JP5602801B2

JP5602801B2 - 二軸混練押出機の運転方法

Info

Publication number: JP5602801B2
Application number: JP2012175657A
Authority: JP
Inventors: 伊東　　宏; 淳一岩井; 浩司三井; 公治服部
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: JP2014034135A

Description

本発明は、シリンダと、該シリンダ内に噛み合い状態で並行に配置されている２本のスクリュとからなる二軸混練押出機の、運転方法に関するものである。

二軸混練押出機あるいは二軸押出機は、文献名を挙げるまでもなく従来周知で、外部にヒータが設けられている所定長さのシリンダと、該シリンダ内で異方向あるいは同方向に回転駆動されるようになっている２本のスクリュとから概略構成されている。したがって、シリンダをヒータにより加熱し、スクリュを回転駆動して樹脂材料を溶融混練しながら前方へ送り、そしてダイから押し出すと、棒、パイプ、シート、フイルム等の押出成形品を得ることができる。あるいは樹脂材料、添加剤等の複数の材料をシリンダに投入し、スクリュを回転すると材料が溶融して混練され均一になる。これをダイから押し出してカッターで切断すると射出成形機等の原料となるペレットが得られる。

二軸混練押出機は、スクリュの回転速度を大きくすると押出量が増大し、生産効率が高くなる。従って近年、スクリュの回転速度の大きな二軸混練押出機が提供されるようになってきている。しかしながらスクリュの回転速度が大きく押出量が大きいと、必然的にスクリュを駆動するトルクも大きくなり、スクリュと、スクリュを駆動する減速機等の駆動装置とに負荷がかかりこれらの寿命が短くなる。そこでこれらの寿命を延ばす技術が要求されている。

特開２００９−２２０５７９号公報特開２０００−４１４００号公報

特許文献１には、スクリュを回転駆動するシャフトに、所定のダンパを備えた二軸混練押出機が記載されている。このダンパは所定の弾性部材を備え、回転力を弾性部材を介して伝達するようになっており、駆動側のシャフトと、このシャフトによって駆動されるスクリュの回転軸との間に設けられている。シャフトは一定回転速度で回転するようになっているので、通常はスクリュも一定回転速度で回転するが、スクリュに瞬間的に大きな負荷がかかると弾性部材が変形して負荷を緩和する。これによってスクリュに発生する共振を防止することができ、共振によってスクリュやスクリュの駆動装置が劣化するのを防止することができる。

特許文献２には、本発明と直接関係はないが、ヒートポンプで使用される圧縮機を駆動するモータの運転方法が記載されている。圧縮機はその回転位置によってトルクが変動している。すなわち圧縮トルクが変動している。そうするとモータを制御するときにモータのトルクが一定になるように駆動すると、圧縮トルクの変動によって圧縮機の回転が変動して、震動が発生してしまう。そこで特許文献２に記載の運転方法においては、この圧縮トルクの変動に一致させるように、モータのトルクの指令値を変動する。そうすると圧縮機の回転が一定になり、震動の発生を抑制することができる。

特許文献１に記載のダンパによっても、スクリュに発生する共振を防止することはでき、優れてはいる。また特許文献２に記載の運転方法を実施すれば、トルクの変動によって回転速度が変動するような現象に対しては、回転速度を一定に制御することができる。しかしながら、解決すべき問題も見受けられる。まず特許文献１について見ると、特許文献１においてはスクリュや駆動装置の劣化の原因がスクリュの共振であり、共振の抑制がこれらの長寿命化に寄与するように記載されている。つまり共振自体が問題にされている。しかしながら、これ自体に誤りはないが、ダンパは弾性的に作用するので必ずしも共振を抑制するとは限らない。つまりスクリュに作用する瞬間的な大きなトルクは一時的に緩和するが、その直後に弾性的な作用によってトルクの反動が発生する。これによって共振を誘発する可能性もある。これはダンパの作用がトルクの変動に対して受動的であるからである。また、本発明者等によってスクリュの劣化の原因がさらに詳しく分析され、この明らかになった原因に対してはダンパによっては必ずしも対応が十分であるとは言えないことが判明した。これについては後で説明する。次に特許文献２についても本発明とは関係がない。本発明が対象としている二軸混練押出機は、従来スクリュの回転速度が一定であるし、仮に回転速度が変動しているとしても、これを一定の回転速度に制御することがスクリュの劣化を抑制することにはならないからである。従って二軸混練押出機のスクリュや駆動装置の長寿命化に関しては、特許文献２の方法は採用できない。

本発明者等によって分析された点、およびスクリュの劣化の原因について説明する。二軸混練押出機においてスクリュには、攪拌している樹脂の粘性抵抗等によってトルクが作用するが、トルクの変動幅はスクリュの回転速度に相関しており、回転速度が大きいほど変動幅が大きくなることが見いだされた。つまり変動するトルクの最大値と最小値の差は、スクリュの回転速度が大きくなるほど大きくなることが判明した。ところで金属は繰り返し加重によって疲労することが周知であり、図５に示されているように、疲労限度線Ｙは、金属に作用する平均応力σｍと、応力振幅σａの関数として与えられている。つまり平均応力σｍと応力振幅σａとが疲労限度線Ｙの内側の斜線部分にあれば金属疲労をすることはなく、外側にあればいずれ金属疲労が生じる。スクリュには前記したように変動するトルクが作用するので、所定の振幅の応力が作用することになる。この応力の平均応力σｍと応力振幅σａとが点Ｚで示されているように疲労限度線Ｙの外側にあればスクリュは金属疲労によりやがて破壊することになる。従ってスクリュや駆動装置の長寿命化を達成するには、これらに作用する応力が疲労限度線Ｙの内側に入るようにしなければならないことが分かる。

また本発明者等は、二軸混練押出機において一方のスクリュに作用するトルクを調べ、図６のグラフ、すなわちトルク変動関数を得た。グラフから、トルク変動関数にはスクリュの回転の周期と等倍の周期の周波数成分、さらに２倍、４倍、あるいは２ｎ倍の周期の周波数成分が含まれていることが推測される。つまりスクリュにはこのような周波数成分のトルクの変動が生じていると推測される。

本発明は、二軸混練押出機においてスクリュやスクリュの駆動装置の劣化を防止してこれらの寿命を延ばす運転方法を提供することを目的とし、この運転方法を提供するにあたっては、本発明者等が見いだした上記の知見が重要になる。

本発明は、上記目的を達成するために、二軸混練押出機においてスクリュの回転速度を変化させて、能動的にスクリュに作用するトルク振幅を小さくするように構成する。具体的には、事前工程として、スクリュを所定時間だけ一定の回転速度で運転してトルク、またはトルクに相関する所定の物理量を検出する。そしてこれをスクリュの回転位置に応じて変化する関数、つまりトルク変動関数とする。運転工程において、このトルク変動関数に基づいて、トルクの振幅が小さくなるように、スクリュの目標回転速度を周期的に変化させてスクリュ回転速度を制御する。

かくして、請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、シリンダと、該シリンダ内に並行に配置されている２本のスクリュとからなる二軸混練押出機において、事前工程において、スクリュを所定時間だけ一定の回転速度で運転して、スクリュの回転位置に応じて変化するトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を検出し、これをトルク変動関数とし、運転工程において、前記トルク変動関数に基づいて、前記トルクの振幅が小さくなるように、スクリュの目標回転速度を周期的に変化させてスクリュ回転速度を制御することを特徴とする二軸混練押出機の運転方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の運転方法において、前記目標回転速度は、前記トルク変動関数において、その値が平均値に対して相対的に大きい回転位置においては小さく、小さい回転位置においては大きくすることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法として構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の運転方法において、請求項１に記載の運転方法において、前記運転工程は、前記トルク変動関数を、スクリュの回転の周期を１次として周波数解析して、ｎ次の周波数成分を抽出し、前記ｎ次の周波数成分と同周期かつ逆位相で所定の振幅の正弦波を補正回転速度とし、前記目標回転速度は所定の平均回転速度に前記補正回転速度を加算して得ることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法として構成される。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の運転方法において、前記運転工程においてもスクリュのトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を測定して、前記トルク変動関数を更新することを特徴とする二軸混練押出機の運転方法として構成される。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの項に記載の運転方法において、前記スクリュの回転位置は、スクリュを駆動するモータの回転軸に設けられているエンコーダによって、またはスクリュの回転軸や関連する回転部材に設けられている所定の回転位置検出手段によって検出し、前記スクリュのトルクまたはトルクに相関する所定の物理量は、前記モータや該モータを駆動するアンプにおける電流値、またはスクリュの回転軸や関連する回転部材に設けられている所定のトルク検出手段によって測定されるトルクであることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法として構成される。

以上のように、本発明によると、シリンダと、該シリンダ内に並行に配置されている２本のスクリュとからなる二軸混練押出機において、事前工程において、スクリュを所定時間だけ一定の回転速度で運転して、スクリュの回転位置に応じて変化するトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を検出し、これをトルク変動関数とし、運転工程において、トルク変動関数に基づいて、トルクの振幅が小さくなるように、スクリュの目標回転速度を周期的に変化させてスクリュ回転速度を制御するように構成されている。すなわち、事前工程で得られたトルク変動関数に基づいて、スクリュの目標回転速度を周期的に変化させて、スクリュの回転速度を変化させている。これによってトルクの振幅を小さくしている。つまり能動的にトルクの振幅を小さくして応力振幅σａを小さくしていることになる。従ってスクリュや駆動装置に作用する平均応力σｍと応力振幅σａは、図５において符号Ｚ’で示されているように疲労限度線Ｙの内側に入る。これによってスクリュや駆動装置の劣化を抑制して長寿命化を達成することができる。ところで、回転速度を変化させるとトルクが変化するのは、スクリュに作用するトルクが主としてシリンダのボアとスクリュとの間に介在する溶融樹脂の粘性抵抗によって生じていることによる。一般に溶融樹脂の粘性抵抗はせん断速度に依存している。すなわち溶融樹脂による粘性抵抗はシリンダのボアとスクリュとの相対的な速度に依存するので、回転速度を高くするとトルクが大きくなり、回転速度を小さくするとトルクが小さくなる。なお、スクリュの回転速度を周期的に増減しても、増減の割合が所定の範囲内であれば二軸混練押出機によって製造される樹脂製品の品質には影響を与えない。

他の発明によると、目標回転速度は、トルク変動関数においてその値が平均値に対して相対的に大きい回転位置においては小さく、小さい回転位置においては大きくするので、確実にトルクの振幅を抑制することができ、スクリュと駆動装置の劣化を抑制することができる。また他の発明によると、トルク変動関数を、スクリュの回転の周期を１次として周波数解析して、ｎ次の周波数成分を抽出し、ｎ次の周波数成分と同周期かつ逆位相で所定の振幅の正弦波を補正回転速度とし、目標回転速度は所定の平均回転速度に補正回転速度を加算して得る。トルク変動関数には、スクリュの回転と同周期の１次の周波数成分だけでなく、２倍の周期つまり２次の周波数成分、４倍の周期つまり４次の周波数成分、等色々な周波数成分を含んでいるが、これらのうち特定の１個の周波数成分、あるいは複数の周波数成分を適宜選択して補正回転速度を生成することによって、選択された周波数成分のトルク変動を選択的かつ能動的に抑制することができる。従って効率よくトルクの振幅を抑制することができる。さらに他の発明によると、運転工程においてもスクリュのトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を測定して、トルク変動関数を更新するように構成されているので、二軸混練押出機を長時間運転してトルク変動関数が変化しても、最新のデータに更新することができる。

本発明の実施の形態に係る二軸混練押出機を模式的に示す断面正面図である。本発明の実施の形態に係る運転方法で二軸混練押出機を運転したときのトルク変動関数とスクリュの回転速度を示すグラフである。二軸混練押出機におけるトルク変動関数と、その１次、２次、４次の周波数成分と、これらの周波数成分を抑制する１次、２次、４次の補正回転速度とを示すグラフである。スクリュの目標回転速度の例を示すグラフである。疲労限度線を示すグラフである。二軸混練押出機におけるスクリュのトルク変動関数を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明に係る二軸混練押出機の運転方法は、後で詳しく説明するが、概略的にはスクリュの回転速度を能動的に変化させてスクリュに作用するトルクの振幅を抑制してスクリュや駆動装置の劣化を防止する方法である。これを実施するために、予めスクリュを回転したときに係るスクリュのトルクの変動をスクリュ回転位置をパラメータとするスクリュ変動関数として得、この関数に基づいて、トルクが大きいスクリュ回転位置でスクリュの回転速度が小さくなるように、トルクが小さいスクリュ回転位置でスクリュの回転速度が大きくなるように、スクリュの回転位置に応じて周期的に変化する目標回転速度を与えるようにする。これによってトルクの振幅を抑制する。本発明に係る運転方法はほとんどの二軸混練押出機で実施が可能であり、本実施の形態に係る二軸混練押出機１も、図１に示されているように従来の二軸混練押出機と同様に構成されている。すなわちシリンダ２と、シリンダ２のボア内に噛み合い状態で並行に設けられている２本のスクリュ３、３とからなる。図１においては、スクリュ３、３は同方向に回転するスクリュ３、３からなるように示されているが、互いに逆方向に回転するようになっていてもよい。シリンダ２にはヒータ５、５、…が巻かれて加熱されるようになっており、後方には樹脂材料が投入されるホッパ６が設けられている。図１においては、ホッパ６は一本のスクリュ３の側方に開口しているように模式的に示されているが、開口位置は限定されるものではないし、一般的な二軸混練押出機においてホッパ６は、２本のスクリュ３、３に対して対称となる中間位置に開口している。そして前方には図には示されていないがダイが設けられている。スクリュ３、３は、誘導モータ、サーボモータ等の回転速度を制御できる所定のモータ８によって駆動されるようになっており、モータ８の回転は減速機を備えた駆動装置９を介してスクリュ３、３の回転軸に伝達されるようになっている。従って、ヒータ５、５、…によってシリンダ２を加熱してモータ８によってスクリュ３、３を回転する。そして樹脂材料をホッパ６から投入すると樹脂材料は溶融してスクリュ３、３によって混練されて前方に送られダイから押し出される。

本実施の形態に係る二軸混練押出機１においては、本発明に係る運転方法を実施するために、スクリュ３、３の回転位置、すなわち回転角度を検出する回転位置検出手段１１が設けられている。回転位置検出手段１１は、色々な方法で実施でき、例えばモータ８の回転軸にアブソリュートエンコーダ、インクリメンタルエンコーダを設けたり、回転角を検出するレゾルバを設けるようにして、モータ８の回転位置から間接的にスクリュ３、３の回転位置を検出するようにしてもよい。またはスクリュ３の回転軸に所定のマーキングを設けて、光電式センサ等によって直接回転位置を検出してもよい。さらにはスクリュ３の回転軸と関連する回転部材、例えばモータ８の回転をスクリュ３の回転軸に伝達する減速機の回転部材等において回転位置を検出してもよい。本実施の形態に係る二軸混練押出機１においてはスクリュ３の回転軸にエンコーダ１２を設けてスクリュ３の回転位置を検出するようにしている。エンコーダ１２の信号はコントローラ１４に入力されている。

本実施の形態に係る運転方法を実施するには、スクリュ３、３に作用するトルクを検出する必要もある。トルクを検出するには、スクリュ３、３の回転軸に軸端式トルク計を設けたり、スクリュ３、３の回転軸や、減速機のような関連する回転部材に歪み計を設けるようにして検出すればよい。しかしながら本発明において必要なのはトルクそのものに限定されない。つまりトルクに相関する他の物理用であってもよい。所定の演算を施せば物理量をトルクに変換できるし、格別にトルクに変換しなくてもその物理量の変動関数から直接本発明に係る運転方法を実施できるからである。そこで本実施の形態においては、トルクに相関する他の物理用としてモータ８に流れる電流、つまりモータ８に三相交流電流を供給するインバータからなるアンプにおける電流を検出している。この電流値もコントローラ１４に入力されている。以下、本明細書においては説明が煩雑にならないように、トルクに相関する他の物理量も、単にトルクと表現する。

本実施の形態に係る二軸混練押出機１の運転方法を説明する。本実施の形態に係る運転方法は、本運転前に実施する事前工程と、本運転である運転工程とからなる。事前工程は、従来の運転方法と同様に運転する。すなわち樹脂材料を供給してスクリュ３、３を回転し、回転速度は一定になるようにする。このとき、スクリュ３、３に作用するトルクを検出する。トルクは具体的には図３のグラフにおいて符号２５で示されているように変動する。このようなトルクの変動は、スクリュ３の回転の周期と同周期の関数になっている。すなわちスクリュ３の回転位置をパラメータとする関数と言うことができ、本明細書ではこれをトルク変動関数と呼ぶ。図２には、簡略化して正弦波関数として描画されたトルク変動関数が符号１６によって示されている。事前工程において測定されるトルク変動関数において、トルクの振幅は符号１７で示されている。

本実施の形態に係る運転工程は、トルクの振幅１７が小さくなるように運転する。具体的には、トルクが最大値になるスクリュ３の回転位置においてスクリュ３の回転速度を小さくし、トルクが最小値になるスクリュ３の回転位置において回転速度を大きくする。スクリュ３のトルクは主としてシリンダ２とスクリュ３、３との間に介在する溶融樹脂の粘性抵抗によって生じているので、スクリュ３、３の回転速度を増減するとトルクが増減するからである。本実施の形態においては、トルク変動関数１６と、同周期かつ逆位相の正弦波関数を生成し、これを補正回転速度とする。そしてスクリュ３の平均の目標回転速度である平均回転速度１８にこの補正回転速度を加算して、目標回転速度１９を得る。スクリュ３、３はこの目標回転速度１９を目標値として回転速度を制御する。符号１９のグラフはこのようにして制御されたスクリュ３、３の実際の回転速度でもある。このようにスクリュ３、３を回転すると、トルクは符号２０のグラフように変化することになり、トルクの振幅２１は小さくなる。これによってスクリュ３、３や駆動装置９の金属疲労を防止する。つまり劣化を防止することができる。二軸混練押出機１において、スクリュ３、３の回転速度が大きく変化すると、得られる製品の品質に影響を与える可能性があるが、回転速度は周期的に変化するように能動的に制御しているので、回転速度の変化が小さい場合には影響はない。従ってスクリュ３の回転速度の変化が、例えば５％以内になるように目標回転速度を設定することが好ましい。

スクリュ３、３に作用するトルク変動関数は実際には図３の符号２５のように得られる。つまりトルク変動関数には、スクリュ３、３の回転周期と同周期の周波数成分の他に、２倍の周期、４倍の周期、…、２ｎ倍の周期の周波数成分が含まれている。これらは１次、２次、４次、…２ｎ次の周波数成分と言うことができる。各周波数成分のトルクの変動を抑制することによって全体のトルクの変動を抑制する運転方法を説明する。符号２５で示されているトルク変動関数を、周波数分析して、１次、２次、４次、…２ｎ次の周波数成分を抽出する。周波数分析は周知の色々な方法から実施することができ、例えば高速フーリエ変換によって周波数成分を抽出できる。図３には１次、２次、４次の周波数成分２７、２８、２９が模式的に示されており、この例においては１次の周波数成分２７は小さいが、２次と４次の周波数成分２８、２９は比較的大きい。１次、２次、４次の周波数成分２７、２８、２９に対して、これらと同周期で逆位相の正弦波関数からなる１次、２次、４次の補正回転速度３１、３２、３３を得る。これらの補正回転速度３１、３２、３３の振幅は、それぞれの周波数成分２７、２８、２９の大きさに従って決定する。スクリュ３の平均の目標回転速度である平均回転速度に、１次、２次、４次の補正回転速度３１、３２、３３を加算して、スクリュ３の目標回転速度を得る。得られた目標回転速度に基づいてスクリュ３の回転速度を制御すると、符号３５で示されているようにトルクが変動することになる。すなわちトルクの振幅が抑制され、スクリュ３や駆動装置９の劣化が防止される。なお、目標回転速度は図３には示されていない。

本実施の形態は、色々な変形が可能である。例えば上で説明した実施の例においては目標回転速度は正弦波関数のように滑らかな曲線で与えるようにしているが、図４の符号３７に示されているように、正弦波関数に近似した階段状の関数によって与えるようにしてもよい。あるいは、符号３８に示されているように他の関数によって与えてもよい。いずれにしても周期的に目標回転速度を変化させて、トルク振幅を抑制できればよい。また本実施の形態においては、トルク変動関数を周波数分析して、１次、２次、４次の周波数成分を得、これらの３個の周波数成分に対して１次、２次、４次の補正速度を計算している。そしてこれらを全て加算して目標回転速度を得ている。しかしながら、特定の次数、例えば２次の周波数成分についてのみトルク変動を抑制するようにしてもよいし、８次、１６次等のさらに高次の周波数成分についてトルク変動を抑制するようにしてもよい。またトルク変動関数の扱いについても変形が可能である。本実施の形態においてはトルク変動関数を得るのは事前工程だけであるように説明した。しかしながら長時間二軸混練押出機１を運転していると、トルク変動関数が変化してしまうこともある。従って、運転工程においてもトルクの変動を検出して、トルク変動関数を更新するようにしてもよい。

１二軸混練押出機２シリンダ
３スクリュ５ヒータ
８モータ９駆動装置
１１回転位置検出手段１２エンコーダ
１４コントローラ

Claims

シリンダと、該シリンダ内に並行に配置されている２本のスクリュとからなる二軸混練押出機において、
事前工程において、スクリュを所定時間だけ一定の回転速度で運転して、スクリュの回転位置に応じて変化するトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を検出し、これをトルク変動関数とし、
運転工程において、前記トルク変動関数に基づいて、前記トルクの振幅が小さくなるように、スクリュの目標回転速度を周期的に変化させてスクリュ回転速度を制御することを特徴とする二軸混練押出機の運転方法。
請求項１に記載の運転方法において、前記目標回転速度は、前記トルク変動関数において、その値が平均値に対して相対的に大きい回転位置においては小さく、小さい回転位置においては大きくすることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法。
請求項１に記載の運転方法において、前記運転工程は、前記トルク変動関数を、スクリュの回転の周期を１次として周波数解析して、ｎ次の周波数成分を抽出し、前記ｎ次の周波数成分と同周期かつ逆位相で所定の振幅の正弦波を補正回転速度とし、前記目標回転速度は所定の平均回転速度に前記補正回転速度を加算して得ることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の運転方法において、前記運転工程においてもスクリュのトルクあるいはトルクに相関する所定の物理量を測定して、前記トルク変動関数を更新することを特徴とする二軸混練押出機の運転方法。
請求項１〜４のいずれかの項に記載の運転方法において、前記スクリュの回転位置は、スクリュを駆動するモータの回転軸に設けられているエンコーダによって、またはスクリュの回転軸や関連する回転部材に設けられている所定の回転位置検出手段によって検出し、
前記スクリュのトルクまたはトルクに相関する所定の物理量は、前記モータや該モータを駆動するアンプにおける電流値、またはスクリュの回転軸や関連する回転部材に設けられている所定のトルク検出手段によって測定されるトルクであることを特徴とする二軸混練押出機の運転方法。