TWI532531B - Mixing system with closed rubber kneading machine - Google Patents

Description

具備密閉式橡膠混練機之混練系統

本發明係關於一種具備密閉式橡膠混練機之混練系統，進一步詳細而言係關於一種具備可簡便且精度良好地掌握混練機之混練效率之程度之密閉式橡膠混練機的混練系統。

於製造輪胎或橡膠軟管等橡膠製品時，例如將包含原料橡膠、與碳黑等各種調配材料之混練材料向密閉式橡膠混練機投入既定量而混練。藉由該混練，使各種調配材料均勻地分散至原料橡膠中，並且使混練材料降低至固定之黏度。密閉式橡膠混練機係於腔室內具備平行地並列設置之2根轉子，使該等轉子旋轉而對混練材料進行混練。混練材料係以轉子軸為中心而旋轉，藉此於轉子與腔室之內壁面之間賦予剪切力而被混練。

另外，於密閉式橡膠混練機中，存在轉子、轉子驅動馬達、腔室等各規格不同之各種混練機。為了進行有效之混練，較理想的是選定使用適於混練材料之混練機、或者於使用既存之橡膠混練機之情形時以適於混練材料之條件進行混練。

作為對密閉式橡膠混練機之混練狀態進行評估之手段，已知有使用混練機之電力-時間曲線之方法(例如，參照非專利文獻1)。然而，該文獻之主題為掌握某個時間點之混練狀態等，而無法對密閉式橡膠混練機之混練效率進行評估。

例如，關於為了效率良好地混練某個混練材料而應用哪種混練機、或者以哪種條件方能效率良好地混練等，非專利文獻1並不能成為直接之參考。因此，要求可簡便且精度良好地評估該密閉式橡膠混練機之混練效率為哪種程度之混練系統。

[先前技術文獻] [非專利文獻]

[非專利文獻1]西本一夫．占部誠亮．秋山鐵夫著、日本橡膠協會會刊、1992年、第65卷、第8號、「電力-時間曲線之光譜解析」、P465~472

本發明之目的在於提供一種具備可簡便且精度良好地掌握混練機之混練效率之程度之密閉式橡膠混練機的混練系統。

為了達成上述目的，本發明之具備密閉式橡膠混練機之混練系統之特徵在於包括：密閉式橡膠混練機，其對包含原料橡膠及碳黑之混練材料進行混練；轉速計，其對該混練機之轉子之轉速(number of revolutions per unit time)進行檢測；電力計，其對該轉子之旋轉驅動所需之瞬時電力進行檢測；及運算裝置，其輸入有上述轉速計及電力計之檢測資料；且構成為基於該等輸入之檢測資料、上述轉子之外徑之資料、該轉子之外徑位置與收容轉子之腔室之內壁面的間隙之資料，藉由上述運算裝置，以混練時間乘以上述轉子賦予至混練材料之剪切速度而算出總剪切量，用由混練時間乘以上述瞬時電力所得之累積電能除以混練材料之質量而算出單位功(unit work)，基於該總 剪切量與單位功而算出對該混練機之混練效率進行評估之評估指數。

根據本發明，於藉由密閉式橡膠混練機對包含原料橡膠及碳黑之混練材料進行混練時，可基於轉速計之檢測資料(轉子轉速)、轉子之外徑之資料、該轉子之外徑位置與收容轉子之腔室之內壁面的間隙之資料及混練時間，精度良好地近似地獲得以混練時間乘以轉子之剪切速度所得之總剪切量。又，可用由混練時間乘以電力計之檢測資料(轉子之旋轉驅動所需之瞬時電力)所得之累積電能除以混練材料之質量而獲得單位功的實測值。繼而，藉由運算裝置，基於總剪切量與單位功而算出對該混練機之混練效率進行評估之評估指數。

總剪切量即為於混練時所輸入之工作量，單位功即為於混練時所輸出之工作量。而且，混練效率係於混練時所輸出之工作量相對於所輸入之工作量，該等工作量可如上所述般容易地掌握，因此根據本發明，可簡便且精度良好地掌握該混練機之混練效率之程度。

此處，例如亦可構成為逐次算出上述評估指數。亦可構成為將加壓砝碼之位置之資料輸入至上述運算裝置，該加壓砝碼係設置於上述轉子之上部，於進行混練時，向下方移動而配置於覆蓋轉子之上部且密閉腔室之位置，於投入混練材料時，向上方移動而配置於待機位置。亦可構成為根據混練材料之調配，將上述評估指數之極限值輸入至上述運算裝置，對該極限值與上述算出之評估指數進行比較。

1‧‧‧密閉式橡膠混練機

2‧‧‧外殼

3‧‧‧材料投入口

4‧‧‧材料排出口

5‧‧‧排出口封蓋

6‧‧‧加壓砝碼

7‧‧‧腔室

7a‧‧‧內壁面

8‧‧‧轉子

9‧‧‧轉子軸

10‧‧‧轉子驅動部

10a‧‧‧轉速計

10b‧‧‧電力計

11‧‧‧運算裝置

a‧‧‧曲線

b‧‧‧曲線

D‧‧‧轉子外徑

E‧‧‧評估指數

H‧‧‧間隙

p‧‧‧瞬時電力

R‧‧‧混練材料

TP‧‧‧溫度

W‧‧‧累積電能

圖1係以縱剖面例示對混練材料進行混練之密閉式橡膠混練機之內部之本發明的混練系統之整體概要圖。

圖2係例示圖1之密閉式橡膠混練機之內部構造之縱剖面圖。

圖3係圖2之A-A剖面圖。

圖4係例示本發明之複數個混練系統之混練機之評估指數的曲線圖。

圖5係例示本發明之複數個混練系統之混練機之混練材料的填充率與評估指數之關係之曲線圖。

圖6係例示本發明之混練系統之某個混練機之混練材料的填充率與評估指數、混練時間之關係之曲線圖。

圖7係例示本發明之混練系統之某個混練機之評估指數的時間序列變化之曲線圖。

圖8係例示本發明之混練系統之其他混練機之評估指數的時間序列變化之曲線圖。

以下，基於圖示之實施形態，對本發明之具備密閉式橡膠混練機之混練系統進行說明。

如圖1~圖3所例示，本發明之混練系統具備：密閉式橡膠混練機1(以下，稱為混練機1)，其對包含原料橡膠及碳黑之混練材料R進行混練；轉速計10a，其對該混練機1之轉子8之轉速N進行檢測；電力計10b，其對轉子8之旋轉驅動所需之瞬時電力p進行檢測；及運算裝置11，其輸入有轉速計10a及電力計10b之檢測資料。

於轉子驅動部10中，轉速計10a及電力計10b係設置於對轉子軸9進行旋轉驅動之轉子驅動部10。作為轉子驅動部10，例如採用驅動馬達等。

混練機1係於外殼2之上下方向中途具有材料投入口 3，於外殼2之下部具有收容轉子8之腔室7及材料排出口4。於腔室7內，設置有平行地並列設置之2根轉子8。並列設置之2根轉子8係以平行地並列設置之各者之轉子軸9為中心而彼此向相反方向旋轉驅動。

各個轉子8之轉速N為可變，可設定為任意之轉速N。各個轉子8之轉速N設定為相同，但亦可使彼此之轉子8之轉速N不同。轉子8之形式並無特別限定，可採用接線式或咬合式等各種形式。該轉子8係分別成為2片葉片轉子，但適當決定葉片之數量、形狀。

於轉子8之上部，設置有上下移動之加壓砝碼6。加壓砝碼6係於將混練材料R投入至外殼2之內部時，配置於不會阻礙混練材料R之投入之上方之待機位置。於混練材料R投入至外殼2之內部後，自待機位置向下方移動，配置於覆蓋轉子8之上部且大致密閉腔室7之位置。混練材料R包含原料橡膠及碳黑，除此之外，適當調配除碳黑外之增強劑、填充劑、抗老化劑、加工助劑、軟化劑、可塑劑、硫化劑、硫化促進劑、硫化延遲劑等各種調配材料。

於對混練材料R進行混練時，設置於轉子8之下方位置之材料排出口4係藉由排出口封蓋5而封口。於自材料排出口4排出經混練之混練材料R時，排出口封蓋5移動至不會阻礙混練材料R之排出之待機位置而使材料排出口4開口。加壓砝碼6及排出口封蓋5之構造並不限定於所例示之構造。亦可為所謂之捏合機構造之混合機。

藉由轉速計10a及電力計10b而檢測之資料被輸入至連接於轉子驅動部10之由電腦等構成之運算裝置11。於運算裝置11中，亦輸入有轉子8之外徑D、轉子8之外徑位置與腔室7之內壁面7a之間隙H的資料、表示混練材料R之體積相對於混練機1之腔室7之容 量所佔的比率之填充率之資料。

進而，預先設定與混練材料R之調配及量對應之混練時間T，且將該混練時間T之資料輸入於運算裝置11。或者，混練時間T係基於正處於混練時之混練材料R之黏度而決定，於到達預先設定之既定之黏度時完成混練，自混練開始至混練完成為止之時間係作為混練時間T之資料而輸入至運算裝置11。此處，混練中之混練材料R之黏度係可藉由混練橡膠之溫度與轉子驅動電力而掌握。

於該實施形態中，構成為於運算裝置11亦輸入有加壓砝碼6之位置之資料。又，亦於運算裝置11輸入有對與混練材料R之調配對應之評估指數E進行測量之時間點、評估指數E之極限值Em之資料。

較佳為，於將評估指數E使用於混練結束之判定之情形時，不使用混練初期之所謂之預混練之資訊。其原因在於，於預混練之電能中較多地包含因原料或混合機之溫度引起之干擾。即，測量評估指數E係針對混練原料橡膠與碳黑之階段、及使混練橡膠均勻化之階段。因此，將開始評估指數E之測量之時間點作為輸入資料而賦予。

極限值Em係於對該調配之混練材料R進行混練時可判斷為混練機1正常地進行混練之評估指數E之極限值(下限值)，且係相對於各個調配進行試驗攪拌而預先掌握之值。而且，構成為藉由運算裝置11比較極限值Em與算出之評估指數E。

於對混練材料R進行混練時，藉由運算裝置11而算出下述(1)式所示之總剪切量J。即，藉由以混練時間T乘以旋轉驅動之轉子8賦予至混練材料R之剪切速度γ而算出總剪切量J。

總剪切量J=ʃ(γ)dt…(1)

此處，剪切速度γ=剪切係數K×轉子轉速N，剪切係數K=π×轉子外徑D/間隙H。

又，藉由運算裝置11而算出下述(2)式所示之單位功UW。即，藉由用由混練時間T乘以轉子8之旋轉驅動所需之瞬時電力p所得之累積電能W除以混練材料R之質量M而算出單位功UW。

單位功UW=累積電能W/混合材料質量M…(2)

此處，累積電能W=ʃ(p)dt。

繼而，如下述(3)式所示，藉由運算裝置11，藉由用單位功UW除以總剪切量J而算出評估指數E。

評估指數E=單位功UW/總剪切量J…(3)

總剪切量J即為於混練時所輸入之工作量。而且，總剪切量J可藉由將轉子外徑D、間隙H(或者腔室7之內徑)、轉子轉速N及混練時間T代入至(1)式，而精度良好地近似地求出。又，單位功UW即為於混練時所輸出之工作量。單位功UW可藉由電力計10b而實測掌握。

因此，評估指數E之值係混練時之所輸出之工作量相對於所輸入之工作量。此處，總剪切量J係近似地算出之假想值，實際之總剪切量Jr係Jr=混練效率β×總剪切量J。混練效率β係根據轉子8之規格等而變化之值，且成為超過0~1以下。而且，若將(3)式變形，則成為以下之(4)式。

評估指數E=混練效率β×(單位功UW/實際之總剪切量Jr)…(4)

若混練材料R之調配相同，則藉由既定之輸入之混練而獲得之混練後的混練材料R成為相同者，因此認為「單位功UW/實際 之總剪切量Jr」之值係藉由混練材料R之調配而成為固定(固有值)。因此，評估指數E係表示混練效率之程度，且意味著數值越大，混練效率越佳。該評估指數E可藉由上述(1)式、(2)式、(3)式而容易地算出，因此可簡便且精度良好地掌握混練機1之混練效率之程度。

例如，成為橡膠軟管之管體橡膠(內層橡膠)之材料存在調配與原料橡膠同等之質量的碳黑之情形，於混練中，較通常之橡膠之混練材料R變得非常硬。因此，有對混練機1施加過大之負荷，亦對混練效率產生較大影響之情形。若使用本發明之混練系統，則即便為成為此種管體橡膠之混練材料R，亦可掌握混練機1之混練效率之程度，因此具有易於設定適當之混練條件，可將混練機1之故障防患於未然等優點。

使用本發明之混練系統對混練材料R進行混練之順序如下。

首先，通過材料投入口3向外殼2之內部投入既定量之原料橡膠及碳黑等各種調配材料。接著，以使加壓砝碼6自待機位置向下方移動而密閉覆蓋轉子8之上部之方式進行配置。

於該狀態下，所投入之混練材料R係於由腔室7之內壁面7a、排出口封蓋5及加壓砝碼6包圍之空間內，藉由旋轉驅動之2個轉子8而混練。又，例如於在最初素練原料橡膠後，依次向外殼2之內部(腔室7)投入軟化劑或可塑劑、碳黑而混練。於混練材料R混練成既定之狀態而完成混練後，使排出口封蓋5移動至待機位置，藉此使材料排出口4開口而將混練材料R排出至混練機1之外部。

自開始對混練材料R進行混練之時間點至混練完成之時間點為止，藉由轉速計10a逐次檢測轉子8(轉子軸9)之轉速N，且藉 由電力計10b而逐次檢測轉子8之旋轉驅動所需之瞬時電力p。藉由轉速計10a及電力計10b而檢測之資料係輸入至運算裝置11。接著，藉由運算裝置11而逐次算出評估指數E。

圖4係表示藉由分別具備規格不同之8種混練機1(C1機~C8機)之本發明之混練系統，以相同之條件將相同之混練材料R混練成相同之狀態時的評估指數E。再者，所謂相同之條件係指填充率相同，且混練材料之投入順序、時間點相同。圖4之各個混練機1之填充率係大致為60%。

由圖4之結果可掌握，於8種混練機中，C3機之混練機1之混練效率最佳，C8機之混練機之混練效率最差。於僅重視混練效率而進行混練之情形時，選擇具備C3機之混練機1之混練系統。

圖5係表示藉由分別具備規格不同之2種混練機1(C7機、C8機)之本發明之混練系統，將相同之混練材料R以相同之投入順序、時間點，且使填充率不同地混練成相同之狀態時之評估指數E。由圖5之結果可掌握，於C7機及C8機之混練機1中，評估指數E不會因填充率之差異大幅度變化，而成為大致固定之範圍。而且，可掌握C7機之混練機1之混練效率較C8機之混練機1更佳。

圖6係表示藉由具備C10機之混練機1之本發明之混練系統，以不同之填充率將某個混練材料R混練成既定之狀態時之評估指數E(曲線a)。曲線b係表示此時之填充率與混練時間T之關係。

藉由對該評估指數E進行比較，可對C10機之混練機1之複數個填充率下之混練效率進行比較。即，可掌握於藉由相同規格之混練機1以不同之填充率將相同之混練材料R混練成相同之狀態時能夠效率最佳地混練之填充率。可掌握於該C10機之混練機1中，若 將填充率設定為50%左右，則可將混練所需之時間設為最小限度，從而混練效率變最佳。

圖7係表示藉由具備C10機之混練機1之混練系統，以某個填充率(60%)將某個混練材料R混練成既定之狀態時之評估指數E之時間序列變化。又，亦表示此時之瞬時電力p、累積電能W、混練材料R之溫度TP之時間序列變化。於圖7之混練步驟中，為了自混練開始至混練完成為止進行各種調配材料之投入或加壓砝碼6之操作等，而間歇性地進行5次混練作業，但最初之混練作業係未投入所有調配材料之狀態下之預混練。因此，本發明係以2次以後之混練作業(已投入所有調配材料之混練作業)為對象。運算裝置11中輸入有加壓砝碼6之位置之資料，因此可根據該位置資料，掌握於評估指數E之時間序列資料中，加壓砝碼6位於覆蓋轉子8之上部且密閉腔室7之位置、或者位於待機位置。

由圖7之結果可知，於利用C10機之混練機1之混練中，評估指數E持續增大至混練完成為止，持續長時間地緩慢地對混練材料R進行混練，從而混練效率不佳。又，可知混練時之混練材料R之發熱較少。

圖8係表示藉由具備C11機之混練機1之混練系統，以某個填充率(50%)將某個混練材料R混練成既定之狀態時之評估指數E之時間序列變化。又，亦表示此時之瞬時電力p、累積電能W、混練材料R之溫度TP之時間序列變化。於圖8之混練步驟中，為了自混練開始至混練完成為止進行各種調配材料之投入或加壓砝碼6之操作等，而自混練開始至混練完成為止，間歇性地進行3次混練作業。最初之混練作業係未投入所有調配材料之狀態下之預混練。因此，本發 明係以2次以後之混練作業(已投入所有調配材料之混練作業)為對象。

由圖8之結果可知，於利用具備C11機之混練機1之混練系統之混練中，評估指數E因中途之混練作業而急劇地增大，此後成為大致固定水準，於短時間內一次性地對混練材料R進行混練，從而混練效率較佳。又，可知混練時之混練材料R之發熱較多。

根據圖7與圖8之結果，例如於對即便發熱較多亦難以對品質產生障礙之混練材料R進行混練之情形時，使用具備C11機之混練機1之混練系統進行混練，藉此可於短時間內實現效率較佳之混練。另一方面，於對若發熱較多則易於對品質產生障礙之混練材料R進行混練之情形時，使用具備C10機之混練機1之混練系統進行混練，藉此可不使品質下降而完成混練。

於使用具備C11機之混練機1之混練系統對若發熱較多則易於對品質產生障礙之混練材料R進行混練之情形時，例如為了抑制發熱，減少轉子8之轉速N而降低混練效率。即，以評估指數E變小之方式設定混練條件。如上所述般逐次算出評估指數E而掌握混練效率之時間序列變化，藉此易於設定最佳之混練條件。

又，於所算出之評估指數E之值脫離極限值Em之情形時(變得未滿極限值Em之情形時)，可判斷為於混練機1中產生異常(故障)。因此，較佳為設置異常通知機構，該異常通知機構係於所算出之評估指數E之值脫離極限值Em之情形時，可確實地將異常通知給作業者。

進而，藉由在混練批量(批次)間對使用具備某個混練機1之混練系統以相同之條件將相同之混練材料R混練成相同之狀態時的評估指數E進行比較，可掌握混練狀態之穩定性。即，可判斷為， 各個混練批量(批次)之評估指數E之不均越小，於混練批量(批次)間進行越穩定之混練。

1‧‧‧密閉式橡膠混練機

2‧‧‧外殼

3‧‧‧材料投入口

4‧‧‧材料排出口

5‧‧‧排出口封蓋

6‧‧‧加壓砝碼

7‧‧‧腔室

7a‧‧‧內壁面

8‧‧‧轉子

9‧‧‧轉子軸

10‧‧‧轉子驅動部

10a‧‧‧轉速計

10b‧‧‧電力計

11‧‧‧運算裝置

R‧‧‧混練材料

Claims (5)

1. 一種具備密閉式橡膠混練機之混練系統，其特徵在於包括：密閉式橡膠混練機，其於外殼之下部具有腔室，在該腔室收容有平行地並列設置的2根轉子，對包含原料橡膠及碳黑之混練材料進行混練；轉速計，其對該轉子之轉速進行檢測；電力計，其對該轉子之旋轉驅動所需之瞬時電力進行檢測；及運算裝置，其輸入有上述轉速計及電力計之檢測資料；且構成為基於該等輸入之檢測資料、上述轉子之外徑資料、及該轉子之外徑位置與收容轉子之上述腔室之內壁面之間隙資料，藉由上述運算裝置，以混練時間乘以上述轉子賦予至混練材料之剪切速度而算出總剪切量，再由混練時間乘以上述瞬時電力所得之累積電能除以混練材料之質量而算出單位功(unit work)，並基於該總剪切量與單位功，算出對該混練機之混練效率進行評估之評估指數。
2. 如申請專利範圍第1項之具備密閉式橡膠混練機之混練系統，其逐次算出上述評估指數。
3. 如申請專利範圍第1或2項之具備密閉式橡膠混練機之混練系統，其中，將加壓砝碼之位置資料輸入至上述運算裝置，該加壓砝碼係設置於上述轉子之上部，於進行混練時，向下方移動而配置於覆蓋轉子上部且密閉腔室之位置，並於投入混練材料時，向上方移動而配置於待機位置。
4. 如申請專利範圍第1或2項之具備密閉式橡膠混練機之混練系統，其中，根據混練材料之調配而將上述評估指數之極限值輸入至上述運算裝置，對該極限值與上述算出之評估指數進行比較。
5. 如申請專利範圍第3項之具備密閉式橡膠混練機之混練系統，其中，根據混練材料之調配而將上述評估指數之極限值輸入至上述運 算裝置，對該極限值與上述算出之評估指數進行比較。