JP6941500B2 - 振動試験装置 - Google Patents

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Description

本発明は、振動試験装置に関する。
対象物を載置した振動台を加振装置により振動させる振動試験装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の振動試験装置は、加振装置と振動台との間に機械バネが取り付けられた構成である。この振動試験装置は、対象物と振動台との質量の和と機械バネのバネ定数とで決まる共振周波数と同一の加振周波数で振動台を振動させることにより、小さな入力エネルギーで大きな加速度を発生させることが可能である。
特開2014−009942号公報
特許文献1に記載の振動試験装置では、1つの対象物について、異なる加振周波数で振動台を振動させる場合がある。この場合、加振周波数に応じて共振周波数を変更する作業が行われる。共振周波数を変更するには、機械バネを交換する作業か、振動台の質量を変更する作業が必要になるため、作業者の負担が大きくなってしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、作業者の負担を低減することが可能な振動試験装置を提供することを目的とする。
本発明に係る振動試験装置は、対象物が載置される振動台と、前記振動台に一体に連結されたピストンと、筒状であり内部が前記ピストンにより中心軸の軸方向に第1圧力室と第2圧力室とに仕切られ前記軸方向に所定の長さを有しかつ前記軸方向に垂直な平面による内部断面積が当該軸方向について一定であるシリンダとを有するアクチュエータと、前記第1圧力室と前記第2圧力室とに対して所定の体積弾性率を有する作動油を切り替えて供給することで、前記ピストンを前記シリンダの内部において前記第1圧力室側と前記第2圧力室側とに往復移動させる作動油供給部と、前記作動油供給部による前記作動油の供給動作を制御することで、前記ピストンを前記軸方向に所定の加振周波数で往復移動させる制御部と、容積が可変であり前記作動油を収容可能な容積可変室を有し、前記容積可変室が前記シリンダの前記第1圧力室及び前記第2圧力室の少なくとも一方に連通された容積調整部とを備える。
本発明では、作動油の油圧によりピストンを往復移動することで振動台を移動させる構成であり、作動油の弾性を利用して振動台を共振させることができる。この場合、作動油のバネ定数は、作動油の体積弾性率と、アクチュエータの受圧面積と、アクチュエータのストロークと、容積可変室の容積とに基づいて決定される。
ここで、作動油の体積弾性率β、アクチュエータの受圧面積をA、アクチュエータのストロークをSt、容積可変室の容積をVとすると、作動油のバネ定数をKは、以下の式(1)によって規定される。
K=2β/(A・St+V)・・・・(1)
また、共振周波数fは、以下の式(2)によって規定される。なお、質量Mは、振動台10の質量m1と、振動台10に載置する対象物Pの質量m2との和である。
f=1/2π(K/M)1/2・・・・(2)
作動油の体積弾性率βは、作動油の種類等に応じてほぼ一定の値となる。アクチュエータのストロークStは、シリンダの内部の軸方向についての長さであるため一定である。また、軸方向に垂直な平面による内部断面積が軸方向について一定であるため、アクチュエータの受圧面積は一定となる。このため、容積可変室の容積を変更することにより、作動油のバネ定数を変更することができ、共振周波数を変更することができる。このように、本発明に係る振動試験装置は、機械バネを交換する作業や振動台の質量を変更する作業を行わなくても、加振周波数に応じた共振周波数を設定することができるため、作業者の負担を低減することが可能となる。
また、前記容積可変室は、前記第1圧力室に連通された第1容積可変室と、前記第1容積可変室とは別個に設けられ前記第2圧力室に連通された第2容積可変室と、を有してもよい。
従って、第1容積可変室及び第2容積可変室の2箇所に作動油の弾性力を分散させることができる。
また、前記第1容積可変室は、前記シリンダの内部において前記軸方向の一方の端部に接続され、前記第2容積可変室は、前記シリンダの内部において前記軸方向の他方の端部に接続されてもよい。
従って、シリンダの内部において、第1容積可変室及び第2容積可変室の接続部分と、ピストンとが干渉することを抑制できる。
また、前記作動油供給部は、前記第1圧力室に接続される第1接続流路と、前記第2圧力室に接続される第2接続流路と、前記第1接続流路と前記第2接続流路との間に前記作動油を流通させるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた可変絞り弁とを有し、前記制御部は、前記振動台の加速度を増加させる場合には前記可変絞り弁の開度を小さくし、前記振動台の加速度を減少させる場合には前記可変絞り弁の開度を大きくしてもよい。
従って、可変絞り弁の開度を調整することで第1圧力室と第2圧力室との間の圧力差を調整することができ、ピストンに対して作用する圧力を調整できるため、振動台の加速度を調整することができる。このように、振動の減衰比を調整することができるため、振動台を共振させる際、第1圧力室と第2圧力室との圧力差が大きくなり過ぎることを抑制でき、振幅の制御を容易に行うことができる。
本発明によれば、作業効率を向上させることが可能な振動試験装置を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る振動試験装置の一例を示す模式図である。 図2は、振動試験装置の一例を示す側面図である。 図3は、振動試験装置の一例を示す平面図である。 図4は、容積調整部の一例を示す模式図である。
以下、本発明に係る振動試験装置の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
図1は、本実施形態に係る振動試験装置100の一例を示す模式図である。図2は、振動試験装置100の一例を示す側面図である。図3は、振動試験装置100の一例を示す平面図である。図1から図3に示すように、振動試験装置100は、振動台10と、アクチュエータ20と、作動油供給部30と、制御部40と、容積調整部50とを備える。
振動台10は、例えば金属等の材料を用いて直方体状に形成される。振動台10は、対象物Pを載置する載置面10aを有する。振動台10は、移動機構11を介して床面Fに移動可能に支持される。床面Fは、例えば水平面に平行な面である。移動機構11は、振動台10を支持しつつ、振動台10を床面Fに平行に移動させる。振動台10には、加速度センサ12が配置される。加速度センサ12は、振動台10の加速度を検出し、検出結果を制御部40に送信する。
アクチュエータ20は、振動台10を振動させる。アクチュエータ20は、ピストン22と、シリンダ21とを有する。ピストン22は、例えば円板状に形成され、シリンダ21の内部に収容される。ピストン22は、連結部材25を介して振動台10と一体に設けられる。連結部材25は、ピストン22と一体で移動する。連結部材25には、変位センサ26が配置される。変位センサ26は、連結部材25の変位を検出し、検出結果を制御部40に送信する。
シリンダ21は、例えば所定の中心軸を中心とした円筒状に形成される。シリンダ21は、中心軸の軸方向に延びている。シリンダ21の内部には、軸方向に所定の長さを有する円柱状の空間が形成される。シリンダ21は、軸方向に垂直な平面による内部の断面が例えば円形であり、この円形断面の断面積が軸方向について一定である。したがって、アクチュエータ20においては、受圧面積Aが一定となっている。シリンダ21の内部は、ピストン22により、第1圧力室23と、第2圧力室24とに仕切られている。
また、アクチュエータ20では、ピストン22がシリンダ21の内部で軸方向に所定のストロークStで移動可能である。この場合、ピストン22は、連結部材25及び振動台10と一体で、軸方向に移動する。
作動油供給部30は、アクチュエータ20に作動油Qを供給すると共に、アクチュエータ20から作動油Qを回収する。作動油供給部30は、作動油供給部31と、サーボ弁32と、可変絞り弁33とを有する。
作動油供給部31は、作動油供給源31aと、ポンプ31bと、モータ31cとを有する。作動油供給源31aは、作動油Qが貯留される。作動油Qは、所定の体積弾性率βを有する。作動油供給源31aは、供給流路34及び回収流路35に接続される。供給流路34は、作動油供給源31aからサーボ弁32に作動油Qを供給する流路である。回収流路35は、サーボ弁32から作動油供給源31aに作動油Qを回収する流路である。ポンプ31bは、例えば供給流路34に設けられる。ポンプ31bは、モータ31cの駆動力により、作動油供給源31aに貯留される作動油Qを供給流路34に流通させる。
サーボ弁32は、供給流路34及び回収流路35の接続先を、接続流路(第1接続流路)36と接続流路(第2接続流路)37との間で切り替える。接続流路36は、第1圧力室23に接続される。接続流路37は、第2圧力室24に接続される。サーボ弁32によって供給流路34及び回収流路35の接続先が切り替わることにより、例えば第1圧力室23に作動油Qが供給される場合には第2圧力室24から作動油Qが回収される。また、第1圧力室23から作動油Qが回収される場合には、第2圧力室24に作動油Qが供給される。
可変絞り弁33は、バイパス流路38の開度を調整する。バイパス流路38は、接続流路36と接続流路37とを接続する。バイパス流路38は、接続流路36と接続流路37との間で作動油Qを流通させる。可変絞り弁33は、バイパス流路38の開度を調整することにより、第1圧力室23と第2圧力室24との圧力差を調整する。
制御部40は、変位入力部41と、第1演算部42と、加速度入力部43と、第2演算部43とを有する。変位入力部41は、ピストン22の変位目標値を第1演算部42に入力する。第1演算部42には、変位入力部41からの変位目標値が入力される。また、第1演算部42には、変位センサ26の検出結果が入力される。第1演算部42は、入力された変位目標値と変位センサ26の検出結果との差に基づいて、サーボ弁32を制御する。
加速度入力部43は、振動台10の加速度目標値を第2演算部44に入力する。第2演算部44には、加速度入力部43からの加速度目標値が入力される。また、第2演算部44には、加速度センサ12の検出結果が入力される。第2演算部44は、入力された加速度目標値と加速度センサ12の検出結果との差に基づいて、可変絞り弁33の開度を制御する。
なお、制御部40は、不図示の入力部を有する。入力部は、例えば対象物Pの振動試験を行う場合の加振周波数を入力する。
容積調整部50は、アクチュエータ20の圧力室に接続される。容積調整部50は、第1圧力室23に接続される第1容積調整部51と、第2圧力室24に接続される第2容積調整部52とを有する。図3に示すように、第1容積調整部51と第2容積調整部52とは、シリンダ21及び振動台10を挟む位置に配置される。第1容積調整部51及び第2容積調整部52は、それぞれ等しい構成を有する。以下、第1容積調整部51と第2容積調整部52との共通する構成を説明する場合には、第1容積調整部51及び第2容積調整部52を容積調整部50と表記して説明する。
図4は、容積調整部50の一例を示す模式図である。図4に示すように、容積調整部50は、シリンダ61と、ピストン62と、ピストン調整機構63とを有する。シリンダ61は、例えば円筒状に形成される。シリンダ61は、中心軸の軸方向が、シリンダ21の中心軸の軸方向と平行である。このように、シリンダ21と振動台10とが並ぶ方向と、容積調整部50のシリンダ61の長手方向とを平行にすることで、省スペース化を図ることができる。また、第1容積調整部51と第2容積調整部52とがシリンダ21及び振動台10を挟む位置に配置されるため、更に省スペース化を図ることができる。
シリンダ61は、内部に容積可変室65を有する。容積可変室65は、接続管64を介して第1圧力室23、第2圧力室24にそれぞれ連通される。以下、第1圧力室23に連通される容積可変室65を第1容積可変室65aと表記し、第2圧力室24に連通される容積可変室65を第2容積可変室65bと表記する場合がある。
第1容積可変室65aに接続される接続管64は、アクチュエータ20のシリンダ21の第1端部21aに接続される。第1端部21aは、シリンダ21の軸方向の端部であって、第1容積調整部51側の端部である。なお、第1容積可変室65aに接続される接続管64の接続先は、シリンダ21の第1端部21aに限定されず、当該第1端部21aとは異なる位置であってもよい。
第2容積可変室65bに接続される接続管64は、アクチュエータ20のシリンダ21の第2端部21bに接続される。第2端部21bは、シリンダ21の軸方向の端部であって、第2容積調整部52側の端部である。なお、第2容積可変室65bに接続される接続管64の接続先は、シリンダ21の第2端部21bに限定されず、当該第2端部21bとは異なる位置であってもよい。
ピストン62は、シリンダ61の内部に収容される。ピストン62は、シリンダ61の内壁との間に容積可変室65を形成する。ピストン62は、シリンダ61の中心軸の軸方向に往復移動可能である。ピストン62が軸方向に移動することにより、容積可変室65の容積が変動する。容積可変室65は、接続管64を介して第1容積調整部51又は第2容積調整部52に連通されることにより、第1容積調整部51又は第2容積調整部52から作動油Qが供給される。容積可変室65は、この作動油Qを収容可能である。なお、シリンダ61の内部において、ピストン62に対して容積可変室65と反対側には、空気室66が形成される。ピストン62は、外周部にシール部62aを有する。シール部62aは、例えばOリング等が用いられる。シール部62aは、空気室66側への作動油Qの漏れを抑制する。
ピストン調整機構63は、ピストン62の軸方向の位置を調整する。ピストン調整機構63は、駆動軸63aと、駆動源63bと、変位センサ63cとを有する。駆動軸63aは、シリンダ61の軸方向の空気室66側の端部から空気室66内に挿入され、ピストン62に連結される。駆動源63bは、駆動軸63aを駆動することにより、ピストン62を移動させる。駆動軸63a及び駆動源63bとしては、例えばボールねじ機構等が用いられる。変位センサ63cは、駆動軸63aの変位を検出する。変位センサ63cの検出結果を用いることにより、ピストン62の位置を算出可能である。
上記のように構成された振動試験装置100を用いて対象物Pの振動試験を行う場合には、まず、振動台10に対象物Pを載置する。次に、対象物Pに加える振動の周波数(加振周波数)を決定する。加振周波数は、例えば10Hz、20Hz等、必要な値に設定することができる。
加振周波数を決定した後、決定した加振周波数についての情報を制御部40に入力する。変位入力部41は、入力された加振周波数により、ピストン22の目標変位を設定して第1演算部42に入力する。第1演算部42は、演算結果を出力する。第1演算部42の演算結果により、サーボ弁32が第1圧力室23及び第2圧力室24に対して作動油Qを切り替えて供給する。これにより、ピストン22が軸方向に往復移動する。ピストン22の往復移動により、ピストン22と一体で、連結部材25及び振動台10が軸方向に往復移動する。連結部材25に取り付けられた変位センサ26は、ピストン22の変位を検出して第1演算部42に入力する。このため、変位センサ26の検出結果がサーボ弁32の制御にフィードバックされる。
加速度入力部43は、入力された加振周波数により、振動台10の目標加速度を設定して第2演算部44に入力する。第2演算部44の演算結果により、可変絞り弁33の開度が調整される。可変絞り弁33の開度が大きくなると、第1圧力室23と第2圧力室24との圧力差が小さくなり、ピストン22に対して作用する圧力が減少する。この場合、振動台10の加速度が減少する。また、可変絞り弁33の開度が小さくなると、第1圧力室23と第2圧力室24との圧力差が大きくなり、ピストン22に対して作用する圧力が増加する。この場合、振動台10の加速度が増加する。振動台10に設けられた加速度センサ12は、振動台10の加速度を検出し、検出結果を第2演算部44に入力する。このため、加速度センサ12の検出結果が可変絞り弁33の制御にフィードバックされる。振動台10の加速度を調整することにより、振動台10が振動する際の振動の減衰比を調整することができる。このように振動台10の減衰比を調整することにより、後述のように共振周波数で振動台10を共振させる場合の振幅の制御を容易に行うことができる。
上記のように構成された振動試験装置100は、作動油Qの油圧によりピストン22を往復移動することで振動台10を移動させる構成であり、作動油Qの弾性を利用して振動台10を共振させることができる。この場合、作動油Qのバネ定数Kは、作動油Qの体積弾性率βと、アクチュエータ20の受圧面積Aと、アクチュエータ20のストロークStと、容積可変室65の容積Vとに基づいて、以下の式(3)によって規定される。
K=2β/(A・St+V)・・・・(3)
また、共振周波数fは、以下の式(4)によって規定される。なお、質量Mは、振動台10の質量m1と、振動台10に載置する対象物Pの質量m2との和である。なお、質量Mは、ピストン22及びピストンロッド25の質量を加えた値であってもよい。
f=1/2π(K/M)1/2・・・・(4)
作動油Qの体積弾性率βは、作動油Qの種類等に応じてほぼ一定の値となる。また、例えば定期的に作動油Qのメンテナンスを行うことにより、作動油Qの品質を一定に保持することができ、これにより体積弾性率βを一定に維持することが可能である。作動油Qの体積弾性率βは、作動油Qの種類等に応じてほぼ一定の値となる。アクチュエータ20のストロークStは、シリンダ22の内部の軸方向についての長さであるため、一定である。また、シリンダ22は、軸方向に垂直な平面による内部断面積が軸方向について一定である。したがって、アクチュエータ20の受圧面積Aは一定となる。
このため、容積可変室65の容積Vを変更することにより、作動油Qのバネ定数Kを変更することができ、共振周波数fを変更することができる。本実施形態では、第1圧力室23に連通された容積可変室65と、第2圧力室24に連通された容積可変室65との、2つの容積可変室65を有する。この場合、2つの容積可変室65は、同一の容積Vとなるように設定する。容積可変室65の容積Vは、ピストン調整機構63によりピストン62の位置を調整することにより、容易かつ高精度に設定することができる。
以上のように、本実施形態に係る振動試験装置100は、機械バネを交換する作業や振動台の質量を変更する作業を行わなくても、加振周波数に応じた共振周波数fを設定することができるため、作業者の負担を低減することが可能となる。
また、本実施形態に係る振動試験装置100において、容積可変室65は、第1圧力室23に連通された第1容積可変室65aと、第1容積可変室65aとは別個に設けられ第2圧力室24に連通された第2容積可変室65bと、を有してもよい。これにより、第1容積可変室65a及び第2容積可変室65bの2箇所に作動油Qの弾性力を分散させることができる。
また、本実施形態に係る振動試験装置100において、第1容積可変室65aは、シリンダ21の内部において軸方向の一方の端部(第1圧力室23側の端部)に接続され、第2容積可変室65bは、シリンダ21の内部において軸方向の他方の端部(第2圧力室24側の端部)に接続されてもよい。これにより、シリンダ21の内部において、第1容積可変室65a及び第2容積可変室65bの接続部分と、ピストン22とが干渉することを抑制できる。
また、本実施形態に係る振動試験装置100において、作動油供給部30は、第1圧力室23に接続される接続流路36と、第2圧力室24に接続される接続流路37と、接続流路36と接続流路37との間に作動油Qを流通させるバイパス流路38と、バイパス流路38に設けられた可変絞り弁33とを有し、制御部40は、振動台10の加速度を増加させる場合には可変絞り弁33の開度を小さくし、振動台10の加速度を減少させる場合には可変絞り弁33の開度を大きくしてもよい。これにより、可変絞り弁33の開度を調整することで第1圧力室23と第2圧力室24との間の圧力差を調整することができ、ピストン22に対して作用する圧力を調整できるため、振動台10の加速度を調整することができる。このように振動の減衰比を調整することにより、振動台10を共振させる際、第1圧力室23と第2圧力室24との圧力差が大きくなり過ぎることを抑制でき、振幅の制御を容易に行うことができる。
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。例えば、上記実施形態においては、第1容積調整部51及び第2容積調整部52の2つの容積調整部50が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、容積調整部50は1つであってもよい。この場合、容積調整部50の容積可変室65は、第1圧力室23及び第2圧力室24のどちらの圧力室に接続されてもよい。
また、上記実施形態では、容積調整部50においてピストン調整機構63の構成として、ボールねじ機構を例に挙げて説明したが、これに限定されず、他の構成であってもよい。また、ピストン調整機構63は、ピストン62の位置を複数の固定値に段階的に調整可能な構成であってもよい。
10 振動台
10a 載置面
11 移動機構
12 加速度センサ
20 アクチュエータ
21,61 シリンダ
21a 第1端部
21b 第2端部
22,62 ピストン
23 第1圧力室
24 第2圧力室
25 連結部材
26,63c 変位センサ
30,31 作動油供給部
31a 作動油供給源
31b ポンプ
31c モータ
32 サーボ弁
33 可変絞り弁
34 供給流路
35 回収流路
36,37 接続流路
38 バイパス流路
40 制御部
41 変位入力部
42 第1演算部
43 加速度入力部
44 第2演算部
50 容積調整部
51 第1容積調整部
52 第2容積調整部
62a シール部
63 ピストン調整機構
63a 駆動軸
63b 駆動源
64 接続管
65 容積可変室
65a 第1容積可変室
65b 第2容積可変室
66 空気室
100 振動試験装置
β 体積弾性率
A 受圧面積
F 床面
K バネ定数
M,m1,m2 質量
P 対象物
Q 作動油
容積
f 共振周波数
St ストローク

Claims (4)

  1. 対象物が載置される振動台と、
    前記振動台に一体に連結されたピストンと、筒状であり内部が前記ピストンにより中心軸の軸方向に第1圧力室と第2圧力室とに仕切られ前記軸方向に所定の長さを有しかつ前記軸方向に垂直な平面による内部断面積が当該軸方向について一定であるシリンダとを有するアクチュエータと、
    前記第1圧力室と前記第2圧力室とに対して所定の体積弾性率を有する作動油を切り替えて供給することで、前記ピストンを前記シリンダの内部において前記第1圧力室側と前記第2圧力室側とに往復移動させる作動油供給部と、
    前記作動油供給部による前記作動油の供給動作を制御することで、前記ピストンを前記軸方向に所定の加振周波数で往復移動させる制御部と、
    容積が可変であり前記作動油を収容可能な容積可変室を有し、前記容積可変室が前記シリンダの前記第1圧力室及び前記第2圧力室の少なくとも一方に連通された容積調整部と
    を備える振動試験装置。
  2. 前記容積可変室は、前記第1圧力室に連通された第1容積可変室と、前記第1容積可変室とは別個に設けられ前記第2圧力室に連通された第2容積可変室と、を有する
    請求項1に記載の振動試験装置。
  3. 前記第1容積可変室は、前記シリンダの内部において前記軸方向の一方の端部に接続され、
    前記第2容積可変室は、前記シリンダの内部において前記軸方向の他方の端部に接続される
    請求項2に記載の振動試験装置。
  4. 前記作動油供給部は、前記第1圧力室に接続される第1接続流路と、前記第2圧力室に接続される第2接続流路と、前記第1接続流路と前記第2接続流路との間に前記作動油を流通させるバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた可変絞り弁とを有し、
    前記制御部は、前記振動台の加速度を増加させる場合には前記可変絞り弁の開度を小さくし、前記振動台の加速度を減少させる場合には前記可変絞り弁の開度を大きくする
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の振動試験装置。
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