JPH055685A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 応力速度制御と保持制御の切換点において供
試体に係る荷重が連続的になるようにする。 【構成】 予め設定された荷重−時間特性から得られる
荷重信号と検出手段１０２にて検出される検出荷重信号
との偏差を所定のサンプリング時間ごとに求めて記憶す
る。検出荷重信号が所定リミット値に達するまでは、各
時点の偏差に基づき荷重が一定の速度で増加するように
制御するとともに、リミット値に達すると記憶させた偏
差の平均値で負荷手段１０１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、供試体の負荷荷重を一
定の速度で増加させて試験を行う材料試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばコンクリート材料から成る
供試体の圧縮試験を行う際、供試体にかかる荷重が所定
のリミット値（例えば破壊荷重の８０％位）に達するま
では応力速度制御を行い、このリミット値に達した後
は、保持制御を行うような試験方法が知られている。応
力速度制御とは、予め設定された荷重−時間特性から所
定のサンプリング時間ごとに設定荷重を求めるととも
に、供試体に働く実際の荷重（検出荷重）を検出し、こ
れらの設定荷重と検出荷重との偏差（制御偏差）に応じ
て供試体にかかる負荷荷重を制御するものである。この
応力速度制御により、例えば図５中の時点ｔ１〜ｔ２に
示すように負荷荷重が一定の速度で増加する。一方、保
持制御とは、上記制御偏差を一定値に固定して負荷荷重
を与えるものであり、従来は、その制御偏差を応力速度
制御において負荷荷重がリミット値に達したときの値に
固定するようにしていた。

【０００３】一方、上述した応力速度制御下で行なう引
張試験においては、供試体の負荷荷重の減少の程度を検
出し、減少の程度が所定値以上のときには上記制御偏差
をゼロとしてアクチュエータを停止させ、供試体の破断
に伴う不所望な力が材料試験機にかからないようにして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＪＩＳの規
格では、上記応力速度制御を行う際には、供試体の破壊
までその負荷荷重を連続的に変化させるべき旨が定めら
れている。しかしながら、上述した従来装置のように保
持制御時の制御偏差を負荷荷重がリミット値に達したと
きの値に固定すると、例えばコンクリートのように上記
応力速度制御時の各サンプリング時の制御偏差がばらつ
くような材料では、図５中に一点鎖線および二点鎖線で
示すように、応力速度制御と保持制御の切換点において
供試体にかかる荷重が不連続になるおそれがあり、この
場合には試験結果の信頼性が低下する。

【０００５】また、コンクリートなどの圧縮試験では、
引張試験のように荷重減少の程度が所定値以上のときに
負荷アクチュエータの駆動を停止するだけでは供試体の
爆裂が防止できない。

【０００６】本発明の目的は、応力速度制御と保持制御
の切換点において供試体に係る荷重が連続的になるよう
にした材料試験機を提供することにある。また本発明の
目的は、コンクリート等の圧縮試験において供試体の爆
裂を未然に防止できる材料試験機を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１（ａ）に対応付けて説明すると、請求項１に係る材料
試験機は、供試体を負荷する負荷手段１０１と、供試体
の負荷荷重を検出する検出手段１０２と、予め設定され
た荷重−時間特性から得られる荷重信号と検出手段１０
２にて検出される検出荷重信号との偏差を所定のサンプ
リング時間ごとに求めて出力する偏差出力手段１０３
と、出力される各時点での偏差を記憶する記憶手段１０
４と、検出手段１０２からの検出荷重信号が所定リミッ
ト値に達するまでは、所定のサンプリング時間ごとに出
力される偏差に基づき供試体にかかる荷重が一定の速度
で増加するように負荷手段１０１を制御するとともに、
検出荷重がリミット値に達すると上記記憶された偏差の
平均値を求め、それ以降はその平均偏差に基づいて負荷
手段１０１を制御する制御手段１０５とを具備し、これ
により上記目的を達成する。請求項２に発明は、クレー
ム対応図である図１（ｂ）に示すように、油圧サーボ弁
２０１で制御され供試体を負荷する油圧アクチュエータ
２０２と、供試体の負荷荷重を検出する検出手段２０３
と、予め設定された荷重−時間特性から得られる荷重信
号と検出手段２０３にて検出される検出荷重信号との偏
差に基づき供試体にかかる荷重が一定の速度で増加する
ようにサーボ弁２０１を制御する弁制御手段２０４と、
検出手段２０３で検出された荷重の減少の程度を演算す
る演算手段２０５と、荷重減少の程度が所定値以上の場
合に油圧アクチュエータ２０２を徐荷位置にまで復帰さ
せる負荷徐荷手段２０６とを具備することにより、上記
目的を達成する。

【０００８】

【作用】

−請求項１− 制御手段１０５は、検出手段１０２からの検出荷重信号
（実際の荷重）が所定リミット値に達するまでは、従来
と同様に負荷手段１０１を制御して所定のサンプリング
時間ごとに出力される偏差に基づき供試体ＴＰにかかる
荷重を一定の速度で増加せしめる。すなわち応力速度制
御を行う。また記憶手段１０４は、各時点で出力された
偏差を記憶する。そして制御手段１０１は、上記検出荷
重がリミット値に達した後は、記憶手段１０４にて記憶
された各偏差の平均値に基づいて負荷手段１０１を制御
する保持制御を行う。これにより、例えばコンクリート
のように上記応力速度制御時の各制御偏差がばらつくよ
うな材料でも応力速度制御と保持制御の切換点において
供試体にかかる荷重が連続的になる可能性が高くなる。
−請求項２−演算手段２０５により演算された荷重減少
の程度が所定値以上の場合、負荷徐荷手段２０は、油圧
アクチュエータ２０２を徐荷位置にまで復帰させる。こ
れにより、供試体の爆裂が確実に防止できる。

【０００９】

【実施例】

−第１の実施例− 図２〜図５により本発明を万能試験機に適用した場合の
第１の実施例を説明する。図２はこの万能試験機の全体
構成を示す図である。試験機本体１０は、ベッド１１
と、このベッド１１に載置されたラムシリンダ装置１２
と、ラムシリンダ装置１２により昇降可能なテーブル１
３と、不図示の昇降機構により昇降可能なクロスヘッド
１４とを有し、テーブル１３上に例えばコンクリート材
料から成る供試体ＴＰが載置される。そして、クロスヘ
ッド１４が固定された状態で油圧ポンプ２１からの吐出
油がサーボ弁２２を介してラムシリンダ装置１２の油圧
室１２ｂに供給されると、ラム１２ａおよび上記テーブ
ル１３が一体に上昇し、供試体ＴＰがクロスヘッド１４
に押圧されて供試体ＴＰに圧縮荷重が与えられる。

【００１０】サーボ弁２２は、サーボアンプ２３および
Ｄ／Ａ変換回路２４を介して制御回路２５に接続され、
制御回路２５からの信号に応じて上記油圧室１２ｂへの
圧油の供給量を調節する。また２６は、制御回路２５か
らの切換信号により切換制御されるラム復帰弁であり、
図示Ａ位置にあるときには油圧室１２ｂがブロックさ
れ、Ｂ位置にあるときには油圧室１２ｂの圧油がタンク
に導かれてラム１２ａが下降する。

【００１１】２７は、油圧室１２ｂの圧力、すなわち供
試体ＴＰにかかる荷重を検出する圧力センサであり、そ
の出力はロードアンプ２８で増幅され、Ａ／Ｄ変換回路
２９でＡ／Ｄ変換されて制御回路２５に入力される。ま
た３０はラムストローク検出器（例えばロ−タリエンコ
ーダを含む）であり、ラム１２ｂのストローク量を検出
する。その検出信号は、アンプ３１を介して制御回路２
５に入力される。

【００１２】さらに制御回路２５には、荷重表示装置４
１および入力装置４２が接続されている。荷重表示装置
４１は、制御回路２５からの表示信号に応答して上記圧
力センサ２７により検出された荷重を表示する。入力装
置４２は、荷重を一定速度で増加させるための荷重−時
間特性や各種データを入力したり、試験開始を指令した
りするものである。この制御回路２５は、圧力センサ２
７の検出荷重に基づいて後述するようにラムストローク
制御，応力速度制御および保持制御を行う。

【００１３】次に、図３のフローチャートおよび図４，
図５のタイムチャートも参照して制御回路２５による圧
縮試験時の制御手順を説明する。テーブル１３上に供試
体ＴＰを載置した後、入力装置４２により上記荷重−時
間特性，供試体ＴＰの断面積，応力リミット値Ｆ０（例
えば破壊荷重の８０％位の値）などを入力して試験開始
を指令するとこのプログラムが起動される。まずステッ
プＳ１ではラムストローク制御を行う。すなわち、ラム
復帰弁２６をＡ位置に切換え、圧力センサ２７の検出荷
重が予め決められた最大荷重の１％に達するまで（図５
の時点ｔ０〜ｔ１の間）は、ラムストローク検出器３０
の出力に基づいてサーボ弁２２を制御することにより一
定の速度でラム１２ａを上昇させ、供試体ＴＰをクロス
ヘッド１４に押圧させる。

【００１４】時点ｔ１からは応力速度制御に入り、ステ
ップＳ２で所定のサンプリング時間が経過するまで待
ち、サンプリング時間が経過するとステップＳ３に進ん
で、上記入力された荷重−時間特性から現時点における
荷重（設定荷重）Ｆａを求める。次いでステップＳ４で
は、このときの圧力センサの出力、すなわち実際の荷重
Ｆｂを入力し、ステップＳ５で応力リミットフラグが零
と判定されれば、ステップＳ６で上記設定荷重Ｆａと実
際の荷重Ｆｂとの偏差（制御偏差）ΔＦを求める。ステ
ップＳ７では上記制御偏差ΔＦを不図示のメモリに記憶
する。ここでこのメモリは、所定個数ｎのデータが記憶
可能とされ、ｎ＋１個目のデータを記憶させると最も古
いデータが消去されるようになっている。

【００１５】ステップＳ８では、ステップＳ４で得た実
際の荷重Ｆｂが上記入力された応力リミット値Ｆ０に達
したか否かを判定する。ステップＳ８が否定されると、
ステップＳ９で最新の制御偏差ΔＦを選択してステップ
Ｓ１０に進み、この最新制御偏差ΔＦに基づいてサーボ
弁２２を制御する。すなわち、Ｄ／Ａ変換回路２４およ
びサーボアンプ２３を介してサーボ弁２２に制御信号を
出力し、実際の荷重Ｆａが設定荷重Ｆｂに近づくように
油圧室１２ｂに導かれる油圧ポンプ２１からの油量を制
御する。

【００１６】その後、ステップＳ１５においてリミット
フラグが１か判定し、１でなければ、すなわち検出され
た荷重が応力リミット値に達していなければステップＳ
２に戻り、リミットフラグが１ならば、すなわち検出荷
重が応力リミット値に達していればステップＳ１１に進
む。ステップＳ１１で供試体ＴＰがまだ破壊していない
と判定されるとステップＳ２に戻って上述の処理を繰り
返す。

【００１７】以上のステップＳ２〜Ｓ１１の処理が応力
速度制御である。この制御によれば、図４に示すように
各サンプリング時間ごとに制御偏差ΔＦが求められ、そ
の都度、このΔＦに基づいて供試体ＴＰにかかる荷重が
制御され、これにより図５の時点ｔ１〜ｔ２に示すよう
に、荷重が一定の速度で増加する。

【００１８】一方、ステップＳ８で実際の荷重Ｆｂが応
力リミット値Ｆ０に達したと判定されると保持制御に入
り、ステップＳ１２において、現時点で上記メモリに記
憶されているｎ個の制御偏差ΔＦの平均値（平均偏差）
を求める。次いでステップＳ１３では、リミットフラグ
を「１」としてステップＳ１０に進む。したがってこの
保持制御時には、サーボ弁２２の開度は一定値となり、
供試体ＴＰにかかる荷重のフィードバック制御は行われ
ない。

【００１９】その後、ステップＳ１５でリミットフラグ
が１と判定され、ステップＳ１１で供試体ＴＰの破壊の
前兆が判定されると、ステップＳ１４でラム復帰弁２６
をＢ位置に切換え、ラム１２ａを下降させて供試体ＴＰ
の負荷を解除する。ここで、供試体ＴＰが破壊する前兆
であるか否かの判定は、前回と今回の荷重Ｆｂから荷重
減少率を求め、その減少率が所定値以上の場合に破壊の
前兆と判断するようにすればよい。このように荷重の減
少により供試体ＴＰの破壊の前兆を検出して供試体ＴＰ
への負荷を徐荷するようにすれば、供試体の爆裂を防止
できる。

【００２０】以上のように、荷重Ｆｂが応力リミット値
Ｆ０に達してから後の保持制御時では、上記平均偏差に
基づいてサーボ弁２２の開度が固定される。したがっ
て、例えば図４に示すように応力速度制御時の各制御偏
差がばらつくような材料（例えばコンクリート）でも、
図５に実線で示すように、応力速度制御と保持制御の切
換点において供試体にかかる荷重が連続的になる可能性
が高くなり、信頼性のある試験結果を得ることができ
る。

【００２１】−第２の実施例− 第１の実施例では検出荷重が応力リミット値に達すると
サーボ弁に送る偏差を最新値から平均偏差に切換えて固
定するようにしたが、第２の実施例は検出荷重が応力リ
ミット値に達しても最新の偏差でサーボ弁を制御するも
のである。制御フローチャート以外は第１の実施例と同
様であり、図６のフローチャートにより第２の実施例を
説明する。なお、図６において、図３と同様な箇所には
同一の符号を付して相違点を主に説明する。

【００２２】ステップＳ１〜ステップＳ４まで実行した
後、リミットフラグを調査せずにステップＳ６に進み、
上記設定荷重Ｆａと実際の荷重Ｆｂとの偏差（制御偏
差）ΔＦを求める。そしてステップＳ１０に進み、偏差
ΔＦでサーボ弁２２を駆動制御する。さらにステップＳ
８で検出荷重Ｆｂが応力リミット値Ｆ０以上かを判定
し、以上でなければステップＳ２に戻り、以上ならばス
テップＳ１１に進み、上述と同様にして荷重減少の程度
を検出して供試体ＴＰの破壊の前兆を判定する。ステッ
プＳ１１が肯定されるとステップＳ１４に進み、上述と
同様にラム復帰弁２６をＢ位置に切換え、ラム１２ａを
下降させて供試体ＴＰの負荷を完全に徐荷する。以上の
ような手順によっても供試体の爆裂を防止することがで
きるとともに、供試体が破壊する前兆を示す状態まで応
力速度一定の制御が可能となり、信頼性の高い試験が可
能となる。

【００２３】以上の実施例の構成において、ラムシリン
ダ装置１２が負荷手段１０１を、圧力センサ２７が検出
手段１０２を、制御回路２５が偏差出力手段１０３およ
び記憶手段１０４を、制御回路２５およびサーボ弁２２
が制御手段１０５をそれぞれ構成する。また、ラムシリ
ンダ装置１２が油圧アクチュエータを、制御回路２５が
弁制御手段や演算手段をそれぞれ構成し、制御回路２５
とラム復帰弁２６とが負荷除去手段を構成する。

【００２４】なお以上では、コンクリート材料から成る
供試体ＴＰを用いたが、その他の材料（例えば金属）か
ら成る供試体でもよい。また、圧縮試験に限定されず引
張試験時においても同様の効果を得ることができる。例
えば金属材料の引張試験の場合、各制御時における供試
体負荷荷重の変化は例えば図７に示すようになり、保持
制御中に荷重の増加率が所定値以上になった時点で再び
ラムストローク制御に切換える。

【００２５】さらに以上では、ラムシリンダ装置で供試
体を負荷する万能試験機にて説明したが、請求項１に係
る発明は、例えばモータによりクロスヘッドを昇降して
供試体を負荷するタイプの材料試験機や、複動式のシリ
ンダにより供試体を負荷するタイプの材料試験機にも適
用できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、上記保持制御時に応力
速度制御で得られた各偏差の平均値に基づいて供試体を
負荷するようにしたので、例えばコンクリートのように
上記応力速度制御時の各制御偏差がばらつくような材料
でも応力速度制御と保持制御の切換点において供試体に
かかる荷重が連続的となる可能性が高くなり、信頼性の
ある試験結果を得ることが可能となる。また本発明によ
れば、供試体が破壊する前兆を検出したら負荷用油圧ア
クチュエータを所定位置まで復帰させて供試体を徐荷す
るようにしたので、供試体の爆裂が確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クレーム対応図

【図２】本発明に係る材料試験機の荷重制御装置の全体
構成図

【図３】試験時の制御手順を示すフローチャート

【図４】応力速度制御時の各時点における偏差を示す図

【図５】時間の経過に対する供試体の負荷荷重の変化を
示す図

【図６】第２の実施例における試験時の制御手順を示す
フローチャート

【図７】引張試験に適用した場合の時間に対する荷重の
変化を示す図

【符号の説明】

１０：試験本体 １２：ラムシリンダ装置 １３：テーブル １４：クロスヘッド ２２：サーボ弁 ２５：制御回路 ２６：ラム復帰弁 ２７：圧力センサ ３０：ラムストローク検出器 １０１：負荷手段 １０２：検出手段 １０３：偏差出力手段 １０４：記憶手段 １０５：制御手段 ＴＰ：供試体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 供試体を負荷する負荷手段と、前記供
   試体の負荷荷重を検出する検出手段と、予め設定された
   荷重−時間特性から得られる荷重信号と前記検出手段に
   て検出される検出荷重信号との偏差を所定のサンプリン
   グ時間ごとに求めて出力する偏差出力手段と、前記出力
   される各時点での偏差を記憶する記憶手段と、前記検出
   手段からの検出荷重信号が所定リミット値に達するまで
   は、前記所定のサンプリング時間ごとに出力される前記
   偏差に基づき供試体にかかる荷重が一定の速度で増加す
   るように前記負荷手段を制御するとともに、前記検出荷
   重が前記リミット値に達すると前記記憶された各偏差の
   平均値を求め、それ以降はその平均偏差に基づいて負荷
   手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする
   材料試験機。 【請求項２】 油圧サーボ弁で制御され供試体を負荷
   する油圧アクチュエータと、前記供試体の負荷荷重を検
   出する検出手段と、予め設定された荷重−時間特性から
   得られる荷重信号と前記検出手段にて検出される検出荷
   重信号との偏差に基づき供試体にかかる荷重が一定の速
   度で増加するように前記サーボ弁を制御する弁制御手段
   と、前記検出手段で検出された荷重の減少の程度を演算
   する演算手段と、荷重減少の程度が所定値以上の場合に
   前記油圧アクチュエータを徐荷位置にまで復帰させる負
   荷徐荷手段とを具備することを特徴とする材料試験機。