JP6386932B2 - 混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法、ロータ荷重演算装置、および混練機 - Google Patents

Description

本発明は、ゴム、プラスチックなどの被混練材料を混練する混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法に関する。

混練機の混練ロータには、被混練材料の混練中に周期的な加振力が発生する。加振力が大きくなると、その加振力による振動が混練ロータの軸受部を介して混練機全体に伝わり、混練機に悪影響を及ぼす。また、混練ロータに作用する荷重が大きいと、それを支える軸受が損傷することがある。そのため、混練機運転中の混練ロータに発生するロータ荷重を把握することが望まれる。

混練ロータに発生するロータ荷重を把握する方法としては、例えば、特許文献１に記載の方法がある。

特許文献１には、圧力センサまたは歪ゲージを軸受に取り付け、２本のロール間の間隙を押し広げようとする応力を、圧力センサまたは歪ゲージで測定するという方法が記載されている。しかしながら、混練機の混練ロータには、２本のロール間の間隙を押し広げようとする方向の応力だけでなく、この方向に対する直角方向や、斜め方向などの様々なラジアル方向の応力（ロールに対するラジアル方向の応力）が発生する。特許文献１に記載の方法では、これらの様々なラジアル方向の応力を測定することができない。

様々なラジアル方向の応力を測定することができる器具としては、例えば、特許文献２に記載の多分力ロードセルという器具がある。この多分力ロードセルによると、様々なラジアル方向の応力を測定することができる。そのため、この多分力ロードセルと、公知の軸受とを組み合わせれば、混練ロータに発生する様々なラジアル方向のロータ荷重を把握することができると考えられる。

特開２００１−２７７２３６号公報 特開昭５７−１６９６４３号公報

しかしながら、一般に軸同士の間隔が狭い２軸の混練ロータを有する２軸式混練機においては、特許文献２に記載のような多分力ロードセルを取り付けるスペースをその軸受部まわりに確保することは困難である。また、１軸の混練ロータを有する１軸式混練機においては、多分力ロードセルを取り付けるスペースは確保し得るものの、多分力ロードセルにより混練ロータの軸受部が肥大化してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、多分力ロードセルというような器具を用いなくても、混練機負荷運転中における混練ロータに発生する様々なラジアル方向のロータ荷重を把握することができる方法を提供することである。

本発明は、混練室の両側において軸受で支持された、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法である。この方法は、前記混練ロータのうちの前記軸受よりも軸端部側の露出部分の、または前記混練ロータの軸端に取り付けた計測用部材の、混練機負荷運転中におけるラジアル方向の変形量を測定する測定工程と、前記混練ロータのうちの前記軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとした前記ラジアル方向の等価荷重と、前記変形量との関係式に、前記測定工程にて測定された前記変形量の値を代入して当該２箇所における前記等価荷重を算出する算出工程と、を備えることを特徴とする。算出した前記等価荷重を前記ロータ荷重とみなす。なお、上記変形量とは、変位量、傾きといった変形量のことである。

本発明によれば、多分力ロードセルというような器具を用いなくても、混練機負荷運転中における混練ロータに発生する様々なラジアル方向のロータ荷重を把握することができる。

ゴム、プラスチックなどの被混練材料を混練する混練機の側断面図である。 図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 等価荷重の配置例を示すための混練ロータの側面図である。 任意の２箇所に作用するとした等価荷重を配置した場合の混練ロータのモデル化図である。 混練ロータの変形をモデル化した図である。 軸受の変形量を算出するための混練ロータ端部のモデル化図である。 軸受の変形量を算出するための混練ロータ端部のモデル化図である。 混練ロータの軸端に計測用部材が取り付けられた混練機の側断面図である。 図７ＡのＢ−Ｂ断面図である。 混練ロータに発生するロータ荷重を求めるための各工程を示すフローチャートである。 混練ロータの変位量の測定箇所の例を示す混練ロータのモデル化図である。 校正実験のフローチャートである。 校正実験の方法を示すための混練ロータの側面図である。 有限要素法を用いた変換行列係数（変換行列Ｄ）の算出工程を示すフローチャートである。 任意の２箇所に作用するとした等価荷重を配置した場合の混練ロータのモデル化図である。 混練ロータの傾き(傾き量)の測定箇所の例を示す混練ロータのモデル化図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（混練機の構成）
まず、図１Ａ、および図１Ｂを参照しつつ、ロータ荷重の測定対象である混練機の一例を説明する。図１Ａ、および図１Ｂに示すように、混練機１００は、左右一対の混練ロータ１を有する２軸式の混練機である。２本の混練ロータ１のうちの一方の混練ロータ１は、ギアカップリング６を介して電動モータ７に接続されている。他方の混練ロータ１は、上記一方の混練ロータ１にギア（不図示）を介して接続されている。２本の混練ロータ１は、互いに逆方向に回転するようにされている。

２本の混練ロータ１は、互いに平行に配置された状態でケーシング２の中に収容されている。ケーシング２はバレルと呼ばれることもある。図１Ａに示す混練ロータ１の外周面には、ギアカップリング６に接続される側から順に、第一送り部１０、第一混練部１１、第二送り部１２、第二混練部２５、および排出部９が形成されている。送り部であるか、混練部であるか、排出部であるかは、混練ロータ１の外周面に形成されたロータ翼の形状、傾きなどにより決まる。なお、送り部であるか、混練部であるか、排出部であるかが明確に区別されないロータ翼部を有する混練ロータもある。

ケーシング２と混練ロータ１の第一送り部１０との間の空間、およびケーシング２と第二送り部１２との間の空間は、送り室Ｒ１である。ケーシング２と混練ロータ１の第一混練部１１との間の空間、およびケーシング２と第二混練部２５との間の空間は、混練室Ｒ２である。また、ケーシング２と混練ロータ１の排出部９との間の空間は排出室Ｒ３である。混練室Ｒ２は密閉された空間とされる。ケーシング２の上部に取り付けられたホッパ８から投入された被混練材料５０は、送り室Ｒ１、混練室Ｒ２、送り室Ｒ１、混練室Ｒ２、の順で送られ、溶融した混練物となって排出室Ｒ３から出される。ホッパ８の直下の送り室Ｒ１は、被混練材料５０を上流側の混練室Ｒ２へ送るための室である。上流側および下流側の混練室Ｒ２は、混練ロータ１の混練部１１、２５から強力な剪断力を被混練材料５０に加えることで被混練材料５０を溶融、混練するための室である。上流側の混練室Ｒ２の下流側の送り室Ｒ１は、被混練材料５０を下流側の混練室Ｒ２へ送るための室である。被混練材料５０が溶融、混練されてなる混練物は、排出室Ｒ３から排出される。

混練機１００の運転中（被混練材料５０の混練運転中）、混練ロータ１の第一混練部１１および第二混練部２５には、ラジアル方向（ロータ軸に対して直交する方向）の荷重（ロータ荷重）が発生する。また、混練ロータ１の排出部９には、混練部１１、２５に発生するラジアル方向の荷重の大きさほどでないにしても、ラジアル方向の荷重が同様に発生する。排出部９に形成されたロータ翼により、溶融した混練物が下方（ロータ軸に対する直交方向）に押し出されるため、混練ロータ１の排出部９にはラジアル方向の荷重が発生する。

混練ロータ１は、３つの軸受３，４，５で回転自由に支持されている。送り室Ｒ１、混練室Ｒ２、および排出室Ｒ３を間に挟むようにして、ホッパ８に近い側の送り室Ｒ１の上流側に、所定の間隔をあけて軸受４、５が配置され、排出室Ｒ３の下流側に軸受３が配置されている。混練ロータ１は、このような形態で、軸受３と、軸受４，５とで少なくとも混練室Ｒ２の両側において回転自由に両持ち支持されている。

なお、ここで例示したのは２軸式の混練機であるが、１本の混練ロータを有する１軸式の混練機にも、本発明に係る混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法を適用することができる。

（混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法）
<測定原理>
被混練材料５０の混練により発生するロータ荷重（ラジアル方向の荷重）は、主に、混練ロータ１の両端部の軸受により支持される。このロータ荷重によって軸受は変形する。このとき、軸受に作用するラジアル方向の荷重をＦｂ、軸受のばね剛性をＫｂ、軸受のラジアル方向の変形量をＸｂとすると、次の（式１）からＦｂを算出することができる。
Ｆｂ＝Ｋｂ×Ｘｂ ・・・（式１）
軸受のばね剛性Ｋｂがわかっていれば、軸受のラジアル方向の変形量Ｘｂを測定などにより求めることで、軸受に作用するラジアル方向の荷重Ｆｂを算出することができる。Ｆｂが求まれば、混練ロータ１のうちの軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとしたラジアル方向の等価荷重として、混練ロータ１に発生するロータ荷重を求めることができる。以下、説明する。

混練ロータ１のうちの軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとしたラジアル方向の等価荷重をＦ１、Ｆ２とする。これらＦ１、Ｆ２の配置例を図２に示す。図２中の上側に示す混練ロータ１は、図１Ａに示す混練ロータ１である。混練ロータ１では、第二混練部２５の中央に等価荷重Ｆ１を配置し、第一混練部１１の中央に等価荷重Ｆ２を配置している。なお、図２に示す各部品において、図１Ａに示す各部品と同じものについては同じ符号を付している（他の図についても同様）。Ｆｂ１は、軸受３に作用するラジアル方向の荷重であり、Ｆｂ２は、軸受４に作用するラジアル方向の荷重である。

図２中の真ん中に示す混練ロータ２１は、第一送り部２２、混練部２３、および第二送り部２４をこの順に有する混練ロータである。混練ロータ２１では、混練部２３の両端部に等価荷重Ｆ１、Ｆ２を配置している。

図２中の下側に示す混練ロータ３１は、第一送り部３２、混練部３３、第二送り部３４、および排出部３５をこの順に有する混練ロータである。混練ロータ３１では、排出部３５の中央に等価荷重Ｆ１を配置し、混練部３３の中央に等価荷重Ｆ２を配置している。

このように、本発明では、混練ロータのうちの軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとしたラジアル方向の等価荷重として、混練ロータに発生するロータ荷重を求めている。

図３に示したように、混練ロータ１のうちの軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとしたラジアル方向の等価荷重Ｆ１、Ｆ２の軸受３からの距離を、それぞれ、ｌ１、ｌ２とし、軸受３と軸受４との間の距離をｌとしたとする。この場合、次の（式２）が成立する。
Ｆ１＋Ｆ２＝Ｆｂ１＋Ｆｂ２、Ｆ１×ｌ１＋Ｆ２×ｌ２＝Ｆｂ２×ｌ ・・・（式２）

（式２）を解くと、次の（式３）となり、この（式３）から等価荷重Ｆ１，Ｆ２を算出することができる。
Ｆ１＝（ｌ２×Ｆｂ１＋（ｌ２−ｌ）×Ｆｂ２）／（ｌ２−ｌ１）
Ｆ２＝（ｌ１×Ｆｂ１＋（ｌ１−ｌ）×Ｆｂ２）／（ｌ２−ｌ１） ・・・（式３）
なお、等価荷重Ｆ１，Ｆ２とは、軸受３，４に作用するラジアル方向の荷重Ｆｂ１，Ｆｂ２と釣り合い、且つ、荷重Ｆｂ１，Ｆｂ２により生じるモーメントとも釣り合う様に想定された、混練によりロータ軸（混練ロータ１）に作用すると考えられるラジアル方向の荷重のことをいう。

<軸受の変形量の求め方>
ここで、軸受３，４に作用するラジアル方向の荷重Ｆｂ１，Ｆｂ２は、それぞれの軸受３，４のばね剛性Ｋｂ１，Ｋｂ２がわかっていれば、軸受３，４のラジアル方向の変形量Ｘｂ１，Ｘｂ２を測定などにより求めることで、（式１）より算出することができる。しかしながら、軸受３，４のラジアル方向の変形量Ｘｂ１，Ｘｂ２を求めることは容易ではない。図１Ａからわかるように、軸受３，４はケーシング２の中に収容されているため、軸受３，４まわりのケーシング２を外したりしてその変形量を測定しなければならないからである。

そのため、混練ロータ１のうちの軸受３，４よりも軸端部側の露出部分であって、且つ軸受近傍のロータ軸部の変位量および傾きを測定することで、間接的に、軸受３，４の変形量Ｘｂ１，Ｘｂ２を求める。混練ロータ１のうちの軸受３と軸受４との間の部分には露出部分が無い。そのため、変位量などの測定箇所を、混練ロータ１のうちの軸受３，４よりも軸端部側としている。以下、説明する。

混練ロータ１は細長い構造であるため、図４に示したように、混練により発生するラジアル荷重により混練ロータ１には曲げが生じる。そこで、変位量に加えて傾きを測定することで、その測定点近傍に位置する軸受３，４の変形量Ｘｂ１，Ｘｂ２を、ロータ軸部の変位量および傾きの測定結果から計算により求める。

軸受３の変形量Ｘｂ１の求め方を図５を参照しつつ説明する。図５に示したように、軸受３から距離ｌ離れたロータ軸部の測定点において、混練ロータ１のラジアル方向の変位量Ｘと、ロータ軸心方向に対する傾きθ（傾き変位）とを測定する。その測定結果から、（式４）により、軸受３の変形量Ｘｂ１を算出する。
Ｘｂ１＝Ｘ＋ｌ×θ ・・・（式４）
このように、混練ロータ１のラジアル方向の変位量Ｘと傾きθの測定を行えば、軸受３の変形量Ｘｂ１を求めることができる。なお、軸受４，５についても同じ方法で、それぞれの変形量を求めることができる。変位量Ｘを測定する計器として変位計１４を図５中に示している。変位計１４としては、渦電流式変位計、レーザ式変位計などの非接触式変位計を挙げることができる。傾きθを測定する計器（傾斜センサ）の図示は省略している。

<等価荷重の求め方１>
軸受３，４の変形量Ｘｂ１，Ｘｂ２がわかれば、（式１）および（式３）より等価荷重Ｆ１、Ｆ２を算出することができる。

<等価荷重の求め方２>
ここで、混練ロータ１および軸受３，４，５の大部分はケーシング２で覆われているので、変位計１４の取付が容易でないことがある。そのため、測定箇所を減らすことが望まれる。軸受近傍のロータ軸部（混練ロータ１）の変位量、および傾きという２つのパラメータを用いる等価荷重Ｆ１，Ｆ２の算出方法では、軸受３，４近傍の両方のロータ軸部（混練ロータ１）の変位量、および傾きをそれぞれ求めることを行わずとも、いずれか一方の変位量、および傾きを求めることで、等価荷重Ｆ１，Ｆ２を算出することができる。以下、説明する。

等価荷重Ｆ１，Ｆ２によって、混練ロータ１のうちの軸受よりも軸端部側での軸受近傍のロータ軸部の変位量Ｘおよび傾きθは一意に決まる。それぞれの値は、次の（式５）のとおり、等価荷重Ｆ１，Ｆ２の一次結合で表される。α１、α２、β１、β２は、等価荷重Ｆ１，Ｆ２の位置、軸受のばね剛性、および混練ロータの曲げ剛性で定まる定数である。
Ｘ＝α１×Ｆ１＋α２×Ｆ２
θ＝β１×Ｆ１＋β２×Ｆ２ ・・・（式５）

（式５）を変形すると（式６）になる。１箇所の変位量Ｘおよび傾きθを求めることで等価荷重Ｆ１，Ｆ２の算出が（式６）より可能となる。軸受の変形と、混練ロータの曲げ変形とが同時に発生すること、および、軸受および混練ロータの両方の変形を考慮することで等価荷重Ｆ１，Ｆ２を（式６）より算出することができる。

<等価荷重の求め方３>
前記した等価荷重Ｆ１，Ｆ２の２種類の求め方は、いずれも、軸受近傍のロータ軸部（混練ロータ１）の変位量、および傾き（混練機負荷運転中における水平方向に対するロータ軸部（混練ロータ１）の傾き）から等価荷重を算出する方法である。これに対して、軸受近傍のロータ軸部（混練ロータ１）における軸方向で隣り合う２つの位置の変位量Ｘ１，Ｘ２から、等価荷重Ｆ１，Ｆ２を算出することもできる。図６を参照しつつ説明する。

図６に示したように、軸受３から距離ｌ２離れた箇所のロータ軸部（混練ロータ１）のラジアル方向の変位量Ｘ２を変位計１４にて測定する。また、変位計１４による測定箇所から距離ｌ１離れた箇所のロータ軸部（混練ロータ１）のラジアル方向の変位量Ｘ１を変位計１５にて測定する。なお、変位計１４からその測定点に延びる仮想線（変位計１４を基端とする測定方向に延びる仮想線）と、変位計１５からその測定点に延びる仮想線（変位計１５を基端とする測定方向に延びる仮想線）とが含まれる仮想の面は、軸受近傍のロータ軸部（混練ロータ１）の軸中心線を含む面となる。

軸受３の変形量Ｘｂ１を示す前記した（式４）中のＸ、およびθは、Ｘ１とＸ２との１次結合の式（７）でそれぞれ表すことができる。
Ｘ＝Ｘ２
θ＝１／ｌ１（Ｘ２−Ｘ１） ・・・（式７）

（式７）のＸ、θを（式６）に代入すると、次の（式８）が得られる。

（式８）に示すように、軸受近傍のロータ軸部（混練ロータ１）における軸方向で隣り合う２つの位置の変位量Ｘ１，Ｘ２と、等価荷重Ｆ１，Ｆ２とは変換行列Ｄで直接的に関係付けられる。すなわち、等価荷重Ｆ１，Ｆ２を上記変位量Ｘ１，Ｘ２から（式８）より算出することができる。なお、等価荷重Ｆ１，Ｆ２と変位量Ｘ１，Ｘ２とを関連付ける変換行列Ｄは、等価荷重Ｆ１，Ｆ２の位置、軸受のばね剛性、および混練ロータの曲げ剛性から算出する。また、図１Ａに示す混練ロータ１のような、２つの軸受ではなく、３つの軸受３，４，５で支持された混練ロータ１においても変換行列Ｄを算出することができる。さらには、４つ以上の軸受で支持された混練ロータにおいても変換行列Ｄを算出することは可能である。

<キャリブレーション>
ここで、軸受のばね剛性が不明であったり、混練ロータの曲げ剛性が不明であったりした場合は、以下に記載の内容を行うことで、（式８）中の変換行列Ｄを求める。

等価荷重Ｆ１，Ｆ２の位置に既知の荷重を与え、そのときの変位量を求める。この変位量は、変位計１４，１５による測定箇所と同じ位置の変位量のことである。理論上は、等価荷重Ｆ１，Ｆ２を想定した１組の既知の荷重を混練ロータ１に与え、そのときの変位量を求めることを、一次独立（比例関係でない関係）の関係にある既知の荷重で２回行うことで、変換行列Ｄを算出することができる。なお、１組の既知の荷重を与え、そのときの変位量を求めることの回数を増やせば、その分、精度の良い変換行列Ｄを算出することができる。

<ロータ荷重を求めるための具体的な手順>
図７Ａから図８を参照しつつ、混練ロータ３１（図２に示したもの）に発生するロータ荷重を求めるための具体的な手順を一例として説明する。

図７Ａに示す混練機１０１は、図１Ａに示す混練機１００と比較して、混練ロータの構成が違うのみで、その他の構成は混練機１００と同じ混練機である。この混練機１０１は、混練ロータ３１の電動モータ７とは反対側の軸端にターゲット部材１３（計測用部材）を取り付けたものである。ターゲット部材１３は、円筒形状とされており、混練ロータ３１と同軸となるようにその軸端に取り付けられている。ターゲット部材１３は、軸受３に近い位置に取り付けられている。

ターゲット部材１３の軸方向で隣り合う２つの位置のラジアル方向の変位量をそれぞれ測定する変位計１４，１５が、治具１６に取り付けられている。治具１６は、ケーシング２のうちの軸受３に近い位置に取り付けられている。このように、治具１６は、ケーシング２などの機械フレームに固定される必要がある。混練運転中にケーシング２が動いたとしても、ケーシング２に治具１６を固定することで、変位計１４，１５もケーシング２とともに動き、相対変位を測定することができるためである。ケーシング２のうちの軸受３に近い位置に治具１６を取り付けるのは、ケーシング２の変形の影響を小さくするためである。変位計１４と変位計１５との間の距離は長いほうが好ましい。変位計１４と変位計１５との間の距離が長いほうが等価荷重（＝ロータ荷重）をより正確に算出することができるからである。変位計１４，１５は、治具１６を介して、ケーシング２（機械フレーム）のうちの軸受３に近い位置に取り付けられる。

変位計１４，１５は、ターゲット部材１３のラジアル方向のうちの鉛直方向の変位量を測定するものである。これに対して、ターゲット部材１３のラジアル方向のうちの水平方向の変位量を測定する変位計１７，２０も、ターゲット部材１３の軸方向に所定の間隔をあけて、治具１８に取り付けられている。治具１８は、治具１６と同じく、ケーシング２のうちの軸受３に近い位置に取り付けられる。

変位計１４，１５，１７，２０と、治具１６，１８とで、混練機運転中におけるラジアル方向の変位量を測定する測定装置を構成する。

また、混練機１０１は、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（図２の混練ロータ３１を参照）を算出する演算装置１９を備えている。演算装置１９は、混練ロータ３１のうちの軸受３，４同士の間に挟まれた任意の２箇所（本実施形態では、混練部１１および排出部９）に作用するとしたラジアル方向の等価荷重Ｆ１，Ｆ２と、変位計１４，１５にてそれぞれ測定された変位量Ｘ１，Ｘ２との関係式（式（８））から、当該２箇所における等価荷重Ｆ１，Ｆ２を算出する。これにより算出される等価荷重Ｆ１，Ｆ２は、鉛直方向のラジアル方向の等価荷重である。なお、演算装置１９は、水平方向のラジアル方向の変位量を測定する変位計１７，２０にてそれぞれ測定された変位量Ｘ１，Ｘ２からも、上記と同様にして、水平方向のラジアル方向の等価荷重を算出する。

変位計１４，１５，１７，２０と、治具１６，１８とで構成される測定装置と、演算装置１９とで、混練ロータ１に発生するロータ荷重を求めるロータ荷重演算装置を構成する。

図８を参照しつつ、混練ロータ３１に発生するロータ荷重を求めるための各ステップを、順を追って説明する。

まず、変位計１４，１５，１７，２０を図７Ａに示したように混練機に取り付ける（ステップ１（Ｓ１と記載、他のステップも同様））。ここで、変位計１４，１５は、ターゲット部材１３のラジアル方向のうちの鉛直方向の変位量を測定するものである。変位計１７，２０は、ターゲット部材１３のラジアル方向のうちの水平方向の変位量を測定するものである。ターゲット部材１３のラジアル方向のうちの右斜め４５°や、左斜め４５°の変位量を測定する変位計を混練機に取り付ければ、ラジアル方向のうちのこれら斜め４５°方向の等価荷重（＝ロータ荷重）も求めることができる。なお、ラジアル方向とは、ロータ軸（混練ロータ３１）に対して直交する方向のことである。

混練機１０１の無負荷運転を開始する（Ｓ２）。そして、回転するターゲット部材１３のラジアル方向のうちの各位相（本実施形態では、鉛直方向および水平方向）でのターゲット部材１３の変位量を測定する（Ｓ３）。この場合、ターゲット部材１３の変位量は、基本的には、混練機１０１の無負荷運転を開始する前の（混練ロータ３１およびターゲット部材１３が静止した状態での）ターゲット部材１３の位置を基準位置とする。なお、後述するステップ５（Ｓ５）での測定基準位置と同じであれば、混練機１０１の無負荷運転を開始する前のターゲット部材１３の位置を基準位置とする必要は必ずしもない。Ｓ３での測定基準位置と、Ｓ５での測定基準位置とを合わせておけばよいのである。

無負荷運転でのターゲット部材１３の変位量を測定するのは、混練ロータ３１自体の振れ回りの影響を排除するためである。変位計１４，１５による鉛直方向の変位量の測定と、変位計１７，２０による水平方向の変位量の測定とは、同時に行ってもよいし、別々に行ってもよい（Ｓ５においても同様）。混練ロータ３１自体の振れ回りの影響が非常に小さい場合は、この無負荷運転での変位量の測定を省略してもよい。無負荷運転での変位量の測定を省略する場合は、混練機１０１の無負荷運転を開始する前の（混練ロータ３１およびターゲット部材１３が静止した状態での）ターゲット部材１３の位置を基準位置として、後述するステップ５（Ｓ５）を行う。

次に、被混練材料５０を混練機１０１に投入しての負荷運転を開始する（Ｓ４）。そして、この混練機１０１の負荷運転中、混練ロータ軸３１は回転しているが、混練ロータ軸３１の各位相（０°〜３６０°）におけるラジアル方向（本実施形態では鉛直方向および水平方向）でのターゲット部材１３の変位量を測定する（Ｓ５（測定工程））。

無負荷運転および負荷運転での変位量の測定データは、演算装置１９に入る。演算装置１９は、負荷運転時の変位量と、無負荷運転時の変位量との差を、混練ロータ軸３１の各位相毎に算出する（Ｓ６）。各位相における負荷運転時の変位量と無負荷運転時の変位量との差が、前記した（式８）中の変位量Ｘ１，Ｘ２であり、この（式８）より演算装置１９にて、混練ロータ軸３１の各位相におけるラジアル方向の等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出する（Ｓ７（算出工程））。

上記した実施形態では、混練ロータ１の軸端に取り付けたターゲット部材１３のラジアル方向の変位量を測定しているが、混練ロータ１に露出部分がある場合には、その露出部分のラジアル方向の変位量を測定してもよい。例えば、図９中の上側に示すように、電動モータ７とは反対側の（混練ロータ３１の排出部３５側の）混練ロータ１の軸端部が露出していれば、その部分のラジアル方向の変位量を変位計１４，１５で測定してもよい。また、図９中の下側に示すように、電動モータ７側の混練ロータ３１の軸端部が露出していれば、その部分のラジアル方向の変位量を変位計１４，１５で測定してもよい。ギアカップリング６は、曲げモーメントを伝達せず、トルクのみを伝達するため、駆動部（電動モータ７）側端部でも、排出部３５側端部と同様に、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することができる。

さらには、混練ロータ３１のうちの軸受４と軸受５との間の部分が露出していれば、その軸受４と軸受５との間の部分の軸受近傍位置のラジアル方向の変位量を変位計１４，１５で測定してもよい。

<キャリブレーションの具体的な手法>
軸受のばね剛性が不明であったり、混練ロータの曲げ剛性が不明であったりした場合の、（式８）中の変換行列Ｄを求める具体的な方法を、図１０から図１２を参照しつつ説明する。

<実測値に基づいて行うキャリブレーション方法>
図１０は、校正実験のフローチャートである。混練機１００のケーシングを取り外す（ステップ１（Ｓ１と記載、他のステップも同様））。その後、図１１に示すように、荷重評価位置Ｅ１にジャッキ５０を設置する（Ｓ２）とともに、変位計１４，１５を混練機に取り付ける（Ｓ３）。なお、この変位計１４，１５を取り付ける位置は、混練機負荷運転時の取付位置と同じであり、混練機負荷運転時に測定する位置および位相と同じ位置および位相のロータ軸（混練ロータ３１）のラジアル方向の変位量の測定を行う。

ジャッキ５０により荷重評価位置Ｅ１に荷重をかけて、ロータ軸（混練ロータ３１）のラジアル方向の変位量の測定を行う。測定は、少なくとも１回行えばよい（Ｓ４）。なお、ジャッキ５０で混練ロータ３１に荷重を付加する前の位置を変位量測定の基準位置とし、この基準位置からの変位量を、ロータ軸（混練ロータ３１）のラジアル方向の変位量とする。

このロータ軸（混練ロータ１）のラジアル方向の変位量の測定を、ロータ軸（混練ロータ３１）を４５°ずつ回転させて、それぞれの位相で行う（Ｓ５）。３６０°（１周）測定が終わったら、荷重評価位置Ｅ１のジャッキ５０を取り外す（Ｓ６）。そして、荷重評価位置Ｅ２にジャッキ５０を設置する（Ｓ７）

ジャッキ５０により荷重評価位置Ｅ２に荷重をかけて、ロータ軸（混練ロータ３１）のラジアル方向の変位量の測定を行う。測定は、少なくとも１回行えばよい（Ｓ８）。なお、ジャッキ５０で混練ロータ３１に荷重を付加する前の位置を変位量測定の基準位置とし、この基準位置からの変位量を、ロータ軸（混練ロータ３１）のラジアル方向の変位量とする。

このロータ軸（混練ロータ１）のラジアル方向の変位量の測定を、ロータ軸（混練ロータ３１）を４５°ずつ回転させて、それぞれの位相で行う（Ｓ９）。３６０°（１周）測定が終わったら、荷重評価位置Ｅ１および荷重評価位置Ｅ２での測定結果から、（式８）中の変換行列Ｄを算出する（Ｓ１０）。

また、前記した例では、荷重評価位置Ｅ１と荷重評価位置Ｅ２とに別々に荷重をかけたが、荷重評価位置Ｅ１と荷重評価位置Ｅ２とに同時に荷重をかけてもよい。ただし、荷重評価位置Ｅ１にかける荷重と、荷重評価位置Ｅ２にかける荷重との組み合わせは、少なくとも２種の荷重の組み合わせで計測を行なう必要があり、かつ、２種の荷重の組み合わせは、相互に一次独立（比例関係でない関係）の関係にあるものである必要がある（後述する、有限要素法を用いて行うキャリブレーション方法においても同様）。

<有限要素法を用いて行うキャリブレーション方法>
図１２は、有限要素法を用いた変換行列Ｄ（変換行列係数）の算出工程を示すフローチャートである。以下の各ステップは、コンピュータにて行う。混練ロータ３１および軸受３，４のＦＥＭ解析用のモデル化を行う（ステップ１（Ｓ１と記載、他のステップも同様））。ＦＥＭ解析モデルの混練ロータ３１の荷重評価位置Ｅ１（図１１参照）に荷重をかけ（Ｓ２）、混練ロータ３１の軸端部の変位量および傾きをＦＥＭ解析にて求める（Ｓ３）。その後、荷重評価位置Ｅ２（図１１参照）に荷重をかけ（Ｓ４）、混練ロータ３１の軸端部の変位量および傾きをＦＥＭ解析にて求める（Ｓ５）。ＦＥＭ解析結果から、（式８）中の変換行列Ｄを算出する（Ｓ６）。なお、荷重評価位置Ｅ１にかける荷重と、荷重評価位置Ｅ２にかける荷重との組み合わせは、少なくとも２種の荷重の組み合わせで解析を行なう必要があり、かつ、２種の荷重の組み合わせは、相互に一次独立（比例関係でない関係）の関係にあるものである必要がある。

（作用・効果）
本発明では、混練ロータのうちの軸受３，４，５のいずれかよりも軸端部側の露出部分の、または混練ロータの軸端に取り付けたターゲット部材１３（計測用部材）の、混練機負荷運転中におけるラジアル方向の変形量を測定する（測定工程）、その後、混練ロータのうちの前記軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとしたラジアル方向の等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）と、前記変形量との関係式（例えば、式（６）、式（８））に、前記測定工程にて測定された前記変形量の値を代入して当該２箇所における等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出する（算出工程）。

この構成によると、多分力ロードセルというような器具を用いなくても、混練機負荷運転中における混練ロータに発生する様々な向きの（上下方向や水平方向などの）ラジアル方向のロータ荷重を把握することができる。

また、前記変形量は変位量であって、前記測定工程において、混練ロータの軸端部側の露出部分の、またはターゲット部材１３（計測用部材）の、軸方向で隣り合う２つの位置の変位量を測定し、その後、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）と、前記２つの位置の変位量との関係式（式（８））に、前記測定工程にて測定された前記２つの位置の変位量の値を代入して、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することが好ましい。

この構成によると、「傾き」を測定することなく、「変位量」の測定のみで、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することができる。

また、本発明において、混練ロータ１のうちの軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に既知の静荷重を付与して、前記軸端部側の露出部分の、またはターゲット部材１３（計測用部材）の、混練機停止中における変形量を測定し、その後、得られた測定結果から、前記算出工程における前記関係式の中の係数（例えば、式（６）中の変換行列Ｃ、式（８）中の変換行列Ｄ）を算出しておくことも好ましい。

この構成によると、軸受のばね剛性が不明であったり、混練ロータの曲げ剛性が不明であったりした場合でも、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することができる。

また、本発明において、前記算出工程における前記関係式の中の係数（例えば、式（６）中の変換行列Ｃ、式（８）中の変換行列Ｄ）を解析手法（例えば有限要素法）を用いて算出しておくことも好ましい。

この構成によると、上記と同様、軸受のばね剛性が不明であったり、混練ロータの曲げ剛性が不明であったりした場合でも、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することができる。

（混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法その２）
<測定原理と等価荷重の求め方>
前記したロータ荷重を求める方法は、混練ロータの曲げ変形と軸受の変形に着目したもの（混練ロータの曲げ変形量と軸受の変形量を求めることによるもの）である。これに対して次に示すロータ荷重を求める方法は、混練ロータの曲げ変形にのみ着目したものである。

混練により発生する荷重は混練ロータ１の各軸受で支持され、混練ロータ１には曲げ変形が生じる。曲げモーメントＭと混練ロータ１の曲げ角度θとの関係は、混練ロータ１の断面二次モーメントＩとヤング率Ｅを用いて次の（式９）で示される。
ＥＩθ＝−∫Ｍdx ・・・（式９）

図１３は、任意の２箇所に作用するとした等価荷重Ｆ１，Ｆ２を配置した場合の混練ロータ１のモデル化図である。なお、等価荷重Ｆ１，Ｆ２とは、軸受３，４，５に作用するラジアル方向の荷重Ｆｂ１，Ｆｂ２，Ｆｂ３と釣り合い、且つ、荷重Ｆｂ１，Ｆｂ２，Ｆｂ３により生じる曲げモーメントとも釣り合う様に想定された、混練によりロータ軸（混練ロータ１）に作用すると考えられるラジアル方向の荷重のことをいう。図１３中のθ１、θ２は、それぞれ、混練ロータ１のうちの軸受３，５よりも軸端部側の露出部分であって、且つ軸受近傍のロータ軸部の上記と同じラジアル方向の傾き（傾き量）である。

ここで、（式９）における異なる３つのケースの関係式を傾きθ１、θ２、各荷重Ｆ、および各作用点間距離（ｌ１〜ｌ５）を用いて算出する（３つのケースの関係式の記載は省略）。これら３つの関係式からそれぞれの軸受荷重を算出し、次の（式１０）で示す力とモーメントの釣り合い式に代入する。そして代入した（式１０）を整理すると（式１１）が得られ、この（式１１）から等価荷重Ｆ１，Ｆ２を算出することができる。
Ｆ１＋Ｆ２＝Ｆｂ１＋Ｆｂ２＋Ｆｂ３
Ｆ１×ｌ１＋Ｆ２×（ｌ１＋ｌ２）＝（ｌ１＋ｌ２＋ｌ３）×Ｆｂ２＋（ｌ１＋ｌ２＋ｌ３＋ｌ４）××Ｆｂ３
・・・（式１０）

傾きθ１、θ２（傾き量）の測定は、例えば図６に示す方法で行う。変位計１４，１５で測定した変位量Ｘ２，Ｘ１から前記した（式７）により軸受３，５近傍のロータ軸部の傾きθ１、θ２を測定（検出）することができる。なお、傾きを測定できる計器（傾斜センサ）で傾きθ１、θ２を測定（検出）してもよい。

等価荷重Ｆ１，Ｆ２と傾きθ１、θ２とを関連付ける（式１１）中の変換行列Ｃは、等価荷重Ｆ１，Ｆ２の位置、および混練ロータの曲げ剛性から算出する。

<キャリブレーション>
こで、混練ロータの曲げ剛性が不明な場合は、以下に記載の内容を行うことで、（式１１）中の変換行列Ｃを求める。

等価荷重Ｆ１，Ｆ２の位置に既知の荷重を与え、そのときの傾き（傾き量）を測定する。この傾き（傾き量）の測定位置は、混練機負荷運転（実負荷運転）における測定位置と同じ位置である。理論上は、等価荷重Ｆ１，Ｆ２を想定した１組の既知の荷重を混練ロータ１に与え、そのときの傾き（傾き量）を求めることを、一次独立（比例関係でない関係）の関係にある既知の荷重で２回行うことで、変換行列Ｃを算出することができる。なお、１組の既知の荷重を与え、そのときの傾き（傾き量）を求めることの回数を増やせば、その分、精度の良い変換行列Ｃを算出することができる。

<ロータ荷重を求めるための具体的な手順>
混練ロータ３１（図２に示したもの）に発生するロータ荷重を求めるための具体的な手順の例については、図７Ａから図８を参照しつつ説明した軸受の変形に着目した場合の前記した<ロータ荷重を求めるための具体的な手順>と同様であるので細かな相違点のみ記載する。図８に示すフローチャートのＳ１（ステップ１）では、図７Ａ，Ｂに示すように変位計１４，１５，１７，２０を配置するとともに、例えば混練ロータ３１のターゲット部材１３とは反対側の軸端部、すなわち軸受５（図７Ａでは図示が省略されている）の近くの混練ロータ３１の変位を測定できるように、変位計１４，１５、および１７，２０とそれぞれロータ回転方向の位相を合わせて、変位計１４，１５、および１７，２０に対応する２組の変位計（計４つの変位計）を取り付ける（図７Ａで図示を省略している軸受５近くの変位計の配置に関し例えば図１４中の上側の図を参照）。Ｓ３（ステップ３）において、測定した変位量から（式７）により傾きθ（傾き量）を求める。同様に、Ｓ５（ステップ５）においても、測定した変位量から（式７）により傾きθ（傾き量）を求める。なお、ステップ３、５では、ターゲット部材１３の傾きθ１（傾き量）、および軸受５近傍での混練ロータ３１の傾きθ２（傾き量）を各位相でそれぞれ求める。Ｓ６（ステップ６）に関しては、「変位量」を「傾き（傾き量）」に読み替え、Ｓ７（ステップ７）に関しては、「式（８）より」を「式（１１）より」に読み替えて頂きたい。

図１４は、混練ロータ３１の傾き(傾き量)の測定箇所の例を示す混練ロータ３１のモデル化図である。図１４中の上側に示す例では、混練ロータ３１の軸受３、５の近傍で、それぞれ、混練ロータ３１の傾き(傾き量)を測定している。図１４中の中段に示す例では、軸受５の近傍で傾き(傾き量)を測定する場合に、軸受５の両側を変位計１４，１５で計測している。図１４中の下側に示す例では、軸受４、５の近傍で、それぞれ、混練ロータ３１の傾き(傾き量)を測定している。なお、図１４に示すいずれの例においても、測定箇所は、混練ロータ３１の露出部分であり、且つ計２箇所である。

<キャリブレーションの具体的な手法>
混練ロータの曲げ剛性が不明であった場合の（式１１）中の変換行列Ｃを求める具体的な手法は、図１０から図１２を参照しつつ説明した軸受の変形に着目した場合の前記した<キャリブレーションの具体的な手法>と同様であるので細かな相違点のみ記載する。

<実測値に基づいて行うキャリブレーション方法>
図１０に示すフローチャートのＳ４（ステップ４）、およびＳ８（ステップ８）に関して、「変位量」を「２箇所の傾き（傾き量）」に読み替える。また、Ｓ１０（ステップ１０）の「変換行列Ｄの算出」は、「（式１１）の変換行列Ｃの算出」と読み替える。なお、傾き（傾き量）の測定箇所は、ターゲット部材１３（図７Ａ、Ｂ参照）であったり、図１４に示す混練ロータ３１の軸受近傍の露出部分であったりする。

<有限要素法を用いて行うキャリブレーション方法>
図１２に示すフローチャートのＳ３（ステップ３）、およびＳ５（ステップ５）の「混練ロータ軸端部の変位量及び傾きの算出」は、「２箇所の傾き（傾き量）の算出」と読み替え、Ｓ６（ステップ６）の「変換行列Ｄの算出」は、「（式１１）の変換行列Ｃの算出」と読み替える。

（作用・効果）
上記した実施形態のように、混練ロータのうちの軸受３，４，５のいずれかよりも軸端部側の任意に選択した２つの（２箇所の）露出部分の、または任意に選択した１つの（１箇所の）露出部分と混練ロータの軸端に取り付けたターゲット部材１３（計測用部材）の、混練機負荷運転中におけるラジアル方向の変形量としての傾きθ１、θ２（傾き量、図１３参照）を測定し（測定工程）、その後、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）と、前記傾きθ１、θ２（傾き量）との関係式（式（１１））に、前記測定工程にて測定された前記傾き（傾き量）の値を代入して、等価荷重Ｆ１，Ｆ２（＝ロータ荷重）を算出することも好ましい。

この構成によると、上記した等価荷重Ｆ１，Ｆ２の求め方は、軸受の変形に着目したものではなく、混練ロータの曲げ変形のみに着目したものであるので、軸受３，４，５のガタが仮に大きかったとしても、精度良く等価荷重Ｆ１，Ｆ２を推定することができる。

１：混練ロータ
２：ケーシング
３、４、５：軸受
６：ギアカップリング
７：電動モータ
８：ホッパ
９：排出部
１０：第一送り部
１１：第一混練部
１２：第二送り部
１３：ターゲット部材（計測用部材）
１４、１５：変位計
１６：治具
１９：演算装置
２５：第二混練部
Ｒ１：送り室
Ｒ２：混練室
Ｒ３：排出室
１００、１０１：混練機

Claims (7)

1. 混練室の両側において軸受で支持された、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法であって、
   前記混練ロータのうちの前記軸受よりも軸端部側の露出部分の、または前記混練ロータの軸端に取り付けた計測用部材の、混練機負荷運転中におけるラジアル方向の変形量を測定する測定工程と、
   前記混練ロータのうちの前記軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとした前記ラジアル方向の等価荷重と、前記変形量との関係式に、前記測定工程にて測定された前記変形量の値を代入して当該２箇所における前記等価荷重を算出する算出工程と、
   を備え、
   算出した前記等価荷重を前記ロータ荷重とみなす、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法。
2. 請求項１に記載のロータ荷重を求める方法において、
   前記変形量は、変位量であって、
   前記測定工程において、前記軸端部側の露出部分の、または前記計測用部材の、軸方向で隣り合う２つの位置の前記変位量を測定し、
   前記算出工程において、前記等価荷重と、前記２つの位置の前記変位量との関係式に、前記測定工程にて測定された前記２つの位置の前記変位量の値を代入して前記等価荷重を算出することを特徴とする、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法。
3. 請求項１に記載のロータ荷重を求める方法において、
   前記変形量は、傾き量であって、
   前記測定工程において、前記軸端部側の２つの露出部分の、または前記軸端部側の１つの露出部分と前記計測用部材の、前記傾き量を測定し、
   前記算出工程において、前記等価荷重と、前記傾き量との関係式に、前記測定工程にて測定された前記傾き量の値を代入して前記等価荷重を算出することを特徴とする、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のロータ荷重を求める方法において、
   前記２箇所に既知の静荷重を付与して、前記軸端部側の露出部分の、または前記計測用部材の、混練機停止中における前記変形量を測定し、その後、得られた測定結果から、前記算出工程における前記関係式の中の係数を算出しておくことを特徴とする、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載のロータ荷重を求める方法において、
   前記算出工程における前記関係式の中の係数を解析手法を用いて算出しておくことを特徴とする、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求める方法。
6. 混練室の両側において軸受で支持された、混練機の混練ロータに発生するロータ荷重を求めるロータ荷重演算装置であって、
   前記混練ロータのうちの前記軸受よりも軸端部側の露出部分の、または前記混練ロータの軸端に取り付けた計測用部材の、混練機負荷運転中におけるラジアル方向の変形量を測定する測定装置と、
   前記混練ロータのうちの前記軸受同士の間に挟まれた任意の２箇所に作用するとした前記ラジアル方向の等価荷重と、前記変形量との関係式に、前記測定装置にて測定された前記変形量の値を代入して当該２箇所における前記等価荷重を算出する演算装置と、
   を備え、
   算出した前記等価荷重を前記ロータ荷重とみなす、ロータ荷重演算装置。
7. 請求項６に記載のロータ荷重演算装置を備える混練機。