回転機異常振動模擬訓練装置の開発と活用計画
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カテゴリ: 第16回
Development and Utilization plan of the training equipment for abnormal vibration
株式会社ジェイテック佐々木 一人Ichito SASAKI
瀬川 佑太Yuta SEGAWA
小野 貴浩Takahiro ONO
畑中 明Akira HATANAKAMember
Vibration diagnosis of rotating equipment is important in nuclear power and other industrial plants. J-tech has diagnosed the vibration of rotating equipment in Rokkasho Reprocessing Plant since 2004.
We have experienced various diagnosis cases in accordance with various kind of specification of the rotating equipment. Training for engineers of vibration diagnosis is to be valuable by diagnosing actual in-service equipment. However, as abnormal vibration occurs unexpectedly, it is difficult to experience it. Therefore, development of successors becomes the issue.
J-tech have analyzed the past abnormal vibrations and developed the equipment by using analysis results which can simulate abnormal vibration. This equipment can be adopted the rotating equipment of not only Rokkasho Reprocessing Plant but also other industrial plants.
We report the overview of training equipment development and utilization plan of it.
Keywords: Vibration diagnosis, Diagnosis training unit, Abnormal situation
1 諸言
原子力等の大型プラントにおいては、経済性および予
保 の から回転機器(ポンプ、 等)の振動診断を用いた状態監視技術への期待と重要度が増している。 当社は、六ヶ所再処理工場において2004 から回転機器の振動診断を実施しており、様々な仕様に応じた振動
診断のノウハウを蓄積している。[1]
回転機器の異常振動を診断する技術の育成については、稼働中の実機を通した経験の蓄積が主となる。ただし異常振動の発生は不確定であることから、様々な異常事象を効率的かつ体系的に経験することは困難である。この ことから、振動診断技術を有する後継者の育成が大きな
として られていた。
当社は上記問 の解決のため、 に発生した異常振動の傾向を分析し、六ヶ所再処理工場およびその他プラントの各種回転機器に通用可能な異常振動の発生パターンを再現する回転機異常振動模擬訓練装置を開発した。
本稿では、本訓練装置の開発と概要および活用計画について紹介するものである。
連絡先 佐々木 一人
〒039-3212
青森県上北郡六ヶ所村尾駁字弥栄平1-108
株式会社 ジェイテック
機械保修部 保守・診断グループ
E-mail ichito-sasaki@j-tech66.co.jp
2 開発検討について
本装置の開発にあたり、状態監視対象機器約1700 台の内、 3 2014 2017 に異常振動が発生した機種と発生パターンを洗い出し、同様の事象が模擬できるユニット構成を検討した。 Fig.1
F g.1 模擬する機種と異常振動の選定
2 1 模擬する機種の検討
六ヶ所再処理工場内設置の回転機器の内、当社が振動診 断を実施している状態監視対象機器の機種とその割合、機種別の異常振動発生台数をFig.2 に示す。
これらの機種の内、「 」、「横型渦巻ポンプ」、「モータ」、「ノンシールポンプ」の 4 機種については、軸受支持部や据付向きが同様であることから、単一にユニットとして包括的に模擬することとした。
ベルト駆動機器、攪拌機、縦型ポンプについては結合方式や据付向きが異なることから、それぞれ単体のユニットで模擬することとした。
上記の通りユニットを構成することで、状態監視対象
機器の9 割以上の機種を模擬することとした。
状態監視対象機器全体との比率 ■機種別の異常診断台数の割合
F g.i 機 の機種数 と異常Fiの の内
2 2 の
異常振動を再現する上で、回転数は重要な要素となる。
Fig.3 に示す通り、状態監視対象機器の多くは回転数
1500rpm 以下に多く分布している。
本装置に搭載するモータについては、訓練装置としての 性を めて し、1450rpm での で回転数を調整できる仕様とした
なお、モータ容量は本装置の目的である異常振動の再現に影響を与えないことから、本装置の検討項目としては評価の対象外としている。
F g. 機 の と
2 3 再現する異常事象の検討
異常振動の原因の種類および割合についてFig.4 に示す。発生事象の割合は「ベアリング潤滑不良」および「軸受キズ・摩耗」が約 6 割を占める。その他の事象については割合が低いが、いずれも診断が難しく診断経験を要する事象である。
これらはいずれも六ヶ所再処理工場に特化したものではなく、汎用的な回転機器においても発生する事象である。よって、これらの事象を模擬することで、六ヶ所再処理工場の他、各種プラントの回転機器においても通用する訓練装置になるものと考えた。
2 模擬機種 再現事象の
各ユニットで模擬する機種と再現する異常振動を
Table1 に示す。
本装置を活用することで、 に発生した異常振動事象の てを再現することとした。
1 模擬機種と する異常 の
ユこット
模擬する機種
再現する異常振動
横型回転ユこット
フベnり
横型渦巻ホ゜ンフ゜モータ
Jンシールホ゜ンフ゜
ベアリン ベ潤滑不良軸受キスベ・摩耗軸受 リーフ゜
ミスアうイメントアン／ベうンス共振
カベタ・ゆるみ
電磁振動
ベルト駆動ユこット
ベルト駆動機器
フベーリ・ ベルト異常ミスアうイメント
カベタ・ゆるみ
圧力変動に伴う振動
縦型攪拌
ユこット
攪拌機
ミスアうイメント
撹拌抵抗
当社設備診断部門は の診断や検証作業の経験から
異常振動が発生するメカニズムについて知見を蓄積している。これらの知見をフィードバックし 2 項に示した条
メータにおいて実効 の増加と 周波数 の り上がりが現れる。
本装置でベアリング潤滑不良を再現した結果、上記の特徴を有す周波数成分の発生を確認した。(Fig.6)
件を満足させる訓練装置「回転機異常振動模擬訓練装置」を開発した。(Fig.5)
なお、本装置は横型回転機器を模擬した「1 号機」と縦
型回転機器を模擬した「2 号機」の2 台で構成される。
m/s?
振動加速度時間波形（正常時）
m/s?
ms
振動加速度ス ペクトJ
Hz
m/s? 振動加速度時間波形（潤滑不良時）
3 1 ベアリング潤滑不良
事象概要
軸受内部の潤滑 (グリー 、潤滑 )の不足や 化により 膜が切れて摺動部の接触圧が増加する事象である。軸受キズや摩耗の原因となる。
回転機器において発生頻度が最も多く、事象発生時
の異音や周波数成分の特徴の習得が重要となる。
再現メカニズムについて
軸受 (Fig.5_ , )の内部からグリー を することでベアリング潤滑不良を再現する。 た、 度のグリ アップに伴 異音や振動増加を体験できる。
事象再現時の振動データ
ベアリング潤滑不良が発生した際、振動加速度パラ
F g. の
3 2 軸受キズ．摩耗
事象概要
軸受キズ・摩耗は軸受の物理的損傷であり、深刻な場合には設備の停止に及ぶ。 た、摩耗粉の混入に伴
潤滑機能の 化といった 的影響に がるため、早い段階で事象の兆候を検知することが重要となる。
再現メカニズム
フライホイール側軸受 (Fig.5_ )に予めキズを入れた軸受を組み込むことでキズや摩耗が発生した際の異
【1 号機 仕様】
モータ出力 1.5kW Max1450rpm（横型回転ユこット） 0.4kW Max1410rpm（ ベルト駆動ユこット）
寸法（m） W1350xD800xH1004重量 約500kg
軸受 6205ZZ（横型回転ユこットモータ）
6310（横型回転ユこット軸受箱）
6203ZZ（ ベルト駆動ユこットモータ）
構成部位
①横型回転ユこットモータ
②モータ側軸受箱
③フうイホイール
フうイホイール側軸受箱
⑤ ベルト駆動ユこットモータ
⑥ルーツ式フベnり
⑦模擬配管
【2 号機 仕様】
モータ出力 0.2kW Max1400rpm 寸法（m） W680xD545xH1350重量 約100kg
軸受 6201ZZ（モータ） 構成部位
⑧モータ ⑨キベアカッフ゜リン ベ
⑩可変式イン ゜う ⑪ア リル製貯槽
F g. 機異常振動模擬 の
音と振動データを再現している。
た、 ラ ト加圧ハンドルで ラ ト方向に予圧を与える機構を有しており、意図的に軸受内部の接触圧を めてキズの周波数成分を励起させることができる。(Fig.7) [3]
事象再現時の振動データ
動アン／ベうンス静アン／ベうンス
F g.9 動7ン／ うンスと静7ン／ うンス
軸受キズ・摩耗が発生した際、外輪の固有振動数(キズ周波数成分)が現れる。[1][3]
本装置で軸受キズ・摩耗を再現した結果、外輪キズの発生を示す周波数成分を確認した。(Fig.8)
mm/s
振動速度ス ペクトJ（正常）
mm/s
振動速度ス ペクトJ（7ノlぐうノス）
通常スうスト荷重調整
F g.7 スうスト荷重加圧調整 カ ス ム
F g.10 7ン／ うンス の
3 ミスアライメント
事象概要
ミ アライメントはアンバラン と同様に大きな変位量を伴 振動を発生させる事象である。
アンバラン と混同されやすく、事象の違いを理解することが診断を行 上で重要である。
再現メカニズム
m/s?
振動加速度時間波形
m/s?
振動加速度ス ペクトJ
モータの台 (Fig.5_ , )およびモータ側軸受(Fig.5_ )に ライド機構を設けることでミ アライメントを再現する。(Fig.11)
各部位の ライド方向はTable2 の通りとなる。
事象再現時の振動データ
F g.B 軸受キス の
3 3 アンバランス
事象概要
アンバラン は軸受支持部のラジアル負荷を増大させて性能の損失や軸受の損傷に がる事象である。
ベアリング潤滑不良や軸受キズ・摩耗と比較すると診断が難しい事象であるため、実際の振動状態と周波数データの相関性を体験することが重要となる。
再現メカニズム
回転軸にフライホイール(Fig.5_③)を2 枚取り付けており、ウェイトを調整することでアンバラン を再現している。
2 枚のフライホイールの同軸上にハードポイントを設けており、動アンバラン と静アンバラン 両方の事象を再現することができる。(Fig.9)
事象再現時の振動データ
アンバラン が発生した際、回転成分(fr)の増加が現れる。
本装置でアンバラン を再現した結果、上記の周波数成分が発生したことを確認した。(Fig.10)
ミ アライメントが発生した際、回転成分(fr)とその
2 倍成分(2fr)の成分が現れる。
本装置でミ アライメントを再現した結果、上記の成分が発生したことを確認した。(Fig.12)
通常ミスアうイメント
【モータ側軸受箱】
通常ミスアうイメント
F g.11 ス7う ントの カ ス ム
2
3
事象概要
部位
水平方向
垂直方向
軸方向
横型回転ュこット
゜
゜
゜
^、ルト駆動ュこット
゜
゜
モータ部軸受箱
゜
電磁振動はモータ内の回転子と固定子のギャップの不平衡が原因で生じる電気的な振動である。
電磁振動は回転子と固定子のギャップの不平衡は軸
受の摩耗、アンバラン 、ミ アライメントが原因で
mm/s
振動速度ス ペクトJ（正常時）
mm/s
振動速度ス ペクトJ（ミス7うイメノト）
fr?2fr
Hz
発生することもあり、これらの事象との相関性を把握することが必要である。
再現メカニズム
横型回転ユニットのモータ(Fig.5_ )に備え付けられ
F g.1i ス7う ント の
3 軸受 リ
事象概要
軸受外輪クリープは軸受外輪への与圧低下や軸受外周の摩耗等に伴って本来固定されるべき外輪が断続的に空転する事象である。[2]
軸受 ラケットの摩耗や鉄粉の発生に伴 潤滑 の
と性能低下、ベアリング潤滑不良から 生する軸受損傷等、設備への影響は多岐にわたる。 [2]
発生初期段階で特有の兆候が現れることから、事象
の特徴を知ることは事象の早期検知に有効となる。
再現メカニズム
フライホイール側軸受 (Fig5_ )にラジアル与圧を調整する ジを設け、意図的に軸受クリープが発生しやすいを条件を再現する。(Fig.13)
事象再現時の振動データ
軸受外輪クリープ発生時、外輪キズ成分(fo)および回 転成分(fr)が現れる。
本装置で軸受外輪クリープを再現した結果、上記の成分と事象発生時特有の異音を確認した(Fig.14)
う デ7ル予圧調整ネ デ与圧解放
通常うシベアル荷重調整
F g.1 軸受 カ ス ム
た軸受固定 ジを めて め にあそびを持たせ、ミ
アライメントによる を与えることでモータ内部のギャップに不平衡が生じて電磁振動が発生する。(Fig.15)
(3) 事象再現時の振動データ
電磁振動が発生した際、電源周波数の2 倍の成分(約100Hz)が発生する。
本装置で電磁振動を再現した結果、同様の周波数成分が現れることを確認した。(Fig.16)
湿枢撰
中一ぷ
F g.1 振動 カ ス ム
F g.1 振動 の
3 7 ガ
事象概要
基礎部やベー フレームの老朽化に伴 剛性低下や経時的負荷に伴 固定部の み等が生じるとガタが発生する。
ガタが発生すると回転機器 体が回転モーメントを受けて振動 多となるため、回転軸の軌道に影響を与える他、軸受への負荷が増大する。
m/s?
振動加速度時間波形振動速度ス ペクトル振動加速度ス ペクトル
F g.1 軸受 の
ガタの発生はその後の分解 検の内容にも影響を
与えることから、特徴を把握しておくことが重要である。
再現メカニズム
各ユニットが搭載された 台は 台剛性調整 ルト
(Fig.17)で支持している。これを めることで 台の一部がベー フレームを む振動系から切り離し、意図的にガタを発生させることができる。(Fig.18)
事象再現時の振動データ
ガタ発生時、回転成分の分数(1/2fr)が現れる。
本装置でガタを再現した結果、上記の周波数成分が発生することを確認した。(Fig.19)
の回転数を徐々に上 ていくと、500 520rpm で 台が大きく揺動した。その後、回転数を上 ていくと揺動が して800rpm 以 から変位量が 定した。(Fig.20)
これは共振 となる危険速度が 500rpm 付近にあるこ
とを示している。
?m
架台剛性調整 ポルト
F g.17 架の剛性調整 ルト
F g.1B カ カ ス ム
F g.i0 と変位量の相関図
3 9 圧カ よる 増加
事象概要
ルーツ式 では 転状態の変化に伴って一時的な振動増加が発生する事象が発生している。回転機器自体の直接的な異常ではないが、他の異常事象との判
mm/s
振動速度ス ペクトJ（正常時）
mm/s
振動速度ス ペクトJ（力ぐり発生時）
別を行 上で特徴を理解しておくことが重要となる。
再現メカニズム
模擬配管のバル (Fig.5_⑦)を操作することで、ルー
ツ式 に圧力変動の影響を与える。
3 8 共
(1)事象概要
F g.19 の
圧力計を備え付けているため、圧力と振動の相関性を確認することができる。
(3) 事象再現時の振動データ
回転機器における共振事象は、 転に伴って発生する振動が同系他部位の固有振動数と近似して振動 多に至る事象である。大きな変位量を伴 振動が発生し、軸受に 大な負荷を与える要因となる。[1]
た、共振は回転機器に付随する配管系においても
当 事象発生時の特徴として、ギア 合振動(fz)がしい増加が られる。
本装置の模擬配管のバル を 閉にしてルーツ式
の振動を測定した結果、ギア 合振動が増加していることを確認した。(Fig.21)
発生する。共振による 大な振動に長期間曝された場合、配管の破断に がる。
共振のメカニズムを理解することは、共振の回避方法を検討する上でも重要となることから習得が必要となる。
m/s?
振動加速度ス ペクトJ
m/s?
振動加速度ス ペクトJ
再現メカニズム
本訓練装置は、3.7 項の通り剛性を変化させて共振を発生させやすい構造としている。 た、インバータ制御によって回転数を操作することができるため、共振
となる危険速度を求めることができる。
事象再現時の振動データ
本装置の 台をガタが発生する状態とし、モータ
F g.i1 ／ ル の の変
3 1 の
1 事象概要
流体量や流体粘性の変化に伴って撹拌抵抗が変化し振動の変化が現れる。 た、端部に向か ほど遠 力により主軸の振れ回りが大きくなるため、軸受支持部に負荷が集中し、潤滑 の 化や軸受の摩耗損傷の原
因にもなる。
攪拌機は撹拌槽が床下にあり、直接的な 察ができないため、実際の 動のイメージが困難であった。
2 再現メカニズム
流体の撹拌抵抗を再現するため、インペラ Fig.5_⑩ の角度を変えられる仕様とした。 Fig.22
た、流体を貯留させる槽を透明なアクリル製とす ることで、本来見ることができないインペラや主軸の
動、流体の状況を 察できる仕様とした。 Fig.5_⑪
3 振動データ
撹拌抵抗が原因となって振動が増加した場合、インペラ周波数成分が現れる。
本装置で流体 水 を撹拌した結果、インペラ周波数成分が現れることを確認した。 Fig.23
た、インペラの角度の増加に比例して振動 が増加することを確認した。 Table 3
角度（小）→粘性（低）角度（大）→粘性（高）
F g.ii ン う 度と 性 の相関図
mm/smm/s
F g.i の
ン う 度と振動速度値
本装置は回転機器の基本となる構成を しているため、基礎的な知識を得る教材として活用する。
振動診断技術者教育
本訓練装置は振動診断技術の育成と向上を主な目的 としている。各種回転機器の構成を模擬しており、発生し得る異常振動を再現できることから、振動診断技術者の体系的な教育を可能とする教材として活用できる。
転員教育
本装置は回転機器において発生する表面化した異常 (異音、揺動、触振動)を体験できることから、設備を巡視する 転員を対象に異常察知の感覚を養 教材として活用する。
補修訓練
本装置は各種回転機器の構成を模擬していることから、回転機器の補修訓練の教材として活用する。
を活用した教育・
訓練項目
目 的
堆超稀I[
回転機器の
回転機器の の について習得する。
軸受について
軸受に関する 知識について学習する。
潤滑剤について
潤滑剤の種類と目的について学習する。
縣蚕鈴海拒造稀I[
振動測定
振動測定器に操作方法を習得する他、各機
種の適正な測定箇所を理解する。
聴診検査
各種振動異常 発生し の異 の種類、
聴診棒に使用方法を習得する。
振動診断
各種振動異常の振動データ解析を習得す
る。
圏澁寓稀I[
異常体感訓練
回転機器の異常振動状態を観察し、視覚、聴覚、触覚から回転機器の危険性を体験する。
悪睾再繁
回転機器補修
モータやルーツ式ブロワの分解?組立や軸 受交換作業を通して補修技術を習得する。
インヘ゜う角度
10°
20°
30°
40°
50°
振動速度(mm/s)
0 15
0 17
0 21
0 23
0 28
4 活用計画
1 訓練項目
(1)基礎教育
※回転数 560rpm
2 訓練スケジュ ル
本訓練装置の訓練 ケジュールをFig.24 に記す。 本装置の基本操作を習得した後、講師として「基礎教
育」、「振動診断技術教育」、「 転員教育」を当社社員および協力会社を対象に遂 実施する。
六ヶ所再処理工場およびその他大型プラントにおいて保 業務に従事する場合、回転機器や潤滑 に係る知識が必須となる。
特に振動診断技術教育においては、10~12 月に予定され
ている ISO18436-2 準拠機械状態監視診断技術者(振動)の合格を目標として教育を実施する。
2 月以 は軸受やシール類の消耗品の 化を想定し、それらの交換作業を兼ねた補修訓練を実施する。
2020 度以 はこれらの訓練を並行して随時実施し、社内および協力会社の技術力向上に資することとしたい。
F g.i スケ ュ ル
5 結言
本訓練装置は六ヶ所再処理工場設置回転機器の振動診
断から得られた経験をフィードバックしているが、いずれのユニットも汎用的な構成であり、他プラントの回転 機器の振動診断に通用する機能を有している。
本訓練装置を活用し、六ヶ所再処理工場および他プラントの保 活動に有用な影響を与える考究活動や人材育成を推し進めていきたい。
謝辞
本装置の開発にあたっては、JFE プラントエンジ桐、桐沢田テクニカルサービ に製作支援および多様な指導と助言等、多大なるご尽力を頂いた。ここに記し謝意を表す。
参考文献
佐々木一人、瀬川佑太、吉村定志、他“六ヶ所再処理 工場における回転機器の設備診断 -振動解析による設備診断- ”、日本保 学会 第11 回学術講演会 要旨集、2014、pp.439-446.
佐々木一人、瀬川佑太、吉村定志、他“六ヶ所再処 理工場の横型遠 ファンにおける軸受外輪クリープの振動診断について ”、日本保 学会 第12 回学術講演会 要旨集、2015、pp.309-314.
佐々木一人、瀬川佑太“電動機のウェー ッシャ不良による深溝玉軸受の早期損傷メカニズムと振動診断 ”、日本保 学会 第 14 回学術講演会 要旨集、2017、pp.21-24.
機異常振動模擬 を 用した の