JP2016142730A - 多軸疲労試験装置及び多軸疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の多軸疲労試験装置は、多軸応力場において試験片の内部の応力状態を急激に変化させて負荷試験を実施することができる。【解決手段】多軸疲労試験装置１は、中空部を有する筒状をなす試験片１０に対して、前記試験片の軸線方向に荷重を付与する荷重付与部２と、前記中空部に対して、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体をそれぞれ流通させることが可能な複数の流体供給部３，４と、複数の流体供給部３，４を選択的に切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる前記流体のいずれかを前記中空部に流通させる切替部５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多軸疲労試験装置及び多軸疲労試験方法に関する。

高温高圧水中で使用される部材の環境疲労評価においては、ひずみ速度や温度等をパラメータとして単軸による疲労試験結果に基づいて、評価する方法が用いられている。一方、例えば、発電所やプラントなどに用いられる実機に用いられる部材は、内圧、軸力、ねじり等が働くことで生じる多軸応力場に曝される。即ち、環境疲労評価は、一方向の荷重のみならず、複数方向からの複雑な荷重が付与される多軸応力場を想定した負荷試験を実施して評価する必要がある。

このような多軸応力場を想定した試験を実施する装置が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の装置は、圧力容器内に収容した供試体の内側及び外側に作動油を供給することで、供試体の内部と外部とに圧力を付与する多軸負荷試験装置である。この多軸負荷試験装置は、供試体に圧力を付与した状態で、供試体に対して軸線方向への荷重やねじり荷重を付与することで多軸応力場を模擬することができる。

特開２０１２−２１１８２３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の多軸負荷試験装置では、供試体の内側及び外側に供給する作動油の供給量を調整することで、試験片である供試体の内部に生じる応力を変化させている。作動油の供給量を調整する場合には、一定の時間をかけて試験片の周りの作動油の量が変化していく。そのため、試験片の内部に生じる応力は、急激に変化するわけでなく作動油の量に応じて緩やかに変化する。

しかしながら、発電所やプラントなどに用いられる実機においては、運転状態の変化に伴って、部材の応力状態が急激に変化する場合がある。そのため、多軸応力場において応力状態が急激に変化する場合を想定した負荷試験を実施したいという要望がある。

本発明は、上記要望を解決するためになされたものであって、多軸応力場において試験片の内部の応力状態を急激に変化させて負荷試験を実施することが可能な多軸疲労試験装置及び多軸疲労試験方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様に係る多軸疲労試験装置は、中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記試験片の軸線方向に荷重を付与する荷重付与部と、前記中空部に対して、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体をそれぞれ流通させることが可能な複数の流体供給部と、前記複数の流体供給部を選択的に切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる前記流体のいずれかを前記中空部に流通させる切替部と、を備える。

このような構成によれば、異なる流体を供給する流体供給部を複数備えており、これらの流体供給部を切替部で選択的に切り替えることで、試験片の中空部を流通する流体を瞬間的に切り替えることができる。これにより、試験片の応力状態を急激に変化させることができる。したがって、試験片の中空部を流通する流体の種類を瞬間的に切り替えることで、多軸応力場において試験片の内部の応力状態を急激に変化させることができる。

また、上記多軸疲労試験装置では、前記試験片に生じる変化量を測定する測定部を有してもよい。

また、上記多軸疲労試験装置では、前記測定部は、試験片の外周面で、前記試験片の周方向及び軸線方向の少なくとも一方の伸縮量を測定してもよい。

このような構成によれば、測定部で試験片の伸縮量を測定することで、変化が生じた時点ですぐに試験片の状態を確認することができる。したがって、切替部によって中空部に流通している流体を切り替えた時点での試験片の変化を高い精度で測定することができる。

また、上記多軸疲労試験装置では、前記測定部の測定結果に基づいて、前記切替部に切り替えを実施させる制御部を有していてもよい。

このような構成によれば、試験片の状態に応じて、中空部に供給する流体を切り替えることができる。

また、本発明の第二の態様に係る多軸疲労試験方法では、軸線に沿って延びる中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記軸線方向に荷重を付与する荷重付与工程と、前記荷重付与工程とともに実施され、前記中空部に対して、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体をそれぞれ流通することが可能な複数の流体供給工程と、複数の前記流体供給工程を選択的に切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる前記流体のいずれかを前記中空部に流通させる切替工程とを含む。

このような構成によれば、異なる流体を供給する流体供給工程を複数有しており、これらの流体供給工程を切替工程で選択的に切り替えることで、試験片の中空部を流通する流体を瞬間的に切り替えることができる。これにより、試験片の応力状態を急激に変化させることができる。したがって、試験片の中空部を流通する流体の種類を瞬間的に切り替えることで、多軸応力場において試験片の内部の応力状態を急激に変化させることができる。

本発明の多軸疲労試験装置及び多軸疲労試験方法によれば、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体のいずれかを中空部に供給するように切り替えることで、多軸応力場において試験片の内部の応力状態を急激に変化させて負荷試験を実施することができる。

本発明の実施形態における多軸疲労試験装置（第一供給状態）の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態における試験片を示す模式図である。 本発明の実施形態における測定部の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態における多軸疲労試験装置（第二供給状態）の概略を示す模式図である。 本発明の実施形態における多軸疲労試験方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態における多軸疲労試験装置を用いた多軸疲労試験方法で模擬可能な運転状態を示す関係図であって、同図（ａ）は圧力及び温度がともに変動時の運転状態であり、同図（ｂ）は圧力変動時の運転状態であり、同図（ｃ）は温度変動時の運転状態を示している。 本発明の変形例として、圧力計と温度計とを備える多軸疲労試験装置（第一供給状態）の概略を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図６を参照して説明する。
多軸疲労試験装置１は、試験片の内部に流体を供給しながら、試験片に対して荷重を付与する。多軸疲労試験装置１では、軸線Ｏに沿って延びる中空部１１を有する筒状の試験片１０を使用する。本実施形態の多軸疲労試験装置１は、図１に示すように、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与する荷重付与部２と、中空部１１に流体を流通させる第一流体供給部３（流体供給部）と、第一流体供給部３とは異なる流体を中空部１１に流通させる第二流体供給部４（流体供給部）と、第一流体供給部３と第二流体供給部４とを選択的に切り替えて異なる流体を中空部１１に流通させる切替部５と、試験片１０に生じる変化量を測定する測定部６と、測定部６の測定結果に基づいて切替部５に切り替えを実施させる制御部７とを備えている。

本実施形態で用いられる試験片１０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状をなしている。試験片１０は、断面円形状をなす中空部１１が軸線Ｏと直交する断面の中心を軸線Ｏ方向に貫通する円筒状をなしている。試験片１０は、図２に示すように、その断面形状が軸線Ｏ方向の中央部分１１１に比べて両端部分１１２が大きな外径を有する円筒状をなしている。試験片１０の軸線Ｏ方向の中央部分１１１は、荷重を付与された際に変形する部分である。即ち、本実施形態の試験片１０では、試験を行うことで中央部分１１１に最も大きな応力が負荷され、優先的に変形が生じるようになっている。試験片１０の両端部分１１２は、荷重付与部２によって支持される。試験片１０の両端には、荷重付与部２に固定するためのフランジ部１１２ａが形成されている。

荷重付与部２は、試験片１０の両端部分１１２を支持しており、両端から試験片１０に対して軸線Ｏ方向に圧縮荷重を付与する。本実施形態の荷重付与部２は、油圧サーボであって、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に圧縮荷重を繰返し付与する。荷重付与部２は、図３に示すように、試験片１０のフランジ部１１２ａのみを把持し、試験片１０の中央部分１１１が外部から確認可能とされている。

第一流体供給部３は、試験片１０の中空部１１に接続されており、所定の温度及び圧力で圧縮された流体である第一流体Ｆ１を供給することが可能とされている。本実施形態の第一流体供給部３は、図１に示すように、第一流体Ｆ１を供給する第一供給源３１と、第一供給源３１と試験片１０の軸線Ｏ方向の一方の端部とを接続して中空部１１内に第一流体Ｆ１を流入させる第一流入路３２と、第一供給源３１と試験片１０の軸線Ｏ方向の他方の端部とを接続して中空部１１内を流通した第一流体Ｆ１を流出させる第一流出路３３と、第一流入路３２と第一流出路３３とを接続する第一バイパス路３４と、第一流出路３３を流通する流体の圧力を測定する圧力測定部３５とを有している。

第一供給源３１は、気体や液体等の流体を加熱圧縮して所定の温度及び圧力の第一流体Ｆ１として供給する。本実施形態の第一供給源３１は、空気等の気体を貯蔵する第一タンク部３１１と、第一タンク部３１１に貯槽されている空気を圧縮する第一高圧ポンプ３１２と、第一高圧ポンプ３１２で圧縮されて圧縮流体となった高圧の空気を蓄えておく第一アキュムレータ３１３と、第一アキュムレータ３１３や第一高圧ポンプ３１２から供給される高圧の空気を所定の温度まで加熱して第一流体Ｆ１として第一流入路３２に供給する第一ヒータ３１４とを有している。第一供給源３１は、第一流出路３３から流入する第一流体Ｆ１を冷却する第一冷却部３１５と、第一冷却部３１５で冷却された第一流体Ｆ１内の異物を除去する第一フィルタ部３１６と、第一フィルタ部３１６を通過した第一流体Ｆ１の圧力を調整する第一調圧部３１７とを有している。

第一流入路３２は、第一供給源３１から供給される第一流体Ｆ１を試験片１０の中空部１１に流入させる。本実施形態の第一流入路３２は、第一ヒータ３１４と、試験片１０の軸線Ｏ方向の一方の端部である下端とを繋いでいる配管である。したがって、第一流入路３２は、第一ヒータ３１４で加熱された第一流体Ｆ１を流通させて、試験片１０の軸線Ｏ方向の下端から中空部１１に供給する。

第一流出路３３は、中空部１１を流通した第一流体Ｆ１を再び第一供給源３１に戻す。本実施形態の第一流出路３３は、試験片１０の軸線Ｏ方向の他方の端部である上端と、第一冷却部３１５とを繋いでいる配管である。したがって、第一流出路３３は、中空部１１を流通した第一流体Ｆ１を第一冷却部３１５に供給する。

第一バイパス路３４は、第一流入路３２を流通する第一流体Ｆ１を中空部１１に流入させずに、第一流出路３３に流入させる。第一バイパス路３４は、第一流入路３２と第一流出路３３とを繋いでいる配管である。

本実施形態の圧力測定部３５は、第一流出路３３から分岐する測定流路３５１と、測定流路３５１を流通する流体の圧力を測定する圧力計３５２とを有している。
測定流路３５１は、第一流出路３３と第一バイパス路３４とが接続されている部分よりも試験片１０側で第一流出路３３から分岐する配管である。

第二流体供給部４は、試験片１０の中空部１１に接続されており、第一流体供給部３における第一流体Ｆ１と温度及び圧力の少なくとも一方が異なる流体である第二流体Ｆ２を供給することが可能とされている。本実施形態の第二流体供給部４は、第二流体Ｆ２を供給する第二供給源４１と、第二供給源４１と試験片１０の軸線Ｏ方向の一方の端部とを接続して中空部１１内に第二流体Ｆ２を流入させる第二流入路４２と、第二供給源４１と試験片１０の軸線Ｏ方向の他方の端部とを接続して中空部１１内を流通した第二流体Ｆ２を流出させる第二流出路４３と、第二流入路４２と第二流出路４３とを接続する第二バイパス路４４とを有している。

第二供給源４１は、気体や液体等の流体を加熱圧縮して第一供給源３１とは異なる圧力及び温度の第二流体Ｆ２として供給する。本実施形態の第二供給源４１は、圧縮する圧力及び加熱する温度の値が第一供給源３１と異なるのみで、機器構成は第一供給源３１と同様の構成を有している。具体的には、本実施形態の第二供給源４１は、空気等の気体を貯蔵する第二タンク部４１１と、第二タンク部４１１に貯槽されている空気を第一高圧ポンプ３１２とは異なる圧力で圧縮する第二高圧ポンプ４１２と、第二高圧ポンプ４１２で圧縮されて圧縮流体となった高圧の空気を蓄えておく第二アキュムレータ４１３と、第二アキュムレータ４１３や第二高圧ポンプ４１２から供給される高圧の空気を第一ヒータ３１４とは異なる温度まで加熱して第二流体Ｆ２として第二流入路４２に供給する第二ヒータ４１４とを有している。第二供給源４１は、第二流出路４３から流入する空気を冷却する第二冷却部４１５と、第二冷却部４１５で冷却された空気内の異物を除去する第二フィルタ部４１６と、第二フィルタ部４１６を通過した空気の圧力を調整する第二調圧部４１７とを有している。

第二流入路４２は、第二供給源４１から供給される第二流体Ｆ２を試験片１０の中空部１１に流入させる。本実施形態の第二流入路４２は、第二ヒータ４１４と、第一流入路３２とを繋いでいる配管である。したがって、第二流入路４２は、第一流入路３２を介して第二ヒータ４１４で温められた第二流体Ｆ２を試験片１０の下端から中空部１１に流入させる。

第二流出路４３は、中空部１１を流通した第二流体Ｆ２を再び第二供給源４１に戻す。本実施形態の第二流出路４３は、第一流出路３３と、第二冷却部４１５とを繋いでいる配管である。第二流出路４３は、第一流出路３３と第一バイパス路３４との接続部分と、第一流出路３３と測定流路３５１との接続部分との間で、第一流出路３３に接続されている。したがって、第二流出路４３は、第一流出路３３を介して中空部１１を流通した第二流体Ｆ２を第二冷却部４１５に供給する。

第二バイパス路４４は、第二流入路４２を流通する第二流体Ｆ２を中空部１１に流入させずに、第二流出路４３に流入させる。第二バイパス路４４は、第二流入路４２と第二流出路４３とを繋いでいる配管である。

切替部５は、第一流体供給部３と第二流体供給部４とを切り替えて、圧力及び温度の異なる第一流体供給部３から供給される第一流体Ｆ１と第二流体供給部４から供給される第二流体Ｆ２とのいずれかを中空部１１に流通させる。本実施形態の切替部５は、複数の電磁弁を有している。具体的には、本実施形態の切替部５は、第一流入路３２に配置される第一弁部５１と、第一流出路３３に配置される第二弁部５２と、第一バイパス路３４に配置される第三弁部５３と、第二流入路４２に配置される第四弁部５４と、第二流出路４３に配置される第五弁部５５と、第二バイパス路４４に配置される第六弁部５６と、測定流路３５１に配置される第七弁部５７と、を有する。

第一弁部５１は、第一流入路３２内での第一ヒータ３１４から中空部１１への流体の流通状態を切り替える。第一弁部５１は、第一流入路３２に設けられている。第一弁部５１は、第二流入路４２と第一流入路３２との接続部分よりも第一ヒータ３１４側に配置されている。

第二弁部５２は、第一流出路３３内での中空部１１から第一冷却部３１５への流体の流通状態を切り替える。第二弁部５２は、第一流出路３３に設けられている。第二弁部５２は、第一バイパス路３４と第一流出路３３との接続部分と、第二流出路４３と第一流出路３３との接続部分との間に配置されている。
第三弁部５３は、第一バイパス路３４内での第一流入路３２から第一流出路３３への流体の流通状態を切り替える。第三弁部５３は、第一バイパス路３４の途中に設けられている。

第四弁部５４は、第二流入路４２内での第二ヒータ４１４から中空部１１への流体の流通状態を切り替える。第四弁部５４は、第二流入路４２に設けられている。第四弁部５４は、第一流入路３２と第二流入路４２との接続部分よりも第二ヒータ４１４側に配置されている。

第五弁部５５は、第二流出路４３内での中空部１１から第二冷却部４１５への流体の流通状態を切り替える。第五弁部５５は、第二流出路４３に設けられている。第五弁部５５は、第二バイパス路４４と第二流出路４３との接続部分と、第一流出路３３と第二流出路４３との接続部分との間に配置されている。

第六弁部５６は、第二バイパス路４４内での第二流入路４２から第二流出路４３への流体の流通状態を切り替える。第六弁部５６は、第二バイパス路４４の途中に設けられている。
第七弁部５７は、測定流路３５１内での第一流出路３３から圧力計３５２への流体の流通状態を切り替える。第七弁部５７は、測定流路３５１の途中に設けられている。

測定部６は、試験片１０に生じる変化量を測定する。本実施形態の測定部６は、試験片１０の周方向及び軸線Ｏ方向の少なくとも一方の伸縮量を測定する。測定部６は、図３に示すように、試験片１０の周方向の伸縮量を測定する周方向伸び計６１と、試験片１０の軸線Ｏ方向の伸縮量を測定する軸線方向伸び計６２とを有する。

周方向伸び計６１は、試験片１０の中央部分１１１の外周面の周方向の異なる二点間の伸びたり縮んだりする伸縮量を測定する。周方向伸び計６１は、測定結果を制御部７に送る。
軸線方向伸び計６２は、試験片１０の中央部分１１１の外周面の軸線Ｏ方向の異なる二点間の伸びたり縮んだりする伸縮量を測定する。軸線方向伸び計６２は、測定結果を制御部７に送る。
なお、周方向伸び計６１及び軸線方向伸び計６２は、接触式の伸び計であってもよく、非接触式の伸び計であってもよい。

制御部７は、測定部６で測定した測定結果に基づいて、測定結果が予め定めた基準を満たした場合に、切替部５を切り替える。本実施形態の制御部７は、周方向伸び計６１及び軸線方向伸び計６２によって測定した伸縮量に基づいて、切替部５の複数の電磁弁の状態をまとめて切り替える。制御部７は、測定した伸縮量が予め定めた基準を超えることで、中空部１１に対して第一流体供給部３から第一流体Ｆ１を供給する第一供給状態と、第二流体供給部４から第二流体Ｆ２を供給する第二供給状態とを切り替える。制御部７は、周方向伸び計６１及び軸線方向伸び計６２の測定結果が入力される入力部７１と、入力部７１に入力された結果に基づいて、測定した伸縮量が予め定めた基準を超えているか否かを判定する判定部７２と、判定部７２での判定結果に応じて切替部５に信号を送る出力部７３とを有している。

ここで、第一供給状態とは、第一流体Ｆ１のみが中空部１１に供給され、第二流体供給部４から第二流体Ｆ２が中空部１１に供給されない状態を表している。第一供給状態では、第一弁部５１、第二弁部５２及び第六弁部５６が開放されており、第三弁部５３、第四弁部５４、第五弁部５５、及び第七弁部５７が閉塞されている。

したがって、図１に示すように、第一供給状態での流体の流れは次のようになる。まず、第一ヒータ３１４で加熱された第一流体Ｆ１は、第三弁部５３が閉塞されていることで、第一バイパス路３４に流入せずに、第一流入路３２を第一弁部５１に向かって流通する。第一弁部５１が開放されていることで、第一流入路３２を流通する第一流体Ｆ１は、試験片１０に向かって流通し、試験片１０の下端から中空部１１に流入する。中空部１１を下端から上端に向かって流通して上端から流出した第一流体Ｆ１は、第五弁部５５が閉塞されていることで第二流出路４３に流入せずに、第一流出路３３を第二弁部５２に向かって流通する。同様に、第一流出路３３を流通する第一流体Ｆ１は、第七弁部５７が閉塞されていることで、測定流路３５１にも流入しない。第一流出路３３を流通する第一流体Ｆ１は、第二弁部５２が開放されていることで、第一冷却部３１５に向かって流通する。

また、第二ヒータ４１４で加熱された第二流体Ｆ２は、第四弁部５４が閉塞されていることで、第一流入路３２に合流するように第二流入路４２を試験片１０に向かって流通できない。一方、第六弁部５６が開放されていることで、第二ヒータ４１４で加熱された第二流体Ｆ２は、第二流入路４２から第二バイパス路４４に流入し、第二流出路４３に流れ込む。第五弁部５５が閉塞されていることで、第二流出路４３に流れ込んだ第二流体Ｆ２は、第二冷却部４１５に向かって流通する。

次に、第二供給状態とは、第二流体Ｆ２のみが中空部１１に供給され、第一流体供給部３からは第一流体Ｆ１が中空部１１に供給されない状態を表している。第二供給状態では、第一供給状態とは逆に、第一弁部５１、第二弁部５２及び第六弁部５６が閉塞されており、第三弁部５３、第四弁部５４、第五弁部５５、及び第七弁部５７が開放されている。

したがって、図４に示すように、第二供給状態での流体の流れは次のようになる。まず、第二ヒータ４１４で加熱された第二流体Ｆ２は、第六弁部５６が閉塞されていることで、第二バイパス路４４に流入せずに、第二流入路４２を第四弁部５４に向かって流れる。第四弁部５４が開放されていることで、第二流入路４２を流通する第二流体Ｆ２は、第一流入路３２を介して試験片１０に向かって流通し、試験片１０の下端から中空部１１に流入する。中空部１１を下端から上端に向かって流通して上端から流出した第二流体Ｆ２は、第二弁部５２が閉塞されていることで第一流出路３３から第二流出路４３に流入する。また、第一流出路３３を流通する第二流体Ｆ２は、第七弁部５７が開放されていることで、測定流路３５１にも流入する。第二流出路４３を流通する第二流体Ｆ２は、第五弁部５５が開放されていることで、第二冷却部４１５に向かって流通する。

また、第一ヒータ３１４で加熱された第一流体Ｆ１は、第一弁部５１が閉塞されていることで、第一流入路３２を試験片１０に向かって流通できない。一方、第三弁部５３が開放されていることで、第一ヒータ３１４で加熱された第一流体Ｆ１は、第一流入路３２から第一バイパス路３４に流入し、第一流出路３３に流れ込む。第二弁部５２が閉塞されていることで、第一流出路３３に流れ込んだ第一流体Ｆ１は、第一冷却部３１５に向かって流通する。

本実施形態の制御部７は、入力部７１に入力された周方向の伸縮量及び軸線Ｏ方向の伸縮量がともに予め定めた基準を超えたと判定部７２が判定した際に、第一供給状態から第二供給状態に切り替えるように複数の電磁弁に出力部７３が信号を送る。これにより、多軸疲労試験装置１では、中空部１１に供給する流体を、第一流体Ｆ１から圧力及び温度の異なる第二流体Ｆ２に切り替えている。

次に、本実施形態の多軸疲労試験方法Ｓ１について説明する。
多軸疲労試験方法Ｓ１は、試験片１０の内部に流体を供給しながら、試験片１０に対して荷重を付与する。本実施形態の多軸疲労試験方法Ｓ１は、上述した多軸疲労試験装置１を用いて実施される。多軸疲労試験方法Ｓ１は、図５に示すように、中空部１１を有する試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与する荷重付与工程Ｓ２と、中空部１１に第一流体Ｆ１を流通する第一流体供給工程Ｓ３（流体供給工程）と、第一流体供給工程Ｓ３とは異なる第二流体Ｆ２を中空部１１に流通する第二流体供給工程Ｓ４（流体供給工程）と、第一流体供給工程Ｓ３と第二流体供給工程Ｓ４とを選択的に切り替えて異なる流体を中空部１１に流通する切替工程Ｓ５と、試験片１０の伸縮量を測定する測定工程Ｓ６と、測定工程Ｓ６の測定結果に基づいて切替工程Ｓ５を実施する判定工程Ｓ７と、を含んでいる。

荷重付与工程Ｓ２は、荷重付与部２によって試験片１０に対して軸線Ｏ方向に圧縮荷重を付与する。本実施形態の荷重付与工程Ｓ２は、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に圧縮荷重を繰返し付与する。

第一流体供給工程Ｓ３は、荷重付与工程Ｓ２とともに実施される。本実施形態の第一流体供給工程Ｓ３は、第一流体供給部３によって試験片１０の中空部１１に所定の温度で圧縮された第一流体Ｆ１を供給する。したがって、第一流体供給工程Ｓ３では、第一供給状態で第一流体Ｆ１が中空部１１に供給される。

第二流体供給工程Ｓ４は、第一流体供給工程Ｓ３とは別に荷重付与工程Ｓ２とともに実施される。第二流体供給工程Ｓ４は、切替工程Ｓ５で第一流体供給工程Ｓ３から切り替えられることで、第一流体供給工程Ｓ３における流体と温度及び圧力の少なくとも一方が異なる流体を供給する。本実施形態の第二流体供給工程Ｓ４は、切替工程Ｓ５で切り替えられた後に、第一流体Ｆ１と温度及び圧力がともに異なる第二流体Ｆ２を第二流体供給部４によって供給する。したがって、第二流体供給工程Ｓ４では、第二供給状態で第二流体Ｆ２が中空部１１に供給される。

切替工程Ｓ５は、第一流体供給工程Ｓ３と第二流体供給工程Ｓ４とを切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が異なる流体を中空部１１に流通させる。本実施形態の切替工程Ｓ５は、判定工程Ｓ７の後に実施される。切替工程Ｓ５は、判定工程Ｓ７での判定結果に基づいて、第一流体供給工程Ｓ３から第二流体供給工程Ｓ４へと切り替えることで、中空部１１に圧力及び温度の異なる流体を供給する。

測定工程Ｓ６は、測定部６で試験片１０の変化量を測定する。本実施形態の測定工程Ｓ６は、試験片１０の周方向及び軸線Ｏ方向の少なくとも一方の伸縮量を測定する。測定工程Ｓ６は、周方向伸び計６１によって試験片１０の周方向の伸縮量を測定しながら、軸線方向伸び計６２によって試験片１０の軸線Ｏ方向の伸縮量を測定する。

判定工程Ｓ７は、測定工程Ｓ６で測定した測定結果に基づいて、測定結果が予め定めた基準を満たした場合に、切替工程Ｓ５を実施するか否かを判定する。本実施形態の判定工程Ｓ７は、測定工程Ｓ６で周方向伸び計６１及び軸線方向伸び計６２によって測定した伸縮量に基づいて、切替工程Ｓ５を実施するか否かを判定する。判定工程Ｓ７は、測定工程Ｓ６を実施後に制御部７によって実施される。判定工程Ｓ７は、測定工程Ｓ６で測定された周方向の伸縮量及び軸線Ｏ方向の伸縮量がともに予め定めた基準を超えたと判定した場合に、切替工程Ｓ５を実施するように指示を送る。判定工程Ｓ７は、測定された周方向の伸縮量及び軸線Ｏ方向の伸縮量が基準を超えていないと判定した場合には、切替工程Ｓ５を実施せずに、第一流体供給工程Ｓ３をそのまま実施するように指示を送る。

したがって、本実施形態の多軸疲労試験方法Ｓ１では、荷重付与工程Ｓ２と、第一流体供給工程Ｓ３とを同時実施する。その後、多軸疲労試験方法Ｓ１では、測定工程Ｓ６が実施され、測定されて伸縮量に基づいて、判定工程Ｓ７が実施される。多軸疲労試験方法Ｓ１では、判定工程Ｓ７での判定結果が基準を超えていた場合に、切替工程Ｓ５を実施して荷重付与工程Ｓ２と、第二流体供給工程Ｓ４とを同時実施する。一方、多軸疲労試験方法Ｓ１では、判定工程Ｓ７での判定結果が基準を超えていない場合に、切替工程Ｓ５を実施せずに荷重付与工程Ｓ２と、第一流体供給工程Ｓ３とをそのまま同時に実施し続ける。

上記のような多軸疲労試験装置１及び多軸疲労試験方法Ｓ１によれば、中空部１１に第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２を供給しながら、荷重付与部２で試験片１０に軸線Ｏ方向に圧縮荷重を付与することで、試験片１０に所定の周方向応力σ_θ及び軸方向応力σ_ｘを生じさせることができる。具体的には、図２に示すような試験片１０の外径Ｄ、内径ｄ及び板厚ｔ等の寸法と、中空部１１に供給する流体の圧力である試験片１０に負荷する内圧Ｐと、試験片１０に生じる周方向応力σ_θ，軸方向応力σ_ｘ及び多軸度ＴＦとの関係は、例えば、以下表１のようになる。

第一流体供給工程Ｓ３を実施して第一流体供給部３によって供給する第一流体Ｆ１と、第二流体供給工程Ｓ４を実施して第二流体供給部４によって供給する第二流体Ｆ２とを、切替工程Ｓ５を実施して切替部５で切り替えることで、試験片１０の中空部１１を流通する流体の種類を瞬間的に切り替えることができる。そのため、例えば、上記の表１に示すようないずれかの多軸応力場が第一流体Ｆ１によって試験片１０に模擬されていた場合に、中空部１１に流通する流体を第一流体Ｆ１から第二流体Ｆ２に切り替えることで、試験片１０の応力状態を急激に変化させることができる。したがって、試験片１０の中空部１１を流通する流体の種類を瞬間的に切り替えることで、多軸応力場において試験片１０の内部の応力状態を急激に変化させることができる。これにより、荷重付与部２で軸線Ｏ方向に圧縮荷重を繰り返し付与することで、多軸応力場において試験片１０の内部の応力状態を急激に変化させて負荷試験を実施することができる。つまり、発電所やプラント等で用いられる実機の運転条件を模擬しながら疲労試験を実施することができる。

具体的には、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との圧力及び温度の両方を異なる状態とすることで、温度及び圧力がともに変動するような発電所やプラント等で用いられる実機の運転条件を模擬することができる。このような運転条件としては、例えば、図６（ａ）に示すように、定格運転中に負荷損失によって温度及び圧力が低下し、再運転した場合を模擬することが挙げられる。

また、仮に、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との圧力のみが異なる状態の場合には、圧力のみが変動するような発電所やプラント等で用いられる実機の運転条件を模擬することができる。このような運転条件としては、例えば、図６（ｂ）に示すように、室温に近い休止状態や３００℃以上の定格運転状態で、加圧器の運転状態が変動する場合を模擬することが挙げられる。

また、仮に、第一流体Ｆ１と第二流体Ｆ２との圧力のみが異なる状態の場合には、温度のみが変動するような発電所やプラント等で用いられる実機の運転条件を模擬することができる。このような運転条件としては、例えば、図６（ｃ）に示すように、加圧状態が保持された状態で、室温に近い温度で起動して、３００℃以上で定格運転を行った後に運転停止とする場合を模擬することが挙げられる。

また、試験片１０の形状を任意の形状に変更し、内径ｄや板厚ｔを変えることで、表１に示すように任意の多軸度に調整することができる。したがって、任意の多軸応力場に設定した試験片１０に対して疲労試験を実施することができる。

また、測定工程Ｓ６を実施して周方向伸び計６１で試験片１０の中央部分１１１の周方向の伸縮量を測定するとともに、軸線方向伸び計６２で試験片１０の中央部分１１１の軸線Ｏ方向の伸縮量を測定することで、変化生じた時点ですぐに試験片１０の状態を確認することができる。したがって、例えば、第一流体Ｆ１や第二流体Ｆ２を中空部１１に流通させた状態で圧縮荷重を付与した場合の試験片１０の変化や、第一流体Ｆ１から第二流体Ｆ２に切り替えた場合の試験片１０の変化を即時に確認することができる。これにより、切替部５で中空部１１に流通している流体を第一流体Ｆ１から第二流体Ｆ２に切り替えた時点での試験片１０の変化を高い精度で測定することができる。

また、判定工程Ｓ７を実施して制御部７の判定部７２で周方向の伸縮量と軸線Ｏ方向の伸縮量とが基準を超えているか否かを判定し、判定結果に基づいて切替工程Ｓ５を実施することで、試験片１０の状態に応じて中空部１１に供給する流体を切り替えて、試験を実施することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、試験片１０の形状は本実施形態のように両端部分１１２が中央部分１１１と径の異なる円筒状をなしていることに限定されるものではなく、内部に中空部１１が形成された筒状をなしていれば、実施される試験の条件に応じて任意の形状に形成することができる。例えば、試験片１０は、軸線Ｏ方向の全域にわたって同一の径をなす円筒状をなしていてもよく、矩形筒状をなしていてもよい。

また、第一流体供給工程Ｓ３で第一流体供給部３から供給される流体と、第二流体供給工程Ｓ４で第二流体供給部４から供給される流体とは、圧力及び温度の両方が異なっている流体に限定されるものではなく、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体であればよい。したがって、例えば、圧力だけが異なっており温度が同じ流体であってもよく、温度だけが異なっており圧力が同じ流体であってもよい。

切替工程Ｓ５は、本実施形態のように第一流体供給工程Ｓ３から第二流体供給工程Ｓ４に一度のみ切り替えることに限定されるものではない。例えば、判定工程Ｓ７で複数の基準を予め定めておき、第一流体供給工程Ｓ３から第二流体供給工程Ｓ４へと切り替えた後に、再び第一流体供給工程Ｓ３へと切り替えてもよい。このように複数の基準に応じて切替工程Ｓ５を複数回実施して、第一流体供給工程Ｓ３と第二流体供給工程Ｓ４とを繰り返すことで、試験片１０に生じる内圧を複数回にわたって変化させることができる。

また、判定工程Ｓ７を実施する際に判定部７２で用いられ基準は、複数の基準を設定してもよく。周方向の伸縮量と軸線Ｏ方向の伸縮量とでそれぞれ別の基準を設定しても良い。

また、荷重付与部２は、本実施形態のように油圧サーボであることに限定されるものではなく、試験片１０に対して軸線Ｏ方向に荷重を付与することが可能な構造であれば良い、例えば、荷重付与部２は、オートグラフなどの電気モータ式の構造であっても良い。

また、本実施形態の測定部６では、試験片１０の変化量として周方向の伸縮量と軸線Ｏ方向の伸縮量とを測定したが、これに限定されるものではない。例えば、測定部６は、試験片１０の変化量として圧力や温度を測定してもよい。そして、判定工程Ｓ７を実施して制御部７で、測定した圧力や温度が予め定めた基準を超えているか否かを判定してもよい。

このような場合、図７に示すように、多軸疲労試験装置１では、例えば、測定部６として、第一流体供給部３から供給される第一流体Ｆ１の圧力を測定する第一圧力計８１と、第二流体供給部４から供給される第二流体Ｆ２の圧力を測定する第二圧力計８２と、中空部１１を流通する流体の温度を測定する温度計８３とを備える。

第一圧力計８１は、第一流入路３２に設けられている。第一圧力計８１は、第一流入路３２と第一バイパス路３４との接続部分と第一弁部５１との間に配置されている。第一圧力計８１は、測定結果を制御部７に送る。
第二圧力計８２は、第二流入路４２に設けられている。第二圧力計８２は、第二流入路４２と第二バイパス路４４との接続部分と第四弁部５４との間に配置されている。第二圧力計８２は、測定結果を制御部７に送る。
温度計８３は、試験片１０の中空部１１に面して設けられる。温度計８３は、測定結果を制御部７に送る。

上記のように伸縮量に加えて圧力及び温度を測定する場合、判定工程Ｓ７では、制御部７において、周方向伸び計６１及び軸線方向伸び計６２と、第一圧力計８１及び第二圧力計８２と、温度計８３とのいずれかの測定結果が予め定めた基準を超えているか否かを判定する。制御部７では、この判定結果に基づいて、中空部１１に対して第一流体供給部３から第一流体Ｆ１を供給する第一供給状態と、第二流体供給部４から第二流体Ｆ２を供給する第二供給状態とを切り替える構成としてもよい。

１…多軸疲労試験装置 １０…試験片 Ｏ…軸線 １１…中空部 １１１…中央部分 １１２…両端部分 １１２ａ…フランジ部 ２…荷重付与部 ３…第一流体供給部 Ｆ１…第一流体 ３１…第一供給源 ３１１…第一タンク部 ３１２…第一高圧ポンプ ３１３…第一アキュムレータ ３１４…第一ヒータ ３１５…第一冷却部 ３１６…第一フィルタ部 ３１７…第一調圧部 ３２…第一流入路 ３３…第一流出路 ３４…第一バイパス路 ３５…圧力測定部 ３５１…測定流路 ３５２…圧力計 ４…第二流体供給部 Ｆ２…第二流体 ４１…第二供給源 ４１１…第二タンク部 ４１２…第二高圧ポンプ ４１３…第二アキュムレータ ４１４…第二ヒータ ４１５…第二冷却部 ４１６…第二フィルタ部 ４１７…第二調圧部 ４２…第二流入路 ４３…第二流出路 ４４…第二バイパス路 ５…切替部 ５１…第一弁部 ５２…第二弁部 ５３…第三弁部 ５４…第四弁部 ５５…第五弁部 ５６…第六弁部 ５７…第七弁部 ６…測定部 ６１…周方向伸び計 ６２…軸線方向伸び計 ７…制御部 ７１…入力部 ７２…判定部 ７３…出力部 Ｓ１…多軸疲労試験方法 Ｓ２…荷重付与工程 Ｓ３…第一流体供給工程 Ｓ４…第二流体供給工程 Ｓ５…切替工程 Ｓ６…測定工程 Ｓ７…判定工程 ８１…第一圧力計 ８２…第二圧力計 ８３…温度計

Claims (5)

1. 中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記試験片の軸線方向に荷重を付与する荷重付与部と、
   前記中空部に対して、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体をそれぞれ流通させることが可能な複数の流体供給部と、
   前記複数の流体供給部を選択的に切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる前記流体のいずれかを前記中空部に流通させる切替部と、を備える多軸疲労試験装置。
2. 前記試験片に生じる変化量を測定する測定部を有する請求項１に記載の多軸疲労試験装置。
3. 前記測定部は、試験片の外周面で、前記試験片の周方向及び軸線方向の少なくとも一方の伸縮量を測定する請求項２に記載の多軸疲労試験装置。
4. 前記測定部の測定結果に基づいて、前記切替部に切り替えを実施させる制御部を有する請求項２または請求項３に記載の多軸疲労試験装置。
5. 中空部を有する筒状をなす試験片に対して、前記試験片の軸線方向に荷重を付与する荷重付与工程と、
   前記荷重付与工程とともに実施され、前記中空部に対して、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる流体をそれぞれ流通することが可能な複数の流体供給工程と、
   複数の前記流体供給工程を選択的に切り替えて、圧力及び温度の少なくとも一方が互いに異なる前記流体のいずれかを前記中空部に流通させる切替工程とを含む多軸疲労試験方法。

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