JPH03225255A

JPH03225255A - 弾性係数測定方法

Info

Publication number: JPH03225255A
Application number: JP2145990A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Tagami; 田上　寛男
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1990-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1991-10-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、メカニカルシールのカーボン製摺動リング
等のように、比較的小寸法の機械部品を加工、破壊せず
にその弾性係数を測定することのできる弾性係数測定方
法に関する。

（従来の技術）一般に攪拌機、ミキサー等に使用されるメカニカルシー
ルの構成部品にはカーボン製摺動リングがある。この際
、密封圧力の変化による摺動リングの弾性変形量が密封
性能に多大な影響を及ぼすため、取扱者は摺動リングの
弾性係数を予め把握しておく必要がある。

従来、上記のような機械部品の弾性係数の測定は、次の
ようにして行なわれる。まず、機械部品用の素材を所定
の寸法に加工して試料を作成するとともに、この試料を
各種の測定装置にかけて引張り試験２曲げ試験等を行な
い機械部品の弾性係数を測定する。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来例においては、素材を各種の測定装
置に適用できる形状・大きさの試料に加工しなければな
らないため非常に面倒である。また、素材が機械部品と
して完成するまでの間にその機械的特性が変化する場合
もあり、試料から測定した弾性係数が完成した機械部品
の弾性係数と一致しないこともある。従って、完成した
機械部品から試料を採取し、その試料を測定装置にがけ
れば弾性係数を正確に測定できるのであるが、前述した
メカニカルシールの摺動リング等、比較的小寸法の機械
部品からは、測定装置に適用できる形状・大きさの試料
を採取することが不可能な場合が多い、更にまた、完成
した機械部品を破壊して試料を採取することは製造工程
及び機械部品の無駄（使用不可能となる）である。

この発明は上記課題を解決するためのもので、例えばメ
カニカルシールの摺動リングのような比較的小寸法の機
械部品を破壊、加エセずにそのまま試料として適用して
弾性係数の測定を行い得る弾性係数測定方法を提供する
ことを目的としている。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、この発明は弧状の曲面を有す
る測定子を試料の表面に所定の荷重で圧接して試料を弾
性変形させ、その弾性変形量からヘルツの理論に基づい
て試料の弾性係数を求めるように構成したものである。

また、測定子としては球１円柱が使用される。

（作　用）上記構成に基づくこの発明は、測定子を試料の表面に対
して所定の荷重で圧接し、試料を弾性変形させる。この
弾性変形量に基づき、材料力学のヘルツの理論により試
料の弾性係数が求められる。

また、測定子への荷重を解除すると、試料は元の形状に
復帰する。

（実施例）次に、この発明の実施例を添付図面により説明する。

第１図は本発明に使用する測定装置１の概略構成を示す
一部切欠正面図である。基台２上には支柱３が立設され
ており、この支柱３の上部には、プーリ４．５を有する
アーム６が設けられている。

７は支柱３に装着したガイド部材で、このガイド部材７
は図示しない機構（例えば、ウオームとラック）により
支柱３に沿って矢印Ａのように上昇。

下降、及び所定の高さでの停止ができるようになってい
る。そして、ガイド部材７には基台２上のテーブル８に
対応する位置を上下に貫通するガイド孔９が設けられて
いるとともに、中空部１０を有する差動トランス１１が
載置されている。この差動トランス１１は後述する測定
子の移動量を検出するためのもので、絶縁ボビン、−次
・二次コイル等（いずれも図示せず）を有する周知構成
のものであり、図示しない電源部９発振器、増幅器。

整流器、指示計等に接続されている。

前記プーリ４．５には有端状のワイヤー１２が張設され
ており、このワイヤー１２の一端側には、差動トランス
１１の中空部１０及びガイド部材７のガイド孔９に挿入
したロッド１３が設けられ、他端側には着脱自在のバラ
ンスウェイト１４が設けられている。ロッド１３の下端
には球（測定子）１６が固定されている。この球１６は
弾性係数及びポアソン比が明らかなものを使用している
とともに、予め所定の半径に設定されている。なお、ロ
ッド１３は差動トランス１１に対するコアとしての役割
を果している。

１７はロッド１３の上端側に設けた円板状のプレート１
８上に載置した荷重付与手段で、この荷重付与手段１７
は球１６を、テーブル８上にｉｌ！した試料１９の平ら
な表面に対して直角に圧接させることにより、試料１９
の表面を弾性変形させるためのものである。そして、こ
の荷重付与手段１７は異なる荷重のものが多数あって、
それらを増、減できるようになっている。

次に、上記測定装置１を用いて試料１９の弾性係数を測
定する方法を説明する。

まず、予め測定しようとする試料の大きさに合せてガイ
ド部材７を昇降させ、適切な高さに位置決めする。次に
、テーブル８上にメカニカルシールのカーボン摺動リン
グ等の機械部品をそのまま試料１９として載置するとと
もに、図示しない固定手段により試料１９を固定する。

そして、試料１９の表面に球１６を接触させ（第２図（
ａ））た後、荷重付与手段１７により荷重を与えるとロ
ッド１３はガイド孔９内を移動（下降）し、第２図Φ）
又は（Ｃ）のように試料１９の表面が弾性変形（くぼむ
）することとなる、上記作用中、ロッド１３の自重が初
期荷重、荷重付与手段１７により与えられる荷重が二次
荷重となる。ゴムなどの弾性係数の小さいものを試料と
するには、ロッド１３の荷重でも重すぎるため、バラン
スウェイト１４により調節する。

この試料１９の弾性変形時における球１６の移動量、即
ち、弾性変形量り、（ｈｔ）は、差動トランス１１によ
り検出される。即ち、ロッド１３が差動トランス１１の
中空部１０内を移動すると、その位置により図示しない
コイル間の相互インダクタンスの変化に応じて電圧が発
生し、その出力差は図示しない指示計に表れることとな
る。そして、荷重付与手段１７による荷重の付与を解除
すると、試料１９は元の形状に復帰する。

ここで、差動トランス１１により検出した試料１９の弾
性変形１ｈ＋（ｈｔ）から、試料１９の弾性係数を求め
る原理を述べる。即ち、上記試料１９の弾性変形量は、
弾性力学のヘルツの式で与えられる。今、Ｒ：球の半径ＥＡ　：試料の弾性係数 ν＾　：試料のポアソン比Ｅ、二球の弾性係数シ、二球のポアソン比Ｐ　：球に与える荷重とすると、球１６が試料１９の表面に食い込む弾性変形
１ｈは次の式で与えられる。

ここで、　Ｅ　、＞＞　ＥＡとすると（１）式の第二項
は無視できるので式は簡単になり、 ”＝　Ｉ：Ｒ（響）′Ｐ８　　　　　・・・・・・（２
）となる、いま、初期荷重Ｐ、による弾性変形量り。

の状態から二次荷重をＰ２に増加させた場合の弾性変形
１ｈｘ　は（２）式からｈ孟−ｈ？＝　　９　　（テ）ｘ×（Ｐ孟岬り一　ν １６ＲＥとなり、これを書き換えると上式は、Ｅａ＝　（（（Ｐ：Ｐ？）／（ｈ孟−ｈ？））Ｘ（９／１６Ｒ）Ｘ（１−シ
二内η・・・・・・（３）となる。

ここで未知数がＥ、及びν、の２個となり、そのままで
は求められないが、ν、を仮定すると（３）式から弾性
係数Ｅ、が求められる。一般に使用される材料のポアソ
ン比はほぼ０．２〜０．３である。ポアソン比を仮定し
た場合の精度に及ぼす影響としては（１−ｖ”）”（Ｄ
値ハｖ　＝　０．２オヨび０．３テ、それぞれ０．９２
．０．８３であり、シー０．２５として扱っても誤差は
±５％以内となる。ゴム材料を計測する場合はシ’：、
０．５として計算すればよい。

今、試料１９としてメカニカルシールのカーボン製の摺
動リングを用意して測定装置１で弾性変形させ、その測
定値から摺動リングの弾性係数を算出したところ、下表
の結果が得られた０表中には初期荷重Ｏｇ、二次荷重５
ｇ、硬球１６の半径φ０．５誼の場合についての例を示
している。

（以下余白）表（荷重５ｇ。

ν＝０．２５の場合）上記の結果、測定箇所「３」が何等かの原因で局部的に
弾性係数Ｂ、が低下しているのが判る。

このように、本発明においては、球１６に所定の荷重を
与えて試料１９を弾性変形させ、その弾性変形量りを用
いて試料１９の弾性係数ＥＡを求められるとともに、試
料１９に対する球１６の圧接を解除すれば、試料１９の
表面は元の平らな状態に復帰することとなる。

従って、比較的小寸法の機械部品を加工・破壊すること
なくそのまま試料として用い、その弾性係数を測定でき
るから、機械部品の製造工程１機械部品自体の無駄がな
く、測定作業能率も大幅に向上するという効果がある。

また、測定子が第３図のように円柱２０である時につい
て説明する。

まず、半ｐＩ：ｒ　ｌ　＋半径「、の円柱２０．２１が
線接触する場合、それぞれのヤング率をＥｌ、Ｅｌ、ポ
アソン比をシ６．ν２、単位長さあたりの荷重をｑとす
ると、接触面の輻すは次式で与えられる。

（中層一部著ｒ材料力学」養賢堂より抜粋）ここで、円
柱２０と試料１９の平面との接触を考えると、ｒ２−ω
となるからｒ＋＝ｒとおき直して（１）式は、となる。

今、Ｅ　ｔ＞＞　Ｅと仮定し、Ｅ　＋　＝　　Ｅ ν１；νとすると、の簡単な式で表わされる。

第４図において試料１９の弾性変形量りは、ｂ”＋（ｒ
　−ｈ）”−ｒ”　　　　　　　　　　　　（７）の関
係が成立するが、ｈ　＜＜　ｒであるがら、ｈ＝ｂ”／
２ｒ　　　　　　　　　　　　　（８）となる、そこで
、（方式に（８）式を代入すると、の関係式が得られる
。この（９）式においてνを仮定し、荷重ｑに対する弾
性変形量りを計測すれば、試料１９の弾性係数Ｅを（９
）式の関係から求めることができる。

なお、上記実施例においては、ガイド部材７が支柱３に
対して昇降自在となるように構成しているが、差動トラ
ンスＩＩがガイド部材７上を昇降できるように構成（例
えば、送りネジ等）し、試料１９の大きさに合せて位置
（高さ）調整を行ってもよい。

（発明の効果）このように、本発明においては、測定子に所定の荷重を
与えて試料を弾性変形させ、その弾性変形量を用いてヘ
ルツの理論から試料の弾性係数を求められるとともに、
試料に対する測定子の荷重を解除すれば、試料の表面は
元の平らな状態に復帰することとなる。

従って、比較的小寸法の機械部品を加工・破壊すること
なくそのまま試料として用い、その弾性係数を測定でき
るから、機械部品の製造工程３機械部品自体の無駄がな
く、測定作業能率も大幅に向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用される測定装置の一部切欠正面図
、第２図（ａ）〜（Ｃ）、第３図、第４図は試料の弾性
変形を示す正面断面図である。符号の説明ｌ・・・球（測定子）　　　２０・・・円柱（測定子）
１９・・・試料り、ｈ、、ｈ！・・・弾性変形量第図第区＜ａ＞Ｃｂ）（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）弧状の曲面を有する測定子を試料の表面に所定の
荷重で圧接して試料を弾性変形させ、その弾性変形量か
らヘルツの理論に基づいて試料の弾性係数を求めること
を特徴とする弾性係数測定方法。
（２）測定子が球である請求項１に記載の弾性係数測定
方法。
（３）測定子が円柱である請求項１に記載の弾性係数測
定方法。