JP4355354B2

JP4355354B2 - 二軸混練押出機

Info

Publication number: JP4355354B2
Application number: JP2008069643A
Authority: JP
Inventors: 浩一本家; 耕児皆川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: WO2009116459A1; CN101959659A; US8783940B2; KR101211317B1; JP2009220510A; US20110002189A1; DE112009000655T5; CN101959659B; KR20100119800A; DE112009000655B4

Description

本発明は、二軸混練押出機に関するものである。

一般に、二軸押出機や連続混練機などの二軸混練押出機においては、バレル内に母材となる高分子樹脂のペレットや粉体状の添加物を供給し、バレル内に挿通された一対の混練スクリュによってを両者を混練しながら下流側へ送ることで、プラスチックコンパウンド等の複合樹脂材料が製造されている。このような二軸混練押出機では、駆動モータの動力を変速機で２つに分けてそれぞれの混練スクリュに伝達する機構になっている。
ところで、混練スクリュを回転させた際に混練スクリュに加わる回転抵抗は一定ではない。この回転抵抗は混練材料、混練スクリュに形成されているフィンの数、混練スクリュの回転数などに応じて変動するため、混練スクリュにも回転抵抗の変動に由来する負荷変動が加わることになる。

このような負荷変動は、その周波数が混練スクリュの回転数と相関しており、混練スクリュの回転数が上がれば当然負荷変動の周波数も高くなる。特に、近年は生産性を高めたいという要望が強く、混練スクリュを高い回転数まで回転させたり、インバータ制御のように回転数を変化させての運転が行われるようになっている。それゆえ、負荷の周波数が二軸混練押出機全体の固有振動数と一致してしまった結果、共振が発生して混練スクリュのシャフトや変速機が破損する可能性が増大している。
このような共振の発生を回避するための手段としては、一般に固有振動数を変化させる手段が講じられる。例えば特許文献１では、トーションバーやカップリング機構を駆動モータの動力軸に設けて、剛性を調整することで二軸混練押出機の固有振動数を変化させる手段が提案されている。
特開平１１−１３８５２８号公報

しかしながら、近年増加しているインバータ駆動の可変速タイプの二軸混練押出機では、混練スクリュの回転数は一定ではない。それゆえ、二軸混練押出機の固有振動数を変えたとしても運転条件によっては共振が発生する可能性が高く、共振の発生を確実に回避できるものではなかった。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、混練スクリュの回転数の値に関係なく、共振による破損が確実に回避できる二軸混練押出機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の二軸混練押出機は、駆動モータの動力を第１変速機で２つに分岐して混練スクリュの一対のシャフトに伝達する動力伝達経路を備えた二軸混練押出機であって、
前記動力伝達経路には、前記駆動モータと第１変速機との間に、当該第１変速機より回転に対し大きな慣性モーメントを有する第２変速機が備えられており、前記混練スクリュに加わる負荷変動に対する共振応答倍率を低減することで、当該負荷変動に起因する共振を抑制する共振抑制手段が、前記第１変速機と第２変速機との間の動力伝達経路に備えられていることを特徴とするものである。

本発明者らは、混練スクリュが共振に近い状態になったときに、その振幅を抑えることができれば混練スクリュのシャフトや変速機の破損を回避できるのではないかと考えた。そして、共振応答倍率を低減する共振抑制手段を動力伝達経路に設けることで二軸混練押出機の破損が効果的に抑えられることを知見して、本発明を完成するに至ったのである。
つまり、本発明の二軸混練押出機では、負荷変動により混練スクリュが共振に近い状態になっても共振抑制手段により混練スクリュの共振応答倍率が低減させられているため、混練スクリュに発生する共振が二軸混練押出機が破損する程度にまで大きくなることがない。それゆえ、本発明の駆動伝達装置では、混練スクリュの回転数に関係なく、共振による二軸混練押出機の破損が確実に回避できるのである。

また、前記駆動モータと第１変速機との間の動力伝達経路に、当該第１変速機より回転に対し大きな慣性モーメントを有する第２変速機が備えられている場合にあっては、前記共振抑制手段は、前記第１変速機と第２変速機との間の動力伝達経路に設けられているのが好ましい。
さらに、前記共振抑制手段には、当該共振抑制手段に対する入力軸と出力軸との間を弾性体で連結した構造とされているものを用いることができる。

本発明の二軸混練押出機では、混練スクリュの回転数の値に関係なく、共振の発生を確実に回避できる。

本発明の実施形態を、図面に基づき以降に説明する。
図１に模式的に示されるように、二軸混練押出機２は、本実施形態においては、同方向回転噛合型である。二軸混練押出機２は、内部が空洞とされたバレル２４と、このバレル２４の内部を挿通するように設けられた一対の混練スクリュ３、３と、これらの混練スクリュ３、３を回転駆動する駆動伝達装置１とを備えている。
なお、以降の説明においては、図１における紙面の左側に向かう方向が二軸混練押出機２を説明する際の下流側と定義され、また紙面の右側が上流側と定義される。また、図１の紙面の左右方向が二軸混練押出機２を説明する際の軸方向と定義される。

二軸混練押出機２は、駆動伝達装置１で発生した回転駆動力（動力）を下流側に伝達して、一対の混練スクリュ３、３のそれぞれを回転させてバレル２４内の材料を混練する構造となっている。
駆動伝達装置１は、動力を発生する駆動モータ４と、この駆動モータ４の動力を変速（増速又は減速）する第２変速機５と、この第２変速機５で変速された動力を２つに分岐して一対の混練スクリュ３、３のそれぞれに伝達する第１変速機６とを備えている。
ゆえに、駆動伝達装置１における動力伝達経路は、駆動モータ４で発生した動力を動力軸７を介して第２変速機５に入力し、第２変速機５で変速された動力を第２変速機５の出力軸９を介して第１変速機６に入力し、第１変速機６で動力を２つに分岐して第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とにそれぞれ出力するものである。

駆動モータ４は、混練スクリュ３を回転するに十分な動力を発生可能な高圧用モータであり、発生した動力を動力軸７を介して第２変速機５に伝達している。
第２変速機は、動力軸７の回転数を変速して出力軸９に伝達する機構を備えており、変速により大きくなった動力軸７のトルクは出力軸９を介して第１変速機６に出力される。第２変速機を構成する第１歯車８、第２歯車１０は、後述する第１変速機６の第３歯車１１、第４歯車１４、第５歯車１５及び第６歯車１７よりも質量、厚み、半径が大きく、慣性モーメントも大きい構成となっている。

第１変速機６は、出力軸９を介して入力されたトルクを第３歯車１１で２つに分岐し、そのトルクの一部を第４歯車１４、遊動軸１３、第５歯車１５及び第６歯車１７を介して第２スクリュシャフト１６に、また残りの一部を第１スクリュシャフト１２にそれぞれ出力している。
本発明の駆動伝達装置１は、混練スクリュ３に加わる負荷変動に対する共振応答倍率を低減することで、負荷変動に起因して混練スクリュ３に発生する共振を抑制する共振抑制手段１８が、動力伝達経路上に備えられていることを特徴とする。

負荷変動は、材料を混練するために所定の設定角度でフライトが取り付けられた混練スクリュ３が回転する際に、そのフライトの回転位相に応じて混練スクリュ３に加わる負荷が変動することで生じるものであり、トルクの変動として計測される。
トルクの変動（負荷変動）は、その周波数が二軸混練押出機２の固有振動数に近づくと、二軸混練押出機２は共振に近い状態になる。この共振に近い状態になると、慣性モーメントが大きな駆動モータ４や第１変速機６が設けられた上流側を固定端として、下流側の混練スクリュ３が振動の自由端として振動することになる。

そこで、本実施形態では、第１変速機６と第２変速機５との間の動力伝達系路上に共振抑制手段１８を設け、この共振抑制手段１８により振動を抑制して混練スクリュ３の共振応答倍率を低減している。
なお、共振応答倍率とは、混練スクリュ３の負荷変動（入力振幅）に対する共振時の振動振幅（出力振幅）の割合である。そして、入力振幅とは負荷変動に起因して混練スクリュ３に発生する変動トルクの振幅として計測され、出力振幅とは共振時における混練スクリュ３の振幅である。

上述のような共振抑制手段１８は、動力伝達経路上の様々な位置に設けることができる。
図１の如く、共振抑制手段１８は駆動モータ４より下流側の動力伝達経路上に設けることもできる。駆動モータ４は動力伝達経路上の他の部材よりも質量（慣性モーメント）が大きく、振動時には固定端として機能しやすい。それゆえ、共振抑制手段１８を振動が起こりやすい駆動モータ４より下流側の動力伝達経路上に設けるのが好ましい。
また、図２に示されるように、動力伝達経路上に駆動モータ４同様に慣性モーメントが大きな第２変速機５が備えられている場合にあっては、共振抑制手段１８を駆動モータ４と第２変速機５との間の動力伝達系路上に設けても良い。

また、図３に示されるように、第２変速機５が駆動伝達装置１に設けられておらず、駆動モータ４の動力が第１変速機６に直接入力されている場合には、共振抑制手段１８を駆動モータ４から第１変速機６までの動力伝達系路上に設けることもできる。
さらに、図４に示すように、共振抑制手段１８は、共振抑制手段１８に対する入力軸と出力軸との間を弾性体で連結した構造とされている。このような共振抑制手段１８には、タイヤ型カップリング１９や流体カップリング２３を用いることができる。
図４（ａ）に示すように、タイヤ型カップリング１９は、入力軸に設けられた第１カップリング体２０と、出力軸に設けられた第２カップリング体２１とを備えている。タイヤ型カップリング１９は、これらの第１カップリング体２０と第２カップリング体２１との間に弾性体２２を有している。

図４（ｂ）に示すように、流体カップリング２３は、両カップリング体２０、２１の間にはシール部材２６が備えられ、このシール部材２６により密閉された内部の空間には粘性流体２７が封入されている。そして、第１カップリング体２０と第２カップリング体２１とは動力伝達可能なトーションバー２８により連結（柔結合）されている。
タイヤ型カップリング１９や流体カップリング２３は、第１カップリング体２０と第２カップリング体２１とが互いに一定の距離をあけて対面するように並んで配置されており、これら同士が弾性体２２や粘性流体２７で連結されている。

それゆえ、トルクの急激な変化が入力軸を介して第１カップリング体２０に入力されると、弾性体２２や粘性流体２７が弾性変形や発熱を起こしてトルクの急激な変化を吸収し第２カップリング体２１に伝達することがない。その結果、タイヤ型カップリング１９や流体カップリング２３ではトルクの変動を減衰することができる。
次に、参考例の共振抑制手段１８を備えた駆動伝達装置１を説明する。
図５〜図７に示すように、参考例の駆動伝達装置１が本実施形態と異なっている点は、一対のスクリュシャフト１２、１６に本実施形態とは異なる共振抑制手段１８が設けられている点である。なお、参考例の駆動伝達装置１におけるその他構成及び作用効果については、本実施形態と同様である。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、位相差ダンパ２９は、第１スクリュシャフト１２及び第２スクリュシャフト１６のそれぞれと同期して回転すると共に互いに対面状に並んで配置された一対の同期歯車３０、３１とを備えており、これらの同期歯車３０、３１の間には弾性部材３４が配備されている。
位相差ダンパ２９は、第１スクリュシャフト１２に設けられた第１伝達歯車３２に第１同期歯車３０が噛み合っており、第２スクリュシャフト１６に設けられた第２伝達歯車３３に第２同期歯車３１が噛み合っている。

第１伝達歯車３２と第２伝達歯車３３とは、シャフト軸方向に距離をあけて取り付けられている。それゆえ、第１伝達歯車３２及び第２伝達歯車３３のそれぞれに噛み合う第１同期歯車３０及び第２同期歯車３１も互いに軸方向に距離をあけて配置されている。
第１伝達歯車３２及び第２伝達歯車３３は、歯数、歯のピッチ及び歯車の外径が等しい歯を外周側に備えている。また、第１同期歯車３０及び第２同期歯車３１も、歯数、歯のピッチ及び歯車の外径が等しい歯を外周側に備えている。
図７（ａ）に示されるように、位相差ダンパ２９に用いられる弾性部材３４は、ゴムなどの弾性材料で形成されており、第１同期歯車３０と第２同期歯車３１とを弾性的に連結している。

第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とが同じ回転速度で（位相差無く）回転している場合は、第１伝達歯車３２と第２伝達歯車３３とが同じ回転速度で回転し、位相差ダンパ２９ではこれらの伝達歯車３２、３３と噛み合う第１同期歯車３０及び第２同期歯車３１も同じ回転速度で回転する。
それゆえ、図６（ｂ）に示すように、第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とが同方向に回転する場合に、第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とに異なるタイミングで変動するトルクがそれぞれ入力されると、第１同期歯車３０が回転速度ω₁で、また第２同期歯車３１がω₁≠ω₂となる回転速度ω₂でそれぞれ回転し、トルクの変動のタイミングに差が生じる。このようにトルクが異なったタイミングで変動すると、弾性部材３４が第１同期歯車３０と第２同期歯車３１との回転速度を一致させる方向に弾性力（復元力）を発生し、混練スクリュ３の共振応答倍率を低減することができる。

なお、位相差ダンパ２９は、図７（ａ）に示されるもの以外にも例えば図７（ｂ）や図７（ｃ）に示すような構成とすることもできる。
すなわち、図７（ｂ）に示すように、第１同期歯車３０と第２同期歯車３１との間にシール部材３５を設け、シール部材３５で密封可能な内部に粘弾性流体３６を設けて、第１同期歯車３０と第２同期歯車３１との間に減衰力を発生させることもできる。
また、図７（ｃ）に示すように、第１同期歯車３０と第２同期歯車３１との間に、互いに遊挿可能な円筒部３７をそれぞれ設け、これらの内外一対の円筒部３７の間に弾性部材３４を設けて、第１同期歯車３０と第２同期歯車３１との間に減衰力を発生させることもできる。

また、図８に示すように、参考例の駆動伝達装置１は、第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とが異なる方向に回転する場合にも用いることができる。つまり、第１伝達歯車３２と第１同期歯車３０との間、或いは第２伝達歯車３３と第２同期歯車３１との間に第３伝達歯車３８を設け、この第３伝達歯車３８と位相差ダンパ２９とを共振抑制手段１８とすることもできる。
このようにすれば、第１スクリュシャフト１２と第２スクリュシャフト１６とが異なる方向に回転している場合に、第３伝達歯車３８を用いて第１同期歯車３０及び第２同期歯車３１を同方向に回転させることができ、混練スクリュ３の共振応答倍率を低減することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。
上記実施形態では、二軸混練押出機２として２軸完全噛み合い型のものが例示されている。しかし、二軸混練押出機２に単軸又は３軸以上の押出機を用いても良いし、完全噛み合い型以外の二軸混練押出機２に用いても良い。また、二軸混練押出機２には連続混練機を用いることもできる。

本実施形態の駆動伝達装置の正面断面図である。共振抑制手段の取り付け位置が異なる駆動伝達装置の正面断面図である。共振抑制手段の取り付け位置が異なる駆動伝達装置の正面断面図である。本実施形態に用いられる共振抑制手段の拡大断面図である。参考例の駆動伝達装置の正面断面図である。位相差ダンパの側面図及び斜視図である。参考例に用いられる共振抑制手段の拡大断面図である。スクリュシャフトの回転方向が異なる場合の駆動伝達装置の正面断面図である。

１駆動伝達装置
２二軸混練押出機（押出機）
３混練スクリュ
４駆動モータ
５第２変速機
６第１変速機
７動力軸
８第１歯車
９出力軸
１０第２歯車
１１第３歯車
１２第１スクリュシャフト
１３遊動軸
１４第４歯車
１５第５歯車
１６第２スクリュシャフト
１７第６歯車
１８共振抑制手段
１９タイヤ型カップリング
２０第１カップリング体
２１第２カップリング体
２２弾性体
２３流体カップリング
２４バレル
２６シール部材
２７粘性流体
２８トーションバー

Claims

駆動モータの動力を第１変速機で２つに分岐して混練スクリュの一対のシャフトに伝達する動力伝達経路を備えた二軸混練押出機であって、
前記動力伝達経路には、前記駆動モータと第１変速機との間に、当該第１変速機より回転に対し大きな慣性モーメントを有する第２変速機が備えられており、
前記混練スクリュに加わる負荷変動に対する共振応答倍率を低減することで、当該負荷変動に起因する共振を抑制する共振抑制手段が、前記第１変速機と第２変速機との間の動力伝達経路に備えられていることを特徴とする二軸混練押出機。
前記共振抑制手段は、当該共振抑制手段に対する入力軸と出力軸との間を弾性体で連結した構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の二軸混練押出機。