(57)【要約】【課  題】高い周波数で疲労試験を行うことができるとともに、静的試験も行うことができ、かつ、共振周波数を簡単に変更できる荷重負荷試験機を提供する。【解決手段】荷重負荷試験機は、架台（１）と、この架台に立設する少なくとも一対の支柱（３）と、この支柱間に掛け渡されたクロスヘッド（４）と、架台またはクロスヘッドに設けられたアクチュエータ（１１）とを備え、クロスヘッドと架台との間に試験片（１２）を取り付けて、前記アクチュエータにより試験片に荷重を負荷する荷重負荷試験機において、クロスヘッドは支柱にバネ材（６）を介して取り付けられており、バネ材とクロスヘッドとの連結位置またはバネ材と支柱との連結位置が変更可能に構成され、連結位置を変更することにより、共振周波数を変更することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架台と、この架台に立設する少なくとも一対の支柱と、この支柱間に掛け渡されたクロスヘッドと、架台またはクロスヘッドに設けられたアクチュエータとを備え、クロスヘッドと架台との間に試験片を取り付けて、前記アクチュエータにより試験片に荷重を負荷する荷重負荷試験機において、
前記クロスヘッドは、前記支柱にバネ材を介して取り付けられており、
バネ材とクロスヘッドとの連結位置またはバネ材と支柱との連結位置が変更可能に構成され、連結位置を変更することにより、共振周波数を変更することができることを特徴とする荷重負荷試験機。
【請求項２】
架台と、この架台に立設する少なくとも一対の支柱と、この支柱間に掛け渡されたクロスヘッドと、架台またはクロスヘッドに設けられたアクチュエータとを備え、クロスヘッドと架台との間に試験片を取り付けて、前記アクチュエータにより試験片に荷重を負荷する荷重負荷試験機において、
金属製のバネ材が前記支柱の上端部に連結されるとともに、この支柱から張り出しており、
このバネ材の張出部分に、前記クロスヘッドが連結されているとともに、この連結位置が変更可能に構成されていることを特徴とする荷重負荷試験機。
【請求項３】
架台と、この架台に立設する少なくとも一対の支柱と、この支柱間に掛け渡されたクロスヘッドと、架台またはクロスヘッドに設けられたアクチュエータとを備え、クロスヘッドと架台との間に試験片を取り付けて、前記アクチュエータにより試験片に荷重を負荷する荷重負荷試験機において、
金属製のバネ材が前記支柱の上端部に連結されるとともに、この支柱から張り出しており、
このバネ材の張出部分に、位置調整可能な座金を介して前記クロスヘッドが連結されていることを特徴とする荷重負荷試験機。
【請求項４】
前記バネ材の張出部分が先細であることを特徴とする請求項２または３記載の荷重負荷試験機。
【請求項５】
前記バネ材の張出部分の厚みが、先端に行くほど小さくなっていることを特徴とする請求項４記載の荷重負荷試験機。
【請求項６】
前記クロスヘッドが中実のブロック形状であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項記載の荷重負荷試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試験片に圧縮や引張の荷重を繰り返し加えて、試験片の疲労特性を調べる疲労試験などに用いられる荷重負荷試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の荷重負荷試験機を、図１０を用いて説明する。図１０は従来の荷重負荷試験機の概略の説明図である。架台０１には支柱０２が一対立設しており、この支柱０２間にクロスヘッド０３が掛け渡されている。このクロスヘッド０３は製缶構造で中空である。また、支柱０２とクロスヘッド０３とはボルトなどにより連結されている。さらに、架台０１には、アクチュエータ０４が設けられている。そして、架台０１とクロスヘッド０３との間に試験片０７が、チャック０６により、着脱自在に取り付けられる。疲労試験時には、取り付けられた試験片０７に、アクチュエータ０４が圧縮や引張の荷重を繰り返し加える。その使用周波数は、５０Ｈｚ程度である。
【０００３】
また、疲労試験ではないが、防振ゴムなどのバネ定数やダンピング係数を測定する動的特性の測定試験においては、防振ゴムが実際に使用される際に加わる周波数、すなわち、比較的高い周波数で試験を行う必要がある。そこで、たとえば、特許文献１に記載されているように、支柱と製缶構造のクロスヘッドとの間に、エアスプリングを介在させ、共振周波数を０〜５Ｈｚ付近まで低下させたものがある。その測定試験に使用される周波数は、防振ゴムなどのバネ定数やダンピング係数を測定するのに必要な１０〜５００Ｈｚ程度である。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５７−４８６３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の疲労試験では、材料の疲れ強さ、すなわち疲労限度は、１０７  回程度が一般的であった。しかし、近年、タービンの構造部材などにおいては１０９  回程度にも疲労限度が存在することが知られるようになった。この１０９回を短時間に試験するためには、試験周波数を高くする必要があり、その高い周波数に使用可能な荷重負荷試験機が求められている。
すなわち、従来の荷重負荷試験機における疲労試験での使用周波数は、前述のように、５０Ｈｚ程度である。この周波数で、従来一般的に行われている１０７回の疲労試験を行う場合には、試験は５６時間程度で終了する。しかしながら、近年要求されている１０９  回の疲労試験を行う場合には、２３２日を要する。そこで、疲労試験の周波数を高くして、試験期間を短くすることが望まれている。仮に、試験に使用する周波数を、５０Ｈｚから１０００Ｈｚにすれば、１０９  回の疲労試験でも、１２日間で終了させることができ、試験効率を飛躍的に向上させることができる。
そして、従来の荷重負荷試験機は、その共振周波数を使用周波数よりも高くしているが、その共振周波数を２００Ｈｚ以上にすることは困難であり、一般的には行われていない。そして、１０００Ｈｚの周波数で使用できるようにするためには、荷重負荷試験機全体、特に支柱０２の剛性を従来よりもかなり高くする必要があり、万一対処できたとしても、装置が非常に大型で高価なものとなる。
【０００６】
また、確かに、前述のように、疲労試験ではなく、防振ゴムなどのバネ定数やダンピング係数を測定する動的特性測定試験機においては、使用周波数は１０〜５００Ｈｚ程度であり、５０Ｈｚよりも高い５００Ｈｚまで対応可能である。しかしながら、１０００Ｈｚに対応可能には構成されていない。また、特許文献１の試験機のように、支柱とクロスヘッドとの間にエアスプリングを介在させて、図１１に図示するように、共振周波数を３Ｈｚ程度に低下させると、試験機で使用可能な周波数を１０〜５００Ｈｚにすることができるが、静的な（０Ｈｚ近辺の）試験を行うことができなくなる。さらに、エアスプリングを採用した場合には、共振周波数を変更しようとすると、エアスプリングをバネ定数の異なるものに交換する必要がある。そのため、共振周波数を適宜変更する構造にすると、バネ定数の異なるエアスプリングを多数用意しておくとともに、重量のあるエアスプリングを交換する必要がある。その結果、保管しておくエアスプリングなどの部品点数が増大するとともに、共振周波数の変更作業に労力を要する。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、高い周波数で疲労試験を行うことができるとともに、静的試験も行うことができ、かつ、共振周波数を簡単に変更できる荷重負荷試験機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の荷重負荷試験機は、架台（１）と、この架台に立設する少なくとも一対の支柱（３）と、この支柱間に掛け渡されたクロスヘッド（４）と、架台またはクロスヘッドに設けられたアクチュエータ（１１）とを備え、クロスヘッドと架台との間に試験片（１２）を取り付けて、前記アクチュエータにより試験片に荷重を負荷する荷重負荷試験機において、クロスヘッドは支柱にバネ材（６）を介して取り付けられており、バネ材とクロスヘッドとの連結位置またはバネ材と支柱との連結位置が変更可能に構成され、連結位置を変更することにより、共振周波数を変更することができる。
【０００９】
また、前記バネ材は金属製で、支柱の上端部に連結されるとともに、この支柱から張り出しており、このバネ材の張出部分（４２）にクロスヘッドが連結されている場合がある。
そして、前記クロスヘッドが位置調整可能な座金（５１）を介してバネ材に連結されている場合がある。
【００１０】
さらに、前記バネ材の張出部分が先細の場合がある。
また、前記バネ材の張出部分の厚みが、先端に行くほど小さくなっている場合がある。
そして、前記クロスヘッドが中実のブロック形状の場合がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における荷重負荷試験機の実施の一形態を説明する。図１は本発明にかかる荷重負荷試験機の概略の説明図である。図２は図１の要部の拡大図である。図３はバネ材および座金の説明図で、（ａ）がバネ材の斜視図、（ｂ）が座金の斜視図である。図４はバネ材の説明図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。図５は図４（ａ）のＶ矢視図である。図６は座金の説明図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図である。図７は荷重負荷試験機の使用可能周波数の説明図である。図８は試験の周波数とゲインの関係を示すグラフである。図９はバネ材の形状の変形例を説明するための説明図で、（ａ）は正面から見た張出部分の下面が円弧状のバネ材の正面図、（ｂ）は正面から見た張出部分が矩形形状のバネ材の正面図である。なお、図において、一点鎖線はボルト締めの位置を示している。
【００１２】
荷重負荷試験機の架台１は、複数の脚２で基礎上に設置されている。架台１上には、支柱３が一対立設しており、この支柱３間にクロスヘッド４が掛け渡されている。このクロスヘッド４は中実のブロック形状の金属で構成されているとともに、金属製のバネ材６を介して支柱３の上端部に取り付けられており、支柱３には直接接触しておらず、バネ材６により支柱３から浮いた状態となっている。なお、バネ材６の詳細は後述する。また、架台１には油圧アクチュエータ１１が設けられ、このアクチュエータ１１の作動ロッドに、試験片１２の下端部が下側のチャック１４を介して着脱可能に取り付けられる。一方、クロスヘッド４には、試験片１２に加わる荷重を検出するロードセル１３が設けられ、このロードセル１３に上側のチャック１６を介して試験片１２の上端部が着脱可能に取り付けられる。この様にして、架台１とクロスヘッド４との間に、試験片１２が着脱可能に取り付けられ、アクチュエータ１１により荷重が負荷される。
【００１３】
油圧アクチュエータ１１には、油圧ポンプなどを具備する油圧ユニット２１から油圧がサーボ弁２２を介して供給される。また、ロードセル１３の検出した検出値である荷重信号は荷重アンプ２３を介してサーボコントローラ２４に供給される。油圧アクチュエータ１１の作動ロッドの変位（すなわち、試験片１２の下端部の変位量）は、変位計２６で検出されており、その検出値は変位アンプ２７を介してサーボコントローラ２４に供給される。このサーボコントローラ２４には、変位または荷重の目標信号である指令信号を発生する指令信号発生装置３１が接続されている。そして、サーボコントローラ２４は、ロードセル１３の検出値である荷重信号または変位計２６の検出値である変位量信号が、指令信号発生装置３１からの指令信号に追随するようにサーボ弁２２に作動信号を出力してフィードバック制御を行う。そして、疲労試験の際には、指令信号発生装置３１からは、正弦波形などの繰り返し信号が出力され、試験片１２には圧縮や引張（すなわち、圧縮または引張の少なくとも一方）の繰り返し荷重が負荷される。
【００１４】
バネ材６は金属製で、支柱３の上端部に取り付けられる平面図示略円形の支柱取付部４１と、支柱取付部４１からサイド（図１において右または左）に張り出す張出部分４２とを具備しているとともに、張出部分４２の先端部を除いて、バネ材６の周縁部には土手状の立上部４３が形成されている。また、支柱取付部４１には、その下面に支柱３の上端部が嵌まる略円形の嵌合凹部４６が形成されているとともに、支柱３をボルト締めするためのボルト用貫通孔４７が多数形成されている。支柱３には、ボルト用貫通孔４７に対応する位置にボルト用螺合孔（図示せず）が形成されており、一点鎖線で示すボルト４８で支柱３とバネ材６とをボルト締めして連結することができる。
【００１５】
張出部分４２には、その上面に、座金５１を張出方向にスライド可能に案内する案内凹部５２が形成されているとともに、多数（この実施の形態では１０個）のボルト用貫通孔５３が形成されている。また、張出部分４２は先細に形成されている。すなわち、張出部分４２の上面は略水平であるが、下面は先端に行くほど上昇しており、厚みが漸次小さくなっている。また、張出部分４２の幅Ｂ〔図４（ａ）参照〕も、先端に行くほど小さくなっている。
【００１６】
座金５１には、図６に図示する様に、この実施の形態では４個のボルト用貫通孔５６が形成されている。また、クロスヘッド４の下面には、バネ材６の張出部分４２のボルト用貫通孔５３に対応する位置（この実施の形態では１０箇所）に、ボルト用螺合孔（図示せず）が形成されている。そして、クロスヘッド４とバネ材６とは座金５１を介してボルト締めされるが、その際には、ボルト用貫通孔５３は４個用いられ、他の６個は遊ぶことになる。たとえば、図２に図示する場合には、右側から２番目と３番目のボルト用貫通孔５３が利用されており、一点鎖線で示すボルト５７の先端が、下側から張出部分４２のボルト用貫通孔５３および座金５１のボルト用貫通孔５６に挿入されて、クロスヘッド４のボルト用螺合孔に螺合して、バネ材６とクロスヘッド４とをボルト締めして連結する。
【００１７】
そして、座金５１の位置を変更することにより、ボルト締めの位置すなわち連結位置を変更することができる。この実施の形態では４か所の連結位置を有している。この連結位置の変更により、バネ材６のバネ定数が変更される。すなわち、連結位置が張出部分４２の根元側に行くほど、バネ定数が大きくなる。そして、図８において、矢印で示すように、荷重負荷試験機全体の共振周波数が右側に移動すなわち高くなる。この共振周波数は、主にクロスヘッド４の重量およびバネ材６のバネ定数などで定まり、クロスヘッド４の重量が大きくなるほど低くなり、バネ材６のバネ定数が大きくなるほど高くなる。
【００１８】
また、バネ材６の変形例を図９に図示している。図９（ａ）の変形例１は、張出部分４２の下面を、図９（ａ）の正面から見て、円弧状に形成している。また、図９（ｂ）の変形例２は、張出部分４２の下面を、図９（ｂ）の正面から見て、略水平に形成しており、張出部分４２が略矩形をしている。
【００１９】
この様に構成されている実施の形態の荷重負荷試験機は、バネ材６のバネ定数が従来のエアスプリングのバネ定数よりも大きいので、共振周波数を、図８に図示するように、１００〜２００Ｈｚにすることができる。その結果、略０Ｈｚ近辺の静的試験を行うことが可能となる。
【００２０】
また、バネ材６とクロスヘッド４との連結位置を変更して、バネ材６のバネ定数を変更することができるので、疲労試験に使用する周波数に応じて、共振周波数を調整することができる。すなわち、図７に図示するように、Ａで示す実施の形態では、使用周波数の中間部分の破線で示す１００〜２００Ｈｚ近辺に共振周波数があるが、バネ材６とクロスヘッド４との連結位置を変更することにより、共振周波数を変更して、広範囲にわたる周波数を実験に使用することが可能となる。たとえば、共振周波数を１５０Ｈｚ程度にすると、使用可能な周波数は１００Ｈｚ以下および２００Ｈｚ以上である。そして、この共振周波数を１００Ｈｚに下げると、使用可能な周波数は５０Ｈｚ以下および１５０Ｈｚ以上となり、逆に、共振周波数を２００Ｈｚに上げると、使用可能な周波数は１５０Ｈｚ以下および２５０Ｈｚ以上となる。
【００２１】
また、図７においてＢで示すエアスプリングを用いた参考例の場合には、エアスプリングのバネ定数が低いため、共振周波数が低くなりすぎ、０Ｈｚ近辺の静的試験などを行うと、試験が不正確になるおそれがある。さらに、図７においてＣで示す従来例の場合には、使用周波数の上限が１００Ｈｚ程度であり、高い周波数で疲労試験などを行うことができない。
【００２２】
共振周波数の変更を、バネ材６とクロスヘッド４の連結位置の変更で行っているので、バネ材６を交換する必要がなく、部品点数を削減することができる。しかも、連結位置の変更を座金５１の移動により行っているので、連結位置を変更するための構造が簡単である。そして、バネ材６の上面には案内凹部５２が設けられているので、座金５１を案内凹部５２に沿ってスライドさせることにより、簡単に連結位置を変更することができる。
【００２３】
また、図８の周波数とゲインとの関係を示すグラフにおいて、実線の曲線は、バネ材６の張出部分４２の形状が図９（ｂ）に図示するように略矩形の場合であり、一方、破線の曲線は、バネ材６の張出部分４２の形状が図２に図示するように先細の場合である。そして、図８を見て分かるように、張出部分４２を先細にした方が、振動の影響を受ける周波数範囲を狭くすることができる。その結果、共振周波数の付近で使用する際に、共振の影響を極力小さくすることができる。なお、張出部分４２を先細にする際には、幅よりも厚みを先細にする方が、振動の影響を受ける周波数範囲を狭くする効果が大きい。
【００２４】
クロスヘッド４は、中実のブロック形状の金属で構成されているので、極力剛性を高めることができ、クロスヘッド４の固有振動数を高くする（すなわち、使用周波数よりも高く、たとえば、約１５００Ｈｚ）ことができ、クロスヘッド４自体の共振を極力防止することができる。
【００２５】
なお、支柱３は、少なくとも一対あれば良く、その本数は適宜変更可能である。たとえば、４本でも可能である。
また、アクチェータは油圧アクチェータであるが、他の形式でも可能である。かつ、架台１ではなくクロスヘッド４側に設けることも可能である。
【００２６】
そして、バネ材６と支柱３との連結構造や、バネ材６とクロスヘッド４との連結構造は適宜変更可能である。たとえば、ボルト以外の固定手段で固定することも可能である。また、バネ材６の形状や材質なども適宜変更可能である。さらに、ボルト用貫通孔５３の個数や、変更可能な連結位置の数は、適宜変更可能である。
【００２７】
そして、バネ材６とクロスヘッド４との連結位置を変更しているが、バネ材６と支柱３との連結位置を変更することも可能である。ただし、バネ材６とクロスヘッド４との連結位置を変更する方が、構造が簡単である。
また、荷重負荷試験機を用いて行う試験は、疲労試験以外の試験でも可能である。
さらに、張出部分４２を先細にする際には、幅または厚みの少なくも何れか一方を先細にすればよい。ただし、厚みを先細にする方が好ましい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、バネ材とクロスヘッドとの連結位置またはバネ材と支柱との連結位置が変更可能に構成され、連結位置を変更することにより、共振周波数を変更することができる。したがって、バネ材により、共振周波数を、たとえば、１００〜２００Ｈｚ程度にして、１０００Ｈｚ程度で疲労試験を行うことが可能となる。かつ、共振周波数付近で試験をした際に、荷重波形などが乱れた場合には、連結位置を変更して共振周波数を変え、荷重波形などの乱れをなくして、より精度の高い試験を行うことができる。
【００２９】
また、バネ材が金属製で、かつ、支柱から張り出しているので、エアスプリングよりもバネ定数が大きく、エアスプリングよりも共振周波数を高くすることができるとともに、クロスヘッドとの連結位置を簡単に変更することができる。その結果、静的荷重試験や低い周波数での疲労試験などを行うことができるとともに、共振周波数の変更作業が容易となる。
【００３０】
そして、クロスヘッドが位置調整可能な座金を介してバネ材に連結されているので、座金の位置を変更することにより、共振周波数を簡単に変更することができる。
【００３１】
さらに、バネ材の張出部分、特にその厚みが先細であるので、振動の影響を受ける周波数範囲を狭くすることができる。その結果、共振周波数の付近で使用する際に、共振の影響を極力小さくすることができる。
【００３２】
また、クロスヘッドが中実のブロック形状であるので、極力剛性を高めることができ、クロスヘッドの固有振動数を高く（たとえば、約１５００Ｈｚ）することができ、使用周波数を１０００Ｈｚ程度にした場合にも、クロスヘッド自体の共振を極力防止することができる。その結果、試験の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明にかかる荷重負荷試験機の概略の説明図である。
【図２】図２は図１の要部の拡大図である。
【図３】図３はバネ材および座金の説明図で、（ａ）がバネ材の斜視図、（ｂ）が座金の斜視図である。
【図４】図４はバネ材の説明図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図５】図５は図４（ａ）のＶ矢視図である。
【図６】図６は座金の説明図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が正面図である。
【図７】図７は荷重負荷試験機の使用可能周波数の説明図である。
【図８】図８は試験の周波数とゲインの関係を示すグラフである。
【図９】図９はバネ材の形状の変形例を説明するための説明図で、（ａ）は正面から見た張出部分の下面が円弧状のバネ材の正面図、（ｂ）は正面から見た張出部分が矩形形状のバネ材の正面図である。
【図１０】図１０は従来の荷重負荷試験機の概略の説明図である。
【図１１】図１１はエアスプリングを用いた動的特性測定試験機における周波数とゲインの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  架台
３  支柱
４  クロスヘッド
６  バネ材
１１  油圧アクチュエータ
１２  試験片
４１  バネ材の支柱取付部
４２  バネ材の張出部分
５１  座金
【図１】
2004219304.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004219304.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004219304.tif 000011
【図１０】
2004219304.tif 000012
【図１１】
2004219304.tif 000013