製紙機械駆動システムにおけるギア式カップリング：英国産業界のための卓越したエンジニアリング

機械式駆動システム · 英国産業ガイド

製紙機械駆動システムにおけるギア式カップリング：英国産業界のための卓越したエンジニアリング

英国製造業に携わるプラントエンジニア、調達マネージャー、保守担当者向けの、包括的なエンジニアリングおよびアプリケーションガイド。

製紙機械は、英国の製造業において最も機械的に要求の厳しい長大な設備の一つに数えられます。数十メートルから100メートルを超える全長を持つ現代の製紙機械は、成形部、プレス部、乾燥シリンダー、カレンダースタック、巻き取りシステムなどを統合しており、それぞれが独立した動力伝達系によって駆動され、極めて高い精度で同期する必要があります。ギア式カップリングは、これらの伝達点のすべてにおいて中心的な役割を果たし、トルク、位置ずれ、そして過酷な環境負荷に耐え、性能の劣る部品であれば数週間で破損してしまうような過酷な状況にも静かに対応しています。

スコットランドのパルプ・製紙産業地帯から、ウェールズの田園地帯やイングランド中部地方で今も操業を続ける製紙工場まで、プラントエンジニアは数十年にわたり、ギアカップリングを選定してきました。その理由は、ギアカップリングが高いトルク密度と角度および平行方向のずれに対する許容度を兼ね備えているからです。これは、同等のコストで実現できるカップリング技術には他に類を見ない特長です。この性能を支える技術を理解することが、適切なユニットの選定、適切な潤滑方法の指定、そしてコストのかかる計画外の停止ではなく、計画的な停止によって機械を稼働させ続けるためのメンテナンススケジュールの構築への第一歩となります。

ギア式カップリングが製紙機械に動力を伝達する方法

ギア式カップリングは、それぞれ外側にインボリュート歯を持つ2つのハブと、対応する内側歯を持つ外側スリーブ（またはフランジ付きハーフスリーブのペア）で構成されています。トルクは駆動軸からハブの歯を通ってギアのかみ合いを横切り、スリーブに伝達され、反対側のハブのかみ合いを通って従動軸に戻ります。インボリュート歯形は、単一の接触線に応力を集中させるのではなく、歯面の幅全体に荷重を分散させるため、ギア式カップリングは、ジョー式、ディスク式、またはダイヤフラム式に比べて、単位直径あたりのトルクが優れているという特徴があります。

この機構が製紙機械の駆動系に特に適しているのは、歯の形状がミスアライメントに対応できる能力を備えているためです。熱膨張、地盤沈下、動的負荷を受ける長尺機械では、駆動軸の中心線と被動軸の中心線の間に角度のずれが生じるのは避けられません。このような場合、適切に設計されたギアカップリングのクラウン状の歯面がスリーブの穴の中で揺動します。歯面上の接触は移動しますが、噛み合いが途切れることはないため、剛性カップリングを破壊するような曲げ応力によるペナルティや、持続的な高速回転時にエラストマー設計を制限するような疲労蓄積を起こすことなく、動力伝達が継続されます。

平行オフセットは、歯面荷重は大きくなるものの、同様の揺動運動によって吸収されます。そのため、大型ティッシュペーパー製造機の80メートル乾燥セクションのようなマルチスパン駆動システムでは、長い支持されていないスパン全体にわたる角度オフセットと横方向オフセットの両方を吸収するために、直列に接続された2つの単噛み合い式ギアカップリング（フローティングシャフト配置と呼ばれることもあります）が用いられます。また、ギアカップリングの円筒形形状により、動的バランス調整が容易になります。これは、表面速度が2,000メートル/分を超える製紙機械では必須の要件です。

主要材料：製紙工場環境向けに設計

製品ラインナップ

製紙機械用途において重要な技術的利点

製品の技術仕様および性能パラメータ表

産業応用シナリオ

ギア式カップリングが英国の製紙業界全体に目に見える価値をもたらす場所

アプリケーションシナリオ1 — 高速抄紙機における成形セクションロール駆動装置

最新のフォアドリニエ抄紙機またはツインワイヤー抄紙機の成形部では、希釈された繊維懸濁液（乾燥繊維が1%未満になる場合もある）が移動するワイヤーメッシュ上に堆積され、部分的に脱水されます。成形ロール、吸引ロール、およびブレストロールはすべて正確に一致する速度で動作します。隣接する要素間の回転速度にわずかな違いでも、ストリーク欠陥、坪量の不均一性、または生産を停止させるシートの完全な破損を引き起こします。北ウェールズのフリントシャー周辺に集中しているティッシュペーパー製造工場や、サウスヨークシャーの包装用板紙工場などの工場では、これらの機械は計画された停止の間隔で数週間連続運転され、カップリングの仕様がその連続性をどれだけ確実に維持できるかを直接決定します。

このセクションのギア式カップリングは、ロール交換やフェルトランオフ調整によって生じるミスアライメントに対応する必要があります。これらの調整は、メンテナンスサイクル中にシャフトの中心線を数ミリメートルずらします。また、セクション駆動システム（通常はDCまたはベクトル制御AC駆動ネットワークで、各セクションの速度比は数パーセント程度異なります）によって指令される正確な速度比を伝達しながら、これらのミスアライメントに対応する必要があります。クラウン歯ギアカップリングは、これら両方の要求を同時に満たし、ねじりコンプライアンスがほぼゼロであるため、エラストマー設計に見られるようなスプリングバック特性がなく、速度コントローラの出力がロール表面速度に忠実に変換されます。

1,500～2,200m/分の運転速度では、動的バランスが非常に重要になります。成形セクション用途向けのギア式カップリングは、組み立て後にG2.5以上の精度でバランス調整されます。スリーブとハブは、個々の部品としてではなく、マッチングされたセットとしてバランス調整されます。これにより、機械フレーム全体に伝播し、最終製品の品質監査で検出可能な周期的な基準重量変動を引き起こす励起周波数が排除されます。

アプリケーションシナリオ2 — 極端なニップ荷重を受けるプレスセクション駆動装置

プレスロールは、湿った紙ウェブを機械的に脱水するために、ロール幅1メートルあたり100～250kN程度の油圧ニップ荷重を加えます。これらのニップ力によってロール本体がたわみ、可変クラウンやシュープレスロールなどの補償設計では、複雑な曲げモードの相互作用が生じ、フル生産負荷時にはシャフト端の位置が1～2mmずれることがあります。そのため、プレス部を駆動するギア式カップリングは、冷間アライメント時に設定される静的ミスアライメントと、ニップ荷重によるたわみによって生じる動的オフセットの両方に対応し、同時に、ボードマシンロールセットで200,000N・mを超えるトルクを連続的に伝達する必要があります。

プレスセクションの湿潤環境は、まさに過酷です。細かい繊維、化学薬品、プロセス水が混ざった白い水が、あらゆる表面に噴霧され、滴り落ち、投げつけられます。製紙機械の布地保持剤、殺生物剤、デンプン溶液などが、カップリングを効果的に密閉しない限り、カップリングをコーティングします。プレスサービス用の最新のギア式カップリングは、FKMリップシールで裏打ちされたラビリンスシールを採用しており、英国の総合製紙工場で一般的な3,000～6,000時間のメンテナンス間隔の間、汚染物質の侵入を防ぎ、潤滑油を内部に保持する2段階のバリアを形成しています。

英国の複数の新聞用紙工場やティッシュペーパー工場で現在稼働しているシュープレスを含む、高負荷対応のコンパクトプレス設計では、プレスシューロールを関節式駆動軸を介して駆動するため、大きな周期的な角速度変動が生じます。ギアカップリングは、持続的な角度ずれがあっても大きな周期的なトルク変動を生じさせないため、このような用途ではユニバーサルジョイントよりも優れています。ユニバーサルジョイントは、3°を超える角度では1回転あたり2回のトルクリップルを生じさせ、抄紙機の振動モードを励起し、最終的にはフェルトやワイヤーの摩耗を引き起こします。

アプリケーションシナリオ3 — 乾燥シリンダグループ駆動装置：熱膨張と長スパン伝動

大型の製紙機械や板紙機械の乾燥部は、機械全長のおよそ60～90メートルを占め、乾燥シリンダーが上下に並んで配置され、それぞれ140～165℃の蒸気温度で稼働します。駆動ギア、中間軸、乾燥シリンダーのジャーナルは、冷間停止状態から生産速度まで加熱される際に大きな熱膨張を起こします。この加熱プロセスは、大型機械では通常4～6時間かかります。その結果生じる軸中心線の動きは、方向は予測可能ですが、周囲温度、蒸気圧、機械の速度上昇率によってその大きさは変化します。

フローティングシャフトギアカップリングアセンブリ（中間スピンドルで接続された2つのギア歯ハブで構成され、各端が駆動側または被駆動側の部品にボルトで固定されたスリーブに係合する）は、スパンが600 mmを超える乾燥セクションのグループ間カップリングにおける標準的なエンジニアリングソリューションです。これらのアセンブリは、角度オフセットと平行オフセットの両方を同時に吸収し、ロールジャーナルを介して乾燥セクションのベアリングに伝達される反力を発生させません。包装材および段ボール市場向けのバーミンガム地域の工場では、スパンが800～1200 mmのフローティングシャフトアセンブリが、乾燥セクションのクロスドライブ構成に一般的に指定されています。

カップリング自体の温度は、ジャーナルとベアリングアセンブリによって蒸気加熱シリンダーから分離されているため、シリンダー表面温度に達することはほとんどありません。しかし、放射熱と伝導熱によって、密閉された乾燥機フード内ではカップリングの動作温度が60～120℃まで上昇します。この温度範囲では、従来のNLGI 2リチウムグリースでは許容できないほど軟化します。Ever Power社は、乾燥セクション用途に280℃を超える滴点を持つ高温EPグリースを指定しており、再潤滑間隔を4,000時間に延長し、従来は高額な予期せぬ停止を要していた潤滑剤の噴出による故障を解消しています。

アプリケーションシナリオ4 — カレンダースタックおよびリールドラム駆動装置：高速ライン速度での精密速度制御

カレンダーロールは、目標とする平滑度と光沢値を達成するために、完成した紙の表面に制御された圧力を加えます。マージーサイドとランカシャーの製紙工場にとって重要な製品タイプである塗工紙の製造に使用されるスーパーカレンダーまたはソフトニップカレンダーでは、ニップクリープ、紙の伸び、ロール径のばらつきを補正するために、各ロールは個別に調整された速度比で動作する必要があります。ギア式カップリングのねじり剛性により、セクション駆動システムによって指令される微調整された速度が、これらの精密な制御信号をぼやけさせるようなコンプライアンスなしに伝達されます。

機械の乾燥端にあるリールドラムは、完成した紙ウェブを、満杯時に50～120トンにもなる親ロールに巻き取ります。リールドラム駆動部は、ロール径が芯径からロール径まで（5：1以上の比率で）拡大するにつれて、リール張力を維持するために一定の表面速度を供給する必要があります。駆動トルクの要求は直径の増加とともに低下しますが、カップリングは、ロールが大きくなるにつれてリールドラムのニップをより強く押し付けるため、発生するわずかなシャフト変位に対応する必要があります。ギア式カップリングのミスアライメント対応能力により、リール張力の変動を引き起こすような周期的なトルク変動を発生させることなく、このずれを吸収できます。

リールエリアは機械の通常運転中に作業員がアクセスできるため、安全性が最優先事項となります。リールおよびカレンダー用途向けに指定されたギア式カップリングスリーブは、機械を停止させることなく回転部分へのアクセスを防止する密着型の外側ガードを備えており、BS EN ISO 11684の要件および英国の1998年作業機器の提供および使用に関する規則のガード規定を満たしています。この規格に準拠した設計により、製紙工場の安全チームのプロジェクトエンジニアリング負担が軽減されます。

アプリケーションシナリオ5 — 紙原料調製におけるアプローチフローポンプおよびファンポンプ駆動装置

アプローチフローシステムは、遠心ファンポンプを介して、制御された濃度と圧力で原紙をヘッドボックスに供給します。大型新聞用紙印刷機では、これらのポンプの流量は毎分60,000リットルに達します。これらのポンプは、一般的に1,500～4,000kWの高出力モーターに直接接続されており、ヘッドボックスの共振を引き起こすような振動レベルなしで運転する必要があります。ヘッドボックスの圧力脈動は、完成した紙に目に見える横方向の坪量変動を引き起こすためです。モーターとポンプシャフト間のギア式カップリングは、ポンプケーシングの熱膨張による残留ミスアライメントを吸収すると同時に、クリーンな動力伝達に必要なねじり剛性を提供します。

英国の製紙工場における紙原料調製エリアは、現地の安全衛生評価において湿潤工程エリアに分類されており、適切な侵入保護機能を備えた機器が必要となります。ポンプ用ギア式カップリングは、ラビリンスシールとリップシールの組み合わせによって実現されるIP56相当のシール性能と、原料調製エリアに存在する希酸またはアルカリ性プロセス化学に適した表面処理が施されていることが規定されています。スコットランドの硫酸パルプ製造ラインを稼働させている統合型製紙工場など、クラフトパルプ製造プロセスが関係する場合、カップリングスリーブに施された耐アルカリ性ENPコーティングは、標準的な塗装面やリン酸塩処理面では得られない、さらなる保護性能を提供します。

ポンプで使用されるギア式カップリングは、ポンプインペラの摩耗や再バランス調整によって生じるシャフトの緩やかな動きに対応できるという利点があります。定期メンテナンス時にインペラを交換して再バランス調整を行うと、ポンプの中心線がモーターの中心線に対して0.5～1.0mmずれることがあります。この場合、4～8時間かかるモーターの完全な再調整は不要で、ギア式カップリングはずれを通常のミスアライメント範囲内で吸収するため、計画停止時間を大幅に短縮できます。

Ever Power：製造能力とカスタムエンジニアリング

Ever Powerは、CNC歯車切削センター、三次元測定機（CMM）、および内径25mmから1,200mmまでの部品加工が可能な社内熱処理ラインを備えた、垂直統合型の精密製造施設を運営しています。当社の設計チームは、製鉄所のエンジニアと直接連携し、既存の駆動装置の正確なインターフェース寸法に適合する歯車式カップリングアセンブリを開発します。これにより、設置の複雑さや潜在的な故障箇所を増やす高価なアダプタプレートやシャフトの改造が不要になります。

Ever Powerのカスタマイズは、寸法の一致にとどまりません。材料グレードの選定、歯形の変更、表面処理の仕様、シールシステムの構成など、すべて社内で管理されているため、お客様はリードタイムを短縮し、品質文書作成を簡素化するワンストップサプライチェーンを利用できます。シェフィールド近郊の製紙工場が、非標準のスパン長と非標準のボア公差クラスのフローティングシャフトアセンブリの交換を必要とする場合、Ever Powerのアプリケーションエンジニアは図面を作成し、材料認証を確認し、従来の販売業者が輸入在庫からでは実現できない納期で完成品のアセンブリを出荷します。

Ever Power社から出荷されるすべてのギア式カップリングには、EN 10204 3.1に準拠した材料試験証明書（MTC）、寸法検査報告書、そして高速用途向けにはISO 21940に基づく残留アンバランスを示すバランス証明書が添付されます。このレベルの文書化は、ISO 9001認証取得工場の品質管理要件を満たし、英国市場に製品を供給するCEマーク付き機械インテグレーターのトレーサビリティ要件にも対応します。重要な駆動用途向けには、Ever Power社は第三者による立会い検査と、英国の信頼できる貨物輸送パートナーを通じた迅速な配送を提供しています。

顧客成功事例

北ウェールズ、フリントシャーにあるティッシュマシンの予期せぬダウンタイムを削減する

よくある質問

英国製紙工場の技術者および調達チームからの質問

製紙機械に最適なギアタイプのカップリングを指定する準備はできましたか？

Ever Powerのアプリケーションエンジニアがお客様のドライブデータを確認し、24時間以内に無料でカップリング仕様書をご提供いたします。

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