(57)【要約】【課題】  試験体に対して振動負荷を高速かつ安定的に与える疲労試験方法、および当該疲労試験方法に従った疲労試験を実施可能とする疲労試験装置を提供する。【解決手段】  モータを回転させ、前記モータの回転運動を回転体に伝達し、前記回転体の回転方向に複数設けられる回転側永久磁石または回転側コイルが前記モータの回転軸に沿って回転し、前記回転側永久磁石または前記回転側コイルと所定距離離れた位置に配置される固定側永久磁石または固定側コイルに磁力を発生させ、前記固定側永久磁石または前記固定側コイルに接続された試験体に力を伝達することにより、試験体に対して振動負荷を高速かつ安定的に与える疲労試験が可能となる。【選択図】  図１
2017201258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを回転させ、該モータの回転運動を回転体に伝達し、該回転体の回転方向に複数設けられる回転側永久磁石または回転側コイルが前記モータの回転軸に沿って回転し、該回転側永久磁石または該回転側コイルと所定距離離れた位置に配置される固定側永久磁石または固定側コイルに磁力を発生させ、該固定側永久磁石または該固定側コイルに接続された試験体に力を伝達することを特徴とする疲労試験方法。
【請求項２】
試験体の一端側に接続された動作冶具と、該動作冶具を前記試験体の一方向に移動させる移動手段と、前記動作冶具に対して変動荷重を非接触に与える負荷手段を備え、
前記負荷手段は、モータと、該モータに接続される回転体と、前記回転体の回転方向に複数設けられる回転側永久磁石または回転側コイルを備え、
前記動作冶具または前記動作冶具と共に動作する部材には、前記回転側永久磁石または回転側コイルと対向する固定側永久磁石または固定側コイルを備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項３】
請求項２に記載の疲労試験装置において、
前記動作冶具または前記動作冶具と共に動作する部材に対して一定荷重を与える第二の負荷手段を備え、前記第二の負荷手段は、バネと、前記バネに接続された部材と、前記部材を所定位置に固定する固定手段を備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の疲労試験装置において、
前記回転体の回転方向に、形状または磁束密度またはその両方の異なる回転側永久磁石または回転側コイルを複数備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項５】
請求項２から４の何れか一項に記載の疲労試験装置において、
前記回転側永久磁石または前記回転側コイルと前記固定側永久磁石または前記固定側コイルとの間に設けられたすき間を計測する計測手段を備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項６】
請求項５に記載の疲労試験装置において、
前記計測手段と電気的に接続された制御手段と、前記計測手段ならびに前記制御手段と電気的に接続された記録手段を備え、前記制御手段は、制御装置と、前記制御装置と電気的に接続されたモータと、前記モータの回転運動を試験体の一方向に沿った並進運動に変換する機構を備え、前記機構は試験体の一端を固定する部材に接続され、前記部材を試験体の一方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項７】
請求項２から６の何れか一項に記載の疲労試験装置において、
内包物を密閉する環境槽を、前記疲労試験装置の一部もしくは全体を取り囲む態様で配置していることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項８】
試験体の一端に接続された第一の冶具と、
前記試験体の他端に接続された第二の冶具と、
前記第一の冶具に変動負荷を非接触に与える負荷手段と、
前記第一の冶具の移動方向を一方向に規制するリニアガイドと、
を備えることを特徴とする疲労試験装置。
【請求項９】
請求項８に記載の疲労試験装置において、
前記負荷手段は、モータと、該モータに接続される回転体と、該回転体の回転方向に複数設けられる回転側磁石とからなり、
前記第一の冶具には、前記回転側磁石と対向する固定側磁石を備えることを特徴とする疲労試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、疲労試験装置に関するものであり、特に材料に対して高速で変動荷重を与える疲労強度評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
稼働中の機械構造物には、振幅や周波数が変動する複雑な振動荷重が作用することが多い。一般に材料の疲労強度は、振幅や周波数が変化する振動荷重が材料に付加された場合には、これらが一定の場合とは大きく異なることが知られている。また、構造物の疲労設計においては、材料の疲労寿命のバラつきを正確に把握することが重要となるため、多くの試験体の疲労試験を効率的に実施する必要がある。したがって、実機稼働時に発生する複雑な荷重を模擬した疲労試験を、効率的に実施できる試験方法および試験装置の実現が望まれる。
【０００３】
材料の疲労試験を効率的に実施する方法の一つとして、高速で振動荷重を与える方法がある。材料に対して高速で振動荷重を与える試験装置としては、超音波を利用した疲労試験機がある。この試験装置は、超音波振動を用いて数１０ｋＨｚの周波数で高速に疲労試験を行うことが可能である。しかしながら、この装置は共振現象を利用しているため、振幅や周波数の変化する複雑な振動荷重を模擬した疲労試験を実施することが難しい。
【０００４】
共振現象を利用せず材料に対して高速で振動荷重を与える試験装置としては、例えば試験体の一端に磁石を取り付け、当該磁石から所定距離離れた位置に可動する磁石を配置することにより、変動する磁力によって試験体に振動荷重を与えることを可能とする試験装置が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2014-74598
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に係る技術では、試験体の変形する方向を制御する機構が備えられていないため、試験体を一方向に沿って安定的に変形させることが難しい。また、特許文献１の発振部に用いられるバイブレータは、磁力の方向と磁石の可動方向が同一であるため、磁力の増加に伴って磁石の運動が磁力によって妨げられ、高い荷重を高速で与えることが難しい。
【０００７】
そこで、材料に対して振動荷重を与える疲労試験方法および疲労試験装置において、材料の疲労強度に関する信頼性を向上する点で解決すべき課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、かかる従来技術の事情を鑑みてなされたものであり、実機稼働時に発生する複雑な変動荷重を、試験体に対して安定的かつ高速で与えることを可能とする疲労試験方法、およびこのような疲労試験方法に従った疲労試験を実施可能とする疲労試験装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、モータを回転させ、該モータの回転運動を回転体に伝達し、該回転体の回転方向に複数設けられる回転側永久磁石または回転側コイルが前記モータの回転軸に沿って回転し、該回転側永久磁石または該回転側コイルと所定距離離れた位置に配置される固定側永久磁石または固定側コイルに磁力を発生させ、該固定側永久磁石または該固定側コイルに接続された試験体に力を伝達する疲労試験方法によって解決できる。
【００１０】
また、試験体の一端側に接続された動作冶具と、該動作冶具を前記試験体の一方向に移動させる移動手段と、前記動作冶具に対して変動荷重を非接触に与える負荷手段を備え、前記負荷手段は、モータと、該モータに接続される回転体と、前記回転体の回転方向に複数設けられる回転側永久磁石または回転側コイルを備え、前記動作冶具または前記動作冶具と共に動作する部材には、前記回転側永久磁石または回転側コイルと対向する固定側永久磁石または固定側コイルを備える疲労試験装置によって解決できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、機械や建造物の実稼働時や使用時に想定される、複雑な変動荷重を模擬した疲労試験を、高速かつ安定的に実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の外観図
【図２】実施例１の側面図
【図３】実施例２の外観図
【図４】実施例２の側面図
【図５】平均的に負荷される荷重による疲労強度の低下を示す模式図
【図６】実施例３の外観図
【図７】実施例４の側面図
【図８】実施例５の側面図
【図９】実施例６の側面図
【図１０】直線形の試験体の外観図
【図１１】中央に切欠きを付けた試験体の外観図
【図１２】凸部または凹部を設けた磁石の側面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明による疲労試験方法に従った疲労試験を実施可能とする疲労試験装置の一例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１および図２に実施例１として示す疲労試験装置１は、その外観形状と側面形状に示すように、固定台１００の上にモータ２を配置し、モータ２に回転板３を固定し、回転板３の周縁に沿って複数の回転側磁石５を配置し、回転側磁石５と所定距離離れた位置に固定側磁石６を配置し、固定側磁石６を、冶具７を介して試験体８の一端ならびにリニアガイド１３（移動手段）に沿って規制された一方向に滑らかに移動可能な動作冶具１４に接続し、試験体の他端を、冶具９を介して荷重計測機器１１ならびにリニアガイド１３に沿って規制された一方向に滑らかに移動可能な動作冶具１５に接続し、荷重計測機器１１を固定台１００の上に配置された固定壁１２に接続し、モータ２により回転板３に回転運動４を与える実施形態である。
【００１５】
これにより、回転側磁石５の回転運動に伴って固定側磁石６に断続的に磁力が作用するため、試験体８に振動荷重が付加される。このとき、磁力の方向と回転側磁石５の回転運動４が直交するため、磁力が回転運動４に及ぼす影響が小さく、低いトルクでモータ２を高速で回転させることが可能となる。したがって、試験体８に対して、振幅の大きい振動荷重を高速で与えることが可能となる。また、動作冶具１４と１５は、リニアガイド１３によって所定の方向にのみ移動するため、試験体に曲げやねじりの変形を生じさせることなく、安定的に振動荷重を与えることが可能となる。このように、本実施例の疲労試験装置１は、回転板の周縁に配置する磁石の数とモータの回転数を調整することにより、幅広い周波数の疲労試験を実施することが可能となる。
【００１６】
本実施例では、回転側磁石５と固定側磁石６を組み合わせて使用する構成を示したが、これらの磁石として永久磁石を用いても良いし、コイルを利用した電磁石を用いても良い。永久磁石を採用する場合は、本実施例の疲労試験装置を簡易な構成で実現でき、低コスト化を図ることができる。また、電磁石を採用する場合は、試験中に振動荷重の大きさを制御することができ、例えば、永久磁石を採用した場合に比べてより滑らかな振動荷重（よりサインカーブに近い振動荷重）や実機稼働時に発生する複雑な変動荷重を与えることができるなど、試験内容に適した制御を簡易に実現することができる。
【００１７】
なお、本実施例では、試験体８はボルト１０を介して冶具７および冶具９に固定されているが、図１０、図１１に示すように、試験体８につかみ部３１Ａ、３１Ｂを設け、これらのつかみ部を冶具で挟み込んで固定しても良い。ここで、図１１のように、試験体８の略中央の両側に切欠き３０を設けると、試験体８の略中央には回転側磁石５が与える変動荷重よりも高歪速度の変形を与えることができるので、図１０の試験体８を用いる場合に比べ、歪速度依存性の高い材料をより広い範囲で疲労試験することができる。
【００１８】
また、図１、図２では、回転側磁石５と固定側磁石６の形状を直方体としたが、たとえば図１２に側面形状として示すように、凸部や凹部を設けることで、回転板３が多少傾いて設置されていたとしても、回転側磁石５と固定側磁石６の位置関係を正常な場合と同等にできるので、より安定的に磁力を発生させ、試験体に与える振動荷重を安定化することも可能である。
【００１９】
さらに、回転板の周縁に沿って磁石が等間隔に配置されているが、間隔を変えて磁石を配置することにより、試験体に対して、実機稼働時に発生するような周波数の変化する振動荷重を与えることも可能である。
【実施例２】
【００２０】
次に実施例２の疲労試験装置を説明する。実施例１と共通する点は説明を省略する。
【００２１】
図３および図４に実施例２として示す疲労試験装置１は、その外観形状と側面形状に示すように、実施例１の疲労試験装置において、冶具７と動作冶具１４に部材１７を接続し、部材１７と所定距離離れた位置に部材１８を配置し、部材１７と部材１８の間にバネ１９を配置し、部材１８をボルト２１によって固定部材２０に固定し、ナット２２によってボルト２１を所定位置で固定した実施形態である。
【００２２】
これにより、部材１８の位置によってバネ１９に発生する荷重を調整し、図５左図に示すように、試験体８に対して一定の荷重を与えた状態で振動荷重を与える疲労試験が可能となる。また、図５右図に示すように、材料の疲労強度は一定の荷重を与えることにより低下することが知られており、本実施例では、この疲労強度低下を簡便に評価することが可能となる。このとき、バネの剛性を試験体の剛性よりも十分に低く設定することにより、バネに発生する一定荷重に対して振動荷重による試験体の変形が及ぼす影響を極力小さくでき、試験体に対して安定的に一定荷重を与えた状態で振動荷重を与えることが可能となる。
【実施例３】
【００２３】
次に実施例３の疲労試験装置を説明する。上述の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００２４】
図６に実施例３として示す疲労試験装置１は、その外観形状に示すように、実施例１または２のいずれかの疲労試験装置において、形状、または、磁束密度の異なる回転側磁石５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄを回転板３の周縁に沿って配置した実施形態である。
【００２５】
これにより、試験体８に対して、実機稼働時に発生するような振幅の変化する振動荷重を与えることが可能となる。
【実施例４】
【００２６】
次に実施例４の疲労試験装置を説明する。上述の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００２７】
図７に実施例４として示す疲労試験装置１は、その側面形状に示すように、実施例１から３のいずれかの疲労試験装置において、すき間１６の状態を測定可能な位置に変位計測機器２３を配置した実施形態である。
【００２８】
これにより、試験体８の疲労の進行により縮小するすき間１６の距離の時間変化を連続的に計測することで、剛性低下などの試験体８の状態変化を連続的に測定することが可能となる。また、すき間１６の急激な変化を検出することにより、試験体８の破断を検出することが可能となり、試験体８の破断をトリガーとして疲労試験装置を安全に停止することも可能となる。なお、図７においては、変位計測機器２３は回転板３の上部に配置しているが、冶具７やリニアガイド１３の側面などに配置することも可能である。
【００２９】
なお、本実施例のように、すき間１６の距離を計測できると、回転側磁石５として用いる電磁石の磁力を調整し、すき間１６の距離にかかわらず一定の変動荷重を試験体８に与えることもできる。
【実施例５】
【００３０】
次に実施例５の疲労試験装置を説明する。上述の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００３１】
図８に実施例５として示す疲労試験装置１は、その側面形状に示すように、実施例４の疲労試験装置において、変位計測機器２３と制御装置２７を電気的に接続し、制御装置２７を記録装置２８とモータ２４に電気的に接続し、モータ２４を、モータ２４の回転運動を試験体８の一方向に沿った並進運動に変換する変換機構２５を介して固定壁１２に接続し、固定壁１２とリニアガイド１３を、固定台１００の上を試験体８の一方向に沿って滑らかに移動可能な動作冶具２６に固定した実施形態である。
【００３２】
これにより、剛性低下などの試験体の状態変化によってすき間１６の距離が変化した場合においても、変位計測機器２３の計測結果を基に制御装置２７によってモータ２４に所定の回転運動を発生させ、モータ２４の回転運動を変換機構２５によって試験体８の一方向に沿った並進運動に変換することで、すき間１６の距離を一定に保持し、安定的に振動荷重を試験体８に与えることが可能となる。
【実施例６】
【００３３】
次に実施例６の疲労試験装置を説明する。上述の実施例と共通する点は説明を省略する。
【００３４】
図９に実施例６として示す疲労試験装置１は、その側面形状に示すように、実施例１から５のいずれかの疲労試験装置において、疲労試験装置の一部もしくは全体を取り囲む環境槽２９を配置した実施形態である。
【００３５】
これにより、温度、湿度、腐食といった環境の影響を重畳させた疲労試験が可能となる。また、試験体に対して非接触で振動荷重を付加できるため、図９に示すように環境槽の外側から振動荷重を与えられるという利点や、疲労試験装置全体を環境中に配置した場合においても環境による荷重の時間変化が生じにくいという利点を有する。
【符号の説明】
【００３６】
１…疲労試験装置
２…モータ
３…回転板
４…回転運動
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ…回転側磁石
６…固定側磁石
７…冶具
８…試験体
９…冶具
１０…ボルト
１１…荷重計測機器
１２…固定壁
１３…リニアガイド
１４…動作冶具
１５…動作冶具
１６…すき間
１７…部材
１８…部材
１９…バネ
２０…固定部材
２１…ボルト
２２…ナット
２３…変位計測機器
２４…モータ
２５…変換機構
２６…動作冶具
２７…制御装置
２８…記録装置
２９…環境槽
３０…切欠き
３１Ａ、３１Ｂ…つかみ部
１００…固定台
【図１】
2017201258.tif 000003
【図２】
2017201258.tif 000004
【図３】
2017201258.tif 000005
【図４】
2017201258.tif 000006
【図５】
2017201258.tif 000007
【図６】
2017201258.tif 000008
【図７】
2017201258.tif 000009
【図８】
2017201258.tif 000010
【図９】
2017201258.tif 000011
【図１０】
2017201258.tif 000012
【図１１】
2017201258.tif 000013
【図１２】
2017201258.tif 000014