(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に立設された支柱に沿って昇降するクロスヘッドと、
前記基台と前記クロスヘッドとの間に設置される試験体に試験力を負荷する負荷アクチュエータと、
前記クロスヘッドを昇降させる昇降用シリンダと、
前記クロスヘッドに配設され、前記クロスヘッドを任意の高さ位置で前記支柱に固定する固定手段と、
前記固定手段による前記クロスヘッドの固定／固定解除動作の繰り返し回数を計測するカウント手段と、
を備え、
前記固定手段は、油圧源からの圧油により作動する油圧クランプであり、
前記油圧クランプは、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作が繰り返し実行されたときに繰り返し応力を受ける構成部品としてクランプロッドを有し、
前記カウント手段は、前記油圧源と前記油圧クランプを接続する管路に配設された圧力スイッチの圧力変動検出回数を、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作の繰り返し回数であって前記クランプロッドが応力を受けた回数として計測し表示することを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
請求項１に記載の材料試験機において、
前記カウント手段により計測した前記繰り返し回数が、前記クランプロッドの疲労寿命に基づいて定められた使用上限回数に到達したことを警告する警告手段を備える材料試験機。
【請求項３】
請求項２に記載の材料試験機において、
前記疲労寿命は、前記クランプロッドについて行った疲労試験の結果から予め作成しておいたＳ−Ｎ線図と、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作時に前記クランプロッドに生じる応力変動から得られる応力振幅と、から推定される材料試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、支柱に対して昇降可能なクロスヘッドを備える材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、昇降用シリンダの伸縮により、基台に立設された支柱に沿ってクロスヘッドを昇降させ、基台とクロスヘッドの間に設置された試験体に試験力を与えることにより、引張試験、圧縮試験および疲労試験等を行う材料試験機が知られている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。このような材料試験機においては、クロスヘッドを所定の高さ位置に固定するための油圧クランプ等のクランプ手段がクロスヘッドに配設されており、試験中においては、この油圧クランプに油圧源から圧油を供給して加圧することにより、クロスヘッドを支柱に固定し、試験体の大きさに応じてクロスヘッドの高さ位置を調整するときには、油圧クランプ内の圧油を抜いて圧力を解放し、昇降用シリンダの伸縮によりクロスヘッドを支柱に沿って昇降可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１０８８７号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１３４７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このようなクランプ手段を有する材料試験機においては、クロスヘッドの支柱への固定と固定解除とを繰り返すときに、クランプ手段の構成部品に繰り返し応力がかかり、構成部品の疲労破壊が生じる場合がある。
【０００５】
例えば、油圧クランプは、特許文献１に記載されているように、油圧クランプのクランプロッドをクロスヘッドの貫通孔に配設し、クランプロッドの端部に形成されたねじ部にナットを締結することでクロスヘッドに装着されている。このため、クランプロッドは、クロスヘッドの支柱への固定時には、油圧クランプのクランプシリンダへの圧油の流入により、クランプロッドの軸方向に引っ張られることなる。そして、クロスヘッドの固定と固定解除を繰り返すと、クランプロッドの端部に形成されたボルト−ナット締結体に繰り返し応力が作用することになり、クランプロッドへの荷重の大きさが弾性限度内であっても、クランプロッドのねじ部で疲労破壊が起きることがある。
【０００６】
このような疲労破壊による事故を未然に防止するために、該当する部品を定期的に交換することが考えられるが、この種の材料試験機では、ユーザー間で使用頻度や試験条件等の使用の状況に大きな差がある。実際の疲労破壊は、個々の材料試験機の使用実績に依存する現象であり、設計側が設定した設計条件に基づいて使用年数を指標に部品交換時期を定めると、使用頻度の低いユーザーにとっては、まだ十分に使用に耐えうる部品であっても、早期に廃却することになり不経済となる。
【０００７】
また、安全性を重視するあまり過大な安全率を設定して装置設計を行うと、装置の巨大化や冗長化の問題も生じる。そして、装置の巨大化等により装置の操作性が損なわれる場合もある。
【０００８】
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、ユーザーに対して、より適切な部品交換時期を提示することができる材料試験機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、基台に立設された支柱に沿って昇降するクロスヘッドと、前記基台と前記クロスヘッドとの間に設置される試験体に試験力を負荷する負荷アクチュエータと、前記クロスヘッドを昇降させる昇降用シリンダと、前記クロスヘッドに配設され、前記クロスヘッドを任意の高さ位置で前記支柱に固定する固定手段と、前記固定手段による前記クロスヘッドの固定／固定解除動作の繰り返し回数を計測するカウント手段と、を備え、前記固定手段は、油圧源からの圧油により作動する油圧クランプであり、前記油圧クランプは、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作が繰り返し実行されたときに繰り返し応力を受ける構成部品としてクランプロッドを有し、前記カウント手段は、前記油圧源と前記油圧クランプを接続する管路に配設された圧力スイッチの圧力変動検出回数を、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作の繰り返し回数であって前記クランプロッドが応力を受けた回数として計測し表示することを特徴とする。
【００１０】
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、前記カウント手段により計測した前記繰り返し回数が、前記クランプロッドの疲労寿命に基づいて定められた使用上限回数に到達したことを警告する警告手段を備える。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記疲労寿命は、前記クランプロッドについて行った疲労試験の結果から予め作成しておいたＳ−Ｎ線図と、前記クロスヘッドの固定／固定解除動作時に前記クランプロッドに生じる応力変動から得られる応力振幅と、から推定される。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、油圧シリンダによるクロスヘッドの固定／固定解除動作の繰り返し回数を計測し表示するカウント手段を備えることから、ユーザーは、カウント手段の計測回数の確認により、繰り返し応力を受ける油圧シリンダの構成部品であるクランプロッドの使用頻度から、クランプロッドの交換時期を把握することが可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、カウント手段により計測した前記繰り返し回数が、油圧シリンダのクランプロッドの疲労寿命に基づいて定められた使用上限回数に到達したことを警告する警告手段を備えることから、装置の突然の使用停止を予防することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、疲労寿命は、油圧シリンダのクランプロッドについて行った疲労試験の結果から予め作成しておいたＳ−Ｎ線図と、クロスヘッドの固定／固定解除動作時にクランプロッドに生じる応力変動から得られる応力振幅と、から推定されることから、クランプロッドの疲労破壊を予防することが可能となるとともに、過大な安全率を設定することなく装置設計を行うことができ、装置の冗長性を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に係る材料試験機の正面図である。
【図２】この発明に係る材料試験機の側面図である。
【図３】クロスヘッド２４に配設された油圧クランプ５０の概略断面図である。
【図４】油圧クランプ５０の油圧回路の概要図である。
【図５】クランプロッド５３のＳ−Ｎ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、この発明に係る材料試験機の正面図であり、図２は、その側面図である。
【００１７】
この材料試験機は、基台２１上に立設された一対の支柱２２と、支柱２２に沿って昇降するクロスヘッド２４と、試験体の大きさに応じてクロスヘッド２４を昇降させる一対の昇降用シリンダ２３とを備える。クロスヘッド２４には、基台２１とクロスヘッド２４の間に配置される試験体に試験力を負荷するための負荷アクチュエータ２５と、試験体を上側から押圧する圧盤２８と、クロスヘッド２４を任意の高さ位置で支柱２２に固定する固定手段としての油圧クランプ５０とが配設される。
【００１８】
クロスヘッド２４の上部に配設される負荷アクチュエータ２５は、図示を省略した油圧源からの圧油により駆動する油圧シリンダであり、この油圧シリンダのピストンロッドは、クロスヘッド２４を貫通して圧盤２８に連結されている。圧縮試験が行われるときには、基台２１に設置された試験体は、負荷アクチュエータ２５の駆動により、圧盤２８と基台２１とでその上下端部を押圧される。また、ピストンロッドに上つかみ具を連結し、基台２１に下つかみ具を配設した場合には、負荷アクチュエータ２５の駆動により、上つかみ具と下つかみ具とでその上下端部を把持された試験体に引張荷重を負荷する引張試験を行うことも可能である。なお、負荷アクチュエータ２５は油圧シリンダに限定されるものではなく、空圧シリンダ、電磁力式負荷アクチュエータ等であってもよい。
【００１９】
昇降用シリンダ２３は、支柱２２よりも外側に立設され、昇降用シリンダ２３内に圧油が供給されると伸張し、昇降用シリンダ２３内から圧油が排出されると収縮する油圧式の単動シリンダである。クロスヘッド２４は一対の昇降用シリンダ２３に接続されており、昇降用シリンダ２３の伸縮により支柱２２に沿って昇降する。
【００２０】
図３は、クロスヘッド２４に配設された油圧クランプ５０の概略断面図である。
【００２１】
油圧クランプ５０は、クランプシリンダ５１とラム５２とクランプロッド５３とから構成され、図１および図２に示すように、クロスヘッド２４における支柱２２と接続されている部分と昇降用シリンダ２３に接続されている部分との間に４個づつ、計８個が配設されている。
【００２２】
クランプシリンダ５１とラム５２とは、クロスヘッド２４の貫通孔に挿入されたクランプロッド５３により接続される。クランプロッド５３は、両端に雄ねじ溝が切られた、いわゆる植込みボルトであり、雄ねじ溝が切られたねじ部５８に座金５４を挟んでナット５５を締結することにより、油圧クランプ５０をクロスヘッド２４に配設している。なお、クランプロッド５３のねじ部５８に締結されるナット５５には、溝に割ピンを差し込んで緩みを防止する溝つきナットを採用している。
【００２３】
クランプシリンダ５１には、クランプシリンダ５１内に圧油を供給するための流路５６が形成されている。そして、図３に破線で示すようにクランプシリンダ５１とラム５２との間には圧油を封入する封入部が形成される。
【００２４】
図４は、油圧クランプ５０の油圧回路の概要図である。
【００２５】
この油圧クランプ５０の油圧回路は、油圧クランプ５０専用の油圧源ユニット３８と、油圧源ユニット３８から油圧クランプ５０へオイル（作動油）を供給する管路４５内の圧力変動を検知する圧力スイッチ４６とを備える。油圧源ユニット３８には、この材料試験機全体の動作を制御するための制御装置３５が接続され、オペレータが、制御装置３５を介して接続されたクランプスイッチ３９を操作することにより、油圧クランプ５０のクランプ−アンクランプ状態を切り換えることができるように構成されている。
【００２６】
また、制御装置３５には、試験の状態等を表示する表示部６１とオペレータにより試験実行等の指令を入力するための入力部６２を備えたパーソナルコンピュータ６０が接続されている。
【００２７】
油圧源ユニット３８は、オイルを貯留するオイルタンク４４と、図示を省略したモータの駆動によりオイルタンク４４に貯留されたオイルを油圧クランプ５０に供給するためのポンプ４１とを備える。油圧クランプ５０は、上述した流路５６に接続された管路４５を介して、ポンプ４１により圧送される圧油の供給を受ける。
【００２８】
管路４５に配設された圧力スイッチ４６には、表示付のカウンタ４７が接続されており、このカウンタ４７は、圧力スイッチ４６の圧力変動検出回数を積算して表示する。なお、カウンタ４７は、この発明におけるカウント手段として機能する。
【００２９】
このような材料試験機では、試験時においては油圧クランプ５０をクランプ状態にし、クロスヘッド２４を支柱２２に固定する。一方、試験前や試験後に試験体の大きさに応じてクロスヘッド２４を移動させるときには、油圧クランプ５０をアンクランプ状態にしてクロスヘッド２４の支柱２２への固定を解除して、昇降用シリンダ２３の伸縮によりクロスヘッド２４を移動可能な状態にする。
【００３０】
まず、クロスヘッド２４を支柱２２に固定するときには、オペレータがクランプスイッチ３９を油圧クランプ５０がクランプ状態となるように操作する。クランプスイッチ３９が操作されると、制御装置３５を介して制御信号が油圧源ユニット３８に送られ、ポンプ４１の作動によりオイルタンク４４に貯留されたオイルが、管路４５を介して油圧クランプ５０に圧送される。このとき、圧力スイッチ４６が、管路４５内で油圧クランプ５０をクランプ状態とするのに必要な圧油の供給に相当する圧力変動があったこと、すなわち、設定圧力値を超える圧力を検知すると、その検知信号がカウンタ４７に送られ、カウンタ４７のカウント数が１つ増える。圧油は、クランプシリンダ５１の流路５６からクランプシリンダ５１とラム５２との間の封入部（図３の破線部参照）に流入し、これにより、クランプシリンダ５１はクロスヘッド２４側に押圧される。油圧クランプ５０は、このような圧力による締付力の作用により、クロスヘッド２４を支柱２２に固定している。
【００３１】
次に、クロスヘッド２４を移動させるときには、オペレータがクランプスイッチ３９を油圧クランプ５０がアンクランプ状態となるように操作する。クランプスイッチ３９が操作されると、制御装置３５を介して制御信号が油圧源ユニット３８に送られ、油圧クランプ５０のクランプシリンダ５１とラム５２との間に封入された圧油が、流路５６および管路４５を介してオイルタンク４４に排出される。そうすると、クランプシリンダ５１によるクロスヘッド２４側への押圧力が解除され、クロスヘッド２４の支柱２２への固定が解除される。なお、このとき管路４５の圧力は、オイルタンク４４のタンク圧まで下がっている。これにより、オペレータは昇降用シリンダ２３を昇降させることにより、クロスヘッド２４を所望の高さ位置まで移動させることができるようになる。
【００３２】
このようにクロスヘッド２４の支柱２２への固定と固定解除を繰り返す動作においては、油圧クランプ５０のクランプロッド５３に繰り返し応力（主に軸方向の引張荷重）がかかり、特に、クランプロッド５３のねじ部５８とナット５５との締結部分への応力集中が疲労破壊の要因となる。材料試験機の安全な使用のためには、クランプロッド５３が疲労破断する前にクランプロッド５３を交換することが求められるが、この実施形態の材料試験機では、クランプロッド５３に繰り返し応力がかかる回数を、油圧クランプ５０によるクランプ時の圧力変動を検出することによりカウンタ４７で積算している。このため、オペレータは、カウンタ４７の積算回数が予め定めたクランプロッド５３の使用上限回数を超えていないかを確認することで、クランプロッド５３の交換時期の到来を容易に知ることができる。
【００３３】
図５は、クランプロッド５３のＳ−Ｎ線図である。
【００３４】
この実施形態では、クロスヘッド２４を支柱２２に固定する固定手段として油圧クランプ５０を採用していることから、油圧クランプ５０の構成部品のうち、クロスヘッド２４の固定／固定解除動作により繰り返し応力を受けるクランプロッド５３の疲労寿命をＳ−Ｎ線図から推定し、その疲労寿命に基づいてクランプロッド５３の使用限度回数を定めている。
【００３５】
Ｓ−Ｎ線図は、クランプロッド５３にナット５５を締結したボルト−ナット締結体を試験体とする疲労試験を予め行った試験結果から作成される。なお、図５に示すＳ−Ｎ線図は、油圧クランプ５０の構成部品の選定における利用性の観点から、応力が集中するクランプロッド５３のねじ部５８の加工方法やねじ溝のピッチが異なるものを試験体とし、これらの試験体に所定の応力を繰り返し与えた結果をグラフ上にプロットして作成している。なお、Ｓ−Ｎ線図中、黒菱形と黒四角は同じピッチで加工方法が異なる。また黒四角と黒三角は加工方法が同じで、ネジピッチが異なる。
【００３６】
クランプロッド５３の疲労寿命は、クロスヘッド２４の固定／固定解除動作時にクランプロッド５３に生じる応力変動を応力計等で計測し、その応力変動から得られた応力振幅を、予め作成しておいたＳ−Ｎ線図に当てはめることにより推定する。例えば、実際のクランプロッド５３の応力振幅が２５０ＭＰａであったとすると、図５のＳ−Ｎ線図でこれに対応する繰り返し数はおおよそ６０００回となる。そして、この６０００回を、この材料試験機でクロスヘッド２４の固定／固定解除動作を繰り返すとクランプロッド５３が疲労破断する回数、すなわち、クランプロッド５３の疲労寿命と推定する。加工方法やピッチによる疲労寿命の差が大きく生じる場合、それぞれの疲労寿命を推定する。
【００３７】
クランプロッド５３の使用上限回数は、クランプロッド５３が疲労破断する前のクランプロッド５３の交換時期を示すものでもあることから、疲労寿命に到達するまでに十分に余裕がある疲労寿命を超えない回数でなければならない。このため、推定した疲労寿命６０００回の場合は、十分な余裕をみて、例えば３０００回が使用限度回数として定められる。なお、加工方法やピッチによる疲労寿命の差が大きく生じる場合、製品の加工方法、ピッチに応じた推定疲労寿命を採用する。
【００３８】
なお、クロスヘッド２４の固定手段として空圧式等の他のクランプ機構を採用した場合には、そのクランプ機構の構成部品について疲労試験を行ってＳ−Ｎ線図を作成することにより、その構成部品の疲労寿命を推定し、使用限度回数を定めて部品の交換時期とすればよい。
【００３９】
上述した実施形態では、カウンタ４７の表示をオペレータが見ることにより、クロスヘッド２４の固定／固定解除の繰り返し回数、すなわちクランプロッド５３の使用回数が、使用限度回数（例えば３０００回）を超えていないかを否かを、オペレータが確認するようにしているが、圧力スイッチ４６またはカウンタ４７を制御装置３５に接続することにより、カウンタ４７のカウント数をパーソナルコンピュータ６０の表示部６１に表示させ、さらには、表示部６１に使用限度回数を超えていることを警告する警告表示を行うようにしてもよい。なお、オペレータに使用限度回数を超えたことを警告する警告手段としては、表示部６１への警告表示のみならず、警告音を発するなど、他の警告手段を採用することができる。
【００４０】
また、カウンタ４７をクランプスイッチ３９と制御装置３５との間に配置して、クランプスイッチ３９の操作回数を積算するようにしてもよい。この場合には、クランプスイッチ３９のクランプ−アンクランプ切り換え操作の回数が、クランプロッド５３へ繰返し応力が与えられた回数と対応する。カウンタ４７によりカウントされる対象は、圧力スイッチ４６が検出した圧力変動の信号に限定されるものではなく、カウンタ４７の配設位置は、クランプスイッチ３９から油圧クランプ５０までに発生する何らかの変動に基づく信号を検出可能な位置であればよい。
【符号の説明】
【００４１】
２１  テーブル
２２  支柱
２３  昇降用シリンダ
２４  クロスヘッド
２５  負荷アクチュエータ
２８  圧盤
３５  制御装置
３８  油圧源
３９  クランプスイッチ
４１  ポンプ
４２  サーボモータ
４４  タンク
４５  管路
４７  カウンタ
５０  油圧クランプ
５１  クランプシリンダ
５２  ラム
５３  クランプロッド
５４  座金
５５  ナット
５６  流路
５８  ねじ部
６０  パーソナルコンピュータ
６１  表示部
６２  入力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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