JPH08224489A - ローラ式粉砕装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピボット部の持つ振動特性に着目し、その構
造を改善することによって自励振動を抑制し、静粛に運
用できるローラ式粉砕装置を提供する。 【構成】 ローラ支持構造ごとにピボット部９の剛性と
異ならせて、各粉砕用ローラ４の支持構造の固有振動数
を異ならせることにより、それぞれの振動を相互にキャ
ンセルさせ、振動を大幅に軽減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転する粉砕リングと
粉砕用ローラの運動により、石炭等の固体燃料を微粉砕
するローラ式粉砕装置に係わり、特に、ローラ式粉砕装
置の振動を防止することを目的としたピボットの構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石炭焚きボイラにおいても、低公害（低
ＮＯｘ、低未燃分）燃焼や急速負荷変化（急速給炭量変
化）運用が実施され、それに伴い粉砕装置（ミル）も高
い性能が要求されるようになった。

【０００３】石炭、セメント原料あるいは新素材原料な
どの塊状物を細かく粉砕するミルの一タイプとして、粉
砕リングと複数の粉砕用ローラを備えた竪型式のローラ
ミルが用いられ、最近では代表機種となりつつある。

【０００４】この種のミルの構造概要を図６に示す。本
ミルは、円筒型ハウジング１９の下部にあって減速機
（歯車箱）に接続するモータで駆動され、水平面上で低
速回転する円板状の粉砕リング１２と、その上面外周部
を円周方向へ等分する位置へ油圧あるいはスプリング等
で加圧されて回転する複数個の粉砕用ローラ４を備えて
いる。

【０００５】円筒型ハウジング１９内へ供給される被粉
砕物１は、粉砕リング１２上で粉砕用ローラ４にかみ込
まれて粉砕される。円筒型ハウジング１９の基底部に
は、図示していないダクト内を送られてきた熱風が導か
れ、この熱風が粉砕用リング１２の外周部と円筒型ハウ
ジング１９の内周部との間のエアスロート１４から吹き
上がっている。粉砕されて生成した粉粒体は、エアスロ
ート１４から吹き上がる熱風によって円筒型ハウジング
１９内を上昇しながら乾燥される。

【０００６】円筒型ハウジング１９の上部へ輸送された
粉粒体は、粗いものから重力により落下し（１次分
級）、そこを通過したやや細かな粉粒体は円筒型ハウジ
ング１９の上部に設けたサイクロンセパレータあるいは
回転分級機２０で再度分級され、ボイラでは微粉炭バー
ナあるいは微粉貯蔵ビンへと送られる。

【０００７】回転分級機２０で篩分けされた所定粒径以
上の粗粉は、粉砕リング１２上に落下し、ミル内へ供給
されたばかりの被粉砕物１とともに再度粉砕される。こ
のようにして、粉砕用ローラ４による粉砕が繰り返され
る。なお、図中の５′はシャフト、１０は加圧フレー
ム、１１は加圧力（油圧荷重）、１５は熱風、１６はシ
ールリング、１７は粉砕原料、１８は圧縮粉層、２１は
製品微粉排出ダクトである。

【０００８】ローラ式のミルを広域負荷で運用しようと
する場合、負荷の切り下げ領域において問題となるのは
ミルの異常振動である。この振動は、粉砕用ローラ４の
下部にある原料粉層の崩壊と粉砕用ローラ４の滑りに起
因する自励振動であると考えられる。被粉砕物１が石炭
の場合、多くの石炭種では低負荷運用時においてこの振
動が激しくなる。

【０００９】図７は、従来式ミルのローラを支持する部
分の構造（以下、ローラ支持構造という）を示す断面図
である。粉砕用ローラ４は、ブラケット６を介しピボッ
ト９を支軸として振り子運動が可能なように支持され、
シャフト５にはベアリング７，７′が介挿されている。
このローラ支持構造では、粉砕用ローラ４がシャフト５
に片持式に支持される。

【００１０】粉砕用ローラ４の下部における粉層の崩
壊、あるいは粉砕用ローラ４と粉層間のすべりが引金と
なってミルの自励振動が発生すると考えられる。

【００１１】この振動は、図８に示すような振動モード
に起因するものであることが、実機での測定結果から推
測されている。なお、図中の点線が中立状態を示してい
る。この振動モードは、粉砕用ローラ４を支持するベア
リング７，７′とシャフト５の部分２６（以下、シャフ
ト／ベアリング系という）が曲がり、ピボット９とピボ
ットブロック８で構成される部分２７（以下、ピボット
部という）が粉砕リング１２の半径方向にずれるモード
である。

【００１２】図８から、この振動モードにはシャフト／
ベアリング系２６の曲げに対する剛性と、ピボット部２
７のずれ変形に対する剛性（以下、ピボット部の剛性と
いう）が密接に関係していることが分かる。

【００１３】従来式のミルは図９に示すように、粉砕テ
ーブル３の粉砕リング１２上に配置される全てのローラ
支持構造が、幾何学的および材質的に等しい。よって、
上記したシャフト／ベアリグ系２６の曲げ剛性と、ピボ
ット部２７の剛性が等しい。そのため各ローラ支持構造
は同じ振動特性を持つことになり、自励振動時には全て
の粉砕用ローラ４が同じ振動数、振動モードで揺れ、そ
の結果、ミル全体を大きく振動させることになる。

【００１４】図１０は、図９に示す従来式のピボット
部、つまりピボット半径Ｒ₁ やピボットブロックの曲率
半径Ｒ₂ 等の形状寸法および材質が等しいミルの周波数
分布を示す図である。

【００１５】この図では、横軸に共振振動数（従来式の
ローラ支持構造の固有振動数）を１とした場合のミルの
周波数をとり、縦軸は周波数が１の場合の加速度を１と
した場合の例を示している。この図から明らかなよう
に、はっきりした卓越周波数が存在し、成長した自励振
動が発生していることを示している。

【００１６】このような自励振動を抑制するには、シャ
フト／ベアリング系２６およびピボット部２７の構造を
改善する必要がある。このうち、シャフト／ベアリング
系２６の構造を改善してミルの自励振動の発生を防ぐこ
とを本出願人は既に提案している。この提案は、シャフ
ト５，５′の直径や長さを各粉砕用ローラ４，４を支持
構造ごとに違わせ、シャフト／ベアリング系２６の剛
性、ひいては固有振動数を各ローラ支持構造ごとに変え
ることにより、振動発生を防ぐものである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この提案した
上記技術では、実際に径や長さの違うシャフト５，５′
を設計し、そのシャフト５，５′に見合った粉砕用ロー
ラ４を造るには、各ローラ支持構造ごとに違った鋳型を
造ったり、サイズの違うベアリング７，７′を選定した
りする必要があり、コストや製作性の面で改良の余地が
あった。

【００１８】また、一般に従来の技術では、ミルの自励
振動を効率よく抑制することが困難であった。

【００１９】本発明の目的は、ピボット部の持つ振動特
性に着目し、その構造を改善することにより自励振動を
抑制し、静粛に運用できるローラ式粉砕装置を提供する
ことにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ローラ支持
構造ごとにピボット部の剛性を異ならせて、各ローラ支
持構造の固有振動数を異ならせることにより達成され
る。

【００２１】

【作用】円筒型ハウジング内にある全てのローラ支持構
造が同一の固有振動数で振動する場合、しかも全てのロ
ーラ支持構造が同位相で振動すれば、激しい自励振動に
なる。これに対して、各ローラ支持構造において、固有
振動数が異なれば、それぞれの振動が相互にキャンセル
し合うことになり、卓越成分が分散することになり、振
動は大幅に軽減する。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は実施例に係るピボット部を説明するための
図である。

【００２３】従来のミルは図９に示すように、ピボット
９の半径Ｒ₁ やピボットブロック８の曲率半径Ｒ₂ 等の
幾何学的な寸法や材質が全てのローラ支持構造で等し
い。

【００２４】これに対して本実施例の特徴は、図１に示
すように、ピボット９の半径Ｒ₁ ，Ｒ₃ やピボットブロ
ック８の曲率半径Ｒ₂ ，Ｒ₄ を各ローラ支持構造ごとに
違えることにより、ピボットブロック８とピボット９の
曲率差、即ち直径の差（以下、ピボット部の直径差とい
う）を変え、ピボット部の剛性ひいては各支持構造の固
有振動数を異ならせた点にある。

【００２５】以下、ピボット部の直径差、ピボット部剛
性の計算法、直径差とローラ支持構造の固有振動数の関
係について順に述べる。

【００２６】図１に示した２つのローラ支持構造のう
ち、例えば左側のピボット部の直径差Δφは、式（１）
により計算できる。

【００２７】 Δφ＝２（Ｒ₂ −Ｒ₁ ） ……（１） ピボット部剛性ｋは、ピボット部に作用する油圧荷重Ｗ
に比例し、ピボット部の直径差Δφに反比例する関数と
して、式（２）のように表される。

【００２８】 ｋ＝Ｃ（Ｗ／Δφ） ……（２） ここで、Ｃはピボット部の直径差Δφや油圧荷重Ｗに依
存しない定数である。なお、式（２）は実機ピボット部
剛性の測定結果から導いた実験式である。

【００２９】直径差Δφが一定の場合、式（２）による
ピボット部剛性の計算値と、測定値を比較した結果を図
２に示す。なお、同図は、横軸に油圧荷重（実機定格荷
重の値を１としたもの）をとり、縦軸は油圧荷重が１の
場合の剛性を１としたピボット部剛性を示している。

【００３０】同図より、油圧荷重を増やした場合、ピボ
ット部剛性の測定値は大きくなることが分かる。同様
に、計算値も油圧荷重とともに増加しており、かつ計算
値は油圧荷重の大きさを問わず測定値に近い値となって
いる。これより、式（２）を用いれば、実用的な精度で
ピボット部剛性を計算できることが分かる。

【００３１】図３に、ピボット部の直径差Δφを変えて
計算したローラ支持構造の固有振動数の値を示す。

【００３２】同図の横軸であるピボット部の直径差Δφ
は、実機での標準値を１としたものであり、その値に対
応する固有振動数を１として縦軸に示した。この固有振
動数の計算では、まず、式（２）を使ってピボット部剛
性ｋを算出した。なお、この計算において、油圧荷重Ｗ
は実機定格荷重の値、ピボット部の直径差Δφは実機標
準値を用いた。

【００３３】ピボット部剛性ｋの計算後は、ピボット部
剛性、シャフトの曲げ剛性とベアリングの剛性をバネで
表現し、加圧フレーム、ブラケット、ローラを質点に置
き換えたモデルを作成した。図３に示す固有振動数の値
は、このモデルを使って固有値解析を行った結果得られ
たものである。

【００３４】図３に示すように、ピボット部の直径差Δ
φを変化させることにより、ローラ支持構造の固有振動
数を変えることができる。これより、各ローラ支持構造
において、ピボット部の直径差Δφを変えることによ
り、各支持構造の固有振動数を違わせることができる。
ミルの自励振動を抑えるのに、各支持構造の固有振動数
をどの程度変えればよいか、換言すればピボット部の直
径差Δφをどれだけにすればよいかについては以下に述
べる。

【００３５】一般的に構造物の共振を避けるには、固有
振動数を共振振動数から２０％程度ずらせばよいと言わ
れている。この考えに基づき、ミルの自励振動を抑制す
る方法の一例として、各ローラ支持構造の固有振動数が
２０％ずつ異なるようにした。具体的には、３つのロー
ラ支持構造からなるミルの場合で、各支持構造の固有振
動数を、各々共振振動数から＋２０％，０％，−２０％
違えることにした。このようにして違えた固有振動数
を、各々支持構造１，２，３の固有振動数と呼ぶことに
する。

【００３６】図４に、各支持構造の固有振動数に対して
必要な各ピボット部の直径差を示す。

【００３７】本図は図３と同様に、横軸に実機標準値を
１とした場合のピボットの直径差Δφを取り、その値に
対応する固有振動数を１として縦軸に示したものであ
る。

【００３８】同図より、共振振動数から±２０％違えた
固有振動数を実現するには、ピボット部の直径差を±４
０％程度異ならせればよいことが分かる。なお、実機に
おけるピボット部の直径差はピボット径の１／１０００
程度であり、±４０％程度の直径差を実機ピボット部に
与えることは設計作成上容易である。

【００３９】図５には、本発明による実施例（図１）に
おける周波数分布を示す。なお、本図の縦軸と横軸の取
り方は、図１０と同じである。

【００４０】前述したように、各ローラ支持構造でピボ
ットの直径差が異なり、固有振動数が違うため、ピーク
を示す周波数は細かく分割されて散らばっており、ピー
クのレベルも図１０に比べて極めて小さくなっている。

【００４１】従って、明らかに最高を示す、いわゆる卓
越成分が存在するとは言いにくい特性となっている。こ
のような形態では、自己増幅的な性質の自励振動が生じ
ているとは言いにくく、自己増幅的でない強制振動に変
化したと言える。結果的に、本発明によれば、振動レベ
ルは大幅に軽減されることになり、自励振動は抑制され
る。

【００４２】ピボットの形状を変えるのではなく、形状
のそのままでピボットやピボットブロックの材質を変え
たり、ピボットとピボットブロックの接触面における摩
擦特性を変えても、あるいはそれらの組み合わせでも前
記実施例（図１）と同様に、ローラ支持構造の固有振動
数を違わせることができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明は前述したように、各ローラ支持
構造において固有振動数が異ならしめることにより、そ
れぞれの振動が相互にキャンセルし合うことになり、卓
越成分を分散して、ミルの自励振動が抑制できる。これ
によって、ミル自体を含む各種周辺機器類の耐久性が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るローラ式粉砕装置のピボ
ット部の構造図である。

【図２】ピボット部剛性の測定値と計算値を比較した特
性図である。

【図３】ピボット部の直径差とローラ支持構造の固有振
動数の関係を示した特性図である。

【図４】３つのローラ支持構造の固有振動数を２０％ず
つ違わせるのに必要な、ピボット部の直径差を示した特
性図である。

【図５】本発明によるピボット部を搭載したミルの周波
数応答スペクトルを示した特性図である。

【図６】従来のミル構造の概要図である。

【図７】従来のローラ支持構造の概要図である。

【図８】実機で測定したローラ支持構造の固有振動モー
ドを説明するためのローラ支持構造の概要図である。

【図９】従来のピボット部の構造図である。

【図１０】従来のピボット部を搭載したミルの周波数応
答スペクトルを示した特性図である。

【符号の説明】

３ 粉砕テーブル ４ 粉砕用ローラ ６ ブラケット ８ ピボットブロック ９ ピボット １０ 加圧フレーム １２ 粉砕リング ２６ シャフト／ベアリング系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 英治 広島県呉市宝町３番36号 バブコツク日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 金本 浩明 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング内に回転自在に支持された粉
   砕リング上に、粉砕用ローラを粉砕リング回転方向に沿
   って所定間隔に配置し、粉砕用ローラを粉砕リング上に
   圧接し、被粉砕物を粉砕リングとの間で粉砕する粉砕用
   ローラを回転可能に支持するローラブラケットと、この
   粉砕用ローラとが一体となって粉砕リングの半径方向に
   振り子運動できるように、加圧フレームとローラブラケ
   ットの間に介設されるピボットを有するローラ式粉砕装
   置において、 前記ピボットの剛性を各ローラ支持部で異ならしめたこ
   とを特徴とするローラ式粉砕装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、前記ピボットの
   直径とピボットブロックの穴径の少なくとも一方を変え
   てピボットの剛性を異ならせたことを特徴とするローラ
   式粉砕装置。