JP5582098B2

JP5582098B2 - 材料試験機

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Publication number: JP5582098B2
Application number: JP2011130842A
Authority: JP
Inventors: 融松浦
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP2013002824A

Description

この発明は材料試験機に関し、特に、油圧シリンダを駆動源とする材料試験機に関する。

材料試験機においては、一般に、負荷機構の駆動により試験片等の供試体に対して、各種の負荷を加えている。例えば、試験片に対して疲労試験を行う場合には、試験片に連続して試験周波数の振動を付与している。そして、試験片に振動を付与するための負荷機構の駆動源としては、油圧シリンダが使用されている。

このような油圧シリンダを駆動源とする材料試験機においては、油圧シリンダに対して作動油を供給するために、油圧ポンプを含む油圧源が使用される。そして、この油圧ポンプを駆動するためのモータは、例えば、ＡＣ電源で動作する誘導モータ等が使用され、材料試験の実行中においては、その回転数が一定に維持されている。また、油圧源から油圧シリンダに供給される作動油の供給圧は、例えば、リリーフ弁等を使用することによって一定圧に設定され、材料試験の実行中においては、その設定供給圧が維持される構成となっている。

このような材料試験機においては、油圧源の能力は、材料試験機に要求される最大パフォーマンスに応じて設定されている。すなわち、材料試験機における油圧源を構成する各部材の選定に際しては、作動油の最大吐出量や最大吐出圧等は、材料試験機に要求される油圧シリンダの最大移動速度や最大の試験力等の最大パフォーマンスと関連付けて行われている。しかしながら、実際の材料試験時には、その最大パフォーマンスが要求される時間が短い場合も多い。このため、このようにして設定された材料試験機は、必要以上に電力を消費しているという問題がある。また、油圧ポンプを駆動するモータの回転数や作動油の供給圧力が大きくなった場合には、作動油の劣化が必要以上にすすむという問題も生ずる。

このため、特許文献１においては、油圧式アクチュエータに対して作動油を供給する油圧源のポンプ駆動用のモータを回転数可変のものとし、そのモータの回転数を、材料試験機の試験準備から試験終了までの各状態に応じて自動的に変化させる材料試験機が開示されている。この材料試験機によれば、試験準備中などの作動油流量が要求されない状態では低速回転とし、必要なときにだけ高速で回転させることにより、消費電力を低減させることが可能となる。

特開２００４−１６３１４９号公報

この特許文献１に記載された材料試験機は、消費電力を低減可能な優れたものではあるが、油圧源の能力が材料試験機に要求される最大パフォーマンスに応じて設定されていることから、材料試験の実行中においても、材料試験に必要とされる能力以上の回転数で油圧ポンプが運転され、また、油圧シリンダに高圧の作動油が供給されていることから、必要以上に電力を消費していることにかわりはない。

一般的に、油圧シリンダに供給する作動油の供給圧力を小さくした場合には、必要な消費電力を低減することができる。このため、材料試験時における試験力の最大値に基づいて作動油の供給圧力を変更することにより、消費電力を低減することが可能となる。しかしながら、作動油の供給圧力と負荷できる最大試験力とは比例関係にはなく、試験周波数や油圧シリンダの振幅によって影響を受ける。このため、必要な試験力を発生させるための作動油の供給圧力を、試験力のみに基づいて決定した場合には、安全率を考慮するほどその供給圧力が過剰なものとなり、消費電力をより効率的に低減することは困難となる。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、消費電力を低減させることができ、また、作動油の劣化も低減させることが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、供試体に対して試験周波数で振動を付与することにより、前記供試体に対して疲労試験を実行する材料試験機において、油圧シリンダと、サーボバルブと、モータと、このモータにより駆動されるポンプとを備え、前記油圧シリンダに対して前記サーボバルブを介して作動油を供給する油圧源と、前記供試体に対して試験力を付与して材料試験を行うときの前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークを検出する変位検出器と、前記油圧シリンダにより前記供試体に対して付与する試験力の大きさを検出する試験力検出器と、前記変位検出器で検出した前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークに基づいて前記油圧シリンダの振幅を決定するとともに、前記試験力検出器により検出した前記試験力の大きさに基づいて前記試験力の最大値を決定し、前記試験周波数と、前記油圧シリンダにより前記供試体に対して付与する試験力の最大値と、前記油圧シリンダの振幅とに基づいて、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算する制御部と、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力が、前記制御部により演算された目標値になるように、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力を一定時間毎に変更する供給圧力変更部とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、前記サーボバルブに必要な作動油の圧力と前記油圧シリンダに必要な作動油の圧力の合計値として、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、
前記モータは、交流電源を供給されることにより回転するモータであり、このモータに接続されてモータの回転数を変更するインバータをさらに備え、前記制御部は、材料試験時における前記油圧シリンダの振幅に応じて、前記インバータを制御することにより、前記モータの回転数を変更する。

請求項１に記載の発明によれば、試験周波数と、試験力の最大値と、油圧シリンダの振幅とに基づいて、油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算し、油圧源から供給する作動油の供給圧力をこの目標値に設定することから、材料試験を行う場合の消費電力を低減させることができ、また、作動油の劣化も低減させることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、サーボバルブに必要な作動油の圧力と油圧シリンダに必要な作動油の圧力の合計値として、油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算することから、油圧シリンダのみならずサーボバルブの影響も考慮して作動油の供給圧力の目標値を設定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、材料試験時における油圧シリンダの振幅に応じてインバータを制御することにより、モータの回転数を変更することから、材料試験を行う場合の消費電力をさらに低減させることができ、また、作動油の劣化もさらに低減させることが可能となる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。油圧供給部３０を示す概要図である。この発明に係る材料試験機により材料試験としての疲労試験を実行する動作を示すフローチャートである。回転数調整行程を示すフローチャートである。油圧シリンダ２１をサーボバルブ２２等とともに示す概要図である。作動油の供給圧調整工程を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１１により支持された一対のコラム１２と、これらのコラム１２により支持された架台１３とを備える。テーブル１１には、供試体としての試験片１０に試験力を負荷するための油圧シリンダ２１が配設されている。この油圧シリンダ２１は、作動油の供給量を弁開度等により決定するサーボバルブ２２と、油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５の変位を検出する変位検出器２６とに接続されている。油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５には、試験片１０を掴むつかみ具２９が取り付けられている。

架台１３の下面には、試験力を検出するための試験力検出器としてのロードセル２７と、試験片１０を固定するためのつかみ具２９とが配設されている。また、テーブル１１の下方には、油圧シリンダ２１を動作させるための作動油を供給する油圧供給部３０が配置されている。

また、この材料試験機は、装置全体を制御するための制御部４０を備える。この制御部４０は、表示部４１および入力部４２を備えた入出力用コンピュータ４３と接続されている。上述したサーボバルブ２２は、制御部４０から供給される制御信号によってその弁開度が制御される。また、変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、材料試験の実行中に、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。

油圧シリンダ２１は、油圧供給部３０から供給される作動油によって動作する。この油圧供給部３０からの作動油は、管路３７からサーボバルブ２２を介して油圧シリンダ２１に供給される。また、油圧シリンダ２１から排出された作動油は、サーボバルブ２２を通過した後、配管３８を介して油圧供給部３０に戻される。

図２は、上述した油圧供給部３０を示す概要図である。

この油圧供給部３０は、油圧ポンプ３３と、この油圧ポンプを駆動するためのモータ３４により構成される油圧源を備える。また、この油圧供給部３０は、作動油を貯留するオイルタンク３６と、モータ３４の回転数を変更するためのインバータ３５と、供給圧力変更部３２と、制御盤３１とを備える。ここで、モータ３４としては、誘導モータや同期モータなどの、交流電源を供給されることにより回転するとともに、インバータ３５の制御によりその回転数が変更可能なモータが使用される。

供給圧変更部３２は、制御部４０からの指令を受けて、油圧シリンダ２１に供給する作動油の圧力を調整するためのものであり、作動油の圧力調整部材を備えた構成を有する。すなわち、この供給圧変更部３２においては、比例制御弁を使用することや、複数個の圧力調整弁を選択的に使用すること等により、油圧シリンダ２１に送る作動油の圧力を、連続的または段階的に変更することが可能となっている。オイルタンク３６に貯留された作動油は、油圧ポンプ３３の作用により、この供給圧力変更部３２に圧送される。そして、この供給圧力変更部３２に圧送された作動油は、比例制御弁や圧力調整弁の作用により設定圧力となった状態で、油圧シリンダ２１に送られる。また、所定圧力以上となった作動油は、オイルタンク３６に回収される。

以上のような構成を有する材料試験機においては、試験片１０をつかみ具２９により支持した状態で、下つかみ具２９を油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５により往復移動させ、この試験片１０に対して振動を付与する。このときの油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークは、油圧シリンダ２１の振幅として変位検出器２６により検出される。また、このときに試験片１０に付与される試験力は、ロードセル２７により検出される。そして、上述したように、このときの変位検出器２６の出力信号と、ロードセル２７の出力信号とは、所定時間ごとに制御部４０に取り込まれる。

次に、上述した材料試験機により疲労試験を行うときの動作について説明する。図３は、この発明に係る材料試験機により材料試験としての疲労試験を実行する動作を示すフローチャートである。

この発明に係る材料試験機で供試体としての試験片１０の材料試験を実行するときには、最初に、油圧供給部３０を起動する（ステップＳ１）。このときには、図２に示すモータ３４は回転して油圧ポンプ３３が駆動される。但し、この状態においては、材料試験機におけるサーボバルブ２２は閉じられており、オイルタンク３６から油圧ポンプ３３に吸引された作動油は、再度、オイルタンク３６に回収される。

また、これと並行して、試験条件を設定する（ステップＳ２）。このときには、変位検出器２６により検出した油圧シリンダ２１のシリンダロッド２５のストロークを制御量とするストローク制御モードや、ロードセル２７により検出した試験片１０に対する試験力を制御量とする試験力制御モード、あるいは、試験片１０のひずみによる変位量を制御量とするひずみ制御モード、さらには、これらのモードを組み合わせたその他の制御モードを選択することができる。そして、各モードにおける試験条件として、例えば、ストローク制御モードにおいてはシリンダロッド２５のストロークを、また、試験力制御モードにおいては試験片１０に付与すべき試験力の大きさを設定する。また、このときには、併せて、試験片１０に付与する試験周波数を設定する。

この状態において、材料試験を開始する（ステップＳ３）。このときには、サーボバルブ２２が開放され、油圧シリンダ２１に作動油が供給され、油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５が移動する。そして、つかみ具２９により支持された試験片１０に対して試験周波数の振動を付与する。このときの、油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークは、変位検出器２６により検出される。また、このときに試験片１０に付与される試験力は、ロードセル２７により検出される。そして、例えば、ストローク制御モードにおいては、シリンダロッド２５の往復ストロークが設定値となるようにサーボバルブ２２の開閉状態が制御され、試験力制御モードにおいては、試験片１０に付与される試験力が所定値になるようにサーボバルブ２２の開閉状態が制御される。

この材料試験の実行中に、一定時間が経過すれば（ステップＳ４）、制御部４０が、モータ３４の回転数を調整するとともに(ステップＳ５）、作動油の供給圧を調整する（ステップＳ６）。これらのモータ３４の回転数調整工程(ステップＳ５）と作動油の供給圧調整工程(ステップＳ６)については、後述する。

以上の動作は、試験終了まで繰り返される。すなわち、モータ３４の回転数調整工程(ステップＳ５）と作動油の供給圧調整工程(ステップＳ６)は、一定時間ごとに繰り返し実行される。例えば、３日間の疲労試験を実行する場合においては、上記の各工程は、一時間ごとに繰り返される。そして、必要な材料試験が終了すれば（ステップＳ７）、処理を終了する。

次に、上述した回転数調整工程について説明する。図４は、回転数調整行程を示すフローチャートである。

この回転数調整工程においては、制御部４０が、変位検出器２６により検出された油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークを油圧シリンダ２１の振幅ｄ_ｔとして読み込む（ステップＳ５１）。そして、読み込まれた油圧シリンダ２１の振幅ｄ_ｔに基づいて、油圧ポンプ３３を駆動するためのモータ３４の回転数を演算する。すなわち、材料試験の実行中に油圧ポンプ３３に必要とされる吐出量Ｍ（ｌ／ｍｉｎ）は、油圧シリンダ２１の振幅をｄ_ｔ（ｍｍ）、試験周波数をｆ_ｔ（Ｈｚ）、油圧シリンダ２１の受圧面積をＡ（ｍｍ^３）とし、ｃを係数とした場合に、下記の数式１で表される。

そして、油圧ポンプ３３の吐出量は、その回転数と比例関係にある。このため、上記数式１より求められた吐出量から油圧ポンプ３３において必要とされる回転数、すなわち、モータ３４の回転数を演算することが可能となる（ステップＳ５２）。モータ３４の回転数が演算されれば、制御部４０からの指令によりインバータ３５を制御して、モータ３４の回転数を調整することにより、回転数調整工程が完了する（ステップＳ５３）。

上述した受圧面積Ａについて説明する。図５は、油圧シリンダ２１をサーボバルブ２２等とともに示す概要図である。

この図においてＤは、油圧シリンダ２１のピストン５１の外径であり、ｄはシリンダロッド５２の外径である。また、この図においてＬは、油圧シリンダ２１の有効長さである。上述した受圧面積Ａは、下記の数式２で表される。

次に、上述した作動油の供給圧調整工程について説明する。図６は、作動油の供給圧調整工程を示すフローチャートである。

この作動油の供給圧調整工程においても、制御部４０が、変位検出器２６により検出された油圧シリンダ２１におけるシリンダロッド２５の往復移動のストロークを油圧シリンダ２１の振幅ｄ_ｔとして読み込む（ステップＳ６１）。また、制御部４０が、ロードセル２７により検出された試験片１０に対する試験力の大きさを読み込む（ステップＳ６２）。そして、読み込まれた油圧シリンダ２１の振幅ｄ_ｔと、試験力の最大値Ｆ_ｔと、試験周波数ｆ_ｔとに基づいて、油圧シリンダ２１に供給する作動油の圧力Ｐ_Ｓを演算する（ステップＳ６３）。

この作動油の圧力Ｐ_Ｓは、サーボバルブ２２に必要とされる圧力Ｐ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）と油圧シリンダ２１に必要とされる圧力Ｐ_ａ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）の和として、以下の数式３で表される。そして、この演算は、以下のようにして実行される。

まず、サーボバルブ２２に必要とされる圧力Ｐ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）について説明する。サーボバルブ２２に必要とされる圧力Ｐ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、試験周波数をｆｔ（Ｈｚ）としたときに、油圧シリンダ２１の振幅をｄ_ｔとするためのサーボバルブ２２への必要流量Ｑ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）を確保するためには、下記の数式４を満たす必要がある。

なお、数式４におけるｌはリーク量であり、Ｑ_ｖ０はサーボバルブ２２の定格流量、また、Ｐ_ｖ０はサーボバルブ２２の定格差圧である。また、Ｂは下記の数式５で表されるサーボバルブ２２の周波数特性に基づく減衰である。

ここで、サーボバルブ２２への必要流量Ｑ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、下記の数式６で表される。ここで、Ａは、上述した数式２で示す油圧シリンダ２１の受圧面積であり、Ｖは、下記の数式６で表される油圧シリンダ２１の最大速度である。

ここで、数式６におけるＡは、上述した数式２で示す油圧シリンダ２１の受圧面積であり、数式６におけるＶ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、下記の数式７で表される油圧シリンダ２１の最大速度である。

そして、δ（Ｆ_ｔ）は、作動油の圧縮性による油圧シリンダ２１の振幅の減衰量であり、下記の数式８により算出することができる。ここで、数式８におけるＬは、図５に示す油圧シリンダ２１の有効長さである。また、Ｋは作動油の体積弾性率である。

以上の制御部４０において以上の演算を実行することにより、サーボバルブ２２に必要とされる圧力Ｐ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）を得ることができる。

なお、サーボバルブ２２への流量Ｑ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）の最大値は、油圧ポンプ３３を駆動するためのモータ３４の回転数に基づく油圧供給部３０による供給流量により制限される。ここで、図１に示す管路３７にアキュムレータを配設した場合には、油圧供給部３０による供給流量を増大させることが可能となる。

次に、油圧シリンダ２１に必要とされる圧力Ｐ_ａ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）について説明する。油圧シリンダ２１に必要とされる圧力Ｐ_ａ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、Ａを上述した油圧シリンダ２１の受圧面積、ηを０より大きく１以下の油圧シリンダ２１の推力効率、Ｆ_ｉ（ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）を油圧シリンダ２１の慣性力とした場合、下記の数式９で表される。

また、油圧シリンダ２１の慣性力Ｆ_ｉ（ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、油圧シリンダ２１により移動するものの総重量をｍとし、油圧シリンダ２１による最大加速度をａ（ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）とした場合、下記の数式１０により表される。

そして、油圧シリンダ２１による最大加速度ａ（ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）は、試験周波数ｆ_ｔ
とその振幅ｄ_ｔとから、下記の数式１１により表される。

制御部４０において以上の演算を実行することにより、油圧シリンダ２１に必要とされる圧力Ｐ_ａ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）を得ることができる。

以上の工程により、サーボバルブ２２および油圧シリンダ２１に対する作動油の供給圧力Ｐ_Ｓが、サーボバルブ２２に必要とされる圧力Ｐ_Ｖ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）と油圧シリンダ２１に必要とされる圧力Ｐ_ａ（Ｆ_ｔ，ｆ_ｔ，ｄ_ｔ）の和として演算されれば、制御部４０からの指令により、供給圧力変更部３２を制御してサーボバルブ２２および油圧シリンダ２１に対する作動油の供給圧力を調整する（ステップＳ６４）。

以上のように、この発明に係る材料試験機においては、試験周波数と、試験力の最大値と、油圧シリンダの振幅とを考慮して作動油の供給圧力を決定することから、材料試験を行う場合の消費電力を低減させることができ、また、作動油の劣化も低減させることが可能となる。このとき、作動油の供給圧力を、サーボバルブ２２に必要な作動油の圧力と油圧シリンダ２１に必要な作動油の圧力の合計値として決定することから、作動油の供給圧力をより適正なものとすることが可能となる。

１０試験片
１１テーブル
１２コラム
１３架台
２１油圧シリンダ
２２サーボバルブ
２５シリンダロッド
２６変位検出器
２７ロードセル
２９つかみ具
３０油圧供給部
３１制御盤
３２供給圧力変更部
３３油圧ポンプ
３４モータ
３５インバータ
３６オイルタンク
３７管路
３８管路
４０制御部
４１表示部
４２入力部
４３入出力用コンピュータ
５１ピストン

Claims

供試体に対して試験周波数で振動を付与することにより、前記供試体に対して疲労試験を実行する材料試験機において、
油圧シリンダと、
サーボバルブと、
モータと、このモータにより駆動されるポンプとを備え、前記油圧シリンダに対して前記サーボバルブを介して作動油を供給する油圧源と、
前記供試体に対して試験力を付与して材料試験を行うときの前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークを検出する変位検出器と、
前記油圧シリンダにより前記供試体に対して付与する試験力の大きさを検出する試験力検出器と、
前記変位検出器で検出した前記油圧シリンダのシリンダロッドのストロークに基づいて前記油圧シリンダの振幅を決定するとともに、前記試験力検出器により検出した前記試験力の大きさに基づいて前記試験力の最大値を決定し、前記試験周波数と、前記油圧シリンダにより前記供試体に対して付与する試験力の最大値と、前記油圧シリンダの振幅とに基づいて、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算する制御部と、
前記油圧源から供給する作動油の供給圧力が、前記制御部により演算された目標値になるように、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力を一定時間毎に変更する供給圧力変更部と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記制御部は、前記サーボバルブに必要な作動油の圧力と前記油圧シリンダに必要な作動油の圧力の合計値として、前記油圧源から供給する作動油の供給圧力の目標値を演算する材料試験機。
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記モータは、交流電源を供給されることにより回転するモータであり、
前記モータに接続されてモータの回転数を変更するインバータをさらに備え、
前記制御部は、材料試験時における前記油圧シリンダの振幅に応じて、前記インバータを制御することにより、前記モータの回転数を変更する材料試験機。