中空ねじりせん断試験装置レストアプロジェクト

中空ねじりせん断試験装置レストアプロジェクト†

　2023年4月から本専攻地震工学研究室助教として，志賀先生が東大生研から赴任されました．その際に，とあるT大学から不動になった「中空ねじりせん断試験装置」を頂いて来ました．東大生研の清田研在籍時は，中空も使いながら研究されていたということで，本学においてもやりたいと熱望されておりました．そこで，サプライヤーの誠研舎亡き後，無謀ながら一からレストアして復活を試みようという企画をはじめました．三軸試験装置レストアに続く第二弾です．研究で使用できる試験装置に復元してみせます「じっちゃんの名にかけて」．コスト調達の問題があるので，何年かかるか分かりませんが，気長にコツコツと作業したいと思います．以下に示す作業内容は，備忘録としてだけではなく，これから試験機の整備を考えている方々に向けて，ノウハウを少しだけお裾分けしたいと考えてます．更新は不定期，掲載は順不同ですので，予めご了承ください．

　継手やその他交換部品は，大多数がモノタロウやミスミ，圧力計は東洋計器興業 [LINK]，バルブおよび水経路用継手はSwagelok [LINK]，レギュレータはFairchild [LINK]，アクリルははざいや [LINK] から調達しました．残念ながら，図面は誠研舎が廃棄してしまったので，交換部品を作製する場合は，全てリバースエンジニアリングによって，自分で作図しないといけません．そのため，最低限，三次元CADと機械製図の知識は必須となります．今回のプロジェクトでは，時間短縮と利便性を考慮して，三次元モデルをWEBページに放り込むと，自動で見積りから発注まで行ってくれる「ミスミMeviy」[LINK] を多用しました．

納品の様子†

• 2022年9月15日，T大学から大きなお届け物を納品しました．ラップでグルグル巻きになってましたが，開けてみると，載荷装置はどっかで見たタイプでした．トルク伝達機構がちょっと違うかもしれませんが，恐らく，本研究室の初代と同年代に製造された載荷装置だと思います．
• 載荷試験装置は，ラックandピニオン形式でしたが，モーターが付いてませんでした．初代のDCモータを移植できるか，検討が必要です．
• 外部変位計の支柱に青錆び（図3）が発生していました．真鍮製の丸鋼をニッケルクロムメッキしたものと推測できます．磨いて再生は不可能と判断し，これはSUS304に置き換えます．
• 垂直力載荷軸のボールスプラインが初代と同じものでした．この部分はそのまま移植できそうです．モータブラケットは異なる大きさなので，交換が必要かな．
• セル水槽が付いていたであろう一次圧供給用制御盤（図6）は不要なので，トラップを抜いて，このままポイです．
• この制御BOX（図7）は繰返し三軸試験機と兼用していたようです．本研究室では，荷重制御はしないので，これも必要な部分を除いて，同様にポイです．
   

  1.載荷装置の様子	2.心配そうな池田教授	3.外部変位計の支柱錆びてます	4.プチプチに包まった圧力室

  
  

  5.セル水槽付いて無かった	6.制御装置は使えんな	7.これは再利用します

分解の様子†

• 2024年4月9日，不用になった一次圧供給用制御盤を分解して廃棄する準備を行いました．分解作業は，回収業者に嫌がれないように，アルミ，鉄，ステンレス，真鍮，プラ等材質ごとに細かく分別できるまで行います．
• 継手類は青錆が進行してましたので，もったいないですが，ポイしました．
• エアフィルタ（図10）は，制御盤に設置されていなかったので，分解清掃して再利用します．
• 2024年6月7日，上記作業の続きで，荷重制御用BOXを分解しました．
• 残ったものは，渦電流式変位計GAP-Sensorのアンプ1個と誠試工製の動ひずみアンプ1個でした．細かい事ですが，なんで，誠研舎製のBOXに，後者が混じっているのかが最大の謎として残りました．理由を知る術はありませんが・・・．
   

  8.この子らはバラバラにされます	9.継手もバラバラです	10.残ったものは再利用です	11.裏のハッチが無くなりました

  
  

  12.残すは下半分です	13.ほとんど残りませんでした

載荷装置編†

　載荷装置の反力フレームは，採寸の結果，読み通り，本研究室初代装置と同型のものでした．そこで，装置上物をそっくり初代と交換移植することを考えました．そうすることにより，制御プログラムや電動レギュレータ内臓のセル圧や背圧載荷装置もそのまま使用できることになります．装置下物は清掃と一部部品交換程度ですので，倉庫に眠っていた初代を復活させるだけで，試験装置の要である載荷・制御の部分を超低コストでレストアすることができます．

下準備†

• 2023年12月5日，載荷装置の反力フレームをバラバラに分解しました．稀に，はめあいがシビアな場合があるので，支柱の位置は元あった場所に戻せるようにマークすることが大切です．
• 2023年12月18日，載荷装置の清掃を行いました．使用した道具は，キムタオル，スクレーパー，ガムテープはがし液（図2）です．ちなみに，キムタオルは4枚重ねになってますので，面倒ですが，1枚1枚分けて使用したほうが拭きやすいです．
• 装置についた汚れを落とす，と言っても，劣化したガムテープの貼り跡は，最大の敵です．この場合は「ガムテープはがし液」（図5）が効果的．油臭い臭いがありますが，キレイにベタベタしたノリを除去できます．これがあるからケーブルを束ねる時はテープ類はなるべく使用しないほうが良いです．
• 4本の支柱はフレームに建てて作業しました．
   

  1.分解された部品達	2.使用した道具	3.清掃後の様子	4.テープのノリ痕はがし，最悪です

  
  

  5.現代文明の力，はがし液	6.載荷装置下物清掃後の様子

載荷装置マウントベース加工†

• 載荷装置上物に関しては，初代装置が実装できるかを，三次元CAD（図7）内でモデルを作成して，組立ができるかを検討しました．その結果，垂直方向のベアリングAssyが，無加工でそのまま載ることが判明し，載荷装置マウントベースを一部追加工することで，全てを実装できることが分かりました．とてもラッキーな結果でしたが，1個1個部品を実寸で3Dモデル化しないといけないので，多くの時間を費やしました・・・．
• 2024年4月10日，トルク用モータブラケットやラックギアマウントの設置場所が新旧で異なるので，載荷装置マウントベースに追加工を施しました．それらの座ぐり穴開け箇所を確保することが困難でしたので，ベースの前後をひっくり返して使用することとしました．これに伴って，外部変位計用支柱の取り付け穴も反対側に加工しました．加工は精度を要求するので，マシニングセンターで行うために，本学工作センターに委託しました．なお，加工用の図面（図8）はこちらで用意しました．
• さすがにマシニングで加工しただけあって，とてもきれいな仕上がりです．念のため，図10のように，トルク関連の装置を地上で仮組して，マウントベースに納まるか確認しました．
   

  7.三次元CADによる検討	8.設計図面	9.追加工後のベースの様子	10.仮組の様子

載荷装置モータ・ジャッキ設置†

• 2024年4月13日，載荷装置モータ・ジャッキ類を設置しました．前述のマウントベースは地震研の学生に手伝ってもらって設置済みです．まずは垂直力載荷用ジャッキ設置用の柱と梁を設置（図11）しました．その後はギアボックスの設置を行います．とは言っても，この作業が最も過酷なもので，天井スレスレの位置にギアボックスを置かないといけません．一人で実施しましたが，今考えると無謀だったと思います．今回は，写真では見切れてますが，退役の電空レギュレータBOXを踏み台にして，ピストンをせっせと出して，ボックス本体を持ち上げて，梁にネジ留めする方法で固定しました．ピストンを全開したので腕がパンパンになりました．重量物設置作業は複数人で行いましょう．
• 垂直力およびトルクの物理ストッパー用スイッチ（図12）は，試験装置の保護に最も役立つものなので，載荷ストロークに応じて適正な位置に設置します．最初は，直ぐに効くような，キツメな位置に設置するほうが良いです．
• 垂直方向のベアリングAssy，ラックandピニオンギアボックスともに，精度の高い追加工のお陰で，マウントベースにピタッと納める事ができました．本来は，固定用のボルト穴の公差を厳し目に設定したい所ですが，万が一はまらないことを考えるとゾッとするので，少し甘めに設定してあります．その分，しっかりトルクをかけてボルトを締めておきます．
   

  11.垂直力載荷用ジャッキ設置	12.垂直力載荷用ストッパー設置	13.垂直力載荷用電磁クラッチ設置	14.垂直力載荷用モータ設置

  
  

  15.垂直力載荷用主軸設置	16.トルク載荷用モータ・ジャッキ設置

モータコントローラー設置†

• 2024年7月3日，モータコントローラー設置作業を行いました．コントローラーは実験者の操作性を考慮して，4本の反力フレーム支柱に設置します．ここで大きな問題が発生しました．図17の支柱用のブラケットが1台分しか無いことに気づきました．色々探しましたが，類似のものは見つけることができませんでした．恐らくワンオフ加工品だと思います．切削品ではなくて板金物なので，図面書いたり，小ロット品を受けてくれる外注先を探す必要があり，かなり面倒になります．そこで，1台分を半分に分けて，不足分を3Dプリンタで作製することとしました．
• 3Dプリンタ用のフィラメントは，エンジニアリングプラスチックの中からABSよりも安定性に定評があるASAを選択しました．印刷時の設定が難しいですけどね・・・．剛性を上げるために肉厚に設計したつもりでしたが，甘かったです．図20のように設置はできましたが，少しフニャフニャな感じになっていました．時間ができたら，またやり直したいです．
   

  17.ブラケットもはや貴重な存在かも	18.3Dプリンタで複製中	19.ネジ穴タップ加工	20.モータコントローラー設置

外部変位計用支柱の交換†

• 2024年7月11日，注文していた外部変位計用支柱が届いたので，設置作業を行いました．はじめに，支柱取付用のブラケットの磨き作業を行いました．錆がメッキの上に浮いていたので，本来は作り直したかったのですが，コスト縮減のため磨きだけで済ませました．そもそも変位計ターゲット設置には影響を与えない部品ですが，見た目がアレなもので・・・．
• 手磨き作業で使用した道具は，キムタオルと伝家の宝刀ピカール（図22）です．浮き錆は置いておいて，それ以外は予想以上にピカピカになりました．
• 新調した支柱は，割高ですが，錆びのことを考えてSUS304製にしました．特に，長岡は湿度が高いので，ほっとくと直ぐに錆が浮いてきます．それと，変位計ターゲットの上下動作が渋いと，細やかな設置作業ができない（ストレスになる）ので，硬質クロムメッキを施してあります．なお，硬度の指定は不要ですので，焼きは入れてません．
   

  21.支柱取付用ブラケット	22.手磨きの様子	23.磨き後の様子	24.新品の支柱納品

  
  

  25.外部変位計	26.支柱設置完了

測定・制御系編†

　初代中空ねじりせん断試験装置のモータ・ジャッキ移植が完了したので，測定・制御系を整備しました．まずは動かす事を目的に，豊田教授が作成したプレーンなプログラム，静的データロガー，D/A変換ボードを使用してシステムを構築したいと思います．

PCラックの組立てとPC，データロガーの接続†

• 2024年5月20日，PCラックの組立てと垂直力，トルク用モータの動作確認まで一気に行いました．
• PCラックは，データロガーや重量のある電動レギュレータBOXを搭載する必要から，いつもサンワサプライ製の高耐荷重仕様 [LINK] のものを選択してます．特に，棚板にパンチ穴が開いているので，インシュロックタイで固定が容易で，地震時の飛び出しを防げる点が大きいです．
• 制御プログラムはVB6.0で作成してあるので，OSインストール時はバージョンに合わせてランタイムライブラリーを同時にインストールします．これで，過去の遺産を使い続けることができます．問題は，I/O関係のIFボードのドライバーサポートと規格です．垂直力，トルクともに比較的古いタイプのDCサーボモータですので，制御信号としてアナログを使用します．そのため，I/Oとしては，D/Aボードが必要となります．もし，最新のWindowsにドライバーが対応できなくなるとジエンドになります．また，本研究室で所有するのものは，全てPCIバス仕様のもので，ほとんどのPCでPCI-Expressが採用されており，拡張ボードを実装できない状況です．つまり，D/AボードをPCI-Express仕様に変更するとすると，制御プログラム中の制御コマンド（API関数）を新しいものに合わせて，刷新する必要が生じ，途方もない更新作業を強いられることになります．教授はこれをものすごく嫌がってます・・・．ハード，ソフトともに，現代の潮流に合わせてマメに対応しないと，直ぐに試験装置がゴミ化するのは困りものです．そこで，本研究室では，横着な研究者の強力な味方である，ライザーカードをPCに導入し，PCIバスをPCI-Express経由で動かすことを行ってます．
• 本来はContec製の拡張シャーシを使いたいところですが，今回の整備ではコスト縮減のため，市販のライザーカードを使用しました．
• 使用したデータロガーは共和電業製のUCAMです．イーサネット通信出始めの機種なので，A/D変換ボードが不要で，スイッチングハブを1個挟めば直ぐに測定できるのは楽ですね．ただし，静的なロガーなので，早い実験はできませんが・・・．
• 長年倉庫で眠ってましたが，動作確認の結果，各モータのSTOP，CW（時計回り），CCW（反時計回り），回転数変化，リミットON，リミットOFF，クラッチON，クラッチOFFが一発でクリアーしました．さすが，誠研舎のものはガッチリしてます．
   

  1.PCラックの組立て	2.制御用PCにOSをインストール	3.インターフェースボード設置	4.PCラックにPCやロガーを設置

  
  

  5.制御信号ケーブル接続と動作確認

制御盤編†

　制御盤は使えるところがほとんど有りませんでしたので，やり直しに近いです．三軸試験装置レストア時のように，板金塗装を行いたいところですが，時間短縮の意味で，この作業は後回しにします．交換部品の再設置は，なるべく他の制御盤とレイアウトを合わせて使用性を揃えるようにしたいと思ってます．体積計，供試体上下排水経路をまとめたブロック，本研究室では通称Cブロックが盤面に存在してましたので，制御盤素体は活かせると思います．問題は，レギュレータ設置位置が低い位置に来るので，二重負圧の操作がやり難くなる事です．しゃがんで精密な操作をすることになるので，若く無いとできません．
　残念ながら，脱気水槽，アクリル水槽，セル水槽は完全に新規作製が必要です．また，各圧力ゲージは旧単位系でしたので，これも新調する必要があります．それと，バルブは使えなそうなので，全て交換が必要なんですが，銅素材の価格高騰の影響で，ステンレス製のバルブの方が安いというあべこべの現象が起きてます．ところで，今回のバルブ全交換代金だけで，昔の制御盤1台買える価格にまで物価が高騰してました．土質実験を手放したくなる気持ちが良く分かります・・・．

下準備†

• 2024年4月20日，制御盤から不要なものを除去する作業を行いました．とは言っても，バルブ，圧力ゲージ，エアフィルタ，ビュレット等全部ですけど．
• 供試体排水量測定用のビュレットは，コストダウン目的で，オーバーホールする程度で，差圧計を付けたまま使用したいと思います．てか，いつのものか不明な水が残ってました・・・．
• 圧力ゲージは前述の通りで，全てポイです．特に，当時のマスターゲージが馬鹿デカいので，拡張プレートを自作して，新しいものを埋め込む必要があります．
• バルーンは使用しないので，今回はオミットします．一方で，重要な下部背圧槽は，上下の蓋が真鍮にクロムメッキしたものなので，すでに錆び錆びになってました．今回は，この蓋部分だけリバースエンジニアリングで図面を起して，ステンレス（SUS304）製のものに置き換えようと思います．
   

  1.作業前の様子	2.無駄なもんを除去した後の様子	3.ビュレットに水が残ってる	4.余計な表示は全て除去

  
  

  5.外された子たち	6.クリーニングを待つ子たち

キャスター取付†

• 2024年7月3日，制御盤にキャスターが無かったので，部品を調達して設置しました．キャスターは，経年で床を傷つけることを嫌がって，ゴム製では無くて，ナイロン樹脂製のものを選択しました．
• 制御盤を横向きにおいて，キャスター取付ボルト設置個所をケガキ用デジタルノギスでケガキました．このノギスは秀逸な道具で，ノギスの片側のジョーに超硬チップが埋め込まれているので，1/100mmの精度で，測定とケガキを同時に行うことができる優れものです．余談ですが，新潟県の大学ですので地域貢献という意味を込めて，作業用道具はなるべく燕三条製のもので揃えてます．
• ケガキ後は，ポンチ作業で精度を落としたくないので，これまた超硬チップが先端に付いたオートポンチで一発撃ちしてます．
• キリ穴は，センタードリルから始まり，少しづつ径をを大きくして，キャスター取付ボルト径+1mmの大きさまで開けます．ドリルはハンドドリルです．10mm径以上のツイストドリルを使用する場合は，チャックはそのままで，10mmストレートシャンクのノス型ドリルに切り替えて作業を行います．
• キリ穴貫通後はキャスターを組み込み，座金，ナットで締結します．後々のことを考えて，使用するものはユニクロ製のものではなくて，ケチらずSUS製を使用します．この場合，キャスター側の六角部分の掴みしろが薄いことが多いので，極薄のモンキーレンチまたはスパナがあると便利です．
   

  7.新調したキャスター	8.使用した道具です	9.使用したツイストドリル	10.ケガキ作業

  
  

  11.ポンチ作業	12.ドリルで切り穴加工	13.キャスター取り付け後の様子

パネルユニオン取付†