JP6285379B2

JP6285379B2 - トルク測定器

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Publication number: JP6285379B2
Application number: JP2015047274A
Authority: JP
Inventors: 彰浩石谷; 浩行山内
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: KR20160109970A; CN106140878A; CN106140878B; JP2016166818A; KR101995732B1; CN204799702U

Description

本発明は、例えば熱交換器やボイラ等の管板に挿入した管(チューブ)を拡管するローラ式チューブ拡管装置のトルクを検出する測定器に関するものである。

現在のチューブ拡管作業はローラ拡管法が主流である。例えば、熱交換器やボイラ等の管板に挿入した管(チューブ)を拡管する電気を駆動源とするチューブ拡管装置は、一般的に、熱交換器等の管に挿入されるチューブ・エキスパンダと、チューブ・エキスパンダを回転させるモータと、モータとチューブ・エキスパンダを接続するカップリングと、モータの回転速度及びトルクを制御するコントローラとで構成される。

通常、このようなチューブ拡管装置による拡管作業は次のように行われる。
(1) コントローラで回転速度とトルクとを設定し、モータを駆動して熱交換器等の管に挿入されたチューブ・エキスパンダを回転させる。
(2) モータが設定したトルクに達するとモータが停止する。
(3) モータを逆回転させてチューブ・エキスパンダを管から引き抜く。

このような(1) 〜(3) の一連の作業によって拡管作業は完了する。従って、正確に拡管がなされたか否かの判定は、チューブ・エキスパンダが所定のトルク（回転軸のまわりの力のモーメント）に達したか否かにより判断される。

一方、トルク管理の例としては、トルクセンサでモータの出力回転軸に加わるトルク値を検出したり(例えば、特許文献１参照)、一定電圧状態で電流を制御することにより均一なトルクを得るようにしたり(例えば、特許文献２参照)、モータの回転軸にかかるトルク又は電流値を検出することで、管に挿入されたチューブ・エキスパンダが所定のトルクに達したかどうか判定していた。

しかしながら、モータとチューブ・エキスパンダとの距離や、チューブ・エキスパンダの先端部の屈曲角度等によって、簡単に伝達トルクに変動が生じるため、必ずしもチューブ・エキスパンダの拡管部で所定のトルクが得られているか否かは判らないのが現状であった。

一般にローラ拡管法による拡管は、拡管ツールを２０〜３０回転させる必要があり、所定のトルク値に達すると拡管ツールの回転が停止する。このローラ拡管法では、前述の通り、モータ等の回転駆動機のトルク値を拡管条件の１つに設定している。

設定したトルク値に到達すると、拡管完了(管と管板が固着)となるとしている。電動タイプの回転駆動機で拡管作業を行う場合、設定したトルク値に到達したかどうかは回転駆動機の電流値を測定し、その電流値からトルク値に変換して判断している。従って、トルク値を直接測定していないので、拡管完了時に実際に設定したトルクに到達しているのか正確には把握することができない。

そこで、チューブ・エキスパンダのトルクを正確に検出するためのトルク測定器が求められている。現在、ねじりバネを利用したトルク測定器(例えば、特許文献３参照)が既に存在している。詳しくは、拡管作業中に回転駆動機のトルク値を測定することはできないが、拡管工事前や拡管工事中に定期的に回転駆動機のトルク値を測定して設定値を調整する作業が行われる。

特開平７−２９０１７１号公報特開２００３−２４４９８５号公報米国特許第３００７３３６号公報

ところで、このトルク測定器はエア駆動タイプの拡管装置にしか使用できない。具体的には、この測定器はトルク伝達にねじりバネを使用しており、入力軸を数回転まわすだけでトルクが検出されるものである。このため、電気駆動タイプのチューブ拡管装置では回転起動時に瞬間的に大きなトルクがかかるため、拡管完了時におけるトルク値ではなく回転起動時のトルク値が検出されることになり、適用できなかった。

したがって、回転起動時に大きいトルクが生じる上、電流値が不安定になりやすい電動モータでは、拡管作業で必要となるトルク値を正確に測定することができない。

本発明は、電動タイプの拡管装置でも、回転起動時に生じる大きいトルクの影響を受けずに、拡管作業で必要となるトルク値を正確に測定することのできるトルク測定器を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るトルク測定器は、被測定対象の回転体の回転を受けて回転している回動軸のトルクをトルク検出手段で検出するトルク測定器において、
前記回動軸の回転が伝達される従動軸に連結されたトルク検出手段のトルク検知軸に、前記回転軸の回転を徐々に伝達するクラッチ機構を備え、
このクラッチ機構は、前記回動軸又は前記従動軸の何れか一方に備わった摩擦部と、この摩擦部が備わった前記回動軸又は前記従動軸の何れか一方の他方に前記摩擦部と対向して配置した被接触部とを備え、前記摩擦部と被接触部との隙間を接触させる摩擦クラッチであり、
前記回動軸の回転の全てをトルク検出手段のトルク検知軸に伝達した後に回動軸が停止した時のトルク値を計測することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係るトルク測定器は、請求項１に記載の摩擦クラッチが、作動空気によって前記摩擦部と被接触部とを接触させるエアクラッチであることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係るトルク測定器は、請求項２に記載のエアクラッチへの作動空気の導入速度を調整するスピードコントローラ手段を更に備えたことを特徴とするものである。

本発明は、電動タイプの拡管装置でも、回転起動時に生じる大きいトルクの影響を受けることがなく、拡管作業で必要となるトルクを正確に測定することのできるトルク測定器を得ることができるという効果がある。

本発明のトルク測定器の構成を示す正面図である。クラッチカバーを外した状態の図１の平面図である。図１の一部断面図を含む側面図である。図１のエアクラッチの空圧回路図である。図１の部品構成を示す説明図である。

本発明においては、被測定対象の回転体の回転を受けて回転している回動軸のトルクをトルク検出手段で検出するトルク測定器において、回動軸の回転を従動軸に連結されたトルク検出手段のトルク検知軸に、前記回転軸の回転を徐々に伝達するクラッチ機構を備える。

このクラッチ機構が、回動軸又は従動軸の一方に備わった摩擦部と、この摩擦部が備わった回動軸又は従動軸の他方に摩擦部と対向して配置した被接触部とを備え、摩擦部と被接触部との隙間を接触させる摩擦クラッチであり、回動軸の回転の全てを従動軸に連結されたトルク検出手段のトルク検知軸に伝達した後に回動軸が停止した時のトルク値を計測するものである。これにより、電動タイプの拡管装置でも、回転起動時に生じる大きいトルクの影響を受けることがなく、拡管作業で必要となるトルクを正確に測定することのできるトルク測定器を得ることができる。

本発明のクラッチとしては、機械的に噛み合う噛み合いクラッチではなく、円錐又は円板状の摩擦部とこれに対向した被接触部とを徐々に接触させて、伝達元となる回動軸を伝達先となる従動軸に回転トルクを伝達する機構の摩擦クラッチであればよい。この場合、摩擦部と被接触部との圧着荷重を調節することで滑りながらなめらかに回転トルクを回動軸からトルク検知軸に伝達することができ、回転起動時の大きいトルクが測定結果に表れない。

好ましい摩擦クラッチとしては、ギア等の駆動によって素早く摩擦部と被接触部とが接触するクラッチよりも、作動空気によって摩擦部と被接触部とを均等に徐々に圧着させるエアクラッチが挙げられる。

エアクラッチは、作動空気によって摩擦部と被接触部との間隙を無くすように両者を接触させる。この場合、エアクラッチへの作動空気の導入速度を調整するスピードコントローラ手段を更に備えることにより、容易に摩擦部と被接触部とを徐々に接触させることができる。

より具体的なトルク測定器としては、トルクを検出するトルクセンサと、作動空気によって連結し戻しバネで開放するエアクラッチと、一方はトルクセンサと結合し、他方はエアクラッチと結合した軸継手と、エアクラッチに装着されるドライブシャフトと、これらドライブシャフト、エアクラッチ、軸継手、トルクセンサを同軸上に組付けた架台とを備える。

本発明によるトルク測定器は、被測定対象の回転体の回転によって回転している回動軸を一定時間回転させてから摩擦クラッチを動作させて回動軸の回転をトルク検出手段のトルク検知軸に徐々に伝達する。トルク検知軸にトルクを伝達した回動軸は結果的に回転が停止する。トルク検出手段は、回動軸が停止した時のトルク値を計測することにより、実際の拡管作業に近い条件でトルクを測定することができ、即ち、管に挿入したチューブ・エキスパンダが徐々に拡径して管内面と接触し、管を管板に拡管する際のトルク曲線と近いトルク曲線になる。

以上のように、本発明のトルク測定器は、外部からは作動空気の供給のみで使用できるため、屋外や電力事情が異なる海外でも使用しやすい利点を奏する。また、回動軸を一定時間回転させてから作動空気の供給を開始することによって、摩擦クラッチの回転部が固定部に徐々に接触して密着後、回転が停止するので、実際の拡管作業に近い条件でトルクを測定することができる利点を奏する。更に、モータ等の回転駆動機の回転起動時の過負荷に影響されない利点も奏する。

図１は本発明のトルク測定器の構成を示す正面図である。図２はクラッチカバーを外した状態の図１の平面図である。図３は図１の側面図である。図４は図１のエアクラッチの空圧回路図である。図５は図１の部品構成を示す説明図である。図に示す通り、本実施例のトルク測定器１０は、熱交換器やボイラ等の管板に挿入した管(チューブ)を拡管するローラ式チューブ拡管装置のトルクを検出するものである。

ローラ式チューブ拡管装置の回転駆動機とマンドレルカップリング（拡管駆動機とチューブ・エキスパンダを接続するためのアタッチメント）で一端部を接続されるエアクラッチの回動軸としてのドライブシャフト１１と、このドライブシャフト１１の他端部に連結されたエアクラッチ２０と、エアクラッチ２０の従動軸に連結された軸継手としてのカップリング１２を介してトルク検出手段としてのトルクセンサ１３のトルク検知軸に連結されている。即ち、回動軸のドライブシャフト１１と、エアクラッチ２０と、トルクセンサ１３とが同軸上に基台１４上に３枚の固設プレート１５、１６、１７で支持されている。

３枚の固設プレート１５、１６、１７のうち、ドライブシャフト１１を支持するフロントプレート１５と、カップリング１２を支持する中間プレート１６とには回転時の摩擦を軽減するためのボールベアリング１８が各々配されている。トルクセンサ１３の他端部を支持するバックプレート１７にはトルクセンサ１３がエアクラッチの従動軸の回動に伴って基台１４上で回動しないように角シャフト１９でトルクセンサ１３を支持している。

エアクラッチ２０（旭精工社製「ＣＳＣＰ２」）は、回動軸としてのドライブシャフト１１の他端部に連結され回動する被接触部としてのディスク２１と、従動軸に連結されディスク２１に対向して配された摩擦部としての摩擦板２２とがクラッチカバー２３内に配されている。ディスク２１と摩擦板２２が連結すると、トルクセンサ１３のトルク検出軸１３ａに連結された従動軸にドライブシャフト１１の回動が伝達される。尚、クラッチカバー２３の上部には持ち手３０が配されている。

エアクラッチ２０の回動軸１１側には、ディスク２１を摩擦板２２側へ押圧して回動軸のトルクを、エアクラッチ２０の従動軸へ伝達するためにピストン部と空気室（シリンジ部）との駆動機構を備える。本実施例でのエアクラッチは、作動空気による空気圧でディスク２１を摩擦板２２側へ押圧して連結し、作動空気を排除する場合に戻しバネで連結が開放される。ディスク２１はスプラインに沿って軸方向に動く。エアクラッチは被接触部と摩擦部との隙間を調整できる構造となっている。本実施例ではエアクラッチ２０の従動軸がカップリング１２を介して連結されたトルクセンサ１３のトルク検知軸１３ａに回動軸のトルクを伝達することでトルクが測定される。

作動空気はフロントプレート１５の側方に配された供給口２４に連通して導入され、この供給口２４に連通するバルブスイッチ２５を介し、エアクラッチ２０の上面から導入される。エアクラッチ２０への導入口には作動空気の導入速度を調整するスピードコントローラ手段としてのスピードコントローラ２６が配されている。

このトルク測定器１０の使用方法は、次の通りである。
(1) トルク測定器１０のドライブシャフト１１と、測定するローラ式チューブ拡管装置の回転駆動機とを接続する。接続は、例えば、拡管装置のモータ等の駆動部とチューブ・エキスパンダを接続するためのアタッチメントであるマンドレルカップリングにて直接トルク測定器１０と接続すればよい。

(2) 拡管装置のコントローラで拡管条件(回転速度とトルク値)を設定する。
(3) 設定した拡管条件で回転駆動機(モータ)を駆動する。
(4) モータが設定した回転速度に到達したら、図４に示す通り、バルブスイッチ２５を開いてトルク測定器１０に作動空気を供給する。

(5) エアクラッチ２０のディスク２１が摩擦板２２と接触して、トルクセンサ１３にトルクが徐々に伝達される。
(6) 拡管装置側で設定したトルクに達するとモータの回転が停止し、その時のトルク値がトルクセンサ１３に表示される。
(7) 設定値と検出されたトルク値に差があった場合は、設定値を調整する。
(8) 設定値とトルク値とを合致させた上で、ローラ式チューブ拡管装置を用いて熱交換器やボイラ等の管板に挿入した管を拡管する。

ローラ式チューブ拡管装置の回転駆動機のトルクがトルクセンサ１３に伝わる経路としては、次の通りである。
(1) ドライブシャフト１１の回動がエアクラッチ２０のディスク２１側の回動軸に伝達され、ディスクを回転させる。
(2) 作動空気がエアクラッチ２０に供給されると、ディスク２１が摩擦板２２に押し付けられ、従動軸上の摩擦板２２がつられて回ろうとする。
(3) 従動軸に伝達された回転は、カップリング１２を介し従動軸に連結されたトルクセンサ１３のトルク検知軸１３ａにトルクが伝達される。
(4) トルクセンサ１３の他端側は角シャフト１９で回り止めされているので、バックブレート１７にてトルクを受けることになり、トルクセンサ１３によってトルク値が計測される。

尚、作動空気の供給については、エアの供給速度が速い場合には、回転駆動機が急激に停止することになり、回転体の慣性が加算されたトルク値が検出されることになる。従って、エアクラッチへの作動空気の導入速度は、スピードコントローラ２６を調整して、適正に設定する。具体的には、回転駆動機の停止速度には、経験的に１０〜２０秒程度かけてゆっくり停止させるとよい。

また、本実施例のトルク測定器では、回転駆動機を停止させるのに要するエネルギーは、すべて熱に変換される。ディスク２１には熱を発散させ、スタートや高頻度の連結によってオーバーヒートしないように冷却フィン２７が付いているが、連続して測定すると本体の発熱は避けられず、測定後に多少の冷却時間が必要となる。

回動軸を一定時間回転させてから作動空気の供給を開始することによって、実際の拡管作業に近い条件でトルクを測定することができ、電動タイプの拡管装置でも適用できる。尚、本実施例では、被接触部としてのディスクを回動軸に、摩擦部としての摩擦板を従動軸に配置した例を示したが、ディスクと摩擦板との回動軸又は従動軸への配置は選択できることは言うまでもない。

１０…トルク測定器、
１１…ドライブシャフト（回動軸）、
１２…カップリング（軸継手）、
１３…トルクセンサ（トルク検出手段）、
１３ａ…トルク検知軸、
１４…基台、
１５…フロントプレート（固設プレート）、
１６…中間プレート（固設プレート）、
１７…バックプレート（固設プレート）、
１８…ボールベアリング、
１９…角シャフト、
２０…エアクラッチ、
２１…ディスク（被接触部）、
２２…摩擦板（摩擦部）、
２３…クラッチカバー、
２４…供給口、
２５…バルブスイッチ、
２６…スピードコントローラ（スピードコントローラ手段）、
２７…冷却フィン、
３０…持ち手、

Claims

被測定対象の回転体の回転を受けて回転している回動軸のトルクをトルク検出手段で検出するトルク測定器において、
前記回動軸の回転が伝達される従動軸に連結されたトルク検出手段のトルク検知軸に、前記回転軸の回転を徐々に伝達するクラッチ機構を備え、
このクラッチ機構は、前記回動軸又は前記従動軸の何れか一方に備わった摩擦部と、この摩擦部が備わった前記回動軸又は前記従動軸の何れか一方の他方に前記摩擦部と対向して配置した被接触部とを備え、前記摩擦部と被接触部との隙間を接触させる摩擦クラッチであり、
前記回動軸の回転の全てをトルク検出手段のトルク検知軸に伝達した後に回動軸が停止した時のトルク値を計測することを特徴とするトルク測定器。
前記摩擦クラッチが作動空気によって前記摩擦部と被接触部とを接触させるエアクラッチであることを特徴とする請求項１に記載のトルク測定器。
前記エアクラッチへの作動空気の導入速度を調整するスピードコントローラ手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載のトルク測定器。