2019 Fiscal Year Research-status Report
摩擦振動を誘発する電動工具に対する手腕振動低減化技術の開発
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19K04275
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
盆子原 康博 宮崎大学, 工学部, 准教授 (10294886)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
近藤 孝広 九州大学, 工学研究院, 教授 (80136522)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 自励振動 / 乾性摩擦 / 振動制御 / 動吸振器 / 安定判別 / 接触回転系 / 手腕振動傷害 / 日振動ばく露量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，グラインダーやサンダーといった摩擦に起因する振動が発生する電動工具を対象として，工具に生じる振動の発生メカニズムの解明を行うとともに，新しい手腕振動低減化技術を開発することを目的とする．本年度は，主にグラインダーを対象として，工具の把持部に発生する振動の発生要因について実験的に調べた．さらに，工具を手腕で支持することを模擬できる実験装置を開発し，グラインダーに発生する摩擦自励振動に対する動吸振器の有効性について検証した．
まず，実際に金属を研磨する際に工具に生じる振動を測定してスペクトル解析を行った．その結果，手腕振動の発生要因は主に3種類あり，ディスクの不釣り合いによる振れ回り振動，モータの特性に起因した振動，および被削材とディスク間に働く摩擦力に起因した振動であることを確認した．とくに3番目の振動は，乾性摩擦による自励振動の特徴を有しており，低周波数帯域の振動加速度が大きく，日振動ばく露量を増大する原因となっていた．
そこで，摩擦自励振動の低減化を図るために，動吸振器の有効性について検証した．実験にあたり，まず工具を手腕で支持することを模擬した実験装置を開発した．この装置によれば，手腕で支持した場合と同様の振動が工具に発生させることができ，定量的な実験が可能となる．次に，自励振動に対する動吸振器の設計条件について解析的に検討した．そして，模擬装置に設置したグラインダーに動吸振器を取り付けて振動測定を行い，動吸振器による制振効果を調べた．その結果，動吸振器の固有振動数や減衰比を調整して系の安定化を図ることにより，自励振動の発生を抑えることに成功した．さらに，被験者がグラインダーを把持する場合についても同様の実験を行った．その結果，動吸振器を最適設計することのよって自励振動の発生が抑えられ，日振動ばく露量を半分程度に低減することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，グラインダーに生じる振動の発生原因を調べ，乾性摩擦に起因した自励振動が日振動暴露量を増加させる大きな原因であることを確認した．これにより，本研究課題で開発を目指す摩擦自励振動の抑制対策の必要性が実証された．次に，自励振動の低減化を図るための対策として動吸振器の適用を試みた．この検討では，再現性のある実験を行う必要があるが，被験者が介在する実験ではそれが困難となる．これに対して，本研究で開発した模擬装置によれば，手腕で把持した場合と同等の現象を再現することができ，工具の把持条件や動吸振器の設計条件の違いによる影響を定量的に調べることが可能である．このように，実験環境が整ったことは重要な成果の一つである．そして，開発した模擬装置を用いて動吸振器の制振効果について調べた．乾性摩擦による自励振動に対する動吸振器の設計方法に基づいて，動吸振器の固有振動数や減衰比を適切に設定した結果，自励振動の発生を防止することができた．この結果から，グラインダーに対して動吸振器が有効であることが実証された．また，発生した振動が乾性摩擦による自励振動であることを裏付けることができた．
上述の検討で用いた動吸振器は，板状の棒に重りを取り付けた単純な構造であり実用的ではない．そこで，通常グラインダーに取り付けられるサイドハンドルに動吸振器を内装した防振ハンドルの開発を試みた．これについてはまだ検証途中であるが，試作した防振ハンドルを設置したところ，自励振動の一定の抑制効果を確認することができた．構造的に改良すべき課題があるものの，実用化することは十分可能であると考えている．
以上のような研究成果が得られたことから，本研究はほぼ当初の計画通り進展しているものと判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度では，本年度までに達成できなかった研究項目を継続的に実施し，目標が達成された研究項目についてはより一層深化させて摩擦振動を伴う電動工具に対する振動抑制技術の確立に努める．具体的な実施内容は次の通りである．
まず，グラインダーに関する研究として，動吸振器を内蔵した防振ハンドルの改良を行う．試作したハンドルでは，動吸振器の固有振動数を10Hz以下とするために，ばね定数の小さいコイルバネを使用している．このため，工具の使用条件によっては機能しなくなる恐れがある．このことを踏まえて，より実用的な機構の開発を試みる．さらに，その他の振動発生原因であるディスクの不釣り合いによる振れ回り振動，およびモータの特性に起因した振動に対する振動抑制対策として，非線形ばね特性を利用した発生振動数に同調する動吸振器について検討する．
また，昨年度は実施しなかったサンダーに関する研究にも着手する．まず，被験者がサンダーを使用する際に生じる振動の発生原因について調べる．簡易的に行った実験では，工具が被削材に接触すると振動が増加したことから，サンダーについても摩擦に起因した振動が発生していると考えられる．さらに，発生する現象を適切に再現できる解析モデルを構築し，具体的な振動抑制対策について検討する．特に，先行研究で開発した自己同期現象の特性を最大限活用した同期振動発生機構の開発などを試みる計画である．
以上の２種類の工具に対する検討を通して，手腕振動低減化技術の開発を目指す．
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| Causes of Carryover |
本年度の所要額に対して少額の残金が生じたが，この残金は次年度において同様の目的で使用する予定である．本研究課題では，研究の進展に準じて実験装置の改良や新規に製作を行うことが必要となる．このため次年度では，必要な鋼材や電子部品等を購入するための物品費を申請している．なお，実験装置の大部分は当該大学保有の工作室で自作する予定であるが，自作が困難な場合には，部品の加工を外注することも検討する予定である．これに加えて，本研究に関わる数値計算を行うための専用のパソコンを購入するための物品費を申請している．また，研究代表者および研究分担者が本研究課題に関して学会等で研究成果発表を行うために，旅費を申請している．
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Research Products
(8 results)
