JP5716552B2

JP5716552B2 - 材料試験機

Info

Publication number: JP5716552B2
Application number: JP2011124003A
Authority: JP
Inventors: 晃平遠山
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: JP2012251844A

Description

この発明は、油圧アクチュエータにより試験片に試験力を付与する材料試験機に関する。

材料試験機においては、負荷機構の駆動により試験片に各種負荷を加えるが、その負荷機構の駆動源として油圧式アクチュエータが多用されている。油圧式アクチュエータを駆動源とする材料試験機においては、その油圧式アクチュエータに対してポンプによりオイル(作動油）を供給している。そして、ポンプを駆動するためのモータは、ＡＣ電源（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で動作する一定回転数のものが用いられている。ポンプと油圧アクチュエータとの間には、サーボバルブが配設されており、ポンプから供給されたオイルは、サーボバルブにより必要な圧力に調整された後、油圧式アクチュエータに供給される。

ところで、油圧ポンプやモータからなる油圧ユニット（油圧源）は、材料試験機に要求される最大パフォーマンス、すなわち、負荷機構の最大移動速度や最大試験力等を実現可能な性能を有するものが選定される。しかしながら、試験の種類によっては、その最大パフォーマンスが要求される時間が短い場合が多く、このときに必要以上の電力を消費しているという問題があった。また、ポンプを駆動するためのモータに一定回転数のものを採用し、サーボバルブにより必要な圧力に調整する方式では、エネルギー損失が大きいという問題があった。

このため、特許文献１には、油圧式アクチュエータと、その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を備えた材料試験機において、油圧源のポンプを駆動するモータとして回転数可変のモータを用い、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ことにより、試験準備中をはじめとする、アクチュエータの速度が要求されない状態においてポンプ駆動用のモータを低速回転とするなど、必要とされるアクチュエータの速度能力に応じた回転数のもとにポンプ駆動用モータを駆動することができ、消費エネルギーを抑えることが可能な材料試験機が開示されている。

特開２００４−１６３１４９号公報

図８は、従来の油圧源１３８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。油圧源１３８は、オイルを貯留するオイルタンク４４と、ポンプ１４１と、可変速駆動されるモータ１４２とを備え、ピストンポンプ４１からラムシリンダ２５に至るオイルの供給管路４５を介してモータ１４２の駆動により油圧式アクチュエータであるラムシリンダ２５のシリンダ室２５ｂに圧油を供給する。そして、シリンダ室２５ｂへの圧油の供給によりラム２５ｂがシリンダ室２５ｂ内を移動することにより負荷機構が駆動する構成となっている。

ポンプ１４１には、ピストンポンプが用いられており、このポンプ１４１は、オイルの吸入と吐出を繰り返しながらオイルを油圧式アクチュエータに圧送している。モータ１４２が所定の回転数以上で駆動し、ポンプ１４１でのオイルの吸入と吐出の切り替えが速いときには、オイルの吸入と吐出の切り替え領域でのオイル漏れはほとんどないが、モータ１４２が低速回転で駆動しているときには、ポンプ１４１でのオイルの吸入と吐出の切り替えが遅くなるためオイル漏れが発生し、オイルが脈動する。そうすると、オイルの供給を受けるラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａ内の圧力変動も大きくなり、材料試験機の負荷機構のスムースな動作が損なわれることになる。

特許文献１に記載された材料試験機は、消費エネルギーを低減することが可能な優れたものではあるが、図８に示す油圧源１３８と同様に、低速度域での試験（例えば、負荷機構の移動速度が０．５ｍｍ／ｍｉｎ）のためにポンプ駆動用のモータを低速回転で駆動させているときには、油圧式アクチュエータに供給されるオイルの脈動の影響により、試験機制御をスムースに行うことが困難となる。

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、低速度領域で材料試験を行うためにポンプの回転数が低速となった場合においても、スムースな材料試験を実行す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、油圧アクチュエータにより試験片に試験力を付与する材料試験機において、オイルを前記油圧アクチュエータに供給するポンプと、前記ポンプを回転させるサーボモータと、前記ポンプと前記油圧アクチュエータを接続するオイルの供給路と、を備え、前記ポンプから前記オイルの供給路を介して前記油圧アクチュエータ内に亘る容積は、前記ポンプ内におけるオイル漏れによるオイルの体積変化に起因する前記油圧アクチュエータ内における圧力変動ΔＰを、前記油圧アクチュエータの使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくするオイルの体積Ｖを収容することを特徴とする。

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、オイルの体積弾性係数をｋ、前記ポンプにおけるオイルの流入と流出との切り替え領域で生じるオイル漏れによる体積変化量をΔＶとすると、前記圧力変動ΔＰは、式（１）で表され、前記体積Ｖは、式（２）を満たす。
ΔＰ＝ｋ・ΔＶ／Ｖ・・・（１）
ｋ・ΔＶ／Ｖ＜Ｐ・ｃ・・・（２）

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記オイルの供給路に圧力容器を配設した。

請求項４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、前記所定の割合ｃは、５万分の１である。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ポンプは、ピストンポンプである。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記油圧アクチュエータは、ラムシリンダである。

請求項１から請求項６に記載の発明によれば、ポンプからオイルの供給路を介して油圧アクチュエータ内に亘る容積が、油圧アクチュエータ内における圧力変動ΔＰを、油圧アクチュエータの使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくするオイルの体積Ｖを収容する容積であることから、低速度領域で材料試験を行うためにポンプの回転数が低速となりオイル漏れが生じる場合においても、オイル漏れによるオイルの体積変化に起因する圧力変動の影響を低減することができ、低速度領域でもスムースな材料試験を実行することができる。

請求項３に記載の発明によれば、圧力容器を備えることから、各種材料試験における圧力変動ΔＰの許容値に応じて、必要容量を有する圧力容器を適宜選択することができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。図１のＡ−Ａ断面図である。この発明の第１実施形態に係る油圧源３８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。ピストンポンプ４１の概要図である。この発明の第２実施形態に係る油圧源６８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。この発明の第３実施形態に係る油圧源７８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。この発明の第４実施形態に係る油圧源８８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。従来の油圧源１３８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。

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り、図２はそのＡ−Ａ断面図である。

この材料試験機は、テーブル２１と、このテーブル２１に一対の支柱２２を介して連結された上部クロスヘッド２４と、テーブル２１と上部クロスヘッド２４とを同期して昇降させる油圧アクチュエータとしてのラムシリンダ２５と、一対の支柱２２に沿って昇降可能な下部クロスヘッド２６と、この下部クロスヘッド２６の両端に設けられた図示しないナットと螺合する一対のネジ棹２３と、一対のネジ棹２３と図示しない駆動連結機構を介して連結され、一対のネジ棹２３を互いに同期して回転させるモータ２７とを備える。

上部クロスヘッド２４には上つかみ具３１が配設されており、下部クロスヘッド２６には下つかみ具３２が配設されている。引張試験がなされる試験片１０は、これらの上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持される。また、下部クロスヘッド２６には圧盤２８が付設されており、圧縮試験がなされる試験片１１は、この圧盤２８とテーブル２１とによりその上下端部を押圧される。

ラムシリンダ２５は、シリンダ室２５ａに圧油を供給することによりラム２５ｂが伸長する構成を有する。そして、ラム２５ｂが伸長することにより、テーブル２１、一対の支柱２２および上部クロスヘッド２４が同期して上昇する。このテーブル２１および上部クロスヘッド２４の上昇により、引張試験を行うときには上つかみ具３１および下つかみ具３２によりその両端を把持された試験片１０に引張荷重が付与され、圧縮試験を行うときには圧盤２８とテーブル２１との間に配置された試験片１１に圧縮荷重が付与される。このラムシリンダ２５の動作は、ラムシリンダ２５に圧油を供給する油圧源３８により駆動制御される。そして、この油圧源３８は、制御部３５により制御される。

このときの試験力は、圧力センサ３３により測定される。この測定値は、制御部３５に送信され、必要に応じ表示部３６に表示される。また、このときのテーブル２１および上部クロスヘッド２４の移動量は、ストローク検出器３４により検出される。この検出値は、制御部３５に送信され、必要に応じ表示部３６に表示される。

この材料試験機において、引張試験を行うときには、上部クロスヘッド２４と下部クロスヘッド２６との距離を引張試験を行う試験片１０のサイズに対応した大きさとする必要がある。同様に、圧縮試験を行うときには、下部クロスヘッド２６とテーブル２１との距離を、圧縮試験を行う試験片１１のサイズに対応させた大きさとする必要がある。この場合には、オペレータが操作部３７における下部クロスヘッド２６の昇降スイッチを操作して、制御部３５を介してモータ２７を回転させる。これにより、一対のネジ棹２３が回転し、このネジ棹２３に連結された下部クロスヘッド２６が昇降する。

図３は、上述した油圧源３８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である（第１実施形態）。

この油圧源３８は、オイル(作動油)を貯留するオイルタンク４４と、このオイルタンク４４に貯留されたオイルをラムシリンダ２５に供給するためのピストンポンプ４１と、このピストンポンプ４１を回転させるためのサーボモータ４２とを備える。ピストンポンプ４１とラムシリンダ２５とはオイルの供給管路４６により接続され、供給管路４６には、圧力変動を吸収するための圧力容器４３が配設される。

図４は、上記油圧源３８に使用されるピストンポンプ４１の概要図である。

このピストンポンプ４１は、アキシャルピストンポンプと呼称されるものであり、ドライブシャフト５２に連結されたシリンダブロック５３と、このシリンダブロック５３に形成された複数の孔部５５に各々挿入されるピストン５４と、流入口５７および流出口５８が形成されたバルブプレート５１と、ヨーク(斜板）５６とを備える。

ピストン５４のヨーク側の端部は、図示を省略した係合機構によりヨーク５６と係合しており、ドライブシャフト５２が回転すると、各ピストン５４はシリンダブロック５３の孔部５５中を往復運動する。このとき、ピストン５４がバルブプレート５１から遠ざかっていくと、オイルが流入口５７からシリンダブロック５３の孔部５５内に流入する。そして、ドライブシャフト５２がさらに回転すると、ピストン５４はバルブプレート５１に近づいていき、流出口５８から孔部５５内のオイルが流出する。各ピストン５４のストロークは、ヨーク５６の傾斜角によって変化する。なお、オイルの流れの変動を小さくする目的で、ピストン５４の数は、５本や７本など、奇数本となっている。

以上のような構成を有する材料試験機においては、材料試験時の試験速度等の各種の試験条件に基づいて、図１に示す制御部３５の制御によりサーボモータ４２の回転数を制御する。そして、ピストンポンプ４１の回転数を制御し、ラムシリンダ２５に材料試験に必要となるオイルを供給する。

ところで、このようにサーボモータ４２を利用してピストンポンプ４１の回転数を制御し、ラムシリンダ２５に供給するオイルを制御する場合に、低速度領域で材料試験を行う場合等においては、ピストンポンプ４１が低速で回転することになり、これによりピストンポンプ４１内のオイルの流入と流出とを切り替える領域でオイルの漏れ（圧力抜け）が生じ、これにより、オイルに脈動が発生する等の問題が生ずる。

オイルに脈動が生じると、オイルが供給されるラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａ内の圧力が変動する。この圧力変動ΔＰは、ラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに接続された圧力計等により計測可能であり、オイルの体積弾性係数をｋ、ピストンポンプ４１から吐出され供給管路４５を介してラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに亘って収容されるオイルの体積をＶ、上述したオイルの漏れによる体積変化量をΔＶとして、式（１）で表すことができる。

ΔＰ＝ｋ・ΔＶ／Ｖ・・・（１）
一方、圧力変動ΔＰの値が大きくなると、ラム２５ｂの移動の滑らかさが損なわれ、このラム２５ｂの移動に連動して移動するテーブル２１等の移動にも影響が及ぶこととなる。圧力変動ΔＰを、ラム２５ｂの移動に影響を及ぼさない程度に抑えるためには、圧力変動ΔＰの値をより小さな値にする必要がある。これは、式（１）の分母である体積Ｖの値を大きくすることにより実現できる。圧力変動ΔＰをラム２５ｂの移動への影響が無視できるとして許容できる値にまで小さくできる体積Ｖは、ラムシリンダ２５の使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値（ｃ・Ｐ）よりも小さい値、すなわち式（２）を満たす値として求めることができる。

ｋ・ΔＶ／Ｖ＜ｃ・Ｐ・・・（２）
なお、所定の割合ｃの値としては５万分の１程度の値が設定される。ここで例えば、所定の割合ｃを５万分の１とし、使用圧力Ｐが２５ＭＰａであれば、ラム２５ｂの移動への影響が無視できるとして許容できる圧力変動ΔＰ（＝ｋ・ΔＶ／Ｖ）は、ｃ・Ｐ＝０．５Ｐａより小さい値とされる。すなわち、式（２）を満たすオイルの体積Ｖを収容できる容積が、ピストンポンプ４１から供給管路４６を介してラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに亘る領域にあれば、圧力変動ΔＰを０．５Ｐａより小さい値にできることになる。

図３に示すこの実施形態においては、圧力容器４３の作用により、ピストンポンプ４１から吐出されたオイルを供給管路４６を介してラムシリンダ２５に亘って収容する容積を大きくし、オイルが供給されるシリンダ室２５ａ内の圧力変動ΔＰをラムシリンダ２５の使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくする構成となっている。なお、この実施形態での体積Ｖは、ピストンポンプ４１から供給管路４６を介してラムシリンダ２５に亘る容積、すなわち、供給管路４６、圧力容器４３、シリンダ室２５ａの合計の容積に等しい。

これにより、ピストンポンプ４１内のオイル漏れによる体積変化量ΔＶに起因したラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａ内の圧力変動ΔＰが抑制され、スムースな材料試験を実行することが可能となる。

図５は、この発明の第２実施形態に係る油圧源６８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この実施形態では、ラムシリンダ２５とピストンポンプ４１とを接続する供給管路４７に、径の大きなものを採用して、ピストンポンプ４１から吐出されたオイルを供給管路４７を介してラムシリンダ２５に亘って収容する容積を大きくし、オイルが供給されるシリンダ室２５ａ内の圧力変動ΔＰをラムシリンダ２５の使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくする構成となっている。すなわち、ピストンポンプ４１から供給管路４７を介してラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに亘って収容されるオイルの体積Ｖが、上述した式（２）を満たすように、供給管路４７の容積を大きいものとしている。例えば、供給管路４７として、図８に示す供給管路４５よりも約１０倍の径を有する管を採用することで体積Ｖを増やすことができる。このようにこの実施形態では、供給管路４７の径を大きくして体積Ｖを大きくすることで、圧力変動ΔＰを抑制している。

図６は、この発明の第３実施形態に係る油圧源７８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この実施形態では、ラムシリンダ２５のラム２５ｂをシリンダ室２５ａ内において移動させる際に、シリンダ室２５ａにおけるラム２５ｂの位置がシリンダ室２５ａのピストンポンプ４１と接続される供給管路４５に最も近づく位置であって、シリンダ室２５ａ内に収容されるオイルの体積が最も小さくなる、いわゆるゼロ点位置を、図６に仮想線で示す、従来のラム２５ｂの位置よりも、供給管路４５から離れた位置に移動している。これにより、ピストンポンプ４１から吐出されたオイルを供給管路４５を介してラムシリンダ２５に亘って収容する容積を大きくし、オイルが供給されるシリンダ室２５ａ内の圧力変動ΔＰをラムシリンダ２５の使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくする構成となっている。すなわち、ピストンポンプ４１から供給管路４５を介してラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに亘って収容されるオイルの体積Ｖが、上述した式（２）を満たすように、シリンダ室２５ａ内に収容するオイルを増やしている。このように、この実施形態では、ラムシリンダ２５におけるラム２５ｂのゼロ点位置を従来の位置よりも供給管路４５から離れた位置とすることで、体積Ｖを大きくし圧力変動ΔＰを抑えている。

図７は、この発明の第４実施形態に係る油圧源８８をラムシリンダ２５とともに示す概要図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

この実施形態では、ラムシリンダ２５とピストンポンプ４１とを接続する供給管路４８に、図８に示す従来の油圧源１３８における供給管路４５に比べて長いものを採用することで、ピストンポンプ４１から吐出されたオイルを供給管路４８を介してラムシリンダ２５に亘って収容する容積を大きくし、オイルが供給されるシリンダ室２５ａ内の圧力変動ΔＰをラムシリンダ２５の使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくする構成となっている。すなわち、ピストンポンプ４１から供給管路４８を介してラムシリンダ２５のシリンダ室２５ａに亘って収容されるオイルの体積Ｖが、上述した式（２）を満たすように、供給管路４８を長くして供給管路４８の容積を大きくしている。このように、この実施形態では、供給管路４８を長くして体積Ｖを大きくすることで、圧力変動ΔＰを抑えている。

なお、上述した実施形態においては、テーブル２１と上部クロスヘッド２４とを同期して昇降させる流体シリンダとして、単動シリンダとしてのラムシリンダ２５を使用したが、その他の油圧シリンダ等、各種の油圧アクチュエータを使用することができる。

上述した実施形態においては、この発明をアキシャルピストンポンプを利用した油圧源３８、６８、７８、８８に適用しているが、ベーンポンプ等のその他の各種のポンプを利用した油圧源にこの発明を適用してもよい。

１０試験片
１１試験片
２１テーブル
２２支柱
２３ネジ棹
２４上部クロスヘッド
２５ラムシリンダ
２６下部クロスヘッド
２７モータ
２８圧盤
３１上つかみ具
３２下つかみ具
３３圧力センサ
３５制御部
３６表示部
３７操作部
３８油圧源
４１ピストンポンプ
４２サーボモータ
４３圧力容器
４４オイルタンク
４５供給管路
４６供給管路
４７供給管路
４８供給管路
６８油圧源
７８油圧源
８８油圧源

Claims

油圧アクチュエータにより試験片に試験力を付与する材料試験機において、
オイルを前記油圧アクチュエータに供給するポンプと、
前記ポンプを回転させるサーボモータと、
前記ポンプと前記油圧アクチュエータを接続するオイルの供給路と、
を備え、
前記ポンプから前記オイルの供給路を介して前記油圧アクチュエータ内に亘る容積は、前記ポンプ内におけるオイル漏れによるオイルの体積変化に起因する前記油圧アクチュエータ内における圧力変動ΔＰを、前記油圧アクチュエータの使用圧力Ｐに対して所定の割合ｃを乗じた値よりも小さくするオイルの体積Ｖを収容する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、
オイルの体積弾性係数をｋ、前記ポンプにおけるオイルの流入と流出との切り替え領域で生じるオイル漏れによる体積変化量をΔＶとすると、
前記圧力変動ΔＰは、式（１）で表され、前記体積Ｖは、式（２）を満たす材料試験機。
ΔＰ＝ｋ・ΔＶ／Ｖ・・・（１）
ｋ・ΔＶ／Ｖ＜Ｐ・ｃ・・・（２）
請求項１に記載の材料試験機において、
前記オイルの供給路に圧力容器を配設した材料試験機。
請求項１または請求項２に記載の材料試験機において、
前記所定の割合ｃは、５万分の１である材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記ポンプは、ピストンポンプである材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記油圧アクチュエータは、ラムシリンダである材料試験機。