward and backward displacement with respect to the cylinder body in response to hydraulic pressure supplied to the cylinder body, the rod side of the front SL hydraulic cylinder pressurized A vibration exciter that is fixed to a vibration target and vibrates the vibration target by the cylinder body acting as an inertial mass as the hydraulic cylinder expands and contracts by supplying hydraulic pressure , The weight of the cylinder body is transmitted, and an elastic body provided so that the reaction force is transmitted to the cylinder body in a direction opposite to the direction of the transmitted weight of the cylinder body, and the weight of the cylinder body Load compressing means for transmitting to the elastic body as a compressive load .
上記の起振装置によれば、シリンダ本体の重量を、加振のための慣性重量として用いるため、従来の起振装置における錘を省略することができる。これにより、装置全体としての重量を低減することができ、遠心場における模型実験の精度を向上させることができる。
また、シリンダ本体の重量を弾性体により支持することで、遠心力により発生するシリンダ本体の重量による荷重と弾性体の復元力が打ち消しあうため、実験模型を加振する際に、油圧シリンダが負担する荷重を低減することができる。
According to the above vibration generator, the weight of the cylinder main body is used as the inertia weight for vibration, and thus the weight in the conventional vibration generator can be omitted. Thereby, the weight as the whole apparatus can be reduced and the precision of the model experiment in a centrifugal field can be improved.
In addition, since the weight of the cylinder body is supported by the elastic body, the load due to the weight of the cylinder body generated by centrifugal force and the restoring force of the elastic body cancel each other. Load to be reduced.
また、前記弾性体は、ばねであってもよい。さらに、前記ばねは、空気ばねであってもよい。 Also, the elastic body may be a spring. Further, the spring may be an air spring.
本発明の加振方法は、シリンダ本体と、このシリンダ本体に供給される油圧に応じて、シリンダ本体に対して進退変位するロッドとを有する油圧シリンダと、前記シリンダ本体の重量が伝達され、その反力が、前記伝達される重量の向きとは逆向きに前記シリンダ本体に伝達されるように設けられた弾性体と、前記シリンダ本体の重量を圧縮荷重として、前記弾性体に伝達する荷重伝達手段と、を有する起振装置により、遠心場において加振対象物を加振する方法であって、前記油圧シリンダの前記ロッド側を加振対象物に固定し、前記油圧シリンダを油圧の供給により伸縮させ、前記シリンダ本体の重量を慣性質量として作用させることにより加振対象物を加振することを特徴とする。 According to the vibration method of the present invention, a hydraulic cylinder having a cylinder body and a rod that moves forward and backward with respect to the cylinder body according to the hydraulic pressure supplied to the cylinder body, the weight of the cylinder body is transmitted, An elastic body provided so that a reaction force is transmitted to the cylinder body in a direction opposite to the direction of the transmitted weight, and a load transmission that transmits the weight of the cylinder body to the elastic body as a compression load Means for vibrating the object to be vibrated in a centrifugal field, wherein the rod side of the hydraulic cylinder is fixed to the object to be vibrated, and the hydraulic cylinder is supplied with hydraulic pressure. The object to be vibrated is vibrated by expanding and contracting and applying the weight of the cylinder body as an inertial mass.
本発明の起振装置によれば、シリンダ本体の重量を慣性重量として用いているため、従来の起振装置において慣性質量として用いていた錘が不要となる。このため、装置全体の重量を削減することができる。 According to the vibration generator of the present invention, since the weight of the cylinder body is used as the inertia weight, the weight used as the inertia mass in the conventional vibration generator is not necessary. For this reason, the weight of the whole apparatus can be reduced.
以下、本発明の起振装置の一実施形態を図面に基づき説明する。図1は、本実施形態の起振装置10を示す斜視図であり、図2は、起振装置10を示す鉛直断面図である。さらに、図3は模型試料20を加振する起振装置10を模式的に示す図である。図1〜図3に示すように、起振装置10は、油圧シリンダ11と、空気ばね12と、油圧シリンダ11に供給される油圧を制御するサーボバルブ13と、シリンダ本体17の変位を検出するための変位検出器14と、起振装置10により模型試料20(図3)に作用する加速度及び加振力を測定するためのロードセル15と、空気ばね12を支持する枠組み16とを備える。サーボバルブ13には、適宜な油圧供給手段(図示せず)が接続されている。
Hereinafter, an embodiment of a vibration generator according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a
図2に示すように、油圧シリンダ11は、シリンダ本体17と、このシリンダ本体17に対して進退変位するシリンダロッド18とを備える。油圧シリンダ11のシリンダロッド18側は、台座19を介して加振対象物である模型試料20に固定されている。また、油圧シリンダ11のシリンダ本体17側は、枠組み16に接続されている。さらに、枠組み16は空気ばね12の上端部に接続されており、この空気ばね12の下端部は支持台22により下方より支持されている。この空気ばね12内の圧力は、起振装置10の上部に設けられた空気圧継手21より調整することができ、本実施形態では、遠心場においてシリンダ本体17の質量により圧縮された際に、空気ばね12の厚さが標準高さになるように適宜調整されている。
As shown in FIG. 2, the
また、シリンダ本体17は所定の重量を有しており、模型試料20を加振する際に慣性質量として機能する。変位検出器14及びロードセル15により測定された変位及び加振力に基づいて、サーボバルブ13により油圧シリンダ11に供給される油圧が制御され、この油圧に応じてシリンダロッド18がシリンダ本体17に対して進退変位することで、油圧シリンダ11が伸縮運動する。ここで、本実施形態では、シリンダロッド18は、模型試料20に固定されているので、シリンダ本体17が往復運動することになる。したがって、シリンダ本体17の重量が慣性質量として働き、その反力がシリンダロッド18を介して模型試料20に伝達されることにより模型試料20が加振される。
The
図3には、本実施形態の起振装置10が模型試料20を加振する際に、各部に作用する荷重を示している。なお、mはシリンダ本体17の質量を、gは遠心場における加速度を、aはシリンダ本体17の加速度である。同図に示すように、シリンダ本体17の重量f1=mgは枠組み16により伝達され、空気ばね12の上方より圧縮力として作用する。すなわち、枠組み16が荷重伝達手段に相当する。空気ばね12の下端部は支持台22により支持されているため、空気ばね12に上方より圧縮力が作用するとこの圧縮力とは逆向きに反力f2=mgを発生する。この反力は、再び枠組み16により伝達され、シリンダ本体17に荷重と逆向きの荷重f3=mgとして作用する。これにより、後に詳細に説明するように、シリンダ本体17の重量と、空気ばね12の反力が打ち消しあうことで、油圧シリンダ11はシリンダ本体17の重量mgを負担する必要がなくmaのみを発生すればよい。なお、空気ばね12に作用した圧縮力は支持台22により模型試料20に伝達される。
In FIG. 3, when the
ここで、本実施形態の起振装置によれば、従来の起振装置に比べて、装置全体の重量を削減することができ、かつ、少ない加振力で模型試料に等しい加振力を加えられることを説明する。 Here, according to the vibration generator of the present embodiment, the weight of the entire apparatus can be reduced compared to the conventional vibration generator, and an excitation force equal to the model sample can be applied with a small excitation force. Explain that
図4は、従来の起振装置30により加振をする際に、各部に作用する荷重を示す図である。同図に示すように、従来の起振装置30は、油圧シリンダ31と、錘32(重量をMとする)を備えている。油圧シリンダ31に油圧が供給されて、油圧シリンダ31が伸縮することにより錘32が慣性重量として働き、模型試料20に反力が作用する。従来の起振装置30は、この反力により模型試料20を加振することができる。油圧シリンダ31を構成するシリンダ本体の重量を本実施形態のシリンダ本体17と同じmとすると、従来の起振装置30のその他の部位の重量を無視した装置全体としての重量は、錘32とシリンダ本体の重量の合計(m+M)となる。ここで、シリンダ本体の重量mは大きいため、装置全体の重量(m+M)も大きくなってしまう。
FIG. 4 is a diagram showing loads acting on the respective parts when the
これに対し、図3に示すように、本実施形態の起振装置10は、油圧シリンダ11が伸縮する際、シリンダ本体17を慣性質量として用いて模型試料を加振するので、従来の起振装置30における錘32を省略することができる。このため、従来の起振装置30と同じ加振力を模型試料に発生するため、シリンダ本体17の質量はMであるとすると、本実施形態の起振装置10のその他の部位の重量を無視した装置全体としての重量はMとなる。このように本実施形態の起振装置10によれば、従来の起振装置30に比べて、重量を削減することが可能となる。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the
ここで、空気ばね12の機能について説明する。シリンダ本体17は、加振の際に例えば5mm程度の幅で上下動する。この際、正確な起振力で模型試料を加振するためには、シリンダ本体17が5mm程度上下動しても、シリンダ本体17の重量を支える支持力が一定であることが望ましい。図5は、空気ばね12の荷重変形特性を示すグラフである。図中の横軸は、空気ばね12の標準高さを基準とした変位を、縦軸は、空気ばね12に作用する荷重を示す。一般にシリンダ本体17の重量mは50kg程度であり、遠心場における加速度gが10G(Gは重力加速度)であるとすると、空気ばね12には500kgfの圧縮力が作用する。図5に示すように、空気ばね12は荷重が大きくなるにつればね定数(図における荷重変位曲線の傾き)が小さくなる特性を有する。このため、空気ばね12が500kgf程度の圧縮力が作用した状態で標準高さになるように調整されており、かつ、空気ばね12の厚さが標準高さより±5mm程度以内の場合には、空気ばね12の反力は20kgf程度しか変化せず、略一定とみなすことができる。このように、予め空気ばね12を、遠心場において標準高さになるように内部圧力を調整しておくことで、空気ばね12の厚さが油圧シリンダ11の伸縮により変化しても、略一定の力でシリンダ本体17の重量mgを支持することができる。これにより、油圧シリンダ11は加振力maのみを負担すればよい。
Here, the function of the
図4に戻って、従来の起振装置30により加振するためには、遠心場の遠心力による錘32の重量を負担しつつ、錘32に加振力を加えなければならないので、油圧シリンダ31が発生すべき加振力は非常に大きい。
Returning to FIG. 4, in order to vibrate with the
これに対し、上記説明したように、遠心場において空気ばね12の反力がシリンダ本体17の重量mgと等しくなるように調整しておくことにより、油圧シリンダ11が伸縮しても空気ばね12は略一定な反力mgでシリンダ本体17を支持する。このため、図3に示すように、シリンダ本体17の重量と空気ばね12の反力が打ち消しあい、油圧シリンダ11は、その自重による重量mgを負担する必要はない。このため、油圧シリンダ11が発生すべき加振力はmaとなる。このように、本実施形態の起振装置10によれば、油圧シリンダ11が発生すべき加振力を低減することができ、また、空気ばね12の反力が略一定であるため、一定の加振力で加振することができる。
In contrast, as described above, by adjusting the reaction force of the
また、通常の重力場では遠心場の遠心力に比べて重力加速度が小さいため、空気ばね12には遠心場と比べてわずかな重量しか作用しない。しかし、図5に示すように、空気ばね12は荷重が低下するにつればね定数が高くなる性質を有する。このため、通常のばねと比較して、荷重が小さい場合の厚さと標準高さの差が小さい。遠心場に用いる起振装置は、実験開始前は通常の重力加速度が作用するため空気ばねに働く荷重が小さく、実験中は遠心力により空気ばねに働く荷重が大きくなる。これに対して、空気ばね12は、通常の重力場と遠心場においても高さの差が比較的に少なく、遠心場に用いる起振装置には好適である。
Further, since the gravitational acceleration is smaller in the normal gravity field than in the centrifugal force of the centrifugal field, the
以上説明した本実施形態の起振装置10によれば、シリンダ本体17を、加振のための慣性重量として用いるため、従来の起振装置において設けられていた錘を省略することができる。これにより、装置全体の重量を小さくすることができるため、遠心場における加振実験の精度が向上する。
According to the
また、シリンダ本体17の重量を空気ばね12の反力により支持する構成としたため、シリンダ本体17の重量と、空気ばね12の反力とが打ち消しあい、油圧シリンダ11が負担する加振力を小さくすることができる。
Further, since the weight of the
なお、本実施形態では、シリンダ本体の重量を空気ばねにより支持する構成としたが、これに代えて、例えば粘弾性体や一般的なコイルばねを用いることも可能である。 In the present embodiment, the weight of the cylinder body is supported by the air spring. However, instead of this, for example, a viscoelastic body or a general coil spring can be used.
10 起振装置 11 油圧シリンダ
12 空気ばね 13 サーボバルブ
14 変位検出器 15 ロードセル
16 枠組み 17 シリンダ本体
18 シリンダロッド 19 台座
20 模型試料 21 空気圧継手
22 支持台 30 従来の起振装置
31 油圧シリンダ 32 錘
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記シリンダ本体の重量が伝達され、その反力が、前記伝達されるシリンダ本体の重量の向きとは逆向きに前記シリンダ本体に伝達されるように設けられた弾性体と、
前記シリンダ本体の重量を圧縮荷重として、前記弾性体に伝達する荷重伝達手段と、を有することを特徴とする起振装置。 A cylinder body, have a hydraulic cylinder having a rod moves forward and backward displacement with respect to the cylinder body in response to hydraulic pressure supplied to the cylinder body, the rod side of the front SL hydraulic cylinder is secured to the vibration object, the An exciter that vibrates the object to be vibrated by the cylinder body acting as an inertial mass as the hydraulic cylinder expands and contracts by supplying hydraulic pressure ,
An elastic body provided such that the weight of the cylinder body is transmitted and the reaction force is transmitted to the cylinder body in a direction opposite to the direction of the weight of the transmitted cylinder body;
And a load transmitting means for transmitting the weight of the cylinder body to the elastic body as a compressive load .
前記シリンダ本体に接続された枠部材と、を有し、
前記弾性体は、前記加振対象物に近い側の一端が前記支持台により支持され、他端が前記枠部材により支持されており、
前記枠部材が前記荷重伝達手段として機能し、
前記弾性体に伝達された前記シリンダ本体の重量の反力は、前記枠部材により、前記シリンダ本体に伝達されることを特徴とする請求項1記載の起振装置。 A support base connected to the vibration object;
A frame member connected to the cylinder body,
The elastic body has one end near the object to be vibrated supported by the support base and the other end supported by the frame member,
The frame member functions as the load transmitting means;
The vibration exciting device according to claim 1 , wherein the reaction force of the weight of the cylinder body transmitted to the elastic body is transmitted to the cylinder body by the frame member .
前記シリンダ本体の重量fは、前記シリンダ本体の質量と、前記遠心場における加速度との積であることを特徴とする請求項1又は2記載の起振装置。 The vibratory apparatus vibrates the object to be vibrated in a centrifugal field,
The weight f of the cylinder body, the mass of the cylinder body, excitation apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the product of the acceleration in the centrifugal field.
前記油圧シリンダの前記ロッド側を加振対象物に固定し、
前記油圧シリンダを油圧の供給により伸縮させ、前記シリンダ本体の重量を慣性質量として作用させることにより加振対象物を加振することを特徴とする加振方法。 A hydraulic cylinder having a cylinder body and a rod that moves forward and backward relative to the cylinder body according to the hydraulic pressure supplied to the cylinder body, and the weight of the cylinder body are transmitted, and the reaction force is transmitted. A vibration exciter comprising: an elastic body provided to be transmitted to the cylinder body in a direction opposite to the direction of weight; and a load transmission means for transmitting the weight of the cylinder body to the elastic body as a compression load. By the method of exciting the object to be vibrated in the centrifugal field ,
Fixing the rod side of the hydraulic cylinder to an object to be vibrated,
A vibration method characterized in that the object to be vibrated is vibrated by expanding and contracting the hydraulic cylinder by supplying hydraulic pressure, and causing the weight of the cylinder body to act as an inertial mass.
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