JP5959448B2 - ２軸押出機の制振機構及び制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、２軸押出機の制振機構及び制振方法に関するものである。

ポリエチレンやポリプロピレンなどの合成樹脂を混合する際や、このような合成樹脂に充填剤などを混合する際には、２軸押出機が用いられる。この２軸押出機は、一般に軸径に対する軸長さの比（Ｌ／Ｄ）が大きな長尺のスクリュを１組備えており、バレルもこのスクリュを収容できるように長尺な筒状に形成されている。
このような２軸押出機に対して、近年は、生産性向上を目的として、混練スクリュを高回転にしたり、ダイから押し出される材料の押出量（生産量）や押出圧（吐出圧）を大きくしたりするニーズが高まっており、混練スクリュを高速化（高回転化）しても問題が起きないようなより高い機械信頼性が求められるようになっている。

上述した２軸押出機に求められるニーズに対して特に問題となるのが、バレルの振動に関するものである。このバレルに発生する振動には、材料の混練時に加振力が増大して発生するものと、高速運転時にバレルが共振して発生するものとの２つが知られている。
例えば、新たな添加剤などを配合して新材料開発が進んだ結果、２軸押出機に供給される材料はさらに混練が困難となっており、高速運転せずとも新材料混練というだけでバレルに加わる加振力は増大する傾向にある。このように混練時にバレルに加わる加振力が増大すると、バレルに振動が発生する。この加振力により発生する振動は、図５に示すようにバレル先端が大きく水平振動させるものとなる。というのも、二軸押出機では数箇所のサポートでバレルをベースに固定するバレルサポート構造が採用されるので、バレルの剛性は前後、鉛直方向に比べて水平方向の方が低くなり、またバレル先端のダイ質量が大きいため、特にバレル先端が大きく水平振動する固有モードが最低次に発生するからである。

一方、上述した加振力は、バレル内で材料を混練押出する際に、材料を投入するホッパからストランドを形成するダイまでのバレル全体に混練による反力として作用する。そして、混練スクリュの運転速度が高回転になると、混練反力によるバレルの振動が共振により増幅され、上述した大きな水平振動とは別の振動が発生する。この振動は、例えば混練翼が２条の場合は、混練スクリュ回転数の２倍成分が主体となる。つまり、従来以上の回転数で混練スクリュを高速運転させ、混練による加振周波数が増大すると、水平振動の固有モードは混練スクリュの回転数の２倍成分で励起され、共振を起こすようになる。このことは実機でも実際に確認されている。

上述した２つの振動が顕著に現れると、均一なストランド形成に影響が出ると共に、他の機械部品の疲労寿命や磨耗にも影響が出てくることが予想される。そのため、高速運転時のバレル共振だけでなく、新材料混練時の加振力増大をも想定して振動を抑制できる手法の開発が望まれている。
なお、バレルの振動を抑制する手段としては、バレルサポートの剛性をアップさせて共振を回避したり、バレルサポートなどにバネやダンパーなどの動吸振器を設けたりする手段が一般に採用される。しかしながら、前者はバレルサポート全体の改造が必要でコストアップになり、今後の更なる高速化を考慮すれば、設置スペースの制約によって対応が困難になる可能性がある。また、後者については、比較的広い周波数範囲で振動抑制が可能であり、可変速仕様の２軸押出機には向くものの、ヒータなどにより２００℃近くまで加熱されるバレル周辺では十分な減衰能力を発揮できないという問題がある。

また、特許文献１や特許文献２のように、周波数によらず振動を低減する手段として、インパクトダンパーを設けてバレルの振動を抑制することも可能である。このインパクトダンパーは、衝突エネルギーで振動を散逸させるものであり、圧縮機のスクリュなどに用いることも既に開示されている。

特開２０１１−１９６３６９号公報 特開２０１１−２５６９７３号公報

ところで、特許文献１や特許文献２のインパクトダンパーは、上述したバレル先端が大きく水平振動する固有モードには有効なものの、高速運転時に起こるバレルの共振により発生する振動のように周波数が５０Ｈｚを超える振動、言い換えれば振幅が小さくて、衝突が発生し難いような振動には不向きである。ところが、２軸押出機でスクリュの高回転化を目指すと周波数が５０Ｈｚ以上の振動が発生することが多く、振動を十分に抑制できないという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、２軸押出機においてスクリュの高回転などを行った際に発生する振動を確実に防止することができる２軸押出機の制振機構及び制振方法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２軸押出機の制振機構は、互いに回転する一対の混練スクリュと、これら一対の混練スクリュを内部に収容可能な筒状長尺のバレルと、前記バレルの一端側を支持すると共に前記一対の混練スクリュに回転駆動力を付与する駆動装置とを有する２軸押出機に備えられた制振機構であって、前記バレルの長手方向の他端側には、バレルの外周面から上方に向かって突出する上方突出部が設けられており、前記上方突出部には、摩擦力と衝撃力とを発生させて前記バレルの振動を抑制する制振部材が設けられていて、前記制振部材は、プレート形状を呈し且つ所定の質量を備えた質量部材が複数積層されてなり、前記積層された質量部材に対して下方に押圧力を加えることにより、複数の質量部材同士が摺動し合うことで前記摩擦力を発生させると共に、前記質量部材の端縁が上方突出部の側面に衝突することで前記衝撃力を発生させる構成とされていることを特徴とするものである。

なお、好ましくは、前記バレルは、バレルの外周面から上方に向かって突出するベントを軸方向に複数備えており、前記複数のベントのうち、前記バレルの長手方向で最も他端側に位置するベントが、前記上方突出部とされているとよい。
なお、好ましくは、前記質量部材は、前記上方突出部の周囲を取り囲むと共に、前記上方突出部の側面との間に隙間をあけて配備されているとよい。

なお、好ましくは、前記制振部材は、積層された質量部材に対して下方に押圧力を加えることにより、前記質量部材間に作用する摩擦力を調整可能な押圧手段を有しているとよい。
一方、本発明の２軸押出機の制振方法は、互いに回転する一対の混練スクリュと、これら一対の混練スクリュを内部に収容可能な筒状長尺のバレルと、前記バレルの一端側を支持すると共に前記一対の混練スクリュに回転駆動力を付与する駆動装置とを有する２軸押出機に対して、上述の制振機構を用いて、前記バレルの振動を抑制することを特徴とする。

本発明の２軸押出機の制振機構及び制振方法によれば、２軸押出機においてスクリュの高回転などを行った際に発生する振動を確実に防止することができる。

本発明の制振機構が設けられた２軸押出機の正面断面図である。 図１のＢ−Ｂ線の断面図である。 図１のＡ部分を拡大した図である。 制振部材の変形例を示す図である。 ２軸押出機の水平１次振動モードを示した図である。

本発明の制振機構１は、２軸押出機２に設けられて、２軸押出機２のバレル３に発生する振動を抑制するものである。
具体的には、図１及び図２に示すように、本発明の制振機構１が設けられる２軸押出機２は、互いに回転する一対の混練スクリュ４、４と、これら一対の混練スクリュ４、４を内部に収容可能な長尺な筒状のバレル３と、バレル３の一端側を支持すると共に一対の混練スクリュ４、４に回転駆動力を付与する駆動装置５とを有している。また、このバレル３の長手方向の他端側には、バレル３の外周面から上方に向かって突出する上方突出部６が設けられており、この上方突出部６に本発明の制振機構１が設けられている。

以降では、制振機構１の説明に先立ち、制振機構１が設けられた２軸押出機２についてまず説明する。
上述したように２軸押出機２は、内部が空洞とされたバレル３と、このバレル３内に収容される一対の混練スクリュ４、４と、を備えている。これらのバレル３と混練スクリュ４とは、いずれも長尺に形成されており、水平方向に軸心を向けるようにして配備されている。

なお、以降の説明において、図１の紙面の右側を２軸押出機２を説明する際の上流側とし、紙面の左側を下流側とする。また、図１の紙面の左右方向を２軸押出機２を説明する際の軸方向とする。
バレル３は、水平方向に沿って長尺な筒状に形成されている。バレル３の内部は軸垂直方向に切断した断面が２つの円弧が連なるようなめがね形状の空洞となっている。このバレル３内部の空洞には、混練スクリュ４が収容可されており、また混練スクリュ４とバレル３の内壁面との間に材料を供給して混練ができるようになっている。

バレル３の軸方向の上流側（一方側）にはバレル３内に材料を供給するホッパ７が設けられている。また、バレル３の軸方向の下流側（他方側）には混練された材料をバレル３外へ押し出すダイ（図示略）が備えられている。２軸押出機１では、このダイから押し出された材料を冷却したり切断したりすることで、ストランドやペレットを加工できるようになっている。

さらに、ダイとホッパ７との間に位置するバレル３の外周面、言い換えればダイよりやや上流側に位置するバレル３の外周面には、バレル３内で混練された材料から発生する余計な空気や水分などをバレル３外へ排気するベント９が設けられている。このベント９は、バレル３の上面から上方に向かって伸びる筒状の部材（上方突出部６）であり、バレル３の内部からヒュームを排気できるようになっている。ベント９の上端には、外方に向かって水平方向に広がるフランジ状のフランジ部１０が形成されており、このフランジ部１０を利用して後述する制振機構１が取り付けられるようになっている。

図２に示すように、混練スクリュ４は、バレル３内に供給された材料を混練する部材である。混練スクリュ４は、上述したように空洞とされたバレル３の内部を挿通するように左右一対設けられており、各混練スクリュ４は水平方向を向く軸回りに回転自在に配備されていて、バレル３内で回転することによりバレル３内に供給された材料を混練できるようになっている。混練スクリュ４は、各混練スクリュ４の回転中心がバレル３の空洞をなす上記した２つの円の各中心と一致するように設けられている。一対の混練スクリュ４、４は、互いに機能が異なる複数種の混練フライト１１を軸方向に備えている。

混練スクリュ４は、回転中心を基準として周方向に１８０°の位相差を有するように２条の混練フライト１１を有しており、軸垂直方向に沿った断面が楕円形となる断面形状を備えている。また、これら一対の混練スクリュ４、４のそれぞれは互いに同方向に向かって回転しており、一方の混練スクリュ４の混練フライト１１と他方の混練スクリュ４の混練フライト１１とは互いに回転位相が９０°ずれて回転する構成とされている。

これらの混練スクリュ４は、軸方向の一端側（上流側）に配備された駆動装置５によって回転させられている。
駆動装置５は、バレル３の一端側（上流側）を支持すると共に混練スクリュ４に回転駆動力を付与するものである。駆動装置５は図示しないモータなどで発生した回転駆動力を減速して一対の混練スクリュ４、４のそれぞれに伝達する構成とされており、駆動装置５
とは反対側の混練スクリュ４には支持機構が設けられていない。つまり、混練スクリュ４は、下流側先端が軸受等で支持されていない「片持ち構造」になっており、上流側も駆動装置５の内部に設けられた減速機出口近傍に備えられた軸受等で支持されている。

一方、バレル３の他端側（下流側）は、バレルサポート１２という支持構造物により支持されている。バレルサポート１２は基礎上に立設するように設けられ、バレルサポート１２の上端がバレル３の下面に接続され、バレル３を下方から支えるようになっている。
このように、バレル３の他端側はバレルサポート１２により支持されてはいるものの、「発明が解決しようとする課題」にて精説した如く、混練スクリュ４の片持ち構造に起因して振動が発生しやすいものとなっている。

そこで、上述したバレル３の他端側の振動を抑制すべく、本発明の２軸押出機２には次に示すような制振機構１が設けられている。
つまり、本発明の制振機構１は、摩擦力と衝撃力とを発生させてバレル３の振動を抑制する制振部材１３から構成されている。そして、この制振機構１は、バレル３の長手方向の他端側に、バレル３の外周面から上方に向かって突出する上方突出部６を設けておき（既設の上方突出部６であってもよい）、この上方突出部６に設けられてバレル３の振動を抑制する構成となっている。

次に、本発明の制振機構１の構成を詳しく説明する。
図３に示すように、制振部材１３は、プレート形状を呈し且つ所定の質量を備えた複数（本実施形態では３枚）の質量部材１４からなる。これら複数の質量部材１４は、互いに上下に積層されている。そして、積層された質量部材１４に対して下方に押圧力を加える押圧手段１５が、制振部材１３には設けられている。

質量部材１４は、ステンレスや鋼材などの金属を用いてある程度の重みを持つように形成されており、積層されることで、上側の質量部材１４が下側の質量部材１４に一定の押圧力を加えることができる構成となっている。この構造であれば、バレル３が振動した際に積層された質量部材１４同士が互いに摺動し合い、振動方向とは逆方向に摩擦力が発生して、発生した摩擦力で振動を減衰してバレル３の振動を抑制することが可能となる。この摩擦力による振動の減衰は、共振が起こった場合のように比較的周波数が高い振動に対しても有効となる。というのも、周波数が高い振動は振幅が小さく、インパクトダンパーのような衝撃力により制振する方式では効果的な減衰ができない。ところが、摩擦力は振幅が小さくても質量部材１４間に有効に働き、周波数が高い振動に対しても十分な制振効果を発揮する。

一方、質量部材１４は、金属などで板状（プレート形状）に形成されており、中央に上述した上方突出部６（ベント９）を遊挿できる程度の開口部１６が形成されている。この開口部１６は、上方突出部６の外形に合わせた形状とされており、例えば上方突出部６が円筒状である場合は円形に開口するように形成され、また上方突出部６が角筒状である場合は角形に開口するように形成されている。また、開口部１６の開口寸法は上方突出部６の外寸よりも大きく設定されており、開口部１６と上方突出部６との間に隙間が形成されている。

このように、質量部材１４の開口部１６と上方突出部６との間に隙間を設けておけば、振動が加えられた際に質量部材１４が隙間の分だけ移動して、質量部材１４が開口部１６の開口縁に衝突して振動方向とは逆方向に衝撃力が発生し、発生した衝撃力で振動を減衰してバレル３の振動を抑制することが可能となる。この衝撃力による振動の減衰は、それぞれの質量部材１４をいわゆる「インパクトダンパー」として作用させて得られるものであり、バレル３などに加えられる加振力が増大した場合のように比較的周波数が低い振動に対しても有効な振動減衰作用を発揮する。

押圧手段１５は、積層された質量部材１４に対して下方に押圧力を加えることにより、質量部材１４間に作用する摩擦力を調整して、制振部材１３により発生する摩擦力を調整するものである。
具体的には、押圧手段１５は、例えば下方に付勢力を発揮可能なバネなどの部材から構成されており、積層された質量部材１４のうち、最も上側に積層された質量部材１４に対
して、上方から押圧力を付加できるようになっている。このように押圧手段１５により押圧力を加えれば、質量部材１４の重量に加えて下方向への押圧手段１５の押圧力が加わり、質量部材１４間で発生する摩擦力を自由に調整することが可能となる。

上記した制振部材１３が取り付けられる上方突出部６は、バレル３の外周面から上方に向かって突出する構造物や部材であり、バレル３に対して制振部材１３を取り付けるために形成されている。具体的には、上方突出部６は、制振部材１３の取付が可能となるような厚みを上下方向に確保するために形成されており、例えば上方突出部６の突端側に制振部材１３の上端を、また上方突出部６の基端側に制振部材１３の下端を取り付けることで、厚みがある制振部材１３であっても容易に取り付けることが可能となっている。

本実施形態の場合、上方突出部６として、バレル３の上面に設けられたベント９が採用されている。つまり、本実施形態の制振部材１３は、外方に向かって張り出したベント９のフランジ部１０と、バレル３上面（バレル３外周面）との間に、複数の質量部材１４と押圧手段１５とを挟み込むようにして上述した取り付けることができるようになっている。

なお、バレル３の外周面に軸方向に沿って複数のベント９が設けられている場合は、軸方向の最も下流側、言い換えれば最もダイ８側に位置するベント９を上方突出部６として利用するとよい。また、ベント９が全く設けられていないバレル３に対しては、バレル３の下流側の外周面に上方に向かって突出した上方突出部６を新たに設け、新たに設けた上方突出部６に対して制振部材１３を取り付けても良い。

ところで、上述した実施形態では、バレル３の周囲を全周に亘って取り囲む円環状（環状）の質量部材１４の例を挙げた。しかし、ベント９に対しては、材料混練中に発生する空気や水分を除去するための配管、空気や水分などを吸い込んで除去するポンプなどへの配線、あるいは計器類などを設けるスペースを確保しなくてはならない。それゆえ、図４（ａ）に示すようにベント９の周囲を全周に亘って取り囲むのではなく、質量部材１４の形状を周方向の一部を切り欠いたような形状（平面視で略Ｃ字状やＵ字状）とし、ベント９の周囲に配線などを設置するスペースを確保する。

また、図４（ｂ）に示すようにベント９の形状が角状である場合は、断面が四角い（上方視で口字状）の質量部材１４を有する制振部材１３を採用することもできる。
さらに、図４（ｃ）に示すように、例えば平面視で「コ字状」または「Ｕ字状」の２つの質量部材１４を互いに組み合わせて、両者をボルト１７などでつなぎ合わせる構成を採用することもできる。２つの質量部材１４の組み合わせ方は、図４（ｄ）に示すように一方の質量部材１４の端部に他方の質量部材１４の端部を重ねてボルト１７で締結しても良いし、それぞれの質量部材１４の端部を段差状に形成しておいて、凹凸同士を互いに突き合わせるようにそれぞれの端部を重ねてボルト１７で締結しても良い。このようなボルト１７で連結可能な質量部材１４を用いれば、それぞれの質量部材１４をベント９に対して挟み込むことで容易に取り付けることが可能となる。

以上述べたような制振機構１を、２軸押出機２のベント９に対して取り付けることで、２軸押出機２での混練作業中に、比較的周波数が高い振動がバレル３に発生したとしても、質量部材１４同士が互いに摺動し合い、振動方向とは逆方向に摩擦力が発生して、発生した摩擦力で振動を減衰してバレル３の振動を抑制することが可能となる。また、バレル３などに加えられる加振力が増大した場合のように比較的周波数が低い振動がバレル３に発生した際には、質量部材１４がベント９に衝突して振動方向とは逆方向に衝撃力が発生し、発生した衝撃力で振動を減衰してバレル３の振動を抑制することが可能となる。

以上まとめれば、上述した制振機構１を用いれば、比較的周波数が低い振動に対しては衝撃力が振動を効果的に抑制し、比較的周波数が高い振動に対しては摩擦力が振動を効果的に抑制するため、２軸押出機２で新材料を混練した際に発生する振動だけでなく、２軸押出機２を高回転で運転させた際に発生する振動をも効果的に抑制乃至防止することができる。

また、この制振機構１は、振動の減衰に制振部材１３で発生する摩擦力と衝撃力とを用いるため、高温の使用環境でも制振効果が落ちることがない。それゆえ、２軸押出機２の
ようにヒータが近くに設けられる使用環境でも、バレル３の振動を確実に抑制することができる。
さらに、２軸押出機２には混練スクリュ４の運転速度を大きく変化できるものがあり、バレル３に発生する振動の周波数が低周波域〜高周波域までの広い範囲に亘ることがある。このような広い周波数範囲に亘る振動に対しても、上述した制振機構１であれば、制振部材１３で発生する摩擦力と衝撃力とが幅広い周波数域に亘って振動を抑制するので、振動を効果的に抑制することが可能となる。

さらにまた、この制振機構１は、既存の２軸押出機２に設けられたベント９を上方突出部６として利用して取り付けることができる。それゆえ、既存の２軸押出機２に対する大掛かりな改造をしなくても済み、低コストでバレル３の振動を抑制することができる。
ところで、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。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ 制振機構
２ ２軸押出機
３ バレル
４ 混練スクリュ
５ 駆動装置
６ 上方突出部
７ ホッパ
９ ベント
１０ フランジ部
１１ 混練フライト
１２ バレルサポート
１３ 制振部材
１４ 質量部材
１５ 押圧手段
１６ 開口部
１７ ボルト

Claims (5)

1. 互いに回転する一対の混練スクリュと、これら一対の混練スクリュを内部に収容可能な筒状長尺のバレルと、前記バレルの一端側を支持すると共に前記一対の混練スクリュに回転駆動力を付与する駆動装置とを有する２軸押出機に備えられた制振機構であって、
   前記バレルの長手方向の他端側には、バレルの外周面から上方に向かって突出する上方突出部が設けられており、
   前記上方突出部には、摩擦力と衝撃力とを発生させて前記バレルの振動を抑制する制振部材が設けられていて、
   前記制振部材は、プレート形状を呈し且つ所定の質量を備えた質量部材が複数積層されてなり、
   前記積層された質量部材に対して下方に押圧力を加えることにより、複数の質量部材同士が摺動し合うことで前記摩擦力を発生させると共に、前記質量部材の端縁が上方突出部の側面に衝突することで前記衝撃力を発生させる構成とされている
   ことを特徴とする２軸押出機の制振機構。
2. 前記バレルは、バレルの外周面から上方に向かって突出するベントを軸方向に複数備えており、
   前記複数のベントのうち、前記バレルの長手方向で最も他端側に位置するベントが、前記上方突出部とされていることを特徴とする請求項１に記載の２軸押出機の制振機構。
3. 前記質量部材は、前記上方突出部の周囲を取り囲むと共に、前記上方突出部の側面との間に隙間をあけて配備されていることを特徴とする請求項１または２に記載の２軸押出機の制振機構。
4. 前記制振部材は、積層された質量部材に対して下方に押圧力を加えることにより、前記質量部材間に作用する摩擦力を調整可能な押圧手段を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２軸押出機の制振機構。
5. 互いに回転する一対の混練スクリュと、これら一対の混練スクリュを内部に収容可能な筒状長尺のバレルと、前記バレルの一端側を支持すると共に前記一対の混練スクリュに回
   転駆動力を付与する駆動装置とを有する２軸押出機に対して、請求項１〜４のいずれかに記載された制振機構を用いて、前記バレルの振動を抑制することを特徴とする２軸押出機の制振方法。