JP2018001309A - 研削装置及びボイラ水冷壁用研削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒状体等の湾曲面の研削に適した研削装置、および、発電用やごみ焼却炉のボイラ火炉の側壁に使用されるボイラ水冷壁管の劣化層を除去するボイラ水冷壁用研削装置の提供。
【解決手段】回転方向が逆となる２つの回転軸上に設けられる一対の研削回転体１１２ａ，１１２ｂを備え、当該一対の研削回転体の双方が接する領域において、被研削物の一面を一対の研削回転体によって研削するワークエリアＷを有する研削装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、湾曲面の研削に適した研削装置、および、発電用やごみ焼却炉のボイラ火炉の側壁に使用されるボイラ水冷壁管の劣化層を除去するボイラ水冷壁用研削装置に関する。

金属加工物等の表面を研削するために、グラインダー（研削砥石を回転させ、加工物の表面の研削又は切断を行う機械）が用いられている。研削対象の加工面は、平面的なものに限られず、多様な形状のものが加工対象となる。そのような加工対象の具体例として、ボイラ水冷壁がある。
ボイラ水冷壁は、様々なボイラ火炉内に設置されており、複数の管が配置されている。近年、ボイラは高効率化による圧力・温度の上昇やバイオマス燃料やゴミを燃料とするため、ボイラ水冷壁の腐食・摩耗（特に溝状腐食）が問題となっている。これに対する補修・耐腐食策として、ボイラ水冷壁表面に高ニッケル材料を溶接（肉盛補修）する方法がある。
このようなボイラ水冷壁表面の補修に関する従来技術が特許文献１によって開示されている。

特開２０１４−５５７６０

ボイラ水冷壁表面に対して、補修材料として高ニッケル材料を溶接するためには、先ず、ボイラ水冷壁の表面の付着物や運転により生じた劣化層を除去しなければならないが、ボイラ水冷壁は、図３に示されるように複数の管２１が接続された構成をしており、従って、非常に多数の筒状体の表面を研削する必要がある。
一般的なグラインダーは、モータの軸上に取り付けられた１つの研削砥石によって加工物の研削を行うものであるが、これによって筒状体の表面を研削しようとすると、グラインダーが安定せず、均一な加工が難しいという問題がある。これにより、ハンドグラインダーにより人手で研削を行う場合には、高い技量が必要となるため、コストや工期が増大する問題があった。また、手動で研削を行うと、他の管を傷つけてしまうおそれがあった。一方、自動的に研削をする装置とする場合には比較的高度な制御や精度の高いマニュピレータ等を要するため、コストが増大する（又は、装置がやや大掛かりとなり、ボイラ火炉内に持ち込む事が難しくなる）という問題があった。

本発明は、上記の点に鑑み、筒状体等の湾曲面の研削に適した研削装置、および、発電用やごみ焼却炉のボイラ火炉の側壁に使用されるボイラ水冷壁管の劣化層を除去するボイラ水冷壁用研削装置を提供することを目的とする。

（構成１）
回転方向が逆となる２つの回転軸上に設けられる一対の研削回転体を備え、前記一対の研削回転体の双方が被研削物に接する領域において、円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の一面を前記一対の研削回転体によって研削するように構成されたことを有することを特徴とする研削装置。

（構成２）
前記一対の研削回転体が、前記円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されていることにより、前記一対の研削回転体の各研削回転体の水平研削力を垂直研削力へ付加・付与することを特徴とする構成１に記載の研削装置。

（構成３）
前記一対の研削回転体が、前記円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されていることにより、前記一対の研削回転体が連結された装置が被研削物上の２点で拘束されることを特徴とする構成１又は構成２に記載の研削装置。

（構成４）
前記一対の研削回転体を駆動する駆動源における消費エネルギーを測定する消費エネルギー測定部と、前記消費エネルギー測定部における測定値が閾値以下である場合に、これを示す情報を出力する出力部と、を備えることを特徴とする構成１から構成３の何れかに記載の研削装置。

（構成５）
前記一対の研削回転体の間隔を調節する調節機構を備えることを特徴とする構成１から構成４の何れかに記載の研削装置。

（構成６）
前記一対の研削回転体を複数備えることを特徴とする構成１から構成５の何れかに記載の研削装置。

（構成７）
前記被研削物が、ボイラ水冷壁であり、構成１から構成６の何れかに記載の研削装置を、前記ボイラ水冷壁の管に沿ってその長手方向に走行させる走行装置と、前記研削装置の研削回転体を前記ボイラ水冷壁の管に対して押し付ける力を生じさせる付勢手段と、を備えることを特徴とするボイラ水冷壁用研削装置。

（構成８）
前記研削回転体の回転軸と、前記ボイラ水冷壁の管の長手方向が、０°〜４５°の範囲に設定され、且つ、アップカットとなるように設定された構成７に記載のボイラ水冷壁用研削装置。

本発明の研削装置によれば、回転方向が逆となる一対の研削回転体を備え、これらの一対の研削回転体の双方が被研削物に接する領域において円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物を研削することができるため、研削回転体と被研削物との間で生じる反力を相殺することができ、加工時の装置の振動を抑えることができる。

本発明に係る実施形態のボイラ水冷壁用研削装置を示す概略構成図 本発明に係る実施形態の研削装置を示す概略構成図 ボイラ水冷壁の概略図 研削の状態を示す説明図 円筒状の被研削物を研削する際に生じる作用力を示す図 円筒状の被研削物に対する研削手法を説明する図

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

図１は、本発明に係る実施形態のボイラ水冷壁用研削装置の構成の概略を示す図である。
図３は、ボイラ水冷壁の概略図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は上面図である。被研削物であるボイラ水冷壁２は、管２１を並べて接続したものであり、図３に示されるように、フィン２２によって管２１を溶接して接続することで構成される（すみ肉部２３が溶接部分である）。
ボイラ水冷壁２は、ボイラ火炉内の燃焼にさらされるため、ボイラの稼働時間に伴ってパネル表面に腐食や亀裂が発生する。これらの腐食や亀裂の進行が進めばボイラ水冷壁パネルの破損等につながるため、補修（溶射や肉盛溶接等）を行う必要がある。このような補修や耐腐食策として講ずる溶射や溶接を行う際には、先ず、腐食部や付着物及び亀裂を除去しなければならない。即ち、ボイラ水冷壁２の表面（通常はボイラ火炉の内面側となる一面）を研削する必要があり、図３に示されるごとく管２１の円筒形状が連続している表面を研削する必要がある。これらの作業は基本的に何れも現地作業となる。
ボイラ水冷壁用研削装置１は、このような研削に用いるための装置であり、円筒形状の表面を研削するのに好適な装置である。

ボイラ水冷壁用研削装置１は、ボイラ火炉内に設置されているボイラ水冷壁２の管２１の表面を研削するための装置であり、図１に示されるように、研削装置１１と、研削装置１１における消費エネルギーを測定する電力計測装置１２と、モニター１３と、研削装置１１を自動搬送させるための機構（各軸走行装置１４〜１６）と、制御装置１７と、を備える。

本実施形態における研削装置１１の基本的な態様は、回転方向が異なる２つのストレートグライダーを接続したものである。図２に示されるように、第１のストレートグライダー１１１ａと第２のストレートグライダー１１１ｂを接続するためのボルト１１４及びナット１１５と、第１のストレートグライダー１１１ａと第２のストレートグライダー１１１ｂの間隔を調節する部材であるスペーサー１１３と、によって、２つのストレートグライダーが接続される。
それぞれのストレートグライダー１１１ａ、ｂの回転軸には研削砥石（研削回転体）１１２ａ、ｂが備えられており、研削装置１１は“一対の研削回転体”を備えるものである。
前述のごとく、研削装置１１は、研削砥石１１２ａ、ｂの回転方向が逆になるように構成されており、後の説明でも明らかとなるが、研削砥石１１２ａ、ｂ（一対の研削回転体）の間に管２１（被研削物）が位置するようにして研削を行う。即ち、一対の研削回転体の双方（研削砥石１１２ａ、ｂ）が被研削物である管２１に接する領域においてワークエリアＷを有する。
また、厚さの異なるスペーサー１１３を複数用意することにより、研削砥石１１２ａと研削砥石１１２ｂの間隔を調節することができる。即ち、本実施形態においては、ボルト１１４、ナット１１５、スペーサー１１３によって、研削回転体の間隔を調節する調節機構が構成される。

電力計測装置１２は、ストレートグライダー１１１ａ、ｂにおける消費エネルギーを測定する装置（消費エネルギー測定部）であり、また、ストレートグライダー１１１ａ、ｂへの電力供給装置でもある。即ち、ストレートグライダー１１１ａ、ｂのそれぞれの電源コード１１１ａ１、ｂ１が接続されるコンセントを備え、それぞれにおいて消費される消費電力を計測し、この計測結果を制御装置１７へと出力する機能を有する。

研削装置１１を自動搬送させるための機構は、Ｙ軸走行装置１４、Ｘ軸走行装置１５、Ｚ軸走行装置１６によって構成される。各軸の走行装置は、各軸の走行レール（１４２、１５２、１６２）を備え、これにそって走行させる各駆動部（１４１、１５１、１６１）を備える。これにより、３次元方向へ研削装置１１を搬送可能としている（各軸の走行装置（及びその制御）自体は、周知の技術によって構成できる）。
また、ストレートグライダー１１１ａ、ｂの回転軸と、ボイラ水冷壁２の管２１の長手方向が、０°〜４５°の範囲となるように、設定される。

制御装置１７は、設定に基づいて研削装置１１を自動搬送するための制御（駆動部（１４１、１５１、１６１）の制御）や、電力計測装置１２から得られたストレートグライダー１１１ａ、ｂにおける消費電力に関する情報を、モニター１３へ表示させる処理を行う。
本実施形態の制御装置１７には、実験的に得られた閾値が予め設定されており、電力計測装置１２から得られたストレートグライダー１１１ａ、ｂにおける消費電力が、この閾値を下回った場合には、警告をモニター１３に出力する。これは、研削砥石１１２ａ、ｂが被研削物である管２１に適切に当たっているか否か、即ち、適切な研削が行われているか否かを判別するためのものである。適切な研削が行われているということはそれに見合うエネルギーがストレートグライダー１１１ａ、ｂにおいて消費されているということであり、逆に言えば、研削が不十分な状態（研削砥石が適切に当たっていない等）では、エネルギー消費も小さくなる。そこで、ストレートグライダー１１１ａ、ｂのそれぞれにおける消費電力を測定し、これが適正範囲（前述のごとく予め実験的に得られた閾値に基づく）であるか否かを判別し、不適切である場合には警告を出力するものである。

以上の構成を有する本実施形態のボイラ水冷壁用研削装置１の使用について説明する。
先ず、ボイラ火炉内のボイラ水冷壁２に対してボイラ水冷壁用研削装置１を設定する。当該設定は、図１のように各機構の組立・接続をする作業と、制御装置１７に対する研削条件の設定等である。研削条件は、研削装置１１の搬送経路、速度の指定や、研削深さ（Ｚ軸方向の設定）等である。
ボイラ水冷壁用研削装置１の設定が終了したら、研削加工を開始させる。これにより、研削条件に従って、研削装置１１を自動搬送しながら研削加工が行われる。なお、加工時の研削装置１１の搬送方向は、図４に例示されるように、アップカットとなるように設定・制御される。
なお、加工対象である管２１の直径やパイプ肉厚、研削砥石１１２ａ、ｂの径、研削深さ、等の条件によっては、１パス（上下方向の片道走行）だけで必要個所を研削できる場合もあり得るが、通常は１パスだけでの研削は難しいため、ｎパスの研削を行う。具体的に２パスの場合を例とすると、図６に示されるように、先ず、１パス目の刃物位置Ｐ１となるように、研削砥石１１２ａと研削砥石１１２ｂの間隔を調節し、ボイラ水冷壁２全体を（各管２１を全て）研削させる。１パス目の研削が終了したら、２パス目の刃物位置Ｐ２となるように、研削砥石１１２ａと研削砥石１１２ｂの間隔を調節し、ボイラ水冷壁２全体を（各管２１を全て）研削させる。これにより、図６の右側に示されるように、ボイラ火炉の内面側となる、管２１の表面が研削される。
各研削加工中においては、前述のごとく、ストレートグライダー１１１ａ、ｂにおける消費電力のモニタを行っており、何れかの消費電力が閾値を下回った場合には、警告表示がモニター１３に出力される。

以上のごとく、本実施形態のボイラ水冷壁用研削装置１によれば、回転方向が異なる２つの研削砥石１１２ａ、ｂ（一対の研削回転体）を備えているため、研削回転体と被研削物との間で生じる反力を相殺することができ、安定した研削加工を行うことができる。
一般的な一軸のグラインダーにおいて、筒状のワーク（被研削物）に研削砥石をあてた場合、図５に示したように、ワークと研削砥石の双方の中心を通る直線に対して、ワークに研削砥石を押し付ける方向がずれると、研削砥石が停止した状態であっても、その角度θに応じて水平方向の作用力が生じてしまう。なお且つ、研削砥石が回転している際には、その回転によって生じるワークと研削砥石との間の摩擦力に応じた反力に基づく水平方向の作用力がさらに生じる。これらの作用力が生じるため、一軸のグラインダーによって湾曲面の研削加工を行おうとすると、グラインダーが安定しないという問題がある。この問題に装置の機構や制御で対応しようとすると、比較的高度な制御や精度の高いマニュピレータ等を要するため、コストが増大するという問題があった。
これに対し、本実施形態のボイラ水冷壁用研削装置１によれば、回転方向が異なる２つの研削砥石１１２ａ、ｂ（一対の研削回転体）を備えているため、角度θに応じて生じる水平方向の作用力も、研削砥石との間の摩擦力に応じた反力に基づく水平方向の作用力も相殺され、安定した研削加工を行うことができる。従って、グラインダーを安定させるための特別な制御や機構を不要とすることができ、装置の低コスト化や小型化を図ることができるものである。

上述の点は、一対の研削砥石１１２ａ、ｂが、管２１の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されているということであり、これにより、２つの研削砥石１１２ａ、ｂの水平方向の研削抵抗を垂直方向の研削力に付加することができる（研削効率を向上できる）。即ち、２つの研削砥石１１２ａ、ｂは相互に両者の間隔が拘束されているため、例えば図５中の砥石が研削砥石１１２ａであるとして、これに対して図面右側へずれようとする力（水平方向の研削抵抗）が働いた場合、他方の研削砥石１１２ｂでは、ワーク（被研削物）に押し付けられる力（垂直方向の研削力）が生じることとなるものである。
さらに、一対の研削砥石１１２ａ、ｂが、管２１の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されていることにより、一対の研削砥石１１２ａ、ｂが連結された装置である研削装置１１が、被研削物（管２１）上の２点で拘束される。これにより、研削装置１１の剛性を補う（現地で設置する研削装置１１（ボイラ水冷壁用研削装置１）の剛性不足を補う）ことができるものである。

なお、本実施形態では、一対の研削回転体で１本の管２１を研削するものを例としているが、研削方法がこれに限られるものではなく、隣り合う（若しくは数本おきの）２本の管２１に対して、一対の研削回転体が接触するようにしてもよい。
また、本実施形態では、一対の研削回転体を１つ備えるものを例としているが、一対の研削回転体を２つ以上備えるものであってもよい。このように複数の“一対の研削回転体”を備えさせることにより、加工効率を向上させることができる。

また、本実施形態のボイラ水冷壁用研削装置１によれば、ストレートグライダー１１１ａ、ｂにおける消費電力をモニタすることで、研削砥石１１２ａ、ｂがそれぞれ適切に研削をしているか否かを判別することができるため、非常に有用である。
なお、本実施形態では、ストレートグライダー１１１ａ、ｂのそれぞれの消費電力を測定するものとしているが、ストレートグライダー１１１ａ、ｂの消費電力をまとめて測定するものであっても構わない。駆動源（モータ）自体は１つで、研削砥石１１２ａ、ｂの両方を駆動するような研削装置であっても適用することができる。
また、ストレートグライダー１１１ａ、ｂが電動（駆動源がモータ）であるものを例として、その消費電力を測定するものとしているが、これに限るものではなく、各種の駆動源を利用する研削工具であってよく、その消費エネルギーを測定できるものであればよい（研削のための消費されたエネルギーとしてみなし得るものを測定できるものであればよい）。
また、消費電力の測定値が適正範囲であるか否かを判別するために使用する閾値（予め実験的に得られたもの）を、各条件ごとに複数用意しておき、設定に応じて対応する閾値が使用されるようにしてもよい。“各条件”とは、例えば、被研削物や研削砥石の材料の違いやそれぞれのサイズの違い、研削条件（砥石の移動速度や、研削深さ等）などであり、これらの条件に対応した閾値が装置に予め設定されていて、加工時の研削条件の設定等に応じた閾値が使用されるものである。
本実施形態では、消費電力の測定値が適正範囲で無い場合に、モニター１３に警告を出力するもの（即ち、ボイラ水冷壁用研削装置１にて警告表示）を例としているが、他の装置に対して“消費エネルギー測定部における測定値が閾値以下である場合に、これを示す情報を出力”するものであってもよい。例えば、通信部を備えることにより、担当者の携帯端末に通知するようなものであっても良く、この場合、通信部が、“消費エネルギー測定部における測定値が閾値以下である場合に、これを示す情報を出力する出力部”に該当する。

本実施形態では、ボルト１１４、ナット１１５、スペーサー１１３によって、研削回転体の間隔を調節する調節機構が構成されるものを例としているが、本発明をこれに限るものではなく、研削回転体の間隔を調節できるものであればよい。なお、グラインダーの間隔をモータ駆動等により自動調節できるように構成してもよい。これにより、本実施形態では２パス目の加工の際に、研削回転体の間隔を手動で調節する必要があるが、これも自動化される。一方、研削回転体の間隔を正確に調整する必要が無いような場合には、スペーサー１１３に替えて、バネ等によって研削回転体の間隔を保持させるようなものであってもよい。
本実施形態では、ストレートグライダー１１１ａ、ｂの回転軸が平行であるものを例としているが、回転軸が相互に傾いているもの（例えばハの字状）であってもよい。

本実施形態では、研削回転体をボイラ水冷壁の管に対して押し付ける力を生じさせる付勢手段として、走行レール１６２と各駆動部１６１を有するＺ軸走行装置１６を例としている。Ｚ軸走行装置１６（及び制御装置１７）によればＺ軸方向の変位を制御することができるため、研削量（研削深さ）の制御も可能であり、好適であるが、そこまでの制御が不要である場合には、より単純な付勢手段（例えば、バネや、装置の自重を利用するもの等）を用いてもよい。

本実施形態では、直管タイプのボイラ水冷壁に用いる場合を例としているが、傾斜管タイプのボイラ水冷壁にも用いることができる。
本実施形態は、ボイラ水冷壁２の管２１の表面を研削するための装置として、各軸の走行装置等を備えるものを例としているが、基本構成を研削装置１１のみとしてもよい（即ち手動にて研削をおこなう“ハンドグラインダー”とするもの）。
研削装置１１によれば、前述のごとく、“一対の研削回転体”を備えることにより安定した研削加工を行うことができるため、手作業においても極めて有用なものである。なお、“ハンドグラインダー”とする際にも、消費電力を測定し、これが所定値以上である場合に警告などを出力する出力部（単なる警告ランプ等であってよい）を備えさせることにより、前述のごとく、研削砥石１１２ａ、ｂがそれぞれ適切に研削をしているか否かを知ることができる。手作業で研削を行う場合には、通常、音や目視または手応え等で、適切な研削できているか否かを判別するしかなく、これは容易なこととは言えない（熟練を要する）が、本発明によれば、研削砥石１１２ａ、ｂが被研削物に適切に当たっているか否かを簡便に知ることができる。

本発明は、管（円筒形状の表面）を研削するためだけのものではなく、多様な湾曲面（円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物等）の研削に利用することができる。
また、本実施形態では、研削回転体として研削砥石１１２ａ、ｂを例とし、管２１自体まで研削するものを例としているが、本発明をこれに限るものではなく、例えば、研削回転体として研磨力の小さな工具（例えばカップブラシ等）を用いることで、管２１の表層部の付着物（燃焼灰や腐食生成物）を清掃・洗浄・除去する用途等にも使用することができる。即ち、本発明における“研削回転体”とは、研削砥石に限られるものではなく、ブラシ等の研磨力の小さなものも含まれるものである。

１．．．ボイラ水冷壁用研削装置
１１．．．研削装置
１１２ａ、１１２ｂ．．．研削砥石（研削回転体）
１１３．．．スペーサー（調節機構）
１１４．．．ボルト（調節機構）
１１５．．．ナット（調節機構）
Ｗ．．．ワークエリア
１２．．．電力計測装置（消費エネルギー測定部）
１３．．．モニター（出力部）
１４．．．Ｙ軸走行装置
１５．．．Ｘ軸走行装置
１６．．．Ｚ軸走行装置（付勢手段）
１７．．．制御装置
２．．．ボイラ水冷壁
２１．．．管

Claims (8)

1. 回転方向が逆となる２つの回転軸上に設けられる一対の研削回転体を備え、
   前記一対の研削回転体の双方が被研削物に接する領域において、円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の一面を前記一対の研削回転体によって研削するように構成されたことを特徴とする研削装置。
2. 前記一対の研削回転体が、前記円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されていることにより、前記一対の研削回転体の各研削回転体の水平研削力を垂直研削力へ付加・付与することを特徴とする請求項１に記載の研削装置。
3. 前記一対の研削回転体が、前記円管外周の一部分や対称形状を持つ被研削物の稜線上２箇所を同時に圧力研削するように構成されていることにより、前記一対の研削回転体が連結された装置が被研削物上の２点で拘束されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の研削装置。
4. 前記一対の研削回転体を駆動する駆動源における消費エネルギーを測定する消費エネルギー測定部と、
   前記消費エネルギー測定部における測定値が閾値以下である場合に、これを示す情報を出力する出力部と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の研削装置。
5. 前記一対の研削回転体の間隔を調節する調節機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の研削装置。
6. 前記一対の研削回転体を複数備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の研削装置。
7. 前記被研削物が、ボイラ水冷壁であり、
   請求項１から請求項６の何れかに記載の研削装置を、前記ボイラ水冷壁の管に沿ってその長手方向に走行させる走行装置と、
   前記研削装置の研削回転体を前記ボイラ水冷壁の管に対して押し付ける力を生じさせる付勢手段と、を備えることを特徴とするボイラ水冷壁用研削装置。
8. 前記研削回転体の回転軸と、前記ボイラ水冷壁の管の長手方向が、０°〜４５°の範囲に設定され、且つ、アップカットとなるように設定された請求項７に記載のボイラ水冷壁用研削装置。

Images