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JP7557139B2 - Rotating bending fatigue testing equipment that enables high cycle fatigue testing in a high pressure hydrogen environment - Google Patents

Rotating bending fatigue testing equipment that enables high cycle fatigue testing in a high pressure hydrogen environment Download PDF

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JP7557139B2
JP7557139B2 JP2021045278A JP2021045278A JP7557139B2 JP 7557139 B2 JP7557139 B2 JP 7557139B2 JP 2021045278 A JP2021045278 A JP 2021045278A JP 2021045278 A JP2021045278 A JP 2021045278A JP 7557139 B2 JP7557139 B2 JP 7557139B2
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Description

本発明は、高圧水素ガス環境において、鋼材等の金属材料の高サイクル疲労試験を可能とする回転曲げ疲労試験装置に関する。 The present invention relates to a rotating bending fatigue testing device that enables high cycle fatigue testing of metal materials such as steel in a high pressure hydrogen gas environment.

近年温暖化防止の観点から、ガソリンを燃料とするレシプロエンジンを用いた自動車から、走行中に二酸化炭素を排出しない電気自動車、燃料電池を用いた自動車や、二酸化炭素の排出を大幅に減らすことのできるハイブリッド車、プラグインハイブリッド車の開発が盛んに進められている。その中でも燃料電池を用いた自動車は、走行中に二酸化炭素を全く排出しないため、将来の温暖化を防止できる自動車として、開発が盛んに進められている。 In recent years, in order to prevent global warming, there has been active development of electric vehicles that do not emit carbon dioxide while driving, vehicles that use fuel cells, and hybrid and plug-in hybrid vehicles that can significantly reduce carbon dioxide emissions, in place of vehicles that use gasoline-fueled reciprocating engines. Of these, fuel cell vehicles are being actively developed as vehicles that can prevent future global warming, as they do not emit any carbon dioxide while driving.

しかしながら、燃料電池自動車は、水素を燃料とし、水素を高圧な状態で充填したタンクを用いるため、配管継手やバルブ等、高圧水素ガスに接触する部位に用いる鋼材には、水素環境下でも機械的特性が大きく低下しない材料の開発が不可欠であり、特に長期間の使用を保証するためには、高サイクルでの疲労試験が可能な疲労試験装置の開発が強く望まれている。すなわち、水素は従来から鋼材の機械的特性の低下に大きく影響する元素として知られているため、水素の影響が小さく、高圧水素環境下でも優れた特性の得られる鋼材の開発が不可欠となるためである。 However, because fuel cell vehicles use hydrogen as fuel and tanks filled with hydrogen under high pressure, it is essential to develop steel materials whose mechanical properties do not deteriorate significantly even in a hydrogen environment for use in parts that come into contact with high-pressure hydrogen gas, such as pipe fittings and valves. In particular, to ensure long-term use, there is a strong demand for the development of fatigue testing equipment capable of high-cycle fatigue testing. In other words, because hydrogen has long been known as an element that significantly affects the deterioration of the mechanical properties of steel, it is essential to develop steel materials that are less affected by hydrogen and that have excellent properties even in a high-pressure hydrogen environment.

従来から知られている高圧水素環境における金属材料の機械的性質を試験し測定する手段としては、高圧水素ガスを充填した高圧の試験容器に、油圧サーボ式疲労試験機に接合された移動ロッドを挿入した構造の試験装置がある。この装置では、試験容器内の試験片に、移動ロッドを介して油圧サーボが生み出す荷重を伝達し、試験容器内にて金属材料の引張試験や軸荷重型の疲労試験を行うことができる試験装置であり、市販もされている(例えば、非特許文献1、2参照)。 A conventionally known means for testing and measuring the mechanical properties of metallic materials in a high-pressure hydrogen environment is a test device in which a moving rod connected to a hydraulic servo fatigue testing machine is inserted into a high-pressure test vessel filled with high-pressure hydrogen gas. In this device, the load generated by the hydraulic servo is transmitted to the test piece in the test vessel via the moving rod, and the device is capable of conducting tensile tests and axial load type fatigue tests of metallic materials in the test vessel, and is commercially available (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

松岡三郎,松永久生,山辺純一郎,濱田繁,飯島高志,“115MPa水素ガス中での低合金鋼SCM435とSNCM439の各種強度特性および設計指針の提案”,日本機械学会論文集,Vol.83,No.854(2017).Saburo Matsuoka, Hisao Matsunaga, Junichiro Yamabe, Shigeru Hamada, Takashi Iijima, "Proposal of various strength characteristics and design guidelines of low alloy steels SCM435 and SNCM439 in 115 MPa hydrogen gas", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 83, No. 854 (2017). 窪田和正,”高圧水素環境における材料試験機の導入”,愛知製鋼技報Vol.36,No.1(2020).Kazumasa Kubota, "Introduction of material testing equipment in high pressure hydrogen environment", Aichi Steel Technical Report Vol. 36, No. 1 (2020).

上記試験装置においては、高圧の水素ガスを充填した試験容器に移動ロッドが挿入された構造となっている。移動ロッドは、試験片への荷重の負荷及び除荷に伴い試験容器に対して移動する。移動ロッドの変位と高圧水素ガスの試験容器内への封じ込めを両立させるため、試験容器においてはロッドが貫入する位置にフッ素樹脂等を材質とするリップシールを設けている。シールにより移動ロッドと試験容器の間の隙間を完全に塞ぐことで、水素ガスを漏らさずに移動ロッドが移動でき、試験容器内部の試験片に試験応力を伝える構造となっている。 In the above test equipment, a moving rod is inserted into a test vessel filled with high-pressure hydrogen gas. The moving rod moves relative to the test vessel as a load is applied and removed from the test specimen. To balance the displacement of the moving rod and the containment of high-pressure hydrogen gas inside the test vessel, a lip seal made of a material such as fluororesin is provided at the position where the rod penetrates the test vessel. The seal completely seals the gap between the moving rod and the test vessel, allowing the moving rod to move without leaking hydrogen gas, and transmitting the test stress to the test specimen inside the test vessel.

上記の文献等に記載された試験装置では低歪速度引張(SSRT;Slow Strain Rate Tensile)試験、低サイクル疲労試験、疲労き裂進展試験等を行うことができるが、その試験片に荷重を加える回数すなわち移動ロッドの移動回数は、比較的少ない試験に留まっている。このような比較的回数の少ない試験であれば、試験機のメンテナンス時に定期的にリップシールを交換することで、問題なく試験を実施することができる。 The test equipment described in the above literature can be used to perform slow strain rate tensile (SSRT) tests, low cycle fatigue tests, fatigue crack growth tests, etc., but the number of times that a load is applied to the test piece, i.e. the number of times that the moving rod is moved, is relatively small. For such tests that require a relatively small number of tests, the tests can be performed without any problems by periodically replacing the lip seal during maintenance of the testing equipment.

しかしながら、上記従来技術には、以下の問題がある。
燃料電池自動車等の高圧水素部品では高サイクルでの繰返し応力が負荷されることを想定した設計を行う必要があり、当然の如く、高圧水素環境における高サイクル領域での疲労特性の把握が必須となる。しかしながら、前記した従来の試験装置では、繰返し数が比較的少ない試験では、問題なく実施することができるものの、高サイクル疲労試験を行おうとすると、現状のシールの寿命では、そのような高サイクルに耐えることができず、容器内の水素圧力の維持が困難となるため、試験が困難となる。
However, the above-mentioned conventional techniques have the following problems.
High-pressure hydrogen parts for fuel cell vehicles and the like need to be designed on the assumption that they will be subjected to repeated stresses at high cycles, and it is of course essential to understand the fatigue characteristics in the high-cycle range in a high-pressure hydrogen environment. However, while the above-mentioned conventional testing equipment can perform tests with a relatively small number of repetitions without any problems, when attempting to perform high-cycle fatigue tests, the current seal life is not sufficient to withstand such high cycles, and it becomes difficult to maintain the hydrogen pressure inside the container, making the test difficult.

また、繰返し数の観点のみならず、試験周波数の観点においても、シール材の耐久性の問題により、試験周波数を高めることができず、高くとも1Hz程度とする必要がある。この試験周波数では、一般的に疲労限とみなされる繰返し数1000万回の疲労試験を行おうとすると、多大な時間を必要とするため、高い試験周波数であって、高サイクルの疲労試験が可能な試験装置の開発が強く望まれていた。 In addition to the number of repetitions, the test frequency also has to be set at around 1 Hz at most, as the durability of the sealing material means that the test frequency cannot be increased. At this test frequency, a fatigue test with 10 million repetitions, which is generally considered to be the fatigue limit, would take a significant amount of time, so there was a strong demand for the development of a test device capable of high-cycle fatigue testing at a high test frequency.

本発明は、上記問題を解決するために成されたものであり、応力の繰返し数が低サイクル領域は勿論のこと、繰返し数1000万回以上の高サイクル領域の疲労特性についても、高速で高圧水素環境中の金属材料の疲労試験を実施できる、疲労試験装置を新規に提案することを目的とするものである。 The present invention was made to solve the above problems, and aims to propose a new fatigue testing device that can perform fatigue testing of metal materials in a high-pressure hydrogen environment at high speeds for fatigue characteristics not only in the low-cycle region where the number of stress repetitions is low, but also in the high-cycle region where the number of repetitions is 10 million or more.

上記課題を解決するために成された本発明の高圧水素環境下での高サイクル疲労試験を可能とする回転曲げ疲労試験装置は、高圧水素を充填した試験容器内に配置された棒状の試験片が回転可能に固定され、前記試験片の鉛直下部方向に荷重を負荷することにより、前記試験片に一定の曲げモーメントを負荷しつつ回転できるように構成されており、前記試験片への回転力をマグネットドライブ方式によるマグネットドライブにより伝達するようにするとともに、前記マグネットドライブと前記試験片との間を、両端にユニバーサルジョイントを配置した伸縮可能な回転軸で接続したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has been devised to provide a rotating bending fatigue testing apparatus that enables high-cycle fatigue testing in a high-pressure hydrogen environment. A rod-shaped test specimen is placed in a test vessel filled with high-pressure hydrogen and is rotatably fixed. The test specimen is configured to be rotated while being subjected to a constant bending moment by applying a load in the vertical downward direction of the test specimen. The rotating force to the test specimen is transmitted by a magnet drive using a magnet drive system, and the magnet drive and the test specimen are connected by an extendable rotating shaft with universal joints at both ends.

従来の疲労試験装置では、高圧水素が充填された試験容器内にロッドを挿入し、そのロッドが試験容器に対して入ったり出たりする構造となっていた。このため、ロッドと試験容器の間の界面に高圧水素の漏れを防ぐ動的なシールを設ける必要があり、このシールの寿命が短いために、高サイクルの疲労試験が出来ないことが問題となっていた。また、このようなロッドの出し入れによる動きでは、試験周波数を高める点で限界があることも効率良く高サイクル疲労試験を行う上で問題であった。そこで、本発明では、外力の与え方を、試験速度を高速化しやすい回転による試験方法(従来の回転曲げ疲労試験装置を応用)に変更するとともに、回転動作を加える回転軸自体を直接試験容器壁に貫入させるのではなく、回転軸と一体になった試験片を試験容器内に配置し、その回転軸の端部はホルダ(以下内周ホルダーと記す)に収容し、試験容器に対しては完全に固定され、試験容器壁の一部となるように内周ホルダーを接続し、その内周ホルダー内に収容した回転軸端部に磁石を固定し、さらに外側に設けた外周ホルダー内に配置した磁石を回転させることにより、磁力により非接触で回転させる、マグネットドライブ方式を利用することにより、回転軸に組み付けられた試験片を回転運動させる構造を考案した。 Conventional fatigue testing equipment requires a rod to be inserted into a test vessel filled with high-pressure hydrogen, and the rod moves in and out of the vessel. This requires the installation of a dynamic seal at the interface between the rod and the test vessel to prevent leakage of high-pressure hydrogen, but the short lifespan of this seal makes it impossible to perform high-cycle fatigue testing. In addition, the movement of the rod in and out places a limit on how high the test frequency can be increased, which is also an issue when it comes to efficiently performing high-cycle fatigue testing. Therefore, in this invention, the method of applying the external force has been changed to a rotational test method (applied from a conventional rotating bending fatigue test device) that makes it easier to increase the test speed, and instead of directly penetrating the rotating shaft itself that applies the rotational motion into the test vessel wall, a test piece integrated with the rotating shaft is placed inside the test vessel, the end of the rotating shaft is contained in a holder (hereinafter referred to as the inner holder), and the inner holder is connected so that it is completely fixed to the test vessel and becomes part of the test vessel wall, a magnet is fixed to the end of the rotating shaft contained in the inner holder, and a magnet placed in the outer holder on the outside is rotated to rotate the test piece without contact using magnetic force. A structure has been devised to rotate the test piece attached to the rotating shaft by using a magnet drive method.

この結果、内周ホルダーは、試験容器に対し完全固定されているので、従来の試験装置のように動的なシールを設ける必要がなく、シールの寿命を心配する必要がなくなり、高圧水素ガスの漏れの心配をすることもなく、かつ試験周波数を高めやすい回転動作により試験を行うので、高圧水素環境下での高サイクル疲労試験を短時間に効率良く行うことに成功したものである。 As a result, the inner holder is completely fixed to the test vessel, so there is no need to install dynamic seals as in conventional testing equipment, there is no need to worry about the seal's lifespan, there is no need to worry about high-pressure hydrogen gas leaks, and the test is performed using a rotational motion that makes it easy to increase the test frequency, so we have succeeded in efficiently conducting high-cycle fatigue tests in a high-pressure hydrogen environment in a short amount of time.

本発明である回転曲げ疲労試験装置の一実施例を説明する側面図である。1 is a side view for explaining an embodiment of a rotating bending fatigue testing device according to the present invention. FIG. 図1の、マグネットドライブ部分の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a magnet drive portion of FIG. 1 .

以下、本発明である高圧水素環境下での高サイクル疲労試験を可能とする回転曲げ疲労試験装置の実施の形態について説明する。 The following describes an embodiment of the rotating bending fatigue testing device of the present invention, which enables high-cycle fatigue testing in a high-pressure hydrogen environment.

(試験容器)
試験容器は、回転曲げ疲労試験の試験片を、回転曲げ疲労試験中において高圧水素ガス雰囲気下とするための試験容器である。
低圧の水素ガス雰囲気においては、高圧の水素ガス雰囲気と比較して、軸荷重型の疲労試験機におけるシールの問題は軽微となる。従来のシールによる高圧水素ガスの漏れ防止で寿命が顕著な問題となるのは、水素ガスの圧力が10MPa以上の場合である。一方で、燃料電池自動車は70MPaの高圧水素ガスを用いることから、高圧水素ガスの圧力が70MPa以上の場合で疲労試験を可能とすることが必要となるが、前記した通り本発明では試験片を回転させるのに、マグネットドライブ方式を採用し、動的なシールによる漏れ防止を必要としないので、70MPa以上の圧力であっても、漏れ発生の心配をする必要がなく、繰返し数1000万回以上の高サイクルの疲労試験を行うことが可能となる。
(Test vessel)
The test vessel is a vessel for placing a test piece for a rotating bending fatigue test in a high-pressure hydrogen gas atmosphere during the rotating bending fatigue test.
In a low-pressure hydrogen gas atmosphere, the seal problem in an axial load type fatigue testing machine is minor compared to a high-pressure hydrogen gas atmosphere. Conventional seals to prevent leakage of high-pressure hydrogen gas become a significant problem when the hydrogen gas pressure is 10 MPa or more. On the other hand, fuel cell vehicles use high-pressure hydrogen gas of 70 MPa, so it is necessary to enable fatigue testing when the high-pressure hydrogen gas pressure is 70 MPa or more. However, as described above, the present invention uses a magnet drive system to rotate the test piece and does not require leakage prevention by dynamic seals, so there is no need to worry about leakage even at pressures of 70 MPa or more, and it is possible to perform high-cycle fatigue testing with a number of repetitions of 10 million or more.

なお、試験容器に用いる材質は、水素ガスによる脆化の影響を受け難く、高圧水素を安全に充填するのに必要な壁厚をできるだけ薄く抑え、かつ質量を低減させるために、高強度なSUH660を用いることが望ましい。 The material used for the test vessel is preferably high-strength SUH660, which is less susceptible to embrittlement caused by hydrogen gas, and in order to keep the wall thickness necessary for safely filling the vessel with high-pressure hydrogen as thin as possible and to reduce the vessel's mass.

(回転動力源)
本発明の回転曲げ疲労試験装置において、マグネットドライブを起動させ、試験片を回転させるモータは、試験容器の外部に配置されるモータによって行う。なお使用するモータは、万が一の事故を防止する観点から防爆モータを用いるとともに、疲労試験周波数の制御のため、インバーター制御可能にすることが望ましい。尚、マグネットドライブの回転数を可変制御出来るように、モータの極数の最適化や、必要に応じて減速ギアを設けることが好ましい。これにより、例えば600~2000rpmというように可変制御可能なモータとすることができる。
(Rotational power source)
In the rotating bending fatigue test apparatus of the present invention, the motor that starts the magnet drive and rotates the test piece is a motor placed outside the test vessel. The motor used is preferably an explosion-proof motor from the viewpoint of preventing accidents, and is preferably inverter-controllable to control the fatigue test frequency. It is preferable to optimize the number of poles of the motor and provide a reduction gear as necessary so that the rotation speed of the magnet drive can be variably controlled. This makes it possible to make the motor variably controllable, for example, to 600 to 2000 rpm.

(マグネットドライブ)
高圧試験容器内に、動的なシールを用いることなく、回転動力源の回転力を伝達するための部品であり、磁石を用いて、内周ホルダー内に設けられ、試験片に直接接続された回転軸に動力を伝達する部品である。なお、この部品は従来、撹拌機として利用されていたものである。
(Magnetic drive)
This is a part for transmitting the torque of the rotary power source to the inside of the high pressure test vessel without using dynamic seals, and it transmits the torque to the rotating shaft that is installed in the inner holder and directly connected to the test piece by using magnets. This part was previously used as a stirrer.

本発明では、高圧水素ガスを用いるため、高圧ガスと直接接触するマグネットドライブの内周ホルダーの材質としては、試験容器と同様に、SUH660を用いることが望ましい。 Since high-pressure hydrogen gas is used in the present invention, it is desirable to use SUH660 as the material for the inner circumference holder of the magnet drive, which comes into direct contact with the high-pressure gas, just like the test vessel.

尚、回転動力源であるモータとマグネットドライブの間の接続には、試験周波数を担保するため、タイミングベルト等のすべりにより回転数が変化しない伝達方法が望ましい。 In addition, to ensure the test frequency, it is preferable to use a transmission method between the motor (the rotary power source) and the magnet drive that does not change the rotation speed due to slippage of a timing belt, etc.

尚、マグネットドライブの回転数をあまりに遅くすると、回転曲げ疲労試験機構の共振周波数に近くなり、試験片に意図しない応力が生じることから不都合であり、また、あまりに速くすると、磁場が回転することにより生じる渦電流による発熱が大きくなり、試験装置を構成しにくくなるため、マグネットドライブの回転数は600~2000rpmの範囲が好ましい。 However, if the rotation speed of the magnet drive is made too slow, it will be close to the resonant frequency of the rotating bending fatigue test mechanism, which is inconvenient as it will cause unintended stress in the test piece. Also, if it is made too fast, the heat generated by the eddy currents generated by the rotation of the magnetic field will increase, making it difficult to configure the test device, so the rotation speed of the magnet drive is preferably in the range of 600 to 2000 rpm.

(カップリング機構)
高圧試験容器内に突き出たマグネットドライブの内周ホルダー内に収容された回転軸と同回転軸上で結合し、試験片側に回転力を伝達するための部品である。
(Coupling mechanism)
This part is connected to the same rotating shaft housed within the inner holder of the magnet drive that protrudes into the high-pressure test vessel, and is used to transmit rotational force to the test piece.

カップリング機構は、例えば、マグネットドライブの内周ホルダー内回転軸の先端をスプライン形状とし、カップリング側をスプラインの溝を受ける形状とすることで実現できる。 The coupling mechanism can be realized, for example, by making the tip of the rotating shaft inside the inner circumference holder of the magnet drive into a spline shape and making the coupling side into a shape that receives the spline groove.

(伸縮軸とユニバーサルジョイント)
カップリングで受けたマグネットドライブの回転軸と、試験片の回転軸の角度と長さの変化を吸収しつつ、試験片に回転力を伝達する部品であり、伸縮可能な回転軸の両端に2つのユニバーサルジョイントを一列に配置することにより、角速度の不整さを打ち消しあうことができるようにしている。
すなわち、錘による曲げモーメントの負荷の影響で、マグネットドライブの回転軸先端と試験片との間は、その距離が変化するとともに、その間を接続する伸縮軸の取付角度も変化する。この際、距離の変化は伸縮軸で吸収することができるが、角度の変化は、モーターの回転速度が試験片にそのまま伝わらなくなるという影響(角速度の不整さ)をもたらす。
(Telescopic shaft and universal joint)
This is a part that transmits rotational force to the test specimen while absorbing changes in angle and length between the rotating shaft of the magnet drive received by the coupling and the rotating shaft of the test specimen. By arranging two universal joints in a row on both ends of the extendable rotating shaft, it is possible to cancel out irregularities in angular velocity.
That is, due to the effect of the bending moment load from the weight, the distance between the tip of the rotating shaft of the magnet drive and the test piece changes, and the mounting angle of the telescopic shaft connecting them also changes. At this time, the change in distance can be absorbed by the telescopic shaft, but the change in angle brings about the effect that the rotation speed of the motor is not directly transmitted to the test piece (irregularity of angular velocity).

そこで、本発明では、伸縮軸の両端にユニバーサルジョイントを2つ配置することで、2つのユニバーサルジョイントそれぞれから生じる角速度への影響が互いに打ち消しあうように接続することで、モーターの回転速度がほぼそのまま試験片の回転速度となるように、工夫している。この際、2つのユニバーサルジョイントは、同じ仕様のものを選択することが、より好ましい。その方が角速度の影響の打ち消しが、より確かなものになるためである。 In this invention, two universal joints are placed on both ends of the telescopic shaft, and the two universal joints are connected so that the effects on the angular velocity generated by each of them cancel each other out, so that the rotational speed of the motor is almost the same as the rotational speed of the test piece. In this case, it is more preferable to select two universal joints with the same specifications, as this will more reliably cancel out the effects of the angular velocity.

本発明では、試験片に曲げモーメントを負荷するため、鉛直下部方向に錘により荷重を負荷するようにしているが、この荷重は繰返し数1000万回における疲労限度を求める場合には、錘の大きさを変化させ、複数の条件で行う必要がある。試験片に曲げモーメントが負荷される等により、前記伸縮軸の角度が変化することが推定されるが、上記のように、2つのユニバーサルジョイントを伸縮軸の両端に用いることによって、前記伸縮軸の角度に関係なく、安定した試験速度での試験を可能とすることができる。なお、伸縮軸の両端に2つの同じユニバーサルジョイントが接続された部品は、市販されているので、それを用いることが可能である。 In the present invention, a load is applied vertically downwards using a weight to apply a bending moment to the test piece, but when determining the fatigue limit at 10 million repetitions, the size of the weight must be changed and the load must be tested under multiple conditions. It is assumed that the angle of the telescopic shaft changes when a bending moment is applied to the test piece, but by using two universal joints at both ends of the telescopic shaft as described above, it is possible to perform testing at a stable test speed regardless of the angle of the telescopic shaft. Note that parts with two identical universal joints connected to both ends of the telescopic shaft are commercially available, so they can be used.

尚、ユニバーサルジョイントを角速度の不整さをなるべく補正するように動作させるため、マグネットドライブのドリブン側回転軸は、試験片ドライブ側回転軸の位置に対して水平方向にずれがないように配置し、かつ垂直方向においては試験片ドライブ側回転軸よりも高い位置に配置するようにし、試験片ドライブ側回転軸が重錘による荷重で変位しても試験片ドライブ側回転軸に結合されたユニバーサルジョイントの位置が、マグネットドライブのドリブン側回転軸側のもう一方のユニバーサルジョイントの位置よりも高くならないようにすることが望ましい。角速度の不整さを完全に打ち消すことは困難であるが、これにより回転に伴う振動等の問題を、実験上問題のない程度まで低減することが出来る。 In order to operate the universal joint so as to compensate for the irregularity in angular velocity as much as possible, it is desirable to position the driven side rotating shaft of the magnet drive so that there is no horizontal deviation from the position of the test specimen drive side rotating shaft, and to position it higher than the test specimen drive side rotating shaft in the vertical direction, so that even if the test specimen drive side rotating shaft is displaced by the load of the weight, the position of the universal joint connected to the test specimen drive side rotating shaft will not be higher than the position of the other universal joint on the driven side rotating shaft of the magnet drive. Although it is difficult to completely eliminate the irregularity in angular velocity, this makes it possible to reduce problems such as vibrations associated with rotation to a level that does not cause problems in experiments.

(トルクリミッタ)
試験片のドライブ側(マグネットドライブのドリブン側回転軸先端部から試験片ドライブ側回転軸の間)に配置し、過大なトルクが発生した場合に、高圧試験容器保護のため、回転力を試験片側に伝えないための機構である。回転曲げ疲労試験ユニット部分に何らかの故障が生じた場合等、何等かの理由で過大なトルクが負荷された場合に、予期しない重大な故障につながる恐れがあるため、所定以上のトルクが試験片側に負荷されない構造としておくことが好ましい。
(torque limiter)
It is a mechanism that is placed on the drive side of the test specimen (between the tip of the driven side rotating shaft of the magnet drive and the drive side rotating shaft of the test specimen) to prevent the rotational force from being transmitted to the test specimen side in order to protect the high pressure test vessel when excessive torque is generated. If an excessive torque is applied for some reason, such as if some kind of failure occurs in the rotating bending fatigue test unit, it may lead to an unexpected serious failure, so it is preferable to have a structure that does not apply a torque greater than a certain level to the test specimen side.

トルクリミッタ機能を設ける方法としては、一般的な機械式のトルクリミッタを用いる場合の他、回転曲げ疲労試験に要するトルクは大きくないため、イモネジを試験片のドライブ側回転軸の側面にねじ当てて接合する構造とし、イモネジで締め付けられる回転軸側面が塑性変形することで過大トルクを逃がすような簡単な構造でトルクリミッタと同様の機能を得られるようにすることもできる。 In addition to using a general mechanical torque limiter, a torque limiter function can be achieved with a simple structure in which a set screw is screwed into the side of the drive side rotating shaft of the test specimen, and the side of the rotating shaft that is tightened by the set screw undergoes plastic deformation to release excessive torque, as the torque limiter function can be achieved.

(重錘)
本発明の試験装置では、試験片と試験片回転軸からなる回転体に、4点曲げにより、曲げモーメントを加え、試験片に引張圧縮の試験応力を発生させるための錘を用いている。この錘を用いること自体は、公知の回転曲げ疲労試験装置でも全く同様であり、特に目新しいものではない。
(weight)
In the test device of the present invention, a weight is used to apply a bending moment by four-point bending to a rotor consisting of a test piece and a test piece rotation shaft, and to generate a tensile and compressive test stress in the test piece. The use of this weight itself is exactly the same as in known rotating bending fatigue test devices, and is not particularly new.

但し、本発明では、前記の通り高圧水素が充填された試験容器内に試験片だけでなく錘も収容した状態で試験を行う必要があるため、試験容器を小型化しようとすると、スペースに余裕がなく、試験前後に試験容器内へ入れたり、引き出したりすることが容易となるようにしておく必要がある。そこで、例えば錘の底部に樹脂製の車輪を設けておく等の工夫により、試験容器内への出し入れを容易にすることができる。試験中に錘は、当然の如く試験片に接続している軸にぶら下がった状態となっているが、試験片が破断した際には、落下することになる。その際、樹脂製の車輪を設けておくと、錘全体が直接試験容器に当たって容器に傷がつくことを防止することができる。 However, in the present invention, as described above, the test must be performed with not only the test specimen but also the weight housed in the test vessel filled with high-pressure hydrogen. Therefore, if the test vessel is to be made smaller, there is not enough space, and it is necessary to make it easy to insert and remove the weight from the test vessel before and after the test. Therefore, by, for example, providing a plastic wheel on the bottom of the weight, it can be made easier to insert and remove the weight from the test vessel. During the test, the weight is naturally suspended from the shaft connected to the test specimen, but if the test specimen breaks, it will fall. In this case, providing a plastic wheel can prevent the entire weight from directly hitting the test vessel and damaging the vessel.

(位置決めピン及び固定ベース移動用車輪)
マグネットドライブを有する側の試験容器の内壁端部に2本以上の本数の位置決めピンを設けておき、試験片回転曲げ疲労試験機構部分を試験容器に挿入する際に、疲労試験機構部分を受ける固定ベースの前記内壁端部側に位置決めの穴をあけておき、試験容器を挿入した際に、位置決めピンがささるようにしておくことで、試験容器に対して回転曲げ疲労試験機構部分が所定の位置に来るように導くことができる。これにより、疲労試験機構部分を挿入しようとした際に、試験容器内に配置されたマグネットドライブのドリブン側回転軸と回転曲げ疲労試験機構部のカップリングの接合のための位置決めを容易にすると共に、カップリングの回転に対する反トルクを打ち消す役割を担う。
(Positioning pins and wheels for moving the fixed base)
By providing two or more positioning pins at the inner wall end of the test vessel on the side having the magnet drive, and by drilling positioning holes on the inner wall end side of the fixed base that receives the fatigue test mechanism when inserting the test piece rotating bending fatigue test mechanism into the test vessel, the rotating bending fatigue test mechanism can be guided to a predetermined position with respect to the test vessel. This facilitates positioning for joining the driven side rotating shaft of the magnet drive arranged in the test vessel and the coupling of the rotating bending fatigue test mechanism when inserting the fatigue test mechanism, and also plays a role in canceling the counter torque against the rotation of the coupling.

この疲労試験機構部分を挿入する際に、前記した錘だけでなく、疲労試験機構部分を受ける固定ベースの下部にも車輪を設けておくことにより、カップリングの切り離しと併せて、試験片の脱着や錘の交換等の作業を容易に行えるようにすることができる。 When inserting this fatigue testing mechanism, by providing wheels not only on the weight mentioned above but also on the bottom of the fixed base that supports the fatigue testing mechanism, it is possible to easily perform operations such as removing and attaching the test piece and replacing the weight, in addition to disconnecting the coupling.

(試験片ドライブ側回転軸と試験片ドリブン側回転軸)
試験片の長さを延長する部品であり、それにより試験片の長さを短くできる。見方によっては、試験片製作時の機械加工を容易とするための部品とも言える。
(Specimen drive side rotation axis and specimen driven side rotation axis)
It is a part that extends the length of the test specimen, thereby shortening the length of the test specimen. In some ways, it can also be said to be a part that makes it easier to machine the test specimen when manufacturing it.

発明者らは、当初、試験片を長くして回転軸と一体構造とすることで接合部を廃して回転曲げ疲労試験機構部分を小型化する検討をしたが、そのような長い試験片は精度よく機械加工できないことと、試験片の加工費用が過度に高価となることから考えを改め、一般的な回転曲げ疲労試験機と同様に、試験片を短くし、試験片の長さを延長する回転軸を設ける構造とした。 The inventors initially considered lengthening the test piece and integrating it with the rotating shaft to eliminate the joint and reduce the size of the rotating bending fatigue test mechanism. However, they changed their mind because such a long test piece could not be machined with precision and the cost of machining the test piece would be excessively expensive. Instead, they decided to shorten the test piece and provide a rotating shaft to extend the length of the test piece, similar to a typical rotating bending fatigue tester.

試験時に回転し、異常振動しないように、同心度、同軸度等において高い加工性度が要求される。回転曲げ疲労試験では、試験片と回転軸は高速で回転するため、JISZ2274(1978)「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」では試験片を取り付けた状態で、試験片平行部中央の心振れが0.05mm以内となることを求めている。そのため、一般的に回転曲げ疲労試験機の試験片の取り付け部分にはコレットチャックが一般的に用いられており、本発明においてもコレットチャックを用いることが好ましい。 High workability is required in terms of concentricity, coaxiality, etc., so that the test piece does not rotate and vibrate abnormally during testing. In a rotating bending fatigue test, the test piece and the rotating shaft rotate at high speed, so JIS Z2274 (1978) "Rotating bending fatigue test method for metallic materials" requires that the runout of the center of the parallel part of the test piece be within 0.05 mm when the test piece is attached. For this reason, a collet chuck is generally used to attach the test piece to a rotating bending fatigue tester, and it is preferable to use a collet chuck in the present invention as well.

(試験片)
本装置では、前記した試験片ドライブ側回転軸と試験片ドリブン側回転軸によって、試験片長さを調整できるようにしているので、従来の回転曲げ疲労試験装置のJIS規格である、JISZ2274(1978)「金属材料の回転曲げ疲れ試験方法」に記載され、従来から広く使われている試験形状である1号試験片であり、大気中での試験において一般的な、つかみ部φ12mm、平行部φ8mm、平行部長さ20mm程度のJIS1号試験片を用いることが出来る。これにより、過去の多数蓄積されている回転曲げ疲労試験のデータとも同一の試験片形状で試験できることから、比較検討が容易となる。
(Test Piece)
In this device, the test piece length can be adjusted by the above-mentioned test piece drive side rotating shaft and test piece driven side rotating shaft, so it is possible to use a JIS No. 1 test piece, which is a test shape described in JIS Z2274 (1978) "Rotating bending fatigue test method for metallic materials", which is the JIS standard for conventional rotating bending fatigue test devices, and which has been widely used in the past, and which has a gripping part φ12 mm, parallel part φ8 mm, and parallel part length of about 20 mm, which is common in tests in air. This makes it easy to compare and consider the data of rotating bending fatigue tests that have been accumulated in the past, since it is possible to test with the same test piece shape.

(起動時の共振防止くさび部品)
本発明の回転曲げ疲労試験装置の試験片の回転軸は、試験片ドライブ側回転軸14(後述の図1参照)において、回転軸の位置決めのための拘束がかかっているが、その拘束は、水平方向には変位が拘束されているものの、試験片には天地方向に曲げモーメントがかかり、変形することから、天地方向には拘束されていない。そのため、装置を起動し試験片を回転させはじめると、共振周波数を通過する際に、鉛直方向に過大な振動が生じる可能性がある。そこで、くさび形状の部品を、試験片ドリブン側回転軸16(後述の図1参照)の端位置において、例えばカウンタ等の、試験片が破断した際に天側に変位する箇所の地側の隙間に差し込むことで地面側の隙間を埋め、共振時に回転軸が地面側に変位するのを制限し、共振が生じようとした際の天側と地側の振動の振幅を不一致とすることで、起動時の共振振動の発生を抑制できるようにしておくことが好ましい。
(Wedge parts to prevent resonance at start-up)
The rotating shaft of the test piece of the rotating bending fatigue test device of the present invention is restrained for positioning the rotating shaft at the test piece drive side rotating shaft 14 (see FIG. 1 described later). Although the horizontal displacement is restrained, the vertical direction is not restrained because the test piece is subjected to a bending moment in the vertical direction and deformed. Therefore, when the device is started and the test piece starts to rotate, excessive vibrations may occur in the vertical direction when passing through the resonance frequency. Therefore, it is preferable to fill the gap on the ground side by inserting a wedge-shaped part, such as a counter, into the gap on the ground side of the part that displaces to the top side when the test piece breaks at the end position of the test piece driven side rotating shaft 16 (see FIG. 1 described later), thereby restricting the displacement of the rotating shaft to the ground side at resonance and making the amplitudes of the vibrations on the top side and the bottom side when resonance is about to occur mismatch, thereby suppressing the occurrence of resonant vibration at startup.

以下、本発明である高圧水素ガス環境において回転曲げ疲労試験を行う疲労試験装置により得られる効果を明らかにするための実施例について説明する。 Below, we will explain examples to clarify the effects obtained by the fatigue testing device of the present invention, which performs rotating bending fatigue testing in a high-pressure hydrogen gas environment.

図1に本発明の一実施例である回転曲げ疲労試験装置の側面図、図2にマグネットドライブ4の拡大図を示す。
1はモータであり、タイミングベルト2を介してマグネットドライブの外周ホルダー41を回転させ、磁力により内周ホルダー47内に配置されているマグネットドライブドリブン側回転軸45を回転させ、試験片ドライブ側回転軸14に接続されている試験片15を回転させることのできる構造となっている。なお、磁力により内周ホルダー47内に配置されているマグネットドライブドリブン側回転軸45を回転させるマグネットドライブ4は、撹拌機として従来から市販されている一般的な部品であり、それ単体としては特に目新しいものではない。本実施例では、日東高圧株式会社製の撹拌機を用いている。マグネットドライブの詳細構造については、後述する。なお、本発明では、高圧の水素を扱うことから、安全を重視するため、モータ1は、防爆性能の優れたモータを採用している。
FIG. 1 is a side view of a rotating bending fatigue testing device according to an embodiment of the present invention, and FIG.
Reference numeral 1 denotes a motor, which rotates the outer peripheral holder 41 of the magnet drive via a timing belt 2, rotates the magnet drive driven side rotating shaft 45 arranged in the inner peripheral holder 47 by magnetic force, and rotates the test piece 15 connected to the test piece drive side rotating shaft 14. The magnet drive 4, which rotates the magnet drive driven side rotating shaft 45 arranged in the inner peripheral holder 47 by magnetic force, is a general part that has been commercially available as an agitator for a long time, and is not particularly new as a single unit. In this embodiment, an agitator manufactured by Nitto High Pressure Co., Ltd. is used. The detailed structure of the magnet drive will be described later. In this invention, since high-pressure hydrogen is handled, and safety is emphasized, the motor 1 is a motor with excellent explosion-proof performance.

8は、試験容器であり、図示しない水素ガスボンベと昇圧装置とが接続され、水素ガスボンベより昇圧装置により高圧となった水素ガスを供給、充填できるようになっており、容器内に高圧の水素を長時間維持した状態で収容できる構造となっている。特に、本発明では、70MPa以上の高圧水素環境での疲労試験が可能となるようにすることが必要とされているので、昇圧装置にて、99MPaまでの高圧水素を充填できるように設計されている。また、水素は鋼材を脆化させる原因となるので、本発明の試験容器8は、脆化の問題が生じにくく、かつ強度も優れた鋼種であるSUH660を用いて製造されている。 8 is a test vessel, which is connected to a hydrogen gas cylinder and a booster (not shown) so that hydrogen gas pressurized by the booster can be supplied from the hydrogen gas cylinder and filled into the vessel, and the vessel is structured to be able to hold high-pressure hydrogen for a long period of time. In particular, since the present invention requires that fatigue testing be possible in a high-pressure hydrogen environment of 70 MPa or more, the vessel is designed to be able to be filled with high-pressure hydrogen up to 99 MPa using the booster. Furthermore, since hydrogen causes the embrittlement of steel, the test vessel 8 of the present invention is manufactured using SUH660, a type of steel that is less susceptible to embrittlement problems and has excellent strength.

さらに、試験容器8の図面右側には、開閉可能な試験容器開閉口10が設けられ、図示しない架台上に試験片15や錘7等を、固定ベース12とともに引き出したり、試験容器内に入れたりが容易にできるようになっている。特に疲労試験によりS-N線図を完成させるには、様々な応力で試験を繰返し行う必要があることから、1本の試験が終了する毎に、錘7を別の質量のものに変更したり、試験片15を新しい試験片と交換したりする必要があるため、その作業がしやすいように工夫されている。具体的には、試験片15等は、固定ベース12上に配置されており、固定ベース12の下部には、固定ベース移動用車輪13が取り付けられているので、右側の図示しない架台上に引き出したり、逆に中に入れたりが容易にできるようになっている。また、錘7も試験中は、試験片15に曲げモーメントを負荷するためにぶら下がった状態となっているが、試験片が寿命に達して折損すると、下に落下するため、落下時に試験容器を傷つけないよう、樹脂製の車輪11が取り付けられ、傷がつくのを防止しているとともに、架台上への出し入れも便利にできるようになっている。 Furthermore, on the right side of the drawing of the test vessel 8, an openable test vessel opening/closing opening 10 is provided, which allows the test specimen 15, weight 7, etc. to be easily pulled out together with the fixed base 12 onto a stand (not shown) or placed into the test vessel. In particular, to complete an S-N diagram through fatigue testing, it is necessary to repeat tests at various stresses, and therefore it is necessary to change the weight 7 to one with a different mass and replace the test specimen 15 with a new one each time a test is completed, and this has been devised to make this work easy. Specifically, the test specimen 15, etc. are placed on the fixed base 12, and fixed base moving wheels 13 are attached to the bottom of the fixed base 12, so that they can be easily pulled out onto the stand (not shown) on the right side or placed into it. During testing, the weight 7 is also suspended to apply a bending moment to the test specimen 15. When the test specimen reaches the end of its life and breaks, it will fall to the ground. To prevent this, plastic wheels 11 are attached to the test container to prevent damage to the container when it falls, and to make it easy to move it on and off the stand.

ここで、試験片15、錘7等を試験片及び錘交換のため、引き出した後、再度試験容器8内に戻す際には、マグネットドライブのドリブン側回転軸45の先端位置(ドリブン側先端部46)に位置を合わせるために、引き出す前と全く同じ位置に戻す必要がある。そこで、試験容器8の試験容器開閉口10の反対側には、2本の位置決め用ピン3が取り付けられているとともに、その位置に合うように、固定ベース12の位置決め用ピン側の側面には、図示しない位置決め用の穴が2か所開けられた状態となっており、固定ベース12を試験片15、錘7と共に、試験容器8内に移動させる際には、位置決め用ピン3が、この穴に刺さることにより、容易に位置決めできるようになっている。 When the test specimen 15, weight 7, etc. are pulled out to replace the test specimen and weight, and then returned to the test vessel 8, they must be returned to the exact same position as before they were pulled out in order to align with the tip position (driven tip 46) of the driven side rotating shaft 45 of the magnet drive. Therefore, two positioning pins 3 are attached to the opposite side of the test vessel opening/closing port 10 of the test vessel 8, and two positioning holes (not shown) are drilled in the side of the fixed base 12 on the side of the positioning pins to match the positions. When the fixed base 12 is moved into the test vessel 8 together with the test specimen 15 and weight 7, the positioning pins 3 can be easily inserted into these holes.

すなわち、カップリング部5は、図示しない固定ベース12上に固定された軸受により、前記の位置決め用穴との位置関係が固定されているので、位置決め用ピン3に刺さるように固定ベース12を戻すことにより、カップリング部5が、マグネットドライブのドリブン側回転軸先端部46に容易に位置が合うようになっている。 In other words, the position of the coupling part 5 relative to the positioning hole is fixed by a bearing fixed on the fixed base 12 (not shown), so by returning the fixed base 12 so that it is inserted into the positioning pin 3, the coupling part 5 can be easily aligned with the tip 46 of the driven side rotating shaft of the magnet drive.

また、試験片15は、コレットチャックにより固定できるようになっており、チャックの両側に試験片ドライブ側回転軸14と、試験片ドリブン側回転軸16が接続されている。試験容器開閉口10側の試験片ドリブン側回転軸16の先端には、回転軸の回転数に応じて累積回転数を表示できるカウンタ9が取り付けられ、その下部には、前記した通り、図示しない共振防止用のくさび部品が差し込まれ、起動時の共振を防止できるようになっている。また、試験片ドライブ側回転軸14の先端には、ユニバーサルジョイント61が取り付けられ、伸縮軸6、もう一方のユニバーサルジョイント61、カップリング部5を介して、スプライン成形されたマグネットドライブのドリブン側回転軸先端部46に接続され、マグネットドライブ4を介してモータ1による回転により試験片15が回転できる構造となっている。 The test piece 15 can be fixed by a collet chuck, and the test piece drive side rotating shaft 14 and the test piece driven side rotating shaft 16 are connected to both sides of the chuck. A counter 9 is attached to the tip of the test piece driven side rotating shaft 16 on the test container opening/closing port 10 side, which can display the cumulative number of rotations according to the number of rotations of the rotating shaft, and a wedge part (not shown) for preventing resonance is inserted below it, as described above, to prevent resonance at start-up. A universal joint 61 is attached to the tip of the test piece drive side rotating shaft 14, which is connected to the spline-molded driven side rotating shaft tip 46 of the magnet drive via the telescopic shaft 6, the other universal joint 61, and the coupling part 5, so that the test piece 15 can be rotated by the rotation of the motor 1 via the magnet drive 4.

ここで、試験容器8を貫通しているマグネットドライブのドリブン側回転軸45の位置は完全固定なのに対して、試験片15は、試験中に錘7により曲げモーメントが負荷された状態となっていることに加え、錘7の質量の大きさ等の要因でマグネットドライブのドリブン側回転軸45の軸芯の延長上には位置しなくなるだけでなく、そのずれ量も変化することになる。そこで、このずれ量を吸収しつつ、角速度の不整さを抑制する必要があるため、伸縮軸6を有し、かつ角速度の不整さを打ち消すために配置された2つの互いに同じ仕様のユニバーサルジョイント61が前記伸縮軸6の両端に設けられている。 Here, the position of the driven side rotating shaft 45 of the magnet drive that passes through the test vessel 8 is completely fixed, whereas the test piece 15 is loaded with a bending moment by the weight 7 during the test, and due to factors such as the mass of the weight 7, not only does it no longer position itself on the extension of the axis of the driven side rotating shaft 45 of the magnet drive, but the amount of deviation also changes. Therefore, since it is necessary to absorb this deviation while suppressing the irregularity of the angular velocity, two universal joints 61 of the same specifications that have an extendable shaft 6 and are arranged to cancel the irregularity of the angular velocity are provided at both ends of the extendable shaft 6.

次にマグネットドライブ4について図2により説明する。
マグネットドライブ4は、モータ1に接続されたタイミングベルト2により回転駆動される外周ホルダー41と外周ホルダー41に外周側軸受42を介して回転可能に結合されている内周ホルダー47の2つのホルダーを有している。外周ホルダー41の内側には、外周部磁石49が固定され、内周ホルダー47内には内周側軸受48を介してマグネットドライブのドリブン側回転軸45が固定されている。そして、マグネットドライブのドリブン側回転軸に固定された内周部磁石44と、前記した外周部磁石49が互いに引き付けあうような磁力が発生するように、磁極が互いに向き合うように固定されており、外周ホルダー41の回転により、マグネットドライブのドリブン側回転軸45に回転力が付与される構造となっている。従って、モータ1が回転すると、タイミングベルト2の回転により、外周ホルダー41が回転し、それにより、マグネットドライブのドリブン側回転軸45を回転させることができるのである。このように回転させたマグネットドライブのドリブン側回転軸45の先端には、スプライン成形された先端部(マグネットドライブのドリブン側回転軸の先端部46)が設けられており、カップリング部5、ユニバーサルジョイント6、試験片ドライブ側回転軸14を経由して、試験片15に回転力を伝えることができるようになっている。
Next, the magnet drive 4 will be described with reference to FIG.
The magnet drive 4 has two holders, an outer holder 41 which is rotated by a timing belt 2 connected to the motor 1, and an inner holder 47 which is rotatably connected to the outer holder 41 via an outer bearing 42. An outer magnet 49 is fixed inside the outer holder 41, and a driven-side rotating shaft 45 of the magnet drive is fixed inside the inner holder 47 via an inner bearing 48. The inner magnet 44 fixed to the driven-side rotating shaft of the magnet drive and the outer magnet 49 are fixed so that their magnetic poles face each other to generate a magnetic force that attracts them to each other, and the rotation of the outer holder 41 imparts a rotational force to the driven-side rotating shaft 45 of the magnet drive. Therefore, when the motor 1 rotates, the outer holder 41 rotates due to the rotation of the timing belt 2, and the driven-side rotating shaft 45 of the magnet drive can be rotated. A splined tip portion (tip portion 46 of the driven side rotating shaft of the magnet drive) is provided at the tip of the driven side rotating shaft 45 of the magnet drive rotated in this manner, so that a rotational force can be transmitted to the test piece 15 via the coupling portion 5, universal joint 6, and test piece drive side rotating shaft 14.

なお、図1右側のユニバーサルジョイント61と試験片ドライブ側回転軸14との接合部は、図示しないイモネジを側面にねじ当てて接合する構造を追加しており、過大なトルクが加わった場合には、イモネジ先端部が塑性変形することで、試験機に過大な負荷がかからないよう配慮されている。 The joint between the universal joint 61 on the right side of Figure 1 and the test specimen drive side rotating shaft 14 has an additional structure in which a set screw (not shown) is screwed into the side to join them. If excessive torque is applied, the tip of the set screw will plastically deform, preventing excessive load from being placed on the testing machine.

ここで、内周ホルダー47は非磁性である必要があり、またその内部には、試験容器8内と同様に高圧水素が充填された状態となるため、試験容器8と同様に非磁性でありかつ、水素脆化特性に優れ、かつ強度の優れたSUH660を用いている。 The inner holder 47 must be non-magnetic, and since its interior is filled with high-pressure hydrogen just like the test vessel 8, SUH660 is used, which is non-magnetic just like the test vessel 8, has excellent hydrogen embrittlement properties, and is strong.

次に、本実施例の作用効果について説明する。
本発明の回転曲げ疲労試験装置では、試験容器8の壁の一部となるように、内周ホルダー47が固定されているものの、従来装置の移動ロッドとは異なり、試験容器8に対して完全固定状態で固定されているため、従来のように、動的なシールにより高圧ガスの漏れを防ぐことは不要となる。従って、高圧水素環境であって、1000万回以上の高サイクルの疲労試験についても、全く問題なく行うことができる。これにより、高圧水素環境において、1000万回以上で破壊しない最大応力(耐久限)を効率的に求めることが可能となり、高圧水素用の高強度鋼等の開発に大きく貢献することができるようになった。
Next, the effects of this embodiment will be described.
In the rotating bending fatigue testing apparatus of the present invention, the inner circumferential holder 47 is fixed so as to be part of the wall of the test vessel 8. However, unlike the moving rod of the conventional apparatus, it is fixed in a completely fixed state relative to the test vessel 8, and therefore it is not necessary to prevent leakage of high-pressure gas by dynamic sealing as in the conventional apparatus. Therefore, high-cycle fatigue tests of 10 million or more cycles in a high-pressure hydrogen environment can be performed without any problem. This makes it possible to efficiently determine the maximum stress (endurance limit) at which a specimen does not break after 10 million or more cycles in a high-pressure hydrogen environment, which can greatly contribute to the development of high-strength steels for high-pressure hydrogen.

1:モータ、2:タイミングベルト、3:位置決め用ピン、4:マグネットドライブ、5:カップリング部、6:伸縮軸、7:錘、8試験容器、9:カウンタ、10:試験容器開閉口、11:車輪、12:固定ベース、13:固定ベース移動用車輪、14:試験片ドライブ側回転軸、15:試験片、16:試験片ドリブン側回転軸、41:外周ホルダー、42:外周側軸受、44:内周部磁石、45:マグネットドライブのドリブン側回転軸、46:マグネットドライブのドリブン側回転軸先端部、47:内周ホルダー、48:内周側軸受、49:外周部磁石、61:ユニバーサルジョイント 1: Motor, 2: Timing belt, 3: Positioning pin, 4: Magnet drive, 5: Coupling, 6: Telescopic shaft, 7: Weight, 8 Test container, 9: Counter, 10: Test container opening and closing, 11: Wheel, 12: Fixed base, 13: Wheel for moving the fixed base, 14: Rotating shaft on the drive side of the test specimen, 15: Test specimen, 16: Rotating shaft on the driven side of the test specimen, 41: Outer holder, 42: Outer bearing, 44: Inner magnet, 45: Driven rotating shaft of the magnet drive, 46: Tip of the driven rotating shaft of the magnet drive, 47: Inner holder, 48: Inner bearing, 49: Outer magnet, 61: Universal joint

Claims (2)

高圧水素を充填した試験容器内で高圧水素環境下での疲労特性を評価するための試験が可能な疲労試験装置であって、
前記容器内に配置された棒状の試験片が回転可能に固定され、前記試験片の鉛直下部方向に荷重を負荷することにより、前記試験片に曲げモーメントを負荷しつつ回転できるように構成されており、
前記試験片への回転力をマグネットドライブ方式によるマグネットドライブにより伝達するようにするとともに、前記マグネットドライブと前記試験片との間を、両端にユニバーサルジョイントを配置した伸縮可能な回転軸で接続したことを特徴とする高圧水素環境下での高サイクル疲労試験を可能とする回転曲げ疲労試験装置。
A fatigue testing apparatus capable of performing a test to evaluate fatigue characteristics in a high-pressure hydrogen environment in a test vessel filled with high-pressure hydrogen,
a rod-shaped test piece disposed in the container is rotatably fixed, and a load is applied in a vertical downward direction of the test piece, thereby allowing the test piece to rotate while applying a bending moment to the test piece;
A rotating bending fatigue testing device that enables high-cycle fatigue testing in a high-pressure hydrogen environment, characterized in that the rotational force to the test piece is transmitted by a magnet drive using a magnet drive system, and the magnet drive and the test piece are connected by an expandable rotating shaft with universal joints at both ends.
前記試験片のドライブ側に、多大なトルク負荷時にトルクの負荷を遮断できるトルクリミッタ機構を有することを特徴とする請求項1に記載の高圧水素環境下での高サイクル疲労試験を可能とする回転曲げ疲労試験装置。 The rotating bending fatigue testing device described in claim 1, which enables high cycle fatigue testing in a high pressure hydrogen environment, is characterized in that it has a torque limiter mechanism on the drive side of the test piece that can cut off the torque load when a large torque load is applied.
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川上 遼,水素環境下における回転曲げ疲労試験方法の開発及び低合金鋼SCM435の高サイクル疲労特性に及ぼす水素の影響に関する研究,九州大学博士論文,2021年06月11日

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