JP6245098B2

JP6245098B2 - 内圧疲労試験機

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Publication number: JP6245098B2
Application number: JP2014145598A
Authority: JP
Inventors: 忠興瀧井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: JP2016020880A

Description

この発明は、試験体に対して内圧負荷を与える内圧疲労試験機に関する。

内圧力を受ける部品においては、その耐久性等を評価するために、高圧の内圧を高サイクルで負荷してその状況を観察する内圧疲労試験が行われる。なお、内圧力を受ける部品としては、エンジンの燃料系配管、エアコンディショナーの冷媒系配管等の各種機械系の配管タンク類、種々の化学薬品等の容器・配管、生体・医療機器における血液循環系配管等、多岐にわたる。

このような内圧疲労試験を行う内圧疲労試験機として、従来、一端が油圧アクチュエータのシリンダロッドに接続され、他端が圧力発生容器の内部に挿入されるプランジャを備え、油圧アクチュエータによりプランジャを繰り返し往復動させることにより、圧力発生容器内に充填された圧力媒体を増圧して圧力取り出し口を介して試験体に導くようにした構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６および図７は、従来の内圧疲労試験機の概要図である。

図６に示す内圧疲労試験機は、試験機本体と、試験機の動作を制御する制御装置９と、パーソナルコンピュータから成るデータ処理装置８を備える。試験機本体は、ベース１１上に一対のコラム１２を鉛直固定するとともに、一対のコラム１２に架け渡したヨーク１３に油圧アクチュエータ４００を配置し、ベース１１には圧力発生容器２００が固定された構造を有する。試験体Ｗに試験圧力を供給する圧力発生容器２００の内部には、圧力媒体供給装置７から配管３２を介して供給された圧力媒体が充填されるとともに、油圧アクチュエータ４００のシリンダロッド４０３に接続されたプランジャ２０２が挿入されている。圧力発生容器２００には、開閉弁３３が配設された配管３１が接続され、この配管３１の先端に試験体Ｗが取り付けられる。サーボ弁４０１を介した油圧アクチュエータ４００と油圧源６との間の作動油の流入および流出により、プランジャ２０２が繰り返し往復動され、試験体Ｗに試験圧力が繰り返し負荷される。このときの圧力発生容器２００内の圧力変動は、圧力センサ３により検出され、プランジャ２０２が連結されたシリンダロッド４０３の変位は、変位計４０２により検出される。

図７に示す内圧疲労試験機は、図６に示す内圧疲労試験機とは異なり、油圧源６の作動油を圧力媒体として使用している。そして、油圧源６からの作動油の流入と流出のための配管と、試験体Ｗへの圧力媒体としての作動油の供給配管および試験体Ｗを接続する配管がまとめられたマニホールド２１０を備える。マニホールド２１０はサーボ弁２１１が配設され、制御装置９がパワーアンプ２１２を介してサーボ弁２１２を制御することにより試験体Ｗに与える試験圧力を発生させている。なお、試験中の圧力変動は、圧力センサ３により検出される。また、試験中に試験体Ｗ内に充填されていた作動油は、試験終了後、開閉弁３９が配設された配管３８を介して油圧源６に戻される。

特開２００４−３６１３１７号公報

図６および図７の内圧疲労試験機は、圧力発生容器２００を備えるものか、マニホールド２１０を備えるものかの違いはあるが、いずれも、試験体Ｗに負荷する試験圧力を発生させるための機構を構成する部材に、圧力媒体が直接接触する構造となっている。ところで、内圧疲労試験で使用される圧力媒体には、腐食性の高い流体がある。従来の内圧疲労試験機では、圧力発生容器２００内に挿入されるプランジャ２０２やマニホールド２１０の耐腐食性の問題から、試験に使用できる圧力媒体に制約があった。すなわち、圧力媒体の種類によっては、試験が行えない場合があった。

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、圧力媒体の制約を受けることなく試験を行うことが可能な内圧疲労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、試験体の内部に供給する試験圧力を発生させる圧力発生容器と、前記圧力発生容器内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力発生容器に圧力媒体を供給する媒体供給機構と、試験制御を実行する制御部と、を備えた内圧疲労試験機であって、前記圧力発生容器は、前記試験体を接続する接続口と、前記圧力媒体が供給される供給口と、前記圧力媒体を排出する排出口と、前記圧力媒体を当該圧力発生容器内に供給または排出するときに開放されるエア抜き口と、が設けられた密封型容器であり、前記圧力発生容器の一部は、弾性板状部材により形成され、前記弾性板状部材に対して、外部から押圧部材を接触させて力を与えることにより前記圧力媒体に非接触で当該圧力発生容器内の圧力を変動させる圧力変動機構を備え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、前記圧力変動機構は、前記押圧部材が接続された伸縮部材を有するアクチュエータを有し、当該アクチュエータを駆動して前記圧力発生容器の外部から前記押圧部材を前記弾性板状部材に接触させて押圧変位を与えることにより、当該圧力発生容器内の圧力を変動させる。

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、前記圧力発生容器内には、前記圧力媒体の液量を調整することにより前記圧力発生容器内に所定容量の空隙が形成される。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の内圧疲労試験機において、前記圧力発生容器内の前記圧力媒体の容量を監視する内容量確認手段が設けられている。

請求項５に記載の発明は、試験体の内部に供給する試験圧力を発生させる圧力発生容器と、前記圧力発生容器内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力発生容器に圧力媒体を供給する媒体供給機構と、試験制御を実行する制御部と、を備えた内圧疲労試験機であって、前記圧力発生容器は、前記試験体を接続する接続口と、前記圧力媒体が供給される供給口と、前記圧力媒体を排出する排出口と、前記圧力媒体を当該圧力発生容器内に供給または排出するときに開放されるエア抜き口と、圧縮空気が流入および流出する圧縮空気接続口と、が設けられた密封型容器であり、前記圧縮空気を発生させるコンプレッサーと、前記圧縮空気接続口と前記コンプレッサーとの間に配置されるサーボ弁と、を有し、前記圧力媒体を貯留した前記圧力発生容器内への前記圧縮空気の流入量および前記圧力発生容器からの前記圧縮空気の流出量を前記サーボ弁によって調整することにより前記圧力媒体に非接触で前記圧力発生容器内の圧力を変動させる圧力変動機構を備える。

請求項１から請求項５に記載の発明によれば、圧力媒体が圧力変動機構を構成する部材に直接接触することがないため、腐食性の高い圧力媒体を使用して試験を行う必要がある場合でも、圧力変動機構を構成する部材が圧力媒体により腐食する問題が生じることがなく、試験を行うことが可能となる。
また、請求項３に記載の発明によれば、圧力発生容器内に所定容量の空隙が形成されるように圧力媒体の液量を調整することにより、圧力発生容器内に液体に比べて圧縮性が大きい一定の空気層が設けられることから、さらに微小な圧力制御を行うことが可能となる。

この発明の第１実施形態に係る内圧疲労試験機の概要図である。ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構を説明するための圧力発生容器２０のダイアフラム２２周辺の部分拡大図である。ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構の変形例を示す説明図である。圧力発生容器２０の変形例を示す説明図である。この発明の第２実施形態に係る内圧疲労試験機の概要図である。従来の内圧疲労試験機の概要図である。従来の内圧疲労試験機の概要図である。

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、この発明の第１実施形態に係る内圧疲労試験機の概要図である。

この内圧疲労試験機は、ベース１１上に立設された一対のコラム１２と、一対のコラム１２に支持されたヨーク１３を備える。ベース１１には、内部に圧力媒体が充填され試験体Ｗに対して負荷する試験圧力を発生させるための圧力発生容器２０が配設されている。

圧力発生容器２０は、圧力媒体補給装置７から圧力媒体を供給するための供給口と、試験体Ｗを接続するための接続口とが形成され、上面にゴムまたは金属等から成る弾性板状部材であるダイアフラム２２が配設された密封型容器である。また、圧力発生容器２０の上面には、圧力媒体を圧力媒体補給装置７から供給または排出するとき開放されるエア抜き口２３が設けられている。なお、このエア抜き口２３は試験中には閉栓されている。

圧力発生容器２０の接続口には、試験体Ｗを接続するための配管３１が接続され、配管３１には圧力発生容器２０の圧力変動を検出するための圧力センサ３と、開閉弁３３とが配設されている。なお、この実施形態では、圧力センサ３を圧力発生容器２０と試験体Ｗを接続する配管３１に配置して、圧力発生容器２０内と連通する配管３１内の圧力を圧力発生容器２０内の圧力として検出しているが、圧力センサ３を圧力発生容器２０に直接配設するようにしてもよい。

圧力発生容器２０の供給口には、配管３２が接続され、配管３２には圧力媒体補給装置７から圧力媒体を供給するときに開放される開閉弁３４が配設されている。また、配管３２からは、圧力発生容器２０内の圧力媒体を装置外に排出するための枝管３６が分岐しており、枝管３６には開閉弁３７が配設されている。圧力発生容器２０に圧力媒体を供給するときには、開閉弁３４が開放され、開閉弁３７は閉止される。逆に、圧力発生容器２０から圧力媒体を排出するときには、開閉弁３４が閉止され、開閉弁３７は開放される。また、試験体Ｗが配管３１に接続され、試験が実行されている間は、開閉弁３４と開閉弁３７が閉止されるとともに開閉弁３３が開放され、圧力発生容器２０の内部と試験体Ｗの内部が配管３１を介して連通し、圧力発生容器２０内の圧力変動により発生する試験圧力が試験体Ｗに負荷される。

この実施形態では、圧力発生容器２０において圧力媒体の供給口と試験体Ｗの接続口とを別々に設けているが、圧力発生容器２０に設ける供給口と接続口を共通とし、そこに接続する配管の分岐と、分岐させた各枝管に配設する開閉弁とにより、圧力発生容器２０への圧力媒体の供給と、圧力発生容器２０から試験体Ｗへの試験圧力の負荷とを切り換えるようにしてもよい。

この内圧疲労試験機は、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置を備え、試験機動作を制御する制御装置９と、制御装置９に接続され、制御装置９を介して入力された試験結果を処理するためのデータ処理装置８とを備える。データ処理装置８は、入力部と表示部を備えるパーソナルコンピュータであり、データ処理装置８と制御装置９は、この発明の制御部を構成する。なお、圧力センサ３の検出信号は、試験中に所定の時間ごとに制御装置９に取り込まれる。

また、ヨーク１３には、この発明の圧力変動機構を構成するアクチュエータである電動アクチュエータ４０が配設されている。電動アクチュエータ４０は、直線往復運動する直動軸を備え、直動軸の伸縮に伴って移動するとともに、圧力発生容器２０の上面に配設されたダイアフラム２２に外部から力を与える押圧部材４１が接続されている。電動アクチュエータ４０の直動軸の変位は制御装置９に入力される。そして制御装置９は、電動アクチュエータ４０の動作を、変位制御または力制御により制御する。なお、アクチュエータには、油圧式、空圧式のものを採用してもよい。

図２は、ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構を説明するための圧力発生容器２０のダイアフラム２２周辺の部分拡大図である。

ダイアフラム２２は、圧力発生容器２０内に圧力媒体が充填された状態では、断面が図２に仮想線で示す形状となる。電動アクチュエータ４０の直動軸の伸縮により押圧部材４１がダイアフラム２２を押圧すると、ダイアフラム２２は、図２に実線で示すように、圧力発生容器２０の内側に向かって変形する。このとき、圧力媒体が充填されている圧力発生容器２０の容積が小さくなり、圧力媒体が加圧される。電動アクチュエータ４０の駆動により、ダイアフラム２２が繰り返し押圧されることにより、圧力発生容器２０内の圧力媒体にかかる圧力が変動し、試験体Ｗに繰り返し試験圧力が負荷される。

図３は、ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構の変形例を示す説明図である。図３（ａ）は、偏心カム４４でダイアフラム２２を押圧する例を示し、図３（ｂ）は、クランク機構により押圧部材４１でダイアフラム２２を押圧する例を示している。

図２の例では、電動アクチュエータ４０の駆動により押圧部材４１の上下方向の往復運動を実現し、ダイアフラム２２を変形させていたが、ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構としては、図３（ａ）に示す、固定された回転軸４３を中心に回転する偏心カム４４によるものでもよい。また、図３（ｂ）に示す変形例では、ダイアフラム２２に対して外部から力を与える圧力変動機構として、固定された回転軸４５を中心に回動する棒部材４６に連結軸４７を介して押圧部材４１を接続することで、棒部材４６の回転運動を押圧部材４１の上下方向の往復運動に変換するクランク機構を採用している。このように、この発明の圧力変動機構は、圧力媒体に圧力変動機構を構成する部材が直接接触することなく、外力によりダイアフラム２２を変形させ、圧力発生容器２０内の容積を変化させることにより、圧力発生容器２０内に充填されている圧力媒体の圧力を変動させることができるものであればよい。この発明の圧力変動機構によれば、圧力変動機構を構成する部材が圧力媒体に直接接触することがないため、腐食性の高い圧力媒体を使用した内圧疲労試験が可能となる。

図１の圧力発生容器２０は、内部が１００％圧力媒体で満たされている場合を図示している。このように、内部が１００％圧力媒体で満たされている場合、圧力の変化は、電動アクチュエータ４０の直動軸の変位（言い換えると、押圧部材４１によるダイアフラム２２への押し込み量）と、ダイアフラム２２を含む圧力発生容器２０の剛性と、試験体Ｗの剛性と、圧力媒体である液体の圧縮性によって定まることになる。例えば、試験体Ｗの変化が小さい場合は、ダイアフラム２２への押圧部材４１の押し込み量がわずかであっても、圧力発生容器２０から試験体Ｗまでの内部圧力が大きく変化することがある。電動アクチュエータ４０の直動軸の動作制御においては、機械的な移動精度の制約があるため、微小な圧力制御が難しくなる場合がある。

このような問題は、圧力発生容器２０の内部を１００％圧力媒体で満たすのではなく、圧力発生容器２０内の上層に所定容量の空隙が形成されるように圧力媒体の液量を調整することで、解決することが可能である。これは、空気は液体に比べて圧縮性が大きいためであり、一定の空気層が存在すると、圧力の制御変動幅に対して電動アクチュエータ４０の直動軸の変位を大きくすることができることによる。すなわち、電動アクチュエータ４０の機械的な移動精度の範囲内で、微小な圧力制御も可能となる。さらに、目標圧力に応じて圧力発生容器２０内の空気量を適切に調整することで、試験圧力の制御を向上させることができる。

図４は、圧力発生容器２０の変形例を示す説明図である。

図１においては、断面形状が矩形となる圧力発生容器２０を図示しているが、圧力発生容器２０の形状およびダイアフラム２２の配設位置は、種々の変形が可能である。図４の圧力発生容器２０は、上面に空気層調整部２５が凸設されている。なお、図４（ａ）は、容器の空気層調整部２５が配置されていない部分の上面にダイアフラム２２が配設されている例を示し、図４（ｂ）は、空気層調整部２５の上面にダイアフラム２２を配置している例を示している。

図４（ａ）の圧力発生容器２０は、容器の空気層調整部２５が配置されていない部分の上面にダイアフラム２２を配設しており、ダイアフラム２２には、図２および図３を参照して説明した圧力変動機構により、白抜き矢印で示す方向の外力が作用する。また、空気層調整部２５の壁面には、内部の液量レベルを目視で監視できる窓２７（図４に破線で示す）が設けられている。なお、窓２７は、この発明の内容量確認手段に相当する。これにより、圧力媒体を圧力媒体補給装置７から圧力発生容器２０に供給するときの、空気量の調整を容易に行うことができる。なお、内容量確認手段として窓２７を設けた例を説明したが、液量センサ等を圧力発生容器２０に配設してもよい。

図４（ｂ）の圧力発生容器２０は、空気層調整部２５の上面にダイアフラム２２を配置しており、ダイアフラム２２には、図２および図３を参照して説明した圧力変動機構により、白抜き矢印で示す方向の外力が作用する。また、空気層調整部２５の空気層の調整は、圧力発生容器２０に圧力媒体を供給、あるいは、圧力発生容器２０から圧力媒体を排出することにより行うため、エア抜き口２３を開放した状態で行われる。したがって、図４（ａ）に示すように空気層調整部２５の壁面に監視用の窓２７を設けなくても、このエア抜き口２３から液量計を挿入することにより、空気層を把握することも可能である。このエア抜き口２３は試験中には閉栓されている。なお、試験中の圧力発生容器２０は、配管３１を介して試験体Ｗと連通する以外は、閉じた密封状態となる。

図５は、この発明の第２実施形態に係る内圧疲労試験機の概要図である。なお、第１実施形態と共通する部材には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態では、圧力発生容器２０の一部に設けた弾性板状部材であるダイアフラム２２に部材を接触させて外力を作用させる圧力変動機構により、圧力媒体に非接触で圧力発生容器２０内の圧力を変動させたが、この第２実施形態では、圧縮空気を利用した圧力変動機構により、圧力媒体に非接触で密封型容器として圧力発生容器５０内の圧力を変動させている。

この内圧疲労試験機は、圧力変動機構として圧縮空気を作り出すコンプレッサー６１と、圧力発生容器５０への圧縮空気の流入量および流出量を調整するサーボ弁６２を備える。この実施形態では、第１実施形態とは異なり、圧力発生容器５０の上面には、エア抜き口５３の他に、圧縮空気を圧力発生容器５０内に流入させるとともに、圧力発生容器５０内から流出させるための圧縮空気接続口５４が設けられている。圧縮空気接続口５４にはサーボ弁６２を介してコンプレッサー６１に接続されたエア供給管６３が接続されている。サーボ弁６２は、制御装置９により制御され、余剰圧縮空気を大気排出するとともに、圧力発生容器５０内の圧縮空気量を調整する。なお、エア供給管６３には、圧縮空気供給系に圧力媒体が侵入するのを防止するためのフィルタ６４が介装されている。

圧力媒体補給装置７から圧力発生容器５０に圧力媒体を供給するときには、開閉弁３７を閉止した状態で開閉弁３４が開放され、圧力発生容器５０の圧力媒体の供給口に接続された配管３２を介して圧力発生容器５０内に圧力媒体が充填される。このときの圧力発生容器５０内の圧力媒体の液量は、発生させたい圧力に応じて、例えば、容器の容積の７０％〜９５％程度の範囲で、任意に調整される。圧力媒体の液量割合が大きいほど圧力容器５０内の圧縮空気量が少なくなり、コンプレッサー６１が供給する空気の流量が小さくて済むことになる。そして、圧力媒体の液量は、例えば、圧力発生容器５０に圧力媒体を供給するときに開放されているエア抜き口５３から液量計を挿入して確認してもよく、圧力媒体補給装置７の圧力媒体の供給時の流速と時間により調整してもよい。

配管３１に試験体Ｗを接続し、圧力発生容器５０内で試験圧力を発生させるときには、エア抜き口５３を閉栓し、コンプレッサー６１の駆動とサーボ弁６２の動作によりエア供給管６３を介して、圧縮空気が圧力発生容器５０内への流入と圧力発生容器５０内からの流出を繰り返す。このときには開閉弁３４、３７は閉止され、開閉弁３３が開放されており、圧力発生容器５０の内部と試験体Ｗの内部が配管３１を介して連通している。圧縮空気の流入により、圧力発生容器５０内の圧力媒体が加圧され、圧縮空気の流出により圧力媒体への加圧が解除される。このような圧力媒体の圧力変動により発生する試験圧力が、試験体Ｗに繰り返し負荷される。

試験中においては、圧力発生容器５０の圧力変動は、圧力センサ３により検出され、設定された試験圧力となるように、制御装置９によるサーボ弁６２への圧力制御が実行される。

このように、この第２実施形態においては密封状態の圧力発生容器５０内の圧力変動に圧縮空気を利用しており、圧力変動機構を構成する部材が圧力媒体に直接接触することがないため、腐食性の高い圧力媒体を使用した内圧疲労試験が可能となる。

３圧力センサ
６油圧源
７圧力媒体補給装置
８データ処理装置
９制御装置
１１ベース
１２コラム
１３ヨーク
２０圧力発生容器
２２ダイアフラム
２３エア抜き口
２５空気層調整部
２７窓
３１配管
３２配管
３３開閉弁
３４開閉弁
３６枝管
３７開閉弁
４０電動アクチュエータ
４１押圧部材
４３回転軸
４４偏心カム
４５回転軸
４６棒部材
４７連結軸
５０圧力発生容器
５３エア抜き口
５４圧縮空気接続口
６１コンプレッサー
６２サーボ弁
６３エア供給管
６４フィルタ
２００圧力発生容器
２０２プランジャ
２１０マニホールド
４００油圧アクチュエータ
４０１サーボ弁
４０２変位計
４０３シリンダロッド
Ｗ試験体

Claims

試験体の内部に供給する試験圧力を発生させる圧力発生容器と、前記圧力発生容器内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力発生容器に圧力媒体を供給する媒体供給機構と、試験制御を実行する制御部と、を備えた内圧疲労試験機であって、
前記圧力発生容器は、
前記試験体を接続する接続口と、前記圧力媒体が供給される供給口と、前記圧力媒体を排出する排出口と、前記圧力媒体を当該圧力発生容器内に供給または排出するときに開放されるエア抜き口と、が設けられた密封型容器であり、
前記圧力発生容器の一部は、弾性板状部材により形成され、
前記弾性板状部材に対して、外部から押圧部材を接触させて力を与えることにより前記圧力媒体に非接触で当該圧力発生容器内の圧力を変動させる圧力変動機構を備えることを特徴とする内圧疲労試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記圧力変動機構は、前記押圧部材が接続された伸縮部材を有するアクチュエータを有し、当該アクチュエータを駆動して前記圧力発生容器の外部から前記押圧部材を前記弾性板状部材に接触させて押圧変位を与えることにより、当該圧力発生容器内の圧力を変動させる内圧疲労試験機。
請求項１または請求項２に記載の内圧疲労試験機において、
前記圧力発生容器内には、前記圧力媒体の液量を調整することにより前記圧力発生容器内に所定容量の空隙が形成される内圧疲労試験機。
請求項３に記載の内圧疲労試験機において、
前記圧力発生容器内の前記圧力媒体の容量を監視する内容量確認手段が設けられている内圧疲労試験機。
試験体の内部に供給する試験圧力を発生させる圧力発生容器と、前記圧力発生容器内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力発生容器に圧力媒体を供給する媒体供給機構と、試験制御を実行する制御部と、を備えた内圧疲労試験機であって、
前記圧力発生容器は、
前記試験体を接続する接続口と、前記圧力媒体が供給される供給口と、前記圧力媒体を排出する排出口と、前記圧力媒体を当該圧力発生容器内に供給または排出するときに開放されるエア抜き口と、圧縮空気が流入および流出する圧縮空気接続口と、が設けられた密封型容器であり、
前記圧縮空気を発生させるコンプレッサーと、前記圧縮空気接続口と前記コンプレッサーとの間に配置されるサーボ弁と、を有し、前記圧力媒体を貯留した前記圧力発生容器内への前記圧縮空気の流入量および前記圧力発生容器からの前記圧縮空気の流出量を前記サーボ弁によって調整することにより前記圧力媒体に非接触で前記圧力発生容器内の圧力を変動させる圧力変動機構を備える内圧疲労試験機。