JP5164955B2

JP5164955B2 - 混練機

Info

Publication number: JP5164955B2
Application number: JP2009238537A
Authority: JP
Inventors: 智徳中下; 浩一本家
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: JP2011083700A

Description

本発明は、例えば、樹脂等の材料を混練ロータによって混練する混練機に関するものである。

従来より、混練機は混練ロータを備えており、この混練ロータは、ケーシング内に収容されて、ケーシング内に設けられた複数の軸受により回転自在に支持されている。このような混練機において、混練を行う際は、混練ロータを駆動モータの駆動力により回転させることによりケーシング内に投入された材料を混練するのが一般的である（例えば、特許文献１）。

特開２００５−７６５８号公報

特許文献１などに示すような混練機では、材料を溶融しながら混練・押出しを行う性質上、混練ロータの混練部分には周期的な加振力が発生する。この加振力が小さい場合には問題がないが、混練機が大型化するにつれ、加振力も大きくなっていることが実情である。混練時における大きな加振力によって、混練ロータには一次モードの振動が発生してしまい、その振動により軸受部に多大な荷重がかかることになる。このように、混練時に大きな軸受部がかかると、加振力が外部へ伝達して、その結果、ケーシングが振動してしまうという問題がある。

しかしながら、特許文献１に示すような混練機においては、一次モードの振動、加振力による振動に起因してケーシングに発生する振動を抑えるという対策は未だされていないのが実情である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、混練時における混練ロータの加振により生じる慣性力により発生する軸受荷重を低減させることによって、ケーシングの振動を抑えることができる混練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、ケーシング内に設けられた混練ロータと、この混練ロータを回転自在に支持すると共に軸芯方向に距離をあけて設けられた第１軸受部〜第３軸受部と、前記第３軸受部側に設けられて混練ロータに回転駆動を付与する駆動装置とを備えた混練機であって、
前記第１軸受部と第２軸受部との距離は、第２軸受部と第３軸受部との距離よりも大きく設定されており、前記混練ロータにおいて第１軸受側を軸芯方向に延設し、この延設部に３６０〜１０００ｒｐｍで混練した時に発生する前記混練ロータの慣性力による前記軸受の荷重を低減させる加重部材を設けた点にある。

前記加重部材の質量は、前記軸受間の混練ロータの質量に基づいて求めることが好ましい。例えば、混練ロータの回転時の挙動をシミュレーション可能なモデルにより数値計算で求めてもよいし、混練ロータの挙動を表す運動方程式を立てて、この式から求めても良い。

本発明によれば、混練時における混練ロータの加振により生じる慣性力により発生する軸受荷重を低減させることによって、ケーシングの振動を抑えることができる。

本発明の混練機の全体図である。混練ロータの振動を説明するものであって、（ａ）加重部材を設けない場合の振動、（ｂ）加重部材を設けた場合の振動を示すものである。２軸混練機における振動モデルを示したものである。一次モードの振動における軸受部にかかる荷重を示したものである。加振力と軸受加重との差を示したものである。

以下、第１実施形態の混練機１を図面に基づき説明する。
図１に示すように、混練機１は、一対の混練ロータ２を備えた異方向回転型の２軸混練機１（以降、単に混練機１という）である。混練機１は、一対の混練ロータ２と、各混練ロータ２を支持するケーシング３と、混練ロータ２を回転駆動させる駆動装置４とを備えている。なお、説明の便宜上、図１の紙面の右側を上流側又はドライブエンド側とし、紙面の左側を下流側又はウォータエンド側とする。

混練ロータ２は、駆動装置４からの動力により回転することによって樹脂等を混練するもので、ウォータエンド側（ＷＥ側）はケーシング３内に設けられた第１軸受部５により回転自在に支持され、ドライブエンド側（ＤＥ１、ＤＥ２）もケーシング３内に設けられた第２軸受部６及び第３軸受部７により回転自在に支持されている。なお、混練ロータ２の内部を冷却するために外部から冷却水等を供給する供給部が、混練ロータ２のウォータエンド側に設けられている。

混練ロータ２は、樹脂等を混練するためのロータ部８を有していて、当該ロータ部８は、ケーシング３内部に形成された混練室９に配置されている。第１軸受部５と第２軸受部６との距離（ＷＥ〜ＤＥ１）は、第２軸受部６と第３軸受部７との距離（ＤＥ１〜ＤＥ２）の距離よりも大きく設定されている。
このような混練機１において、駆動装置４の駆動力により混練ロータ２を回転させて混練室９の樹脂を混練したときの状態を考えると、ケーシング３や混練ロータ２の剛性等により混練ロータ２に２次モード以上の振動は発生しないようになっているが、１次モードの振動はある程度発生してしまい、その１次モードの振動がケーシング３に伝わってしまうことがある。

そこで、本発明では、混練ロータ２のウォータエンド側において、第１軸受部５よりも外側の部分（反駆動側）を軸心方向に延設し、混練ロータ２の延設部１０に加重部材１１を設けることにより１次モードの振動がケーシングへ伝わるのを出来るだけ抑制している。
以下、本発明の混練機について詳しく説明する。

ケーシング３は、内部が空洞状に形成されて混練室９を形成する複数のバレル１２と、第１軸受部５が設けられた第１支持フレーム１３と、第２軸受部６が設けられた第２支持フレーム１４と、第３軸受部７が設けられた第３支持フレーム１５とを備えている。
各バレル１２は、ドライブエンド側からウォータエンド側に向けて順に隣接するように配置され、互いのバレル１２が連結することにより混練室９が形成されている。ドライブエンド側のバレル１２ａには、混練室９に樹脂等の材料を投入するためのホッパ１７が設けられている。ウォータエンド側に隣接するバレル１２ｂ、１２ｃ間には、混練度調整部１８が設けられている。混練度調整部１８は、混練室９の内周面と混練ロータ２との間に形成される材料の流路を開閉して材料の混練度を調整するものである。

第１支持フレーム１３は、ウォータエンド側のバレル１２ｃに隣接して配置され、設置台２０に固定されている。第２支持フレーム１４は、ドライブエンド型のバレル１２ａに隣接して配置され、設置台２０に固定されている。第３支持フレーム１５は、第２支持フレーム１４に対して駆動装置４側に離間して配置され、設置台２０に固定されている。
第２支持フレーム１４と第３支持フレーム１５との間には、両者を連結する筒状の連結部材２１が設けられ、当該連結部材２１内にも混練ロータ２が設けられている。なお、第１支持フレーム１３、第２支持フレーム１４、第３支持フレーム１５、各バレル１２は同一軸芯上に配置されている。

混練ロータ２は、大別して、材料の混練や送り出しを行う混練部２２と、この混練部２２の軸方向両側に設けられた軸部２３とから構成されている。
混練部２２は、混練室９に設けられて、当該混練部２２の軸方向中央部側には樹脂を混練するロータ部８が形成され、ロータ部８の軸方向両側には樹脂を送る送り部２４が形成されている。

混練部２２のウォータエンド側に設けられた軸部２３ａ（第１軸部ということがある）は、第１支持フレーム１３の第１軸受部５に回転自在に支持されている。図１の拡大図に示すように、第１軸部２３ａは、第１軸受部５の下流側端部から、さらに、下流側に延びたものとされていて、その延設部１０に数百ｋｇの加重部材１１が設けられている。言い換えれば、第１軸部２３ａは、第１支持フレーム１３を軸方向に貫通していて当該第１支持フレーム１３から外部に露出したものとなっており、露出した部分（延設部１０）に数百ｋｇの加重部材１１が設けられている。

例えば、加重部材１１は、筒状に形成されて円柱状の延設部１０に嵌り込む凹部を有しており、凹部を円柱状の延設部１０に嵌め込んで固定することにより、延設部１０に加重部材１１が取り付けられるようになっている。なお、混練ロータ２（延設部１０）が回転したときを考えると、加重部材１１の重心と延設部１０の重心とは一致するように（延設部１０の軸芯と加重部材１１の軸芯とが一致するように）、延設部１０に加重部材１１が取り付けられるようになっている。また、加重部材１１は、回転時に軸芯がずれないように回転対称の形状となっている。

混練部２２のドライブエンド側に設けられた軸部２３ｂ（第２軸部ということがある）は、第２支持フレーム１４の第２軸受部６及び第３支持フレーム１５の第３軸受部７に回転自在に支持されている。また、第２軸部２３ｂは、減速機２５を介して駆動装置４（駆動モータ）に連結され、駆動装置４の動力を混練部２２に伝達するように構成されている。

以上により、駆動装置４を駆動すると、第２軸部２３ｂに駆動装置４からの動力が伝達され、混練部２２が回転することにより樹脂等の材料を混練することができる。
図２は、混練を行ったときの混練ロータ２の振動を模したものである。
図２（ａ）に示すように、このように混練ロータ２が回転して混練室９にて材料を混練している状態では、混練ロータ２の中央部付近にて径外方向に加振力が働く。また、加振力が加わりながら混練ロータ２には慣性力Ｆが働くことから、この慣性力Ｆの影響によりウォータエンド側（ＷＥ側）の第１軸受部５、ドライブエンド側（ＤＥ１、ＤＥ２）の第２軸受部６及び第３軸受部７が振動の節となって１次モードの振動が発生する。

このとき、混練ロータ２の加振によって生じる慣性力により、第１軸受部５に大きな荷重が掛かることになり、その結果、この第１軸受部５を介して、この力がケーシング３（第１支持フレーム１３）に伝達してしまい、第１支持フレーム１３が振動してしまう。
しかしながら、本発明では、図２（ｂ）に示すように、ウォータエンド側（ＷＥ側）の混練ロータ２側を延設して加重部材１１を設けている（ウォータエンド側の第１軸部２３ａを軸方向に延長してその延設部１０に加重部材１１を設けている）ために、加振によって生じる慣性力の影響により掛かっていた第１軸受部５への荷重が相殺され、その結果、この第１軸受部５から第１支持フレーム１３への加振力の伝達（加振の影響による振動の伝達）を抑えることができ、第１支持フレーム１３の振動を防止することができる。

混練機１において、混練ロータ２のウォータエンド側（ＷＥ側）を延設して、延設部１０に加重部材１１を設けることは、混練機１の大型化を招いたり、混練機１の停止時においては第１軸受部５の荷重が増加することになるが、本発明では、混練ロータ２が回転したときの混練ロータ２の加振によって生じる慣性力を考慮して（混練機１の運転時を考慮して）、敢えて混練ロータ２を延設した上で加振によって生じる慣性力により発生していた第１軸受部５への加重を打ち消すための加重部材１１を設けている。

図３は、コンピュータシュミュレーションを行うべく図１に示した混練機１（３翼の２軸混練機）をモデル化したものである。図３のモデルでは、各混練ロータ２を梁で表現している。軸受部７は、軸方向の移動と軸廻りの回転を不可能とする固定端（ＤＥ２）として表現されている。また、混練ロータ２の長さは６．３ｍであり、ＷＥ〜ＤＥ１の距離は５．１ｍ、ＤＥ１〜ＤＥ２の距離は１．２ｍである。混練ロータ２表す梁の略中央部には、加振力１００００ｋｇｆが加えられる。延設部の長さは１．０ｍであり、その延設部に０〜５００ｋｇｆの加重部材を設けている。このように表現されたモデル（方程式群）を差分法等などの数値解法により解いた。

図４、図５は、図３のモデルを用いて混練ロータ２を加振したときの各軸受部にかかる荷重をコンピュータシュミュレーションにより求めたものである。
図４に示すように、延設部１０に加重を設けない場合（０ｋｇ）、第１軸受部５、第２軸受部６、第３軸受部７に掛かる荷重（軸受荷重）は大きいが、延設部１０に設けた加重部材１１の質量を大きくすればするほど第１軸受部５、第２軸受部６、第３軸受部７に掛かる軸受荷重が減少する傾向にある。

さて、混練機１の混練ロータ２の回転数（運転回転数）は、大凡、３６０〜１０００ｒｐｍ程度であり、図４に示すように、周波数に置き換えると、１８Ｈｚ〜４８Ｈｚ（約２０Ｈｚ〜４０Ｈｚ）である。
ここで、図４及び図５に示すように、運転回転数に対応する周波数（２０Ｈｚ〜４０Ｈｚ）に着目すると、第１軸受部５では、加重部材１１の質量が３００ｋｇ以上であると、特に、軸受荷重を抑えることができる。加重部材１１の質量が３００ｋｇであれば、加重部材１１を設けない場合（０ｋｇ）に比べ、第１軸受部５にかかる軸受加重を１／２にすることができる。なお、周波数が２０Ｈｚ〜４０Ｈｚの範囲においては、加重部材１１の質量を５００ｋｇにすると最も第１軸受部５に掛かる軸受加重を小さくすることができるが、周波数が４０Ｈｚ前後では、第１軸受部５の軸受加重が若干増えている。このことから、仮に周波数が４０Ｈｚ前後となる範囲にて混練機１を運転する場合には、加重部材１１の質量は３００ｋｇにすることが好ましい。

本発明の混練機１によれば、ケーシング３内に設けられた混練ロータ２と、この混練ロータ２を回転自在に支持する軸受と、混練ロータ２に回転駆動を付与する駆動装置４とを備え、混練ロータ２において駆動装置４とは反対側を軸芯方向に延設し、この延設部１０に混練時での混練ロータ２の加振によって発生する慣性力により生じる第１軸受部５の荷重を低減させる加重部材１１を設けている。

これによれば、混練を行った際に、混練ロータ２に１次モードの振動が発生したとしても第１軸受部５に掛かる荷重が少なくなり（第１軸受部５が慣性力が略０の振動の節になる）、その結果、第１軸受部５から第１支持フレーム１３への慣性力、即ち、加振の影響による振動の伝達を抑えることができ、第１支持フレーム１３の振動を防止することができる。また、混練時における第１軸受部５にかかる荷重を抑えられるために、第１軸受部５の寿命を長くすることができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１混練機
２混練ロータ
３ケーシング
４駆動装置
５第１軸受部
６第２軸受部
７第３軸受部
８混練部
９混練室
１０延設部
１１加重部材
１２バレル
１３第１支持フレーム
１４第２支持フレーム
１５第３支持フレーム
１７ホッパ
１８混練度調整部
２０設置台
２１連結部材
２２スクリュ部
２３ａウォータエンド側の軸部
２３ｂドライブエンド側の軸部

Claims

ケーシング内に設けられた混練ロータと、この混練ロータを回転自在に支持すると共に軸芯方向に距離をあけて設けられた第１軸受部〜第３軸受部と、前記第３軸受部側に設けられて混練ロータに回転駆動を付与する駆動装置とを備えた混練機であって、
前記第１軸受部と第２軸受部との距離は、第２軸受部と第３軸受部との距離よりも大きく設定されており、
前記混練ロータにおいて第１軸受側を軸芯方向に延設し、この延設部に３６０〜１０００ｒｐｍで混練した時に発生する前記混練ロータの慣性力による前記軸受の荷重を低減させる加重部材を設けたことを特徴とする混練機。
前記加重部材の質量は、前記軸受間の混練ロータの質量に基づいて求めることを特徴とする請求項１に記載の混練機。