JP6743472B2 - 衝撃試験方法および装置 - Google Patents

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Description

本発明は、衝撃試験方法および装置に関し、さらに詳しくは、コンベヤベルト等の対象物の実使用に合致した耐衝撃性を把握できる衝撃試験方法および装置に関するものである。
鉄鉱石や石灰石等の鉱物資源をはじめとして様々な搬送物がコンベヤベルトによって搬送される。コンベヤベルトの上カバーゴムに搬送物が投入される際には、上カバーゴムは衝撃を受け、その搬送物の表面が鋭利であれば上カバーゴムの表面にカット傷が生じることもある。上カバーゴムの耐衝撃性は、ゴム特性や使用環境等によって違いがある。
従来、対象物の耐衝撃性を評価する方法は種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されている方法では、試験片に落錘を衝突させて破損させる（貫通させる）ことを前提としている。一方、コンベヤベルト等の対象物では、通常の実使用において、投入された搬送物によって対象物が容易に貫通して破損することがない。即ち、特許文献１で提案されている方法は、コンベヤベルト等の対象物の実使用条件と対応していないため、実使用での耐衝撃性を十分に把握することができない。
特開２００８−２２４６３２号公報
本発明の目的は、コンベヤベルト等の対象物の実使用に合致した耐衝撃性を把握できる衝撃試験方法および装置を提供することにある。
上記目的を達成するため本発明の衝撃試験方法は、試験サンプルに衝撃付与体を自由落下させて衝突させる衝撃試験方法において、自由落下させた前記衝撃付与体が前記試験サンプルに衝突した際の前記試験サンプルに作用する衝撃力と、前記試験サンプルに対する前記衝撃付与体の陥入量とを測定し、この測定した衝撃力と陥入量とに基づいて、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルにより吸収された損失エネルギを算出し、前記衝撃付与体が衝突した前記試験サンプルの表面温度を測定し、この測定した表面温度と前記陥入量とに基づいて、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルに発生した熱エネルギを算出することを特徴とする。
本発明の衝撃試験装置は、試験サンプルが設置される設置台と、この設置台に設置された前記試験サンプルに対して自由落下させる衝撃付与体とを備えた衝撃試験装置において、前記試験サンプルに作用する衝撃力を測定する荷重計と、前記試験サンプルに対する前記衝撃付与体の陥入量を測定する変位計と、前記試験サンプルの表面温度を測定する温度センサと、前記荷重計および前記変位計の測定データと前記温度センサにより測定された表面温度とが入力される演算部とを備えて、自由落下させた前記衝撃付与体が前記試験サンプルに衝突した際に前記荷重計と前記変位計のそれぞれにより測定した衝撃力と陥入量とに基づいて、前記演算部により、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルにより吸収された損失エネルギが算出され、前記温度センサにより測定された前記衝撃付与体が衝突した前記試験サンプルの表面温度と前記陥入量とに基づいて、前記演算部により、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルに発生した熱エネルギが算出される構成にしたことを特徴とする。
本発明によれば、自由落下させた前記衝撃付与体が前記試験サンプルに衝突している過程での前記試験サンプルに作用する衝撃力と、前記試験サンプルに対する前記衝撃付与体の陥入量とに基づいて、前記試験サンプルにより吸収された損失エネルギを算出するので、コンベヤベルト等の対象物の実使用に対応した損失エネルギを把握できる。そして、この損失エネルギは対象物の耐衝撃性と密接に関連しているので、算出した損失エネルギに基づいて対象物の実使用に合致した耐衝撃性を精度よく把握することが可能になる。
衝撃試験装置の基本構造を例示する説明図である。 自由落下する衝撃付与体によって変形する試験サンプルを模式的に例示する説明図である。 室温における衝撃力と陥入量との関係を例示するグラフ図である。 ７０℃における衝撃力と陥入量との関係を例示するグラフ図である。 試験サンプルの表面温度の経時変化を例示するグラフ図である。 コンベヤベルトラインを単純化して例示する説明図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 コンベヤベルトに衝突する時の搬送物の速度を示す説明図である。
以下、本発明の衝撃試験方法および装置を、図に示した実施形態に基づいて説明する。実施形態では、耐衝撃性を評価する対象物を、コンベヤベルトの上カバーゴムにした場合を例にして説明する。
図６に例示するコンベヤベルトラインでは、別のコンベヤベルト１７によって搬送された搬送物Ｃがコンベヤベルト１１に投入されて、このコンベヤベルト１１によって搬送先に搬送される。コンベヤベルト１１にはホッパ等を通じて搬送物Ｃが投入されることもある。コンベヤベルト１１は、プーリ１５ａ、１５ｂ間に架け渡されていて所定のテンションで張設されている。
図７に例示するようにコンベヤベルト１１は、帆布やスチールコード等の心体で構成される心体層１２と、心体層１２を挟む上カバーゴム１３と下カバーゴム１４とにより構成されている。心体層１２は、コンベヤベルト１１を張設するためのテンションを負担する部材である。コンベヤベルト１１のキャリア側では下カバーゴム１４が支持ローラ１６により支持され、リターン側では上カバーゴム１３が支持ローラ１６により支持されている。コンベヤベルト１１のキャリア側ではベルト幅方向に３つの支持ローラ１６が配置されていて、これらの支持ローラ１６によってコンベヤベルト１１は所定のトラフ角度ａで凹状に支持されている。駆動側のプーリ１５ａが回転駆動することにより、コンベヤベルト１１は一方向に所定の走行速度Ｖ１で稼働する。搬送物Ｓは上カバーゴム１３の上に投入され、上カバーゴム１３に積載されて搬送される。
このコンベヤベルトラインでは図８に例示するように、このコンベヤベルト１１と別のコンベヤベルト１７とが上下差ｈで配置されている。別のコンベヤベルト１７では搬送物Ｃが水平方向速度Ｖ０（Ｖ０＜Ｖ１）で搬送されている。投入された搬送物Ｃが別のコンベヤベルト１７からコンベヤベルト１１に衝突した瞬間、搬送物Ｃは水平方向速度Ｖ０である。一方、搬送物Ｃの垂直方向速度はゼロからＶ２に加速される。この垂直方向速度Ｖ２は、（２ｇｈ）1/2である。したがって、搬送物Ｃがコンベヤベルト１１の上カバーゴム１３に衝突する時の実際の衝突速度Ｖｒは、（Ｖ０2＋Ｖ２2）1/2＝（Ｖ０2＋２ｇｈ）1/2となる。ｇは重力加速度である。このように自由落下した搬送物Ｃが上カバーゴム１３に衝突した際に、上カバーゴム１３に付与される衝撃エネルギＥは、Ｍｇｈとなる。Ｍは搬送物Ｃの質量である。
上カバーゴム１３では、衝撃エネルギＥの所定割合が吸収される。上カバーゴム１３により吸収されるエネルギ（損失エネルギＥ１）の量は、ゴム種によって異なる。そのゴム種により吸収される損失エネルギＥ１の量と、そのゴム種の耐衝撃性とは相関関係があるので、損失エネルギＥ１を算出することで、そのゴム種の耐衝撃性を把握することができる。
本発明の衝撃試験装置１は図１に例示するように、試験サンプルＳが設置される設置台２と、試験サンプルＳに対して自由落下させる衝撃付与体１０と、荷重計５と、変位計６と、演算部８とを備えている。この実施形態では、さらに、温度センサ７および温度調節器９を有している。試験サンプルＳは、耐衝撃性を評価する対象物（上カバーゴム１３）として実際に使用される部材の相当品である。
衝撃付与体１０としては、下端形状や重さ等など仕様が異なる複数種類の衝撃付与体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備えることが望ましい。これら複数種類の仕様の中から、実使用において上カバーゴム１３に衝撃を与える搬送物Ｃと近似する仕様の衝撃付与体１０を選択する。
衝撃試験装置１では、立設された状態のフレーム３の間に梁部３ａが延在し、この梁部３ａに保持機構４が設けられている。梁部３ａは任意に高さ位置に移動して固定可能になっている。保持機構４によって着脱自在に保持された衝撃付与体１０ａが、保持解除されることにより、平板状の設置台２に設置されている試験サンプルＳに向かって自由落下する構成になっている。
荷重計５は、設置台２の下方に設置されていて、試験サンプルＳに作用する衝撃力を測定する。変位計６は図２に例示するように、試験サンプルＳに対して自由落下して衝突した衝撃付与体１０ａの陥入量Ｈを測定する。衝撃付与体１０ａの下端形状が鋭利な場合は、この陥入量Ｈは傷深さになる。演算部８には、荷重計５および変位計６の測定データが入力される。演算部８としては、各種のコンピュータ等を用いることができる。
温度センサ７は、試験サンプルＳの表面温度を測定する。温度センサ７により測定された表面温度は演算部８に入力される。温度センサ７としては、サーモグラフィ等を用いることができる。
温度調節器９は、試験サンプルＳを加温または冷却して、試験サンプルＳの温度を任意の温度に設定する。この実施形態では、設置台２の下面に設置された温度調節器９が設置台２を加温または冷却することにより、間接的に試験サンプルＳを加温または冷却して任意の温度に設定する。温度調節器９としては、その他に、試験装置全体をカバーで覆い、そのカバー内部を任意の雰囲気温度に設定できる恒温ケース等を用いることもできる。
次に、この衝撃試験装置１を用いた試験方法の手順を説明する。
図１に例示する設置台２に試験サンプルＳを設置する。保持機構４には、複数種類の衝撃付与体１０の中からコンベヤベルト１１の実使用条件に近似する適切な衝撃付与体１０ａを選択して取付ける。また、梁部３ａを移動させて衝撃付与体１０を適切な高さ位置(例えば、試験サンプルＳの表面から高さｈの位置)に設定する。温度調節器９によって試験サンプルＳを所定温度に設定する。
次いで、衝撃付与体１０に対する保持機構４による保持を解除して、衝撃付与体１０を自由落下させて試験サンプルＳに衝突させる。このとき、試験サンプルＳの表面から高さｈの位置から自由落下させた衝撃付与体１０により付与される衝撃エネルギＥは、Ｍｇｈである（Ｅ＝Ｍｇｈ）。ここで、Ｍは衝撃付与体１０の既知の質量である。
自由落下させた衝撃付与体が試験サンプルに接触してから跳ね返って試験サンプルから離れるまでの間の衝突過程では、荷重計５により、試験サンプルＳに作用する衝撃力を逐次測定する。また、図２に例示する試験サンプルＳに対する衝撃付与体１０の陥入量Ｈを、変位計６により逐次測定する。荷重計５により測定された衝撃力および変位計６により測定された陥入量Ｈは演算部８に入力される。
この衝撃試験によって、図３、図４に例示するように衝撃力および陥入量Ｈが測定される。図３は、同じ試験条件で、４種類の試験サンプルＳ（Ｓ１〜Ｓ４）を室温で試験をした場合(試験サンプルＳが２０℃程度の場合)の測定データを示している。図４は、４種類の試験サンプルＳ（Ｓ１〜Ｓ４）の温度のみを変えて、７０℃にして試験した場合の測定データを示している。
演算部８では、入力された測定データに基づいて、衝撃付与体１０と試験サンプルＳとが衝突した際に試験サンプルＳにより吸収された損失エネルギＥ１を算出する。図３、図４では、それぞれの試験サンプルＳのデータ曲線の右上がりの範囲は、衝撃付与体１０が試験サンプルＳに接触してから最も深くまで陥入するまでの衝撃力と陥入量Ｈとの関係を示している。それ故、この範囲でこのデータ曲線を積分することで、陥入エネルギＥ２を算出できる。
一方、これらデータ曲線の左下がりの範囲は、衝撃付与体１０が試験サンプルＳに最も深くまで陥入してから跳ね返って試験サンプル１０から離れるまでの衝撃力と陥入量Ｈとの関係を示している。それ故、この範囲でこのデータ曲線を積分することで、反発エネルギＥ３を算出できる。
したがって、陥入エネルギＥ２から反発エネルギＥ３を差し引くことにより、試験サンプルＳにより吸収された損失エネルギＥ１を算出することができる（Ｅ１＝Ｅ２−Ｅ３）。即ち、図３、図４では、それぞれのデータ曲線Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４により囲まれた面積がそれぞれの試験サンプルＳの損失エネルギＥ１になる。
本発明では、衝撃付与体１０により付与された衝撃エネルギＥのうち、試験サンプルＳによって損失エネルギＥ１として吸収された割合（Ｅ１／Ｅ）を把握することができる。この割合（Ｅ１／Ｅ）は、ゴム種（特に粘弾性特性）によって異なっていて、ゴムの耐衝撃性と密接に関連している。そこで、この割合（Ｅ１／Ｅ）とゴムの耐衝撃性との相関関係のデータを収集したデータベースを作成しておくと、このデータベースと算出した損失エネルギＥ１とに基づいて、対象物（コンベヤベルト１１）の実使用に合致した耐衝撃性を精度よく把握することができる。
また、図３と図４のデータを比較すると、損失エネルギＥ１は試験サンプルＳの温度に依存することが分かる。それ故、試験サンプルＳの温度を複数水準に異ならせて衝撃試験を行うことにより既述した各測定データを取得して、損失エネルギＥの温度依存性を把握するとよい。即ち、試験サンプルＳの温度毎にデータベースを作成するとよい。これにより、コンベヤベルト１１の使用環境温度に合致した温度条件でのデータベースを用いることで、対象物（コンベヤベルト１１）の実使用に合致した耐衝撃性を一段と精度よく把握することができる。
この実施形態では、衝撃付与体１０が跳ね返った直後の試験サンプルＳの表面温度を温度センサ７により逐次測定することができる。温度センサ７により測定された表面温度は、演算部８に入力される。図５に例示するように室温の試験サンプルの表面温度が測定されて、その経時変化が把握できる。
演算部８では、測定した表面温度と陥入量Ｈとに基づいて、衝撃付与体１０と試験サンプルＳとが衝突した際に試験サンプルＳに発生した熱エネルギＥ４を算出する。熱エネルギＥ４はＥ４＝ｍｃΔＴにより算出できる。ｍは温度上昇した試験サンプルＳの質量、ｃは比熱、ΔＴは上昇温度である。
図５の測定データからは、衝撃付与体１０との衝突による試験サンプルＳの上昇温度ΔＴ（最大上昇温度ΔＴ）が判明する。試験サンプルＳの比熱ｃは予め判明している。
温度上昇した試験サンプルＳの質量ｍは例えば、下記のとおり算出する。衝撃付与体１０の陥入量Ｈは変位計６により測定される。そして、衝撃付与体１０の形状は予め判明しているので、例えば、最も深く陥入した際に衝撃付与体１０の試験サンプルＳに陥入している部分の最大横断面積と、最大陥入量とを乗じて算出した体積Ｖを、温度上昇した試験サンプルＳの体積Ｖとする。試験サンプルＳの比重ρは予め判明しているので、体積Ｖと比重ρとを乗じることにより、温度上昇した試験サンプルＳの質量ｍが算出できる。そして、これら質量ｍ、比熱ｃおよび上昇温度ΔＴを乗じ
ることにより、熱エネルギＥ４を算出することができる。
これにより、自由落下させた衝撃付与体１０により付与された衝撃エネルギＥのうち、試験サンプルＳによって熱エネルギＥ４に変換された割合（Ｅ４／Ｅ）を把握することができる。この割合（Ｅ４／Ｅ）は、ゴム種（ゴム特性のうち特に粘弾性特性）によって異なっていて、ゴムの耐衝撃性と密接に関連している。そこで、この割合（Ｅ４／Ｅ）とゴムの耐衝撃性との相関関係のデータを収集したデータベースを作成しておくと、このデータベースと算出した熱エネルギＥ４とに基づいて、対象物（コンベヤベルト１１）の実使用に合致した耐衝撃性を精度よく把握することができる。
実施形態では、耐衝撃性を評価する対象物をコンベヤベルト１１の上カバーゴム１３を例にしたが、対象物はこれに限定されない。対象物は、石や土砂など各種の衝突体が衝突して跳ね返る条件下で使用され、かつ、衝突体が容易に貫通しない条件下で使用される物であればよい。具体的には、上カバーゴム１３の他に、コンベヤベルト１１の下カバーゴム１４、タイヤのトレッドゴム等のゴム部材や、コンベヤベルト１１の心体層１２等を対象物として例示できる。
１ 衝撃試験装置
２ 設置台
３ フレーム
３ａ 梁部
４ 保持機構
５ 荷重計
６ 変位計
７ 温度センサ
８ 演算部
９ 温度調節器
１０ 衝撃付与体
１１ コンベヤベルト
１２ 心体層
１３ 上カバーゴム
１４ 下カバーゴム
１５ａ、１５ｂ プーリ
１６ 支持ローラ
１７ 別のコンベヤベルト
Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４） 試験サンプル

Claims (5)

  1. 試験サンプルに衝撃付与体を自由落下させて衝突させる衝撃試験方法において、
    自由落下させた前記衝撃付与体が前記試験サンプルに衝突した際の前記試験サンプルに作用する衝撃力と、前記試験サンプルに対する前記衝撃付与体の陥入量とを測定し、この測定した衝撃力と陥入量とに基づいて、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルにより吸収された損失エネルギを算出し、前記衝撃付与体が衝突した前記試験サンプルの表面温度を測定し、この測定した表面温度と前記陥入量とに基づいて、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルに発生した熱エネルギを算出することを特徴とする衝撃試験方法。
  2. 温度条件を異ならせて前記衝撃試験を行う請求項１に記載の衝撃試験方法。
  3. 前記試験サンプルとしてゴムを用いる請求項１または２に記載の衝撃試験方法。
  4. 試験サンプルが設置される設置台と、この設置台に設置された前記試験サンプルに対して自由落下させる衝撃付与体とを備えた衝撃試験装置において、
    前記試験サンプルに作用する衝撃力を測定する荷重計と、前記試験サンプルに対する前記衝撃付与体の陥入量を測定する変位計と、前記試験サンプルの表面温度を測定する温度センサと、前記荷重計および前記変位計の測定データと前記温度センサにより測定された表面温度とが入力される演算部とを備えて、
    自由落下させた前記衝撃付与体が前記試験サンプルに衝突した際に前記荷重計と前記変位計のそれぞれにより測定した衝撃力と陥入量とに基づいて、前記演算部により、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルにより吸収された損失エネルギが算出され、前記温度センサにより測定された前記衝撃付与体が衝突した前記試験サンプルの表面温度と前記陥入量とに基づいて、前記演算部により、前記衝撃付与体と前記試験サンプルとが衝突した際に前記試験サンプルに発生した熱エネルギが算出される構成にしたことを特徴とする衝撃試験装置。
  5. 前記試験サンプルの温度を変化させる温度調節器を有する請求項４に記載の衝撃試験装置。
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