JP2000356565A

JP2000356565A - 振動試験装置

Info

Publication number: JP2000356565A
Application number: JP11167473A
Authority: JP
Inventors: Koreichi Ehata; 維一江畑
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2000-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】５０ｋＨｚを超える高周波を対象とする振動
試験に対応することができるとともに簡単に試験を実施
でき、さらに、自動化にも容易に対応可能な振動試験装
置を提供する。【解決手段】支持部１に設置された対象物Ｔを加振部
２によって加振して、対象物Ｔの応答を信号検出部３で
検出する振動試験装置であって、先端を対象物Ｔに近づ
けて配される放電プローブ２０と、放電プローブ２０と
対象物Ｔとの間に電位差を与えて放電を発生させる放電
コントローラ２２とを加振部２に備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、支持部に設置され
た対象物を加振部によって加振して、対象物の応答を信
号検出部で検出する振動試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば航空機用のガスタービンエンジン
では、回転運動に起因して高圧圧縮機の動翼やタービン
動翼などの回転部品が高周波の繰り返し応力を受ける。
例えばこうした動翼は、直上流に配される静翼によって
空力的な応力（加振力）を受け、この場合、静翼の枚数
に回転数を乗じたものが加振力の振動周波数となる。振
動周波数が動翼の固有振動数と一致すると動翼に共振が
生じて大きな応力が作用してしまうため、ガスタービン
エンジンでは一般に、定常運転時における振動周波数と
動翼の固有振動数とがなるべく一致しないように設計が
行われている。

【０００３】こうした設計に基づいて製作された動翼の
固有振動数を実際に確認したり、あるいは製作時のバラ
ツキを調べたりすることを目的として、振動試験装置が
用いられる。振動試験装置は、対象物を設置するための
支持部、対象物を加振するための加振部、および対象物
の応答を検出するための信号検出部を備えており、これ
らには対象物の特性や試験内容に応じて様々な方法のも
のが提案されている。

【０００４】このうち加振部には、打撃試験によるもの
が採用されることが多い。打撃試験は、打撃ハンマで対
象物を叩くことにより加振する方法で、加振系を対象物
に取り付ける必要がなく、一度に低周波からある程度の
高周波までのスペクトルを得ることでき、しかも短時間
で行えて汎用性が広いといった利点を有する。特に上述
した動翼など、比較的小さい構造物の振動試験では広く
採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、打撃試
験には、以下のような課題がある。・５０ｋＨｚを超える高周波の振動試験への対応が極め
て難しい。図５は、打撃ハンマによる打撃加振力を示す
ものである。時間軸上でＴｐ秒間継続して与えられたエ
ネルギーは、周波数スペクトルが例えば半正弦波に近い
形状となる。対象周波数の上限Ｆｍａｘは、（ｂ）に示
すように、スペクトルの谷間の溝で示される零交点Ｐよ
り小さくなければならない。零交点Ｐの周波数は波の継
続時間Ｔｐに逆比例し、波形が鋭くＴｐが小さいほど零
交点Ｐは高周波数になる。ところが打撃試験では、実際
の打撃によって対象物に衝撃波を与えているため、継続
時間Ｔｐを所定以下にすることが難しい。そのため、対
象周波数上限Ｆｍａｘは、５０ｋＨｚが限界とされてお
り、実際には、３２ｋＨｚを超えると打撃・試験にかな
りの技能と時間が要求される。近年、前述したガスター
ビンエンジンでは、小型の高出力のものを中心に動翼等
の回転部品が受ける振動周波数が５０ｋＨｚを超えるも
のが多く、打撃試験では高周波領域での振動の特性が得
られにくい。

【０００６】・精度が実施者の技術や熟練度に大きく依
存する。打撃試験は、実施者が打撃ハンマで対象物を叩
くので、人間を加振系の一部にしている。このため、加
振の良否が実施者の技能や経験に依存する度合が比較的
大きくなってしまい、初心者には失敗が多い。また、実
際の試験では、失敗を除いた何度かの試験の平均を取っ
てその結果とすることが多く、手間がかかる場合が多
い。

【０００７】・打撃試験の自動化に際して装置が複雑に
なる。打撃試験を自動化しようとすると、打撃といった
機械的な動きを精度よくコントロールするための機構が
必要になる。そのため装置が複雑になり、自動化を実現
するのが難しい。

【０００８】本発明は、上述する事情に鑑みてなされた
ものであり、５０ｋＨｚを超える高周波を対象とする振
動試験に対応することができるとともに簡単に試験を実
施でき、さらに、自動化にも容易に対応可能な振動試験
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に係る発明は、支持部に設置された対象物
を加振部によって加振して、対象物の応答を信号検出部
で検出する振動試験装置であって、加振部が、先端を対
象物に近づけて配される放電プローブと、放電プローブ
と対象物との間に電位差を与えて放電を発生させる放電
コントローラとを備える技術が採用される。この振動試
験装置は、加振部が放電プローブと放電コントローラと
を備えているので、放電プローブと対象物との間で放電
を発生させることで対象物に継続時間の極めて短い衝撃
波を与えて対象物を加振することが可能となる。このた
め、高周波の振動試験にも対応することが可能となる。

【００１０】請求項２に係る発明は、請求項１の振動試
験措置において、放電コントローラが、放電プローブと
対象物との間の電位差を変化させる変圧手段を備える技
術が採用される。この振動試験装置では、放電プローブ
と対象物との間の電位差を変化させる変圧手段を備えて
いるので、特性に応じてその対象物に適したエネルギー
量の放電を生じさせることで、様々な特性の対象物に対
する振動試験を確実に行うことが可能となる。

【００１１】請求項３に係る発明は、請求項１または２
の振動試験装置において、加振部が、放電プローブを保
持しかつ放電プローブと対象物との距離を変化させるプ
ローブ案内機構を備える技術が採用される。この振動試
験装置では、プローブ案内機構が放電プローブと対象物
との距離を変化させるので、対象物の大きさの変化にも
容易に対応することが可能となるとともに、対象物の特
性に応じて放電プローブと対象物とを最適な距離にして
効率的に対象物を加振することが可能になる。

【００１２】請求項４に係る発明は、請求項１から３の
いずれかの振動試験装置において、信号検出部が対象物
の応答を非接触で検出する非接触式の応答変換器を備え
る技術が採用される。この振動試験装置では、信号検出
部が非接触式の応答変換器を備えているので、対象物の
取り付け・取り外しをさらに容易に行うことが可能とな
る。

【００１３】請求項５に係る発明は、請求項１から４の
いずれかの振動試験装置において、支持部が、対象物を
自動的に入れ換えて設置する交換機構を備える技術が採
用される。この振動試験装置では、交換機構が対象物を
自動的に入れ換えて設置するので、複数の対象物を連続
的に試験することが可能となる。

【００１４】請求項６に係る発明は、請求項１から５の
いずれかの振動試験装置において、支持部が、対象物の
一部をはめ込んで設置するための溝が形成された支持機
構を備える技術が採用される。この振動試験装置では、
支持機構に対象物の一部をはめ込んで設置するための溝
が形成されているので、対象物の取り付け・取り外しを
容易に行うことが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る振動試験装置
の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図２は、本実施形態の全体のシステム構成を示してお
り、この図に示すように、振動試験装置は、支持部１、
加振部２、信号検出部３、信号処理部４、制御部５とに
よって構成されている。本実施形態では、ガスタービン
エンジン用の動翼Ｔ（例えば高圧圧縮機の動翼）を振動
試験するように構成されている。

【００１６】支持部１は、図１に示すように、試験する
対象物（動翼）Ｔを支持機構１０で支持するものであ
る。また交換機構１１を備えており、支持機構１０への
動翼Ｔの取り付け・取り外しを自動的に行うようになっ
ている。支持機構１０は、質量と剛性とを十分に備えた
構造体から構成され、ここでは、動翼Ｔが設置されるよ
うに、設置面にタブテイル形状の溝１０ａが形成されて
いる。また、溝１０ａに装着された動翼Ｔを例えば油圧
やエア圧などを利用して所定の力で保持・固定するよう
になっている。さらに支持機構１０は、常にアース（接
地）された状態にあって、支持する動翼Ｔをアースする
ようになっている。一方、交換機構１１は、図示しない
駆動手段を有しており、外部から供給される動翼Ｔを支
持機構１０まで自動搬送して支持機構１０の溝１０ａに
動翼Ｔを装着するとともに、試験後の動翼Ｔを溝１０ａ
から抜き出して外部へ送るように構成されている。

【００１７】加振部２は、放電を利用して動翼Ｔに衝撃
波を与えるものであり、放電プローブ２０、プローブ案
内機構２１、および放電コントローラ２２からなる。放
電プローブ２０は、先端を略球状あるいは尖状等に形成
された導体２０ａを有し、絶縁体２０ｂを介してプロー
ブ案内機構２１に保持されている。また放電プローブ２
０は、先端形状の異なるものが複数用意されていて、対
象物の材質や表面特性によって使い分けられる。プロー
ブ案内機構２１は、図示しない駆動手段を有しており、
指示を受けることによって放電プローブ２０の先端と動
翼Ｔとが所定の距離（ギャップ）Ｇになるように放電プ
ローブ２０を移動させる構成となっている。さらに、放
電によって衝撃波を与える箇所は、動翼Ｔの例えば翼の
付け根に近い箇所とされ、こうした放電箇所は、例えば
取得すべき対象モードの出力応答に応じて定められてい
る。

【００１８】放電コントローラ２２は、放電プローブ２
０の先端に所定の電位を与えるように構成されている。
図３に放電用の基本的な等価回路を示す。ギャップＧが
所定距離にセットされている状態でコンデンサＣを電圧
Ｅまで上昇させるとギャップＧでの気体の絶縁が破壊さ
れて放電が起こる。本実施形態の放電コントローラ２２
は、電気容量の異なる複数のコンデンサからなる図示し
ない変圧手段を有しており、対象物の大きさや材質等に
応じて充電するコンデンサが選択されるようになってい
る。また、始動用の図示しないスイッチング回路を備え
ており、このスイッチング回路での始動によってギャッ
プＧでの放電が発生するようになっている。スイッチン
グ回路での始動用の機構には、例えば、針電極とテフロ
ン管とによる沿面放電を用いた始動ギャップなどが用い
られる。

【００１９】また一般に、大気中で放電を発生させるに
あたっては、ギャップＧと電極形状（放電プローブ２０
先端および対象物Ｔ）とに応じた所定の電圧が必要とさ
れる。例えば、平行板間での放電は、球形同士の間での
放電に比べて高い電圧が必要である。本実施形態では、
図１に戻り、放電プローブ２０の先端と動翼Ｔとのギャ
ップＧが数ｍｍ程度の所定値に予め定められており、放
電コントローラ２２は、ギャップＧ間が放電に要する電
圧よりもやや高い電圧となるように、放電プローブ２０
に電位を与えるようになっている。なお、この電位によ
って生じる放電では動翼Ｔの表面等に損傷や材料の変質
が起こらないことが予め確認されている。

【００２０】信号検出部３は、動翼Ｔの物理的な応答を
電気信号に変換して検出するものであり、応答変換器３
０および増幅器３１からなる。増幅器３１は、応答変換
器３０からの電気信号を後続の信号処理が可能になるま
で増幅して調整するものである。応答変換器３０には、
非接触方式のものが適用され、ここでは、対象物にレー
ザ光を照射して反射光のドップラーシフト周波数から速
度の時間応答を求めるレーザドップラ速度計３０が用い
られている。また、このレーザドップラ速度計３０は、
他の可動機構と干渉しない少し離れた場所から、例えば
対象物の自由端側といった応答の検出に適切な箇所に向
けてレーザ光を照射および反射光を受光するように配設
される。なお、応答変換器３０には、このレーザドップ
ラ速度計のほか、渦電流やレーザ光、静電容量等を利用
した変位計といったものが用いられる。

【００２１】信号処理部４には、ここではＦＦＴ（Fast
Fourier Transform）アナライザが用いられている。Ｆ
ＦＴアナライザ４は、信号検出部３からの電気信号をデ
ジタル信号に変換して必要な演算を行った後、結果を周
波数軸上に対して表すものであり、この結果は制御部５
に出力されるようになっている。なお信号処理部４に
は、このＦＦＴアナライザのほか、信号処理ソフトを内
蔵するコンピュータが用いられる。

【００２２】制御部５は、上述したシステム全体を統括
して制御するものであり、動翼Ｔの振動試験を自動的に
連続して行えるように各部へ指示するようになってい
る。

【００２３】上記構成の振動試験装置において、動翼Ｔ
の固有振動数を計測するための振動試験を行う際の動作
の流れを以下説明する。外部から受け取った動翼Ｔを交
換機構１１が支持機構１０のタブテイル溝１０ａに装着
してセットする。動翼Ｔの設置が確認されると、プロー
ブ案内機構２１が駆動して所定のギャップＧとなるよう
に放電プローブ２０を動翼Ｔへ近づける。そして、放電
コントローラ２２が放電プローブ２０に所定の電位を与
えることにより、ギャップＧで放電が起こる。

【００２４】このとき、動翼Ｔは放電によって微小かつ
極めて短時間の衝撃波を受けることになる。衝撃波によ
って加振された動翼Ｔの速度応答をレーザドップラ速度
計３０が時刻歴アナログ信号として検出する。ＦＦＴア
ナライザ４は、増幅器３１を通して受けた振動をデジタ
ル信号に変換して必要な演算を行い、周波数軸状に表し
た結果を制御部５へ出力する。こうした一連の振動試験
が完了すると、交換機構１１が次のタービン翼Ｔを入れ
換えて支持機構１０セットして次の振動試験が行われ
る。このような一連の流れが繰り返され、自動的に動翼
Ｔの振動検査が連続的に実行される。

【００２５】図４には、上述のように放電を利用した動
翼Ｔの固有振動数の測定結果が示されている。この波形
図を見ると、５０ｋＨｚを超える周波数領域においても
固有振動数を確実に検出していることが分かる。

【００２６】すなわち、本実施形態によれば、放電プロ
ーブ２０と動翼Ｔとの間で放電を発生させることで動翼
Ｔに継続時間の極めて短い衝撃波を与えて動翼Ｔを加振
することができる。これにより高周波のスペクトルを得
ることができ、打撃試験では難しい５０ｋＨｚを超える
高周波の振動試験にも対応することができる。また放電
による加振は、打撃による加振に比べてノイズが少なく
小さな加振エネルギーでも固有振動数を検出しやすいの
で、表面等に損傷を与えることなく動翼Ｔを十分に加振
することができる。また、本実施形態では、放電プロー
ブ２０と動翼Ｔとの間の電位差を変化させる変圧手段を
備えているので、様々な特性の対象物に対しても振動試
験を確実に行うことができる。さらに、プローブ案内機
構２１によって放電プローブ２０と動翼Ｔとの距離を変
化させることで、対象物の大きさの変化にも容易に対応
することができる。

【００２７】また、本実施形態では、電気的な信号によ
って対象物を加振するので、実施者の技術や熟練度に精
度が大きく依存するといったことがない。そのため、少
ない回数で精度の高い試験をすることが可能となり、試
験に要する労力を軽減することができる。さらに、放電
プローブ２０の先端を動翼Ｔに近づけて加振するため、
加振点を特定しやすく狙った位置を確実に加振すること
ができる。

【００２８】しかも本実施形態では、レーザドップラ速
度計３０を用いて加振・応答検出をともに非接触とし、
交換機構１１によって動翼Ｔを自動的に入れ換えて設置
するように構成することで、複数の動翼Ｔを連続的に振
動試験するといったことを簡単な機構で実現している。
また、支持機構１０には動翼Ｔをはめ込んで設置するた
めのタブテイル状の溝１０ａが形成されており、動翼Ｔ
の取り付け・取り外しを容易に行うことができ、確実に
動翼Ｔを保持することができる。

【００２９】なお、本実施形態では、放電コントロール
内のコンデンサを利用して放電を発生させているが、本
発明は、圧電素子や静電気を利用して放電を発生させる
構成をも含むものとする。特に圧電素子を用いた場合に
は、放電のための電源を必要とせず、さらに簡易な機構
で放電を発生させることが可能となり、装置をコンパク
トに構成することが可能になる。

【００３０】また、対象物からアースされる放電電流を
例えば可変抵抗器などによってその流れをコントロール
し、放電時間をある程度制御するような構成としてもよ
い。放電時間を制御することで対象物に応じて対象周波
数領域を変化させるといったことが可能になる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
以下の効果を得ることができる。請求項１に係る振動試
験装置は、加振部が放電プローブと放電コントローラと
を備えているので、放電プローブと対象物との間で放電
を発生させることで対象物に継続時間の極めて短い衝撃
波を与えて対象物を加振することができる。継続時間の
極めて短い衝撃波を用いるため、打撃試験では難しい５
０ｋＨｚを超える高周波の振動試験にも対応することが
できる。またこの装置は、電気的な信号によって対象物
を加振するので、実施者の技術や熟練度に精度が大きく
依存するといったことがない。そのため、少ない回数で
精度の高い試験をすることが可能となり、試験に要する
労力を軽減することができる。さらに、簡単な機構で加
振できるので、自動化に向けた装置を容易に構成するこ
とができる。

【００３２】また、放電を利用して加振するので、比較
的小さい対象物の振動試験に適している。すなわち、打
撃ハンマで打撃する箇所が定まり難いような小さい構造
物（対象物）であっても、放電を利用して容易に加振す
ることができる。同様に、組み立てられた状態の部品の
振動試験にも容易に適用することができ、様々な構造物
に広く応用することができる。

【００３３】請求項２に係る振動試験装置では、放電プ
ローブと対象物との間の電位差を変化させる変圧手段を
備えているので、特性に応じてその対象物に適したエネ
ルギー量の放電を生じさせることで、様々な特性の対象
物に対する振動試験を確実に行うことができる。また、
電位差を変化させることで放電による対象物の損傷を容
易に防ぐことができる。

【００３４】請求項３に係る振動試験装置では、プロー
ブ案内機構が放電プローブと対象物との距離を変化させ
るので、対象物の大きさの変化にも容易に対応すること
ができる。しかも、対象物の特性に応じて放電プローブ
と対象物とを放電に最適な距離として、効率的に対象物
を加振することができる。また、放電プローブを移動さ
せることで対象物の取り付け・取り外しが容易に行える
ようになる。

【００３５】請求項４に係る振動試験装置では、信号検
出部が非接触式の応答変換器を備えているので、対象物
の取り付け・取り外しをさらに容易に行うことができる
とともに、自動化を容易に実現できるようになる。

【００３６】請求項５に係る振動試験装置では、交換機
構が対象物を自動的に入れ換えて設置するので、複数の
対象物を連続的に試験することができる。このため、試
験に要する労力を大幅に軽減することができる。

【００３７】請求項６に係る振動試験装置では、支持機
構に対象物の一部をはめ込んで設置するための溝が形成
されているので、対象物の取り付け・取り外しを容易に
行うことができる。このため、自動化をさらに容易に実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施形態を示す構成図であ
る。

【図２】本発明に係る一実施形態の全体のシステム構
成を示すブロック図である。

【図３】放電用の基本的な等価回路を示す回路図であ
る。

【図４】放電を利用した動翼の固有振動数の測定結果
を示す波形図である。

【図５】打撃ハンマによる打撃加振力を示す波形図で
あり、（ａ）は時間歴波形、（ｂ）は周波数スペクトル
を示している。

【符号の説明】

Ｔ動翼（対象物）Ｇギャップ１支持部２加振部３信号検出部４ＦＦＴアナライザ（信号処理部）５制御部１０支持機構１１交換機構１０ａ溝２０放電プローブ２１プローブ案内機構２２放電コントローラ３０レーザドップラ速度計（応答変換器）３１増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部に設置された対象物を加振部によ
って加振して、該対象物の応答を信号検出部で検出する
振動試験装置であって、前記加振部は、先端を前記対象物に近づけて配される放
電プローブと、該放電プローブと前記対象物との間に電
位差を与えて放電を発生させる放電コントローラとを備
えることを特徴とする振動試験装置。
【請求項２】前記放電コントローラは、前記放電プロ
ーブと前記対象物との間の電位差を変化させる変圧手段
を備えることを特徴とする請求項１記載の振動試験装
置。
【請求項３】前記加振部は、前記放電プローブを保持
しかつ該放電プローブと前記対象物との距離を変化させ
るプローブ案内機構を備えることを特徴とする請求項１
または２記載の振動試験装置。
【請求項４】前記信号検出部は、前記対象物の応答を
非接触で検出する非接触式の応答変換器を備えることを
特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動試験
装置。
【請求項５】前記支持部は、前記対象物を自動的に入
れ換えて設置する交換機構を備えることを特徴とする請
求項１から４のいずれかに記載の振動試験装置。
【請求項６】前記支持部は、前記対象物の一部をはめ
込んで設置するための溝が形成された支持機構を備える
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振
動試験装置。