KR100475277B1 - 타이어용 고무의 혼합제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어용 고무를 혼합하는 공정에서 믹서기를 이용하여 혼합하는 고무재료의 특정한 물리적 및 물성적 성질을 획득하기 위한 타이어용 고무의 혼합제어방법에 관한 것으로, 믹서기(1)의 로터(1a)에서 고무재료의 특정한 물성적 성질을 얻기 위해 배치단위로 투입되는 고무를 토오크 변환기(2)와 서머커플(3)을 이용하여 혼합하는 타이어용 고무의 혼합제어방법에 있어서, 상기 토오크 변환기(2)에서 토오크를 계측할 때 상기 로터(1a)의 회전각도별로 값을 검출하며, 이 토오크 값의 구배로부터 최대값과 최소값의 차이로 각 토오크 파형의 진폭(Amplitude)을 구하고 이를 다음 식으로 적분하여 고무재료의 점탄성 특성치를 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어용 고무의 혼합제어방법.

재료탄성 특성치 =

≒

Description

타이어용 고무의 혼합제어방법{Mixing Control Process of Rubber for Tire}

본 발명은 타이어용 고무를 혼합하는 공정에서 믹서기를 이용하여 혼합하는 고무재료의 특정한 물리적 및 물성적 성질을 획득하기 위한 타이어용 고무의 혼합제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼합되는 고무재료의 유변학적 특성 차이를 보다 정확하게 구별하여 고무의 가공성과 물성의 유의차를 확실하게 구분함에 따라 제품의 균일한 품질 특성을 획득할 수 있는 타이어용 고무의 혼합제어방법에 관한 것이다.

통상 차량용 타이어를 제조하는데 있어 혼합공정(일명, 정련공정으로 칭함)은 첫번째 공정으로 타이어 제조에 필요한 각종 원료를 혼합해서 타이어에 사용되는 각종 고무를 배합해 내는 공정인바, 주로 믹서기를 이용해서 배합 사양서에 의거하여 천연고무, 합성고무, 카본블랙, 오일, 기타 화학 약품을 계량해서 투입하여 혼합하도록 되어 있다.

종래 이러한 타이어 제조를 위한 혼합방법에 있어서 이용되는 믹서기는 혼합되는 고무의 특정한 물리적 성질을 얻기 위해 제어 수단으로써 시간, 온도, 적산전력(kwh), 순시전력(kw)등을 사용하고, 혼합되는 고무가 배치(Batch) 단위로 이루어지기 때문에 각각의 배치혼합결과는 다음 4가지의 매개 인수(Parameter)로 검출하도록 되어 있었다.

여기서 4가지 매개 인수는 다음과 같은 방법에 의해 획득된다.

첫째, 순시전력(kw)은 믹서기의 모터와 로타 축에 걸리는 전기적 부하를 측정하기 위한 토오크 미터로부터 감지된다.

둘째, 온도의 경우는 믹서기 내부에 설치된 서머커플(Thermocouple)에서 발생되는 기전력으로부터 감지된다.

셋째, 적산전력(kwh)은 감지된 순시전력(kw)으로 부터 kwh=의 공식으로부터 단위시간당 감지되는 순시전력(kw)의 시간 적분 값으로부터 얻어진다.

상기와 같은 방식으로 감지되는 매개인수는 공지의 고무 혼합용 믹서기의 제어반에 있는 PLC(Programable Logic Controller)에 임시 저장되며, 이 전기적 신호를 증폭 및 여과하여 레코더와 디지털 인디케이터를 통하여 배치 단위별로 프린터 출력된다.

그러나 종래 이와 같은 종래 방식은 각 배치단위별 혼합 데이타들의 정밀한 판독이 어려울 뿐만 아니라 엔지니어가 고도의 지식과 경험이 부족할 경우 품질 관리 측면에서 불확실한 정보를 얻을 수 있는 문제점이 있었다.

혼합공정에서 혼합고무의 가공성은 유체의 점성 및 탄성 특성과 매우 밀접한 관련이 있으며 혼합 고무가 가져야할 필요 충분 조건으로는 일반적으로 필러 (Filler)의 분산도나 점도, 탄성등의 거동이 균일하여야 함에 있다.

즉, 고무의 균일성이 매우 중요하며 이와 같이 고무의 균일성이 저하하게 되면 차후 공정의 반제품 제조 과정에서 작업 조건이나 치수 안정성 등이 영향을 받게 된다.

따라서 동일한 재료에 있어서 고무 혼합 과정중의 여러 특성치의 변화를 보다 구체적이고 객관적으로 정량화할 필요가 있으며 이러한 특성값을 통해 이상 재료의 분류 또는 제조 설비의 공정 제어를 통해 균일한 품질 특성을 획득하도록 하는 것이 매우 중요하다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 혼합되는 고무재료의 유변학적 특성차이를 보다 정확하게 구별하여 고무의 가공성과 물성의 유의차를 확실하게 구분함에 따라 제품의 균일화가 이루어지는 타이어용 고무의 혼합제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 믹서기의 로터에서 고무재료의 물성적 성질을 얻기 위해 배치단위로 투입된 고무를 서머커플과 토오크 변환기를 이용하여 혼합하는 타이어용 고무의 혼합제어방법에 있어서, 토오크 변화기에서 토오크를 계측할 때 로터의 회전 각도별로 값을 검출하며, 토오크 값의 구배로부터 최대값과 최소값의 차이로 각 토오크 파형의 진폭을 구하고 이를 적분하여 고무재료의 점탄성 특성치를 검출하도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 혼합제어방식에 적용되는 전체 시스템 장치의 개략도로서, 고무혼합시 믹서기(1)에는 토오크 변환기(2)와 서머커플(3)이 각각 연결되고 이들은 제어부(4)와 상호 연결되어 있다.

본 발명은 믹서기(1)의 로터(1a)에서 고무재료의 특정한 물성적 성질을 얻기 위해 배치단위로 투입되는 고무를 토오크 변환기(2)와 서머커플(3)을 이용하여 혼합하는 타이어용 고무의 혼합제어방법에 있어서, 상기 토오크 변환기(2)에서 토오크를 계측할 때 상기 로터(1a)의 회전각도별로 값을 검출하며, 이 토오크 값의 구배로부터 최대값과 최소값의 차이로 각 토오크 파형의 진폭(Amplitude)을 구하고 이를 다음 식으로 적분하여 고무재료의 점탄성 특성치를 검출하도록 이루어져 있다.

재료탄성 특성치 =

= ...①

본 발명에서의 토오크 검출은 초당 100 샘플을 검출하며(1 토오크 값 /0.01초) 로터(1a)가 회전할 경우 3.6도의 각도 단위마다 그 값이 검출되어진다.

통상 고무는 점탄성 물질로서 고무가 갖는 고유한 강도를 가지게 되는데, 이 고무가 믹서기(1)에서 로터(1a)에 의해 파단되고 분쇄되는 과정에서 로터에 하중이 걸리게 되고 이 하중값이 전기적인 신호로 변환되어 제어부(4)의 레코더에 출력된다.

고무재료는 점탄성 복합물질로서 점성은 변형이 부가될 경우 원래 상태로 회복되지 않는 성질이 가지기 때문에 이 점탄성 성질이 상대적으로 클 경우, 변형에 저항하는 힘(Modulus)이 커서 이를 파탄 또는 변형시키는 힘의 필요량이 증가하게 되며 자연히 상기 믹서기(1)에서는 많은 전기량이 소비되게 된다.

예를 들어 상기 로터(1a)가 60 rpm의 속도로 회전하게 되는 경우 3.6도의 각도 회전시 마다 감지되는 토오크를 검출하면 이 로터(1)의 1회전시 로터(1a) 전체에 걸리는 힘의 구배를 감지할 수 있다.

이 검출 토오크의 구배가 제어반(4)의 레코더에서 출력되면 출력되는 토오크의 전기신호는 연속적인 아날로그 양이며, 일정한 패턴을 가지면서 진동을 하게되는데(도 2 참조), 일반적으로 파동에 있어서 파의 진폭은 에너지 크기와 관계가 있다.

따라서 고무재료가 믹서기(1)에서 파단, 분쇄되는 과정에서 나타나는 파형신호는 재료의 특성치를 대변하는 것으로, 고무재료의 분자량 또는 분자쇄의 강도에 따라 다르게 나타나며 분자량이 크거나 탄성이 클 경우, 파탄 또는 변형시에 소요되는 힘이 더 커지게 된다.

상기 로터(1a)가 1회전하는 경우 로터(1a)의 이동거리는 동일하므로 1회전할 때마다 발생되는 토오크의 구배로부터 파형의 진폭을 구하게 되면 재료가 갖는 탄성 및 또는 분자량의 특성을 도모할 수 있다.

본 발명에서 재료의 탄성특성은 단위시간당 검출된 토오크 값으로부터 최대값(Torque _max.)과 최소값(Torque _min.)의 차이로 정의한다.

따라서 혼합이 종료될때까지 각 값을 ①식과 같이 적분하게 되면 재료가 갖는 탄성의 특성치로서 특성화할 수 있다.

한편, 재료가 혼합될 때 투입된 총에너지 소비량은 매시간 마다 검출되는 토오크 값의 총합으로 얻어지는바, 이는 혼합공정의 장치가 일한 에너지 총량으로서 일이 양이 클수록 재료의 분자량이나 점도, 탄성등이 이에 비례함을 알 수 있다.

총 에너지 소비량 = ...②

그리고 본 발명에 있어 초당 100개의 토오크를 검출하는 경우 토오크 값의 적분을 위해 일반적인 심슨룰(Simpson's Rule)을 이용하는 바, 이 심슨룰은 다음식으로 이루어져 있다.

S =

≒

일반적으로 믹서기(1)에서 고무재료의 혼합과정은 시간 경과에 따라 토오크값이 점차 감소하게 되는데 이는 고무 재료의 분자량이 지속 저하됨에 따른 점도의 감소에 기인한다. 따라서, 혼합 초기로 부터 종료시까지 토오크 값의 기울기를 구하게 되면 고무 재료의 가소화 속도를 획득할 수 있게 된다.

이는 초당 100개의 토오크 값을 검출하는 본 발명에 있어서 100개 토오크 값의 평균값을 취하여 연산에 사용한다.

가소화 속도 = 총시료수×∑(시간)×(토오크평균값)-(∑시간)*(토오크)/[총시료수×∑(시간²)-(∑시간)²]....③

또한, 에너지 투입 속도는 ②식인 총에너지 소비량값에 대해 기울기를 구하여 산출한다.

에너지 투입속도 = 총시료수×∑(시간)×(총에너지 소비량)-(∑시간)*(∑총에너지 소비량)/[총시료수×∑(시간²)-(∑시간)²]....④

에너지의 투입 속도는 재료의 파단, 분쇄 과정 뿐 아니라 약품이 동시에 혼합될 경우 약품이 얼마나 빠른 시간에 혼입되고 분산되고 있는지, 혹은 어느 과정에서 혼합의 거동이 달라지는지에 대한 구체적인 정보를 알 수 있게 한다.

이와 동일한 방법으로 서머커플로부터 검출되는 온도 계측값으로부터 혼합 초기 부터 혼합 종료시까지 다음 ⑤식과 같이 온도값의 적분을 통해 총 투입 열이력(Thermal History}를 산출한다.

투입 열이력의 총합 = , T : 온도(℃)....⑤

마찬가지로 고무 재료의 분자량 및 탄성 특성에 따라 각각 재료가 갖는 혼합에서의 발열 속도도 달라지게 되므로 역시 다음⑥ 식과 같이 온도의 기울기값을 구하여 재료의 발열 속도를 산출한다.

발열 속도 = 총시료수×∑(시간)×(온도평균값)-(∑시간)*(∑온도)/[총시료수×∑(시간²)-(∑시간)²]....⑥

이와 같이 검출, 연산에 의해 산출된 매개인수는 혼합이 이루어지는 모든 배치마다 실시간으로 자동 연산하며 재료의 혼합 종료시에 모든 결과를 자동 출력한다.

도 3은 본 발명에 따른 제어 흐름도를 나타낸 것이다.

이 흐름도에서 고무의 유변학적 특성을 동일수준으로 제어하기 위해 제어량을 입력하여 혼합을 시작 한 다음, 이 혼합과 동시에 실측값이 각각의 제어량중 하나에 설정량 이상으로 도달하게 되면 믹서기(1)의 동작을 발생시킨후, 이와 같이 각각의 제어량과 실측량이 최종 방출 동작까지 제어조건을 만족할 때까지 혼합을 제어한다.

본 발명에서는 각각 통계 분석을 위해 10개씩의 시료를 실험하였으며, 그 결과 고무의 점도가 크고 탄성이 큰 재료를 불균일한 상태로 배합한 불균일 모사 천연고무배합의 경우 각 특성치의 평균갑이 균일화시킨 천연고무배합보다 크고 그 변동 정도를 알수 있는 최대값과 최소값의 차이값과 변동계수등이 훨씬 크게 나타났다. 기타 그 상관성과 특성치 분포도를 도 4의 그래프로 표시하였다.

따라서 본 발명에 따른 각각의 특성치는 고무재료의 균일성 정도 판독에 우수한 변별력을 보여주고 있다.

도 1은 본 발명의 혼합제어방법이 적용되는 혼합장치의 개략구성도,

도 2는 본 발명에 따른 단위시간당 검출 토오크의 구배도를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명의 제어 흐름도,

도 4(a)∼(d) 본 발명의 각각의 특성치를 나타낸 그래프들이다.

-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명-

1 : 믹서기, 1a : 로터(Rotor),

2 : 토오크 변환기, 3 : 서머커플,

4 : 제어반.

Claims (4)

1. 믹서기(1)의 로터(1a)에서 고무재료의 특정한 물성적 성질을 얻기 위해 배치단위로 투입되는 고무를 토오크 변환기(2)와 서머커플(3)을 이용하여 혼합하는 타이어용 고무의 혼합제어방법에 있어서,

   상기 토오크 변환기(2)에서 토오크를 계측할 때 상기 로터(1a)의 회전각도별로 값을 검출하며, 이 토오크 값의 구배로부터 최대값과 최소값의 차이로 각 토오크 파형의 진폭(Amplitude)을 구하고 이를 다음식으로 적분하여 고무재료의 점탄성 특성치를 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어용 고무의 혼합제어방법.

   재료탄성 특성치 =

   ≒
2. 제 1항에 있어서, 상기 믹서기(1)에 취부된 서머커플(3)로부터 온도값을 검출하되,이에 대한 각 시간대별 온도값을 적분하여 열이력 특성치로 사용하거나 온도기울기를 연산하여 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어용 고무의 혼합제어방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 믹서기(1)의 제어방식은 토오크 구배의 최대값과 최소값의 차이를 적분하고 이에 대한 기울기를 연산하여 이를 고무혼합시 고무재료의 가소화 속도로서 연산하여 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어용 고무 혼합제어방법.
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