KR20160086900A - 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치 - Google Patents

밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치 Download PDF

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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

변위 센서(19)는, 일단부 측의 베어링(6)의 외륜(16)을 고정하는 외륜 고정 부재(17) 또는 케이싱(18)과, 일단부 측의 베어링(6)의 내륜(13)을 고정하는 내륜 고정 부재(20) 또는 로터(5)의 축 방향을 따른 상대 변위를 측정 가능하게 된다. 하중 산출부는, 변위 센서(19)에 의해 측정된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써, 로터(5)에 가해지는 스러스트 하중을 산출한다.

Description

밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치 {DEVICE FOR MEASURING THRUST LOAD ACTING ON ROTOR OF SEALED KNEADING APPARATUS}
본 발명은, 밀폐식 혼련 장치에 있어서, 피 혼련 재료를 혼련할 때에 로터에 발생하는 스러스트 하중을 계측하기 위한 계측 장치에 관한 것이다.
종래부터, 고무, 플라스틱 등의 피 혼련 재료를 혼련하는 밀폐식 혼련 장치로서 특허문헌 1에 개시되어 있는 것이 있다. 특허문헌 1의 밀폐식 혼련 장치는, 혼련실에 압입된 고무나 플라스틱 등의 피 혼련 재료를 당해 혼련실 내에 설치된 2개의 로터에 의해 혼련하고, 원하는 혼련 상태로 된 피 혼련 재료를 외부로 취출하는 구성으로 되어 있다. 이들 2개의 로터는 축의 양측이 베어링에 의해 회전 자유롭게 지지되어 있다. 각각의 로터의 구동 측의 단부는 외부로 돌출되는 입력축으로 되어 있다. 인접 배치된 구동 장치의 출력축과, 이들의 입력축이 기어 커플링 등의 접속 장치를 통해 접속되어 있다.
특허문헌 1의 밀폐식 혼련 장치에서는, 고무, 플라스틱 등의 피 혼련 재료는, 각종 첨가제와 함께 상부의 투입구로부터 호퍼 내로 소정량씩 투입된다. 이 피 혼련 재료는 플로팅 웨이트의 압입 작용에 의해 밀폐 상태의 혼련실 내에 압입된다. 이와 같이 하여 혼련실에 압입된 피 혼련 재료는, 서로 다른 방향으로 회전하는 로터에 의해 혼련이 행해진다. 즉, 각각의 로터에는 감속기를 통해 원동기의 구동력(회전)이 전달되고, 각 로터가 혼련실의 내벽을 쓸어내는 것과 같이 회전함과 함께 서로 다른 방향으로 회전한다. 이에 의해, 혼련실 내에 압입된 수지 원료(피 혼련 재료)가 각종 첨가제와 함께 혼련되고, 원하는 혼련 상태로 된 피 혼련 재료가 외부로 취출된다.
또한, 로터의 외주면에는 날개(혼련 날개)가 설치되어 있고, 특허문헌 1의 밀폐식 혼련 장치에서는 이 날개는 로터의 축선에 대해 나선상으로 비틀린 구조로 되어 있다. 이 비틀린 날개의 작용에 의해, 고무나 플라스틱의 피 혼련 재료는 축 방향으로 압입되어, 축 방향을 따라 피 혼련 재료를 보내는 재료의 흐름이 발생한다. 또한, 2개의 로터에 있어서는 각각이 축 방향으로 역방향의 흐름이 발생하도록 날개는 비틀려 있고, 챔버 내를 순환하도록 피 혼련 재료를 흐르게 함으로써 효과적인 혼련이 실현된다.
그런데, 특허문헌 1에 개시된 밀폐식 혼련 장치, 바꾸어 말하면, 일반적인 밀폐식 혼련 장치에 있어서는, 로터에 형성된 나선상으로 비틀린 날개에 의해 피 혼련 재료를 축 방향을 따라 보내면, 그 반작용으로 축 방향을 향하는 반력(스러스트 하중)이 발생한다. 이러한 스러스트 하중은, 로터를 지지하는 베어링의 수명에 큰 영향을 미치므로, 베어링의 수명을 판단하기 위해서는 스러스트 하중을 정확하게 계측하는 것이 필요해진다. 또한, 스러스트 하중을 정확하게 파악할 수 없는 경우는, 베어링에 설계 이상의 스러스트 하중이 가해지고 있거나, 반대로 오버 스펙의 베어링을 사용하고 있거나 하는 것과 같은 문제가 발생할 가능성도 있다. 그러므로, 상술한 종류의 베어링을 채용한 경우에는, 로터에 가해지는 스러스트 방향의 하중을 정확하게 계측할 수 있는 수단을 설치하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 특허문헌 2에는, 베어링 본체와 케이싱 사이에 하중 센서를 설치하여, 베어링에 작용하는 하중을 계측하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평 10-44145호 공보 일본 특허 공개 제2001-277236호 공보
상술한 특허문헌 2의 방법은, 레이디얼 하중(정확하게는 롤끼리가 직경 방향으로 이격되는 경우의 하중)을 계측하는 것이지만, 스러스트 하중을 계측하는 경우에도 충분히 적용할 수 있다고 생각된다. 그러나, 이 방법에서 사용되는 계측 장치는 구조가 복잡하고, 설치에 비교적 큰 스페이스를 필요로 하여, 설치 스페이스의 제약으로 설치가 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 기설의 혼련 설비에 대해 추가로 장착하는 경우에는, 혼련기의 케이싱에 대해 대폭의 개조를 행하지 않으면 안 될 가능성도 있어, 기존의 설비에 설치하는 것도 곤란하다.
본 발명은, 상술한 문제에 비추어 이루어진 것이며, 장치의 구성이 간단하고, 기존의 설비에도 추가로 설치 가능한 것이면서, 로터에 가해지는 스러스트 하중을 고정밀도로 계측할 수 있는 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치는 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다. 즉, 본 발명의 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치는, 축심이 서로 평행하게 되도록 소정의 간극을 두고 인접하여 배치됨과 함께 서로 다른 방향으로 회전하는 한 쌍의 로터를 구비하고, 상기 한 쌍의 로터의 양단부 측에는 각 로터에 가해지는 레이디얼 방향의 하중을 지지하는 베어링이 설치되어 있고, 각 상기 로터에 가해지는 스러스트 방향의 하중이 양단부 측의 상기 베어링 중 일단부 측의 상기 베어링에 의해 지지되어 있는 밀폐식 혼련 장치에 구비된 스러스트 하중의 계측 장치이며, 상기 일단부 측의 베어링의 외륜을 고정하는 외륜 고정 부재 또는 상기 외륜 고정 부재가 장착된 케이싱에, 적어도 1개 이상의 변위 센서가 배치되어 있고, 상기 변위 센서는, 상기 외륜 고정 부재 또는 상기 케이싱과, 상기 일단부 측의 베어링의 내륜을 고정하는 내륜 고정 부재 또는 상기 내륜 고정 부재가 장착된 상기 로터의 축 방향을 따른 상대 변위를 측정 가능하게 되어 있고, 상기 변위 센서에 의해 측정된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써, 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 하중 산출부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는 상기 로터에는, 당해 로터의 축선에 대해 나선상으로 비틀린 날개가 형성되어 있고, 상기 일단부 측의 베어링에 작용하는 스러스트 하중이 축 방향의 일방향을 따른 것이면 된다.
또한, 바람직하게는 상기 변위 센서는, 상기 로터의 축심으로부터 등거리를 두고, 또한 주위 방향으로 등간격으로 되도록 복수 개 배치되어 있고, 상기 하중 산출부는, 상기 복수 개의 상기 변위 센서에 의해 계측된 계측값을 평균함으로써 대표 상대 변위를 구하고, 구해진 대표 상대 변위로부터 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하면 된다.
또한, 바람직하게는 상기 로터의 회전을 검출하는 회전 센서가 설치되어 있고, 상기 변위 센서는, 상기 회전 센서에 의해 검출된 상기 로터의 1회전에 있어서의, 피 혼련 재료의 미투입 상태에서의 상대 변위의 파형과, 피 혼련 재료의 투입 상태에서의 계측된 상대 변위의 파형을 계측하고, 상기 하중 산출부는, 미투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형과, 투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형의 차분 파형을 이용하여, 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하면 된다.
본 발명의 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치에 의하면, 장치의 구성이 간단하고, 기존의 설비에도 추가로 설치 가능한 것이면서, 로터에 가해지는 스러스트 하중을 고정밀도로 계측할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 스러스트 하중의 계측 장치가 설치된 밀폐식 혼련 장치의 내부 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 밀폐식 혼련 장치의 혼련부 및 제1 실시 형태의 계측 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 밀폐식 혼련 장치의 혼련부 및 제1 실시 형태의 계측 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4a는 제2 실시 형태의 계측 장치를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4b는 제2 실시 형태의 계측 장치의 단면도이다.
도 5a는 상대 변위의 계측 파형을 나타내는 도면이다.
도 5b는 보정을 행한 상대 변위의 수정 파형을 나타내는 도면이다.
[제1 실시 형태]
이하, 제1 실시 형태의 스러스트 하중의 계측 장치(1)를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 먼저, 스러스트 하중의 계측 장치(1)의 설명에 앞서, 제1 실시 형태의 계측 장치(1)가 설치되는 밀폐식 혼련 장치(2)에 대해 설명한다. 도 1은, 제1 실시 형태의 밀폐식 혼련 장치(2)를 모식적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 밀폐식 혼련 장치(2)는, 내부가 혼련실(3)로 된 하우징(4)과, 하우징(4)의 내부에 설치된 한 쌍의 로터(5, 5)를 구비하고 있다. 그리고, 밀폐식 혼련 장치(2)는, 한 쌍의 로터(5, 5)에 의해 혼련실(3)에 압입된 고무나 플라스틱 등의 피 혼련 재료를 혼련하고, 원하는 혼련 상태로 된 피 혼련 재료를 외부로 취출하는 구성으로 되어 있다. 한 쌍의 로터(5, 5)는, 모두 축 방향의 양단부 측이 베어링(6, 7)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 로터(5)의 축 방향의 일단부 측(반구동 측)은 하우징(4)의 외부로 돌출되어 있지 않지만, 축 방향의 타단부 측(구동 측)은 하우징(4)의 외부로 돌출되어 있다. 이 돌출된 로터(5)의 타단부 측에는, 기어 커플링 등의 접속 장치가 접속되어 있어, 구동 장치에서 발생한 구동력이 접속 장치를 경유하여 입력되어 있다.
또한, 이후의 설명에 있어서, 도 2의 지면의 좌측을, 계측 장치를 설명할 때의 「반구동 측」 또는 「일단부 측」이라고 칭하고, 지면의 우측을, 계측 장치를 설명할 때의 「구동 측」 또는 「타단부 측」이라고 칭한다. 또한, 도 1의 지면의 상측을, 계측 장치를 설명할 때의 「상측」이라고 칭하고, 지면의 하측을, 계측 장치를 설명할 때의 「하측」이라고 칭한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 혼련실(3)의 상부에는, 상방을 향해 개구되는 개구부(8)가 형성되어 있다. 개구부(8)의 상측에는, 고무나 플라스틱 등의 피 혼련 재료를 상하 방향을 따라 안내(도입)하는 재료 도입로(9)가 형성되어 있다. 또한, 재료 도입로(9)의 상부에는, 하방을 향해 요동시킴으로써 개구 가능한 호퍼(10)가 설치된다. 호퍼(10)로부터는, 고무나 플라스틱 등의 모재에 첨가제 등이 배합된 피 혼련 재료가 투입된다. 또한, 재료 도입로(9)의 내부에는, 플로팅 웨이트(11)가 재료 도입로(9)의 형성 방향(상하 방향)을 따라 이동 가능하게 설치된다. 플로팅 웨이트(11)를 하방으로 이동시킴으로써, 재료 도입로(9)의 내부에 투입된 피 혼련 재료를 하방의 혼련실(3) 내에 압입하는 것이 가능하게 되어 있다.
혼련실(3)은, 2개의 원통 형상의 공동을, 외주면의 일부가 서로 겹치도록 좌우로 배열되는 형상(축 수직 방향을 따른 단면이 안경 구멍의 형상)으로 형성되어 있다. 혼련실(3)의 내부에는, 상술한 한 쌍의 로터(5, 5)가 배치되어 있다. 이들 한 쌍의 로터(5, 5)의 축심은, 혼련실(3)의 2개의 원통 형상의 공동의 중심에 대략 일치한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 각 로터(5)의 외주면에는, 피 혼련 재료를 혼련하는 날개(12)가 형성되어 있다. 이 로터(5)의 외주면에 설치된 날개(12)는, 어느 쪽의 로터(5)도 축 방향(축선)에 대해 비틀린 구조로 되어 있고, 우측의 로터(5)와 좌측의 로터(5)는, 피 혼련 재료에 서로 축 방향의 역방향으로 흐름을 발생할 수 있도록 형성되어 있다.
각 로터(5)의 양단부 측에는, 이 로터(5)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(6, 7)이 각각 설치되어 있다. 이들 양단부 측의 베어링(6, 7)은, 레이디얼 방향의 하중뿐만 아니라 스러스트 방향의 하중도 지지할 수 있는 베어링이 채용되어 있다. 이러한 베어링(6, 7)에는, 복열의 원뿔 롤러 베어링이나 자동 조심 롤러 베어링이 사용된다. 또한, 로터(5)의 타단부 측의 베어링(7)은, 로터(5)의 열연신을 흡수하기 위해, 스러스트 방향으로 슬라이드할 수 있는 구조로 되어 있다.
또한, 로터(5)의 축 방향의 타단부 측에는, 원동기 등의 구동 장치에서 발생한 회전 구동력(회전)을 감속하여 전달하는 감속기가 설치되어 있다. 이 감속기에 의해 감속된 회전 구동력이, 상술한 접속 장치(감속기의 축심과 로터(5)의 축심과의 편차를 허용함과 함께, 로터(5)의 축 방향의 이동을 허용 가능한 기어 커플링)를 통해 각 로터(5)에 입력되어, 각 로터(5)가 서로 다른 방향으로 회전한다. 또한, 로터(5)의 축 방향의 일단부 측은, 선단부를 향해 테이퍼 형상으로 형성되어 있고, 이 테이퍼 형상의 부분에 베어링(6)의 내륜(13)이 장착되어 있다.
즉, 상술한 밀폐식 혼련 장치(2)에서는, 날개(12)가 혼련실(3)의 내벽을 쓸어내는 것과 같이 로터(5)가 회전하여, 로터(5)에 형성된 날개(12)에 의해 혼련실(3) 내에 압입된 피 혼련 재료가 각종 첨가제와 함께 혼련된다. 이때, 각 로터(5)는, 날개(12)의 비틀림 방향이 동일하고 회전 방향이 서로 반대로 되어 있으므로, 도 3의 상측에 나타내는 로터(5)에서는, 축 방향의 타단부 측(구동 측)으로부터 일단부 측(반구동 측)을 향하는 스러스트 하중이 발생하고, 도 3의 하측에 나타내는 로터(5)에서는, 축 방향의 일단부 측(반구동 측)으로부터 타단부 측(구동 측)을 향하는 스러스트 하중이 발생한다. 여기서, 도 3의 상측에 나타내는 로터(5) 및 하측에 나타내는 로터(5)에서 발생한 스러스트 하중은, 모두 일단부 측의 베어링(6)에 의해 지지된다.
이와 같이 하여 로터(5)를 회전시킴으로써 혼련이 행해진 피 혼련 재료는, 혼련실(3)의 하측에 형성된 배출구(14)의 드롭 도어(15)를 개방함으로써 배출구(14)로부터 혼련실(3)의 외부로 취출된다. 그리고, 피 혼련 재료를 취출한 후에는, 드롭 도어(15)를 다시 상방으로 요동하여 혼련실(3)의 배출구(14)를 폐색하고, 투입구로부터 플로팅 웨이트(11)를 이용하여 다음 뱃치의 피 혼련 재료를 혼련실(3) 내에 압입한다. 이러한 뱃치식의 혼련 사이클을 반복함으로써, 상술한 밀폐식 혼련 장치(2)에서는 혼련이 행해진다.
그런데, 피 혼련 재료의 혼련에 수반하여 로터(5)에 발생하는 스러스트 하중은, 로터(5)를 지지하는 베어링(스러스트 베어링)의 수명에 큰 영향을 미친다. 따라서, 베어링의 수명을 판단하기 위해서는, 스러스트 하중을 정확하게 계측하는 것이 필요해진다. 이러한 스러스트 하중이 작용한 경우, 레이디얼 하중과 스러스트 하중을 모두 지지 가능한 베어링에는, 외륜(16)과 내륜(13) 사이의 변위(상대 변위)가 발생한다. 본 발명자는, 이 상대 변위에 착안하여, 상대 변위로부터 스러스트 하중을 산출하는 기술을 지견하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 밀폐식 혼련 장치(2)에서는, 스러스트 하중을 지지할 수 있는 베어링(6)에 발생하는 상대 변위로부터 스러스트 하중을 계측하는 계측 장치(1)를 설치하고 있다. 구체적으로는, 계측 장치(1)에서는, 스러스트 하중을 지지하는 베어링(6)의 외륜(16)을 고정하는 외륜 고정 부재(17)(베어링 압박) 또는 외륜 고정 부재(17)가 장착된 케이싱(18)에, 적어도 1개 이상의 변위 센서(19)가 배치되어 있다. 변위 센서(19)는, 일단부 측의 베어링(6)의 내륜(13)을 고정하는 내륜 고정 부재(20) 또는 내륜 고정 부재(20)가 장착된 로터(5)의 위치를 측정 가능하게 되어 있다. 즉, 변위 센서(19)는, 외륜(16)에 대한 내륜(13)의 축 방향을 따른 상대 변위를 측정 가능하게 되어 있다. 또한, 계측 장치(1)에는, 변위 센서(19)에 의해 측정된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써, 로터(5)에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 하중 산출부(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
다음으로, 본 발명의 계측 장치(1)를 구성하는 변위 센서(19) 및 하중 산출부의 상세에 대해 설명한다. 변위 센서(19)는, 축 방향으로 설치된 베어링(6, 7) 중, 스러스트 하중이 가해지는 일단부 측의 베어링(6)에 설치되어 있고, 이 베어링(6)의 외륜(16)과 내륜(13) 사이에 발생하는 축 방향을 따른 변위를 계측하는 구성으로 되어 있다.
구체적으로는, 변위 센서(19)는, 베어링(6)의 외륜(16) 측의 부재에 장착되어 있고, 베어링(6)의 내륜(13) 측의 부재까지의 거리에 기초하여 상대 변위(베어링(6)의 외륜(16)에 대한 베어링(6)의 내륜(13)의 어긋남량)를 계측하는 구성으로 되어 있다. 변위 센서(19)가 장착되는 「베어링(6)의 외륜(16) 측의 부재」는, 외륜(16)이 외측으로부터 보이지 않는 경우에는, 외륜(16)과 동일하게 고정된 부재, 예를 들어 외륜(16)을 고정하는 외륜 고정 부재(17) 또는 외륜 고정 부재(17)가 설치된 케이싱(18) 등이 채용된다. 또한, 변위 센서(19)에 의해 변위가 계측되는 「베어링(6)의 내륜(13) 측의 부재」는, 내륜(13)이 외측으로부터 보이지 않는 경우에는, 내륜(13)과 일체로 축 방향으로 이동 가능한 부재(내륜(13)과 동일하게 움직이는 부재), 예를 들어 내륜(13)을 고정하는 내륜 고정 부재(20) 또는 내륜 고정 부재(20)가 장착된 로터(5) 등이 사용된다.
또한, 이러한 변위 센서(19)에는, 레이저나 와전류 등을 사용한 비접촉 변위계 등을 적합하게 사용할 수 있지만, 접촉식 변위계 등을 사용해도 된다. 또한, 본 실시 형태의 변위 센서(19)는, 외륜 고정 부재(17)의 표면으로부터 반구동 측을 향해 돌출 형상으로 장착된 장착 부재(22)의 선단부에 레이저식 변위계를 설치한 구조로 되어 있다. 그리고, 변위 센서(19)는, 로터(5)의 단부면(로터(5)의 캡(23))의 축 방향 위치를, 레이저를 사용하여 계측함으로써, 외륜(16)과 내륜(13) 사이의 축 방향을 따른 상대 변위를 계측하는 구성으로 되어 있다.
하중 산출부는, 도시는 생략하지만, 상술한 변위 센서(19)에 의해 계측된 상대 변위로부터, 일단부 측의 베어링(6)에 가해지는 스러스트 하중을 산출할 수 있도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 하중 산출부에서는, 변위 센서(19)에 의해 계측된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써, 일단부 측의 베어링(6)에 가해지는 스러스트 하중, 바꾸어 말하면 로터(5)에 발생하는 스러스트 하중을 산출하는 구성으로 되어 있다. 이 환산 계수는, 하중이 상대 변위에 대해 스프링과 같이 탄성적으로 변화되는 것으로부터 도출되는 스프링 상수이다. 환산 계수의 값은, 로터(5)의 축에 기지의 스러스트 하중(로드 셀을 통해 유압 실린더로 압박하는 등)을 부여하여, 로터(5)를 회전시킨 상태에서 상대 변위를 계측하면서 교정을 행함으로써 산출할 수 있다.
즉, 미리 환산 계수의 수치를 입수해 두고, 하중 산출부에 환산 계수를 입력해 두면, 변위 센서(19)에 의해 계측된 상대 변위에 이 환산 계수를 곱함으로써 스러스트 하중을 산출하는 것이 가능해진다. 또한, 실제의 하중 산출부로서는, 변위 센서(19)의 계측 결과를 데이터 로거나 메모리 등을 이용하여 도입하여 계산을 행하는 퍼스널 컴퓨터 등이 사용된다. 다음으로, 상술한 계측 장치(1)를 이용하여 스러스트 하중을 계측하는 방법, 바꾸어 말하면 본 발명의 스러스트 하중의 계측 방법에 대해 설명한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 상술한 로터(5)를 회전시키면, 축 방향을 따라 나선상으로 비틀린 날개(12)가 피 혼련 재료를 혼련한다. 이 혼련에 수반하여, 로터(5)에는 스러스트 하중이 발생한다. 이와 같이 하여 발생한 스러스트 하중은, 로터(5)의 일단부 측에 배치된 베어링(6)에 의해 지지된다. 구체적으로는, 도 2의 상측의 로터(5)에 있어서, 일단부 측의 베어링(6)에서는, 스러스트 하중의 부여에 의해 고정된 외륜(16)에 대해 내륜(13)의 쪽이 일단부 측을 향해 수평으로 슬라이드한다. 외륜(16)에 대한 내륜(13)의 슬라이드량은, 스러스트 하중의 크기에 따라서 변화되므로, 본 발명의 계측 방법에서는, 상술한 변위 센서(19)에 의해 상대 변위를 계측하고, 계측된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써 스러스트 하중을 산출하고 있다.
즉, 본 발명의 계측 장치(1)에서는, 상술한 베어링(6)의 외륜(16)을 고정하는 외륜 고정 부재(17)에 변위 센서(19)를 장착해 두고, 이 변위 센서(19)를 사용하여 베어링(6)의 내륜(13)을 고정하는 내륜 고정 부재(20)의 축 방향 위치를 계측한다. 이와 같이 하면, 베어링(6)의 외륜(16)과 내륜(13)의 간격, 즉, 베어링(6)의 외륜(16)과 내륜(13) 사이에 발생하는 축 방향을 따른 상대 변위를 계측하는 것이 가능해진다.
이와 같이 하여 변위 센서(19)에 의해 계측된 상대 변위의 결과는, 하중 산출부로 보내진다. 하중 산출부에서는, 상대 변위의 결과에 기지의 환산 계수를 곱함으로써 스러스트 하중을 산출하고 있다. 상술한 계측 장치(1)는, 밀폐식 혼련 장치(2)의 로터(5)의 베어링(6)에 장착된 복수의 변위 센서(19)와, 복수의 변위 센서(19)의 계측 결과를 처리하는 하중 산출부만으로 구성되어 있다. 따라서, 장치 자체는 극히 간편한 구성임에도 불구하고, 베어링(6)의 외륜(16)과 내륜(13) 사이에 발생하는 상대 변위로부터 로터(5)에 가해지는 스러스트 하중을 고정밀도로 계측할 수 있다.
또한, 로터(5)에 변위 센서(19)를 장착만 하면, 장치를 대폭 개조하는 일 없이, 기존의 설비에 추가로 설치할 수 있어, 계측 장치(1)의 편리성이라고 하는 면에서도 우수하다. 또한, 상술한 계측 장치(1)에 의해 상대 변위를 정기적으로 계측하여, 상대 변위가 관리값으로부터 벗어나지 않도록 감시함으로써, 베어링(6)의 마모 등의 이상도 관측하는 것이 가능하다. 왜냐하면, 베어링(6)의 마모가 진전되면, 베어링(6)의 간극(백래시)이 증가하여, 상대 변위가 증가하기 때문이다. 그로 인해, 상대 변위의 증가를 관측하면, 베어링(6)의 적절한 교환 시기를 결정하는 것이 가능해진다.
또한, 상술한 계측 장치(1)에 있어서 외륜(16)과 내륜(13) 사이의 변위를 계측하여 하중을 산출할 때, 베어링(6)에 간극(백래시)이 있으면 정밀도가 떨어져 버린다. 왜냐하면, 스러스트 하중의 작용 방향으로 베어링(6)의 간극이 있는(베어링(6)에 백래시가 있는) 경우에는, 작은 하중에서도 큰 상대 변위가 계측되어 버리므로, 하중 산출부에서 큰 하중이 발생하였다고 잘못 판단되어 버려, 스러스트 하중을 정확하게 산출하는 것이 곤란해질 우려가 있기 때문이다.
그러나, 본 발명의 계측 장치(1)가 적용되는 밀폐식 혼련 장치(2)에 있어서는, 혼련 중, 베어링(6)에 백래시는 발생하지 않는다. 이것은, 각 로터(5)는, 날개(12)의 비틀림 방향이 동일하고 회전 방향이 서로 반대로 되어 있으므로, 도 3의 상측에 나타내는 로터(5)에서는, 축 방향의 타단부 측(구동 측)으로부터 일단부 측(반구동 측)을 향하는 스러스트 하중이 발생하고, 도 3의 하측에 나타내는 로터(5)에서는, 축 방향의 일단부 측(반구동 측)으로부터 타단부 측(구동 측)을 향하는 스러스트 하중이 발생하기 때문이다. 즉, 각 로터(5)에는, 혼련 중, 축 방향의 일방향을 따른 스러스트 하중이 발생하기 때문에, 도 3의 상측에 나타내는 로터(5)에서는, 베어링(6)의 내륜(13)이 일단부 측(반구동 측)으로 압박되고, 도 3의 하측에 나타내는 로터(5)에서는, 베어링(6)의 내륜(13)이 타단부 측(구동 측)으로 압박되므로, 베어링(6)은 간극을 갖고 있음에도 불구하고, 혼련 중의 베어링(6)에 백래시는 발생하지 않는다. 그러므로, 상대 변위와 스러스트 하중 사이에 선형 관계가 성립하게 되어, 스러스트 하중을 정확하게 산출하는 것이 가능해진다.
그런데, 상술한 변위 센서(19)에 의해 계측되는 상대 변위에는, 로터(5)의 회전 성분(굴곡 성분)이 오차로서 포함되는 경우가 있어, 오차를 배제하지 않으면 스러스트 하중을 고정밀도로 산출할 수 없는 경우가 있다. 예를 들어, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 회전하는 로터(5)에는 직경 외측을 향해 레이디얼 하중이 발생하고 있다. 그로 인해, 레이디얼 하중에 의해 로터(5)는 축 방향의 중도 측이 하방을 향해 휘면서 회전하게 된다. 그렇게 하면, 이 휨이 원인이 되어 로터(5)가 수평 방향에 대해 경사지게 되고, 로터(5)의 단부면(계측면)이 수직을 따른 것이 아니게 되어, 계측 파형에 로터(5)의 회전 주기에 동기한 회전 성분이 발생한다.
즉, 로터(5)의 단부면 상측에 변위 센서(19)를 설치한 경우와, 단부면 하측에 변위 센서(19)를 설치한 경우에서는 계측값이 상이해져, 정확한 상대 변위를 계측하는 것이 곤란하게 되어 버린다. 로터(5)의 단부면 중앙부에서 변위를 계측할 수 있으면, 회전 성분은 계측값에 포함되지 않게 되지만, 일반적으로 단부면 중앙부에는 로터(5)에의 냉각수의 공급 배관의 접속 등이 설치되어 있으므로, 로터(5)의 단부면 중앙부에 변위 센서(19)를 배치하는 것은 곤란한 경우가 많다.
이러한 경우는, 상대 변위로부터 로터(5)의 회전 성분의 영향을 오차로서 배제(보정)하는 이하와 같은 보정 수단(제1 보정 수단)을 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 보정 수단은, 변위 센서(19)를 주위 방향으로 등간격으로 복수(2개 이상) 설치해 두고, 복수의 변위 센서(19)에 의해 계측되는 계측값의 평균을 이용함으로써 회전 성분의 영향을 배제하는 것이다.
즉, 이들 복수의 변위 센서(19)는, 각 로터(5)의 축심으로부터 서로 등거리로 되도록, 또한 각각이 주위 방향으로 등간격으로 되도록 배치되어 있다. 예를 들어, 도 4a의 위에 나타내는 예에서는, 로터(5)의 단부면의 상측의 「계측점 1」과 하측의 「계측점 2」에 각각 변위 센서(19)가 설치되어 있고, 주위 방향으로 180°의 위상차를 두고 1개의 로터(5)에 대해 2개의 변위 센서(19)가 배치되어 있다. 또한, 도 4a의 아래에 나타내는 예에서는, 로터(5)의 단부면 상측 「계측점 1」과 하측의 「계측점 2」 및 「계측점 3」에 변위 센서(19)가 설치되어 있고, 주위 방향으로 120°의 위상차를 두고 1개의 로터(5)에 대해 3개의 변위 센서(19)가 배치되어 있다.
이와 같이 복수의 변위 센서(19)를 주위 방향과 동등한 거리(위상차)를 두고 배치하면, 각 변위 센서(19)에 의해 계측되는 상대 변위의 계측 결과가 동등한 위상차를 두고 계측된다. 그로 인해, 모든 변위 센서(19)의 계측 결과의 합을 계산하면, 각각의 계측값에 포함되는 회전 성분의 영향을 아울러 상쇄하여 배제하는 것이 가능해진다. 즉, 복수 개의 변위 센서(19)에 의해 계측된 계측값을 평균한 대표 상대 변위를 구하면, 각각의 계측 결과에 포함되어 있던 로터(5)의 회전 성분의 영향이 상쇄되어, 구해진 대표 상대 변위는 로터(5)의 회전 성분의 영향을 포함하지 않는 것으로 된다. 따라서, 복잡한 산술 처리를 행하지 않아도 로터(5)의 회전 성분의 영향을 배제할 수 있다.
한편, 로터(5)의 단부(변위 센서(19)의 계측면)이 평탄하지 않고 굴곡이나 요철이 있는 경우, 상대 변위의 계측 결과에 그 영향이 나타나는 경우가 있다. 이 영향을 배제하기 위해, 이하와 같은 보정 수단(제2 보정 수단)을 설치하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 제2 보정 수단은, 로터(5)의 외주면에 로터(5)의 회전 상태를 센싱하는 표식(24)(응답부) 등을 부착해 두고, 로터(5)의 외주면의 더욱 외주 측에, 표식(24)을 검출하는 회전 센서(25)를 설치한 구성으로 되어 있다. 그리고, 회전 센서(25)에 의해 표식(24)이 검출될 때마다 로터(5)가 1회전한 것으로 하여, 회전 센서(25)에 의해 로터(5)의 1회전분이라고 판단된 상대 변위를 변위 센서(19)에 의해 계측한다.
다음으로, 피 혼련 재료의 미투입 상태에서의 상대 변위의 파형과, 피 혼련 재료의 투입 상태에서의 상대 변위의 파형을 변위 센서(19)에 의해 계측한다. 그리고, 미투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형과, 투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형의 차분 파형을 사용하여, 하중 산출부에서 로터(5)에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 구성으로 되어 있다. 이 차분 파형의 계산은, 1회전분(1펄스)의 데이터가 계측될 때마다 계산되고, 계산 결과의 파형이 보정 후의 계측값으로서 출력된다.
이러한 제2 보정 수단을 사용하여 얻어지는 차분 파형에서는, 로터(5)의 회전 성분의 영향이 제외된 것으로 되어 있다. 그로 인해, 이러한 차분 파형을 이용해도 스러스트 하중을 고정밀도로 계측할 수 있다고 판단된다. 예를 들어, 도 5a에 나타내는 상대 변위의 계측 파형에서는, 재료의 투입 전을 보면 명백한 바와 같이, 계측 파형이 주기적으로 변동되고 있고, 계측 파형에 로터(5)의 회전 성분의 영향이 포함되어 있다. 한편, 상술한 보정 수단에 의해 보정을 행한 수정 파형(도 5b 참조)에서는, 계측 파형이 주기적으로 변동되고 있지 않고, 계측 파형으로부터 로터(5)의 회전 성분의 영향이 배제되어 있는 것을 알 수 있다.
상술한 제1 및 제2 보정 수단은, 축 방향의 길이가 길고, 회전에 수반되는 휨이 발생하기 쉬운 밀폐식 혼련 장치(2)에 있어서, 스러스트 하중을 계측하는 경우에 특히 유용해진다. 또한, 상술한 계측 장치(1)에서는, 허브 구조의 내부에 변위 센서(19)가 조립되어 있기(허브 구조를 갖는 베어링(6)의 직경 내측에 변위 센서(19)가 조립되어 있기) 때문에, 휨의 영향을 더욱 작게 할 수 있다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 특히, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어 운전 조건이나 조업 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니며, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.
본 출원은, 2013년 12월 20일에 출원된 일본 특허 출원 제2013-263891호에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.
1 : 스러스트 하중의 계측 장치
2 : 밀폐식 혼련 장치
3 : 혼련실
4 : 하우징
5 : 로터
6 : 일단부 측의 베어링
7 : 타단부 측의 베어링
8 : 개구부
9 : 재료 도입로
10 : 호퍼
11 : 플로팅 웨이트
12 : 날개
13 : 내륜
14 : 배출구
15 : 드롭 도어
16 : 외륜
17 : 외륜 고정 부재
18 : 케이싱
19 : 변위 센서
20 : 내륜 고정 부재
22 : 장착 부재
23 : 로터의 캡
24 : 표식(응답부)
25 : 회전 센서

Claims (4)

  1. 축심이 서로 평행하게 되도록 소정의 간극을 두고 인접하여 배치됨과 함께 서로 다른 방향으로 회전하는 한 쌍의 로터를 구비하고, 상기 한 쌍의 로터의 양단부 측에는 각 로터에 가해지는 레이디얼 방향의 하중을 지지하는 베어링이 설치되어 있고, 각 상기 로터에 가해지는 스러스트 방향의 하중이 양단부 측의 상기 베어링 중 일단부 측의 상기 베어링에 의해 지지되어 있는 밀폐식 혼련 장치에 구비된 스러스트 하중의 계측 장치이며,
    상기 일단부 측의 베어링의 외륜을 고정하는 외륜 고정 부재 또는 상기 외륜 고정 부재가 장착된 케이싱에, 적어도 1개 이상의 변위 센서가 배치되어 있고,
    상기 변위 센서는, 상기 외륜 고정 부재 또는 상기 케이싱과, 상기 일단부 측의 베어링의 내륜을 고정하는 내륜 고정 부재 또는 상기 내륜 고정 부재가 장착된 상기 로터의 축 방향을 따른 상대 변위를 측정 가능하게 되어 있고,
    상기 변위 센서에 의해 측정된 상대 변위에 환산 계수를 곱함으로써, 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 하중 산출부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터에는, 당해 로터의 축선에 대해 나선상으로 비틀린 날개가 형성되어 있고, 상기 일단부 측의 베어링에 작용하는 스러스트 하중이 축 방향의 일방향을 따른 것인 것을 특징으로 하는, 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 변위 센서는, 상기 로터의 축심으로부터 등거리를 두고, 또한 주위 방향으로 등간격으로 되도록 복수 개 배치되어 있고,
    상기 하중 산출부는, 상기 복수 개의 상기 변위 센서에 의해 계측된 계측값을 평균함으로써 대표 상대 변위를 구하고, 구해진 대표 상대 변위로부터 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 것을 특징으로 하는, 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로터의 회전을 검출하는 회전 센서가 설치되어 있고,
    상기 변위 센서는, 상기 회전 센서에 의해 검출된 상기 로터의 1회전에 있어서의, 피 혼련 재료의 미투입 상태에서의 상대 변위의 파형과, 피 혼련 재료의 투입 상태에서의 계측된 상대 변위의 파형을 계측하고,
    상기 하중 산출부는, 미투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형과, 투입 상태에 있어서의 상대 변위의 계측 파형의 차분 파형을 이용하여, 상기 로터에 가해지는 스러스트 하중을 산출하는 것을 특징으로 하는, 밀폐식 혼련 장치의 로터에 가해지는 스러스트 하중의 계측 장치.
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