回転機械の横振動を理解する
横方向の振動 （ラジアル振動または横振動とも呼ばれる）は、回転軸がその回転軸に垂直な方向に運動することです。平たく言えば、軸が回転する際の左右および上下の動きです。これは 振動 回転機械において最も一般的な振動形態であり、通常は アンバランス, ずれ、曲がったシャフト、または ベアリングの欠陥などのラジアル力によって引き起こされます。これを理解することは ローターダイナミクスの基本であり、ほとんどの機器における主要な振動モードであり、ほぼすべての振動監視と バランシング 仕事。
1. 方向と測定
横振動は、シャフト軸に垂直な平面内で測定されます。2つの直交方向によって完全に記述されます：
- Horizontal: 地面に平行な左右方向の動き。
- Vertical: 地面に垂直な上下方向の動き。
- Radial: シャフト軸に垂直なあらゆる方向 — 実際には、水平成分と垂直成分のベクトル合成。
水平と垂直への分解は学術的なものではありません。支持剛性は通常この2方向で異なるため、機械はしばしば一方向により大きく振動し、その差異自体が診断の手がかりとなります。測定は通常、次の箇所で行われます：
- ベアリング・ハウジング using an 加速度計 または 速度変換器 軸受キャップまたはペデスタル上。
- Shaft surface: 非接触式の 近接プローブ 軸受に対するシャフトの動きを直接測定するもの。
- 複数の取り付け方向： 水平・垂直両方向の測定値により、横方向の動きの全体像が得られます。
2. 横振動の主な原因
横振動は多くの原因から発生しますが、解析の価値は、それぞれが周波数・位相・軌跡に特有のシグネチャを残す点にあります。
アンバランス（最も一般的）
アンバランス 最も頻繁な原因です。非対称な質量分布により回転する遠心力が生じ、以下をもたらします：
ずれ
シャフトのミスアライメント 連結機械間で発生する横方向の力は、以下を示します：
- 顕著な2×成分（毎回転2回）。
- 1×および高次高調波の励振も発生します。
- 多くの場合、高い軸方向成分も伴い、これが重要な識別特徴となります。
- アンバランスとは異なる位相関係。
曲がったシャフトまたは撓んだシャフト
永続的な曲がりやたわみのあるシャフトは、幾何学的な偏心を生じさせ、以下をもたらします：
- アンバランスに非常によく似た1×振動。
- 低速回転時でも高い振動。
- バランス修正だけでは根本的に解決できない状態 — 根本的な シャフトボウ 対処する必要があります。
ベアリングの欠陥
転がり軸受 欠陥は特徴的な横方向の振動シグネチャを生じます：
機械的な緩み
軸受、基礎または取り付けボルトの緩みは、次の特徴的な非線形応答を生じさせます。 機械的な緩み:
- 高調波列（1×、2×、3×、…）。
- 加振力に対する非線形応答。
- 計測値が不規則または不安定である。
ローターとステーターの接触
回転部と静止部の接触 — これは ローターラブ — generates:
- 亜同期成分。
- 振幅および位相の急激な変化。
- 摩擦により軸の一方が加熱されることによる、熱的たわみの可能性。
3. 横方向振動と他の振動タイプの比較
回転機械は3つの主要な方向に振動する可能性があり、それらを分離することがあらゆる診断の第一歩です。
| タイプ | 方向 | Typical causes | 測定 |
|---|---|---|---|
| 横方向（ラジアル方向） | シャフト軸に垂直 | アンバランス、ミスアライメント、シャフトの曲がり、ベアリングの欠陥 | ハウジングへの加速度センサーまたは速度センサー；軸への非接触変位センサー |
| 軸方向 | シャフト軸に平行 | アライメント不良、スラスト軸受問題、プロセスフロー問題 | 軸方向に取り付けられた加速度計 |
| ねじり | 軸軸線まわりのねじれ | ギア噛合い問題、モータ電気的問題、カップリング問題 | 専用のトーショナル振動センサまたはひずみゲージ |
横方向振動は通常、最も振幅の大きな成分であり、標準的な加速度センサーが最も容易に検出できるものです。軸方向振動は一般的に小さいですが、芯ずれおよびスラスト欠陥の診断に有効です。一方、ねじり振動は通常小さいものの、疲労破壊を引き起こす可能性があり、通常のラジアルセンサーには検出されません。
4. 横方向振動モードと危険速度
で ローターダイナミクス、横方向振動モードは軸がとる特有のたわみ形状を表し、それぞれが 臨界速度 運転速度が固有振動数と一致する点に対応しています。
- 第1次横方向モード： 最低固有振動数における単純な曲げ形状 — 一つの弧またはたわみ。アンバランスによって最も励起されやすく、第1危険速度に対応します。
- 第2次横方向モード： 一つの節点を持つS字形たわみ 節点、より高い固有振動数において；これが第2危険速度であり、特に フレキシブルローター.
- より高次の横方向モード： 複数の節点を持つますます複雑な形状であり、非常に高速または非常に柔軟なロータにのみ関連し、翼通過周波数やその他の高周波力によって励起されることがあります。
これらの危険速度が運転速度に対してどこに位置するかを把握することは、安全な設計の基本です。 ローター臨界速度計算機 軸の形状と支持条件から、軸の固有振動数の初期推定値を算出します。
5. 測定、監視および規格
横振動は、複数のパラメータが連携して特徴づけられます。
- 振幅: 変位（µm、ミル）、速度（mm/s、in/s）、または加速度（g、m/s²）による振幅。
- 頻度： アンバランスが支配的な振動では通常1×回転速度ですが、その他の欠陥では高調波やその他の成分にも及びます。
- 段階: 軸上の基準マークに対するピーク変位の位相。
- 軌道： 軸端面から見た、軸中心が実際に描く軌跡。
国際規格により許容限界が定められています。 ISO 20816シリーズ — ISO 10816 の後継規格 — はRMS速度に基づくさまざまな機械種別の振動限界を定義し、API 610、617などの業界規格や アピ 684 はポンプ、圧縮機、ロータダイナミクスを個別に対象としています。これらの規格は許容範囲・注意・アラームといった重大度ゾーンを定義し、機器の種別およびサイズに応じて設定されています。一般的な中型産業機械の場合、測定値を ISO 20816-3 振動制限ツール.
6. 制御と対策
バランシング はアンバランスに起因する横振動の主要な対処法です。アプローチはロータの種類によって異なります。 単面バランス ディスク型ロータの場合、 2平面バランス ほとんどの産業用ロータの場合、および モーダルバランス 危険速度を超えて運転するフレキシブルロータの場合。
アライメント はアライメント不良による横方向の力を低減します。精密な レーザーシャフトアライメント が軸を正確に位置決めし、熱膨張はアライメント目標値に考慮され、 柔らかい足 はアライメント開始前に修正されます。
減衰 特に臨界速度付近で振幅を制御する：油膜軸受は顕著な 減衰, a スクイーズフィルムダンパー は必要な箇所にさらに追加し、支持構造への処置も有効です。
剛性の修正 危機速度を運転範囲外へ移動させます。シャフト径を大きくすると危機速度が上昇し、径を小さくすると bearing span 第一危機速度を上昇させ、基礎を剛化するとシステム全体の応答特性が変化します。これは、 基礎の剛性 がロータ・軸受システムの一部であり、外部要素ではないことを示しています。
7. 診断上の重要性と現場での実践
横振動解析は機械診断の基本です。経時的なトレンド監視により発展中の問題を把握し、周波数とパターンにより具体的な故障を特定し、基準値に対する振幅により重大度を判断し、振幅の低減によりバランス修正の成功を確認し、そのレベルによって状態基準保全の処置を発動します。
現場では、これらすべてを稼働中の機械で実施します。エンジニアは軸受ハウジングにセンサを取り付け、 バランセット-1A のような携帯型2チャンネル計器を使用して、両方向の横振動を取得し、1×成分の振幅と位相を読み取り、アンバランス・ミスアライメント・ゆるみ・軸受故障を分離するスペクトルを確認します。同じ計器が振幅と位相を計測して影響係数を算出するため、エンジニアは診断から修正へ直接移行できます。すなわち、運転速度での自己軸受内でのロータのバランス修正を行い、その後横振動を再計測して修正を検証でき、バランシングマシンや分解は不要です。
横振動を効果的に管理することが、回転機械を長期にわたって安定稼働させる最終的な鍵であり、それゆえ横振動は振動監視プログラム、予知保全戦略、ロータ動力学設計のいずれにおいても中心に位置しています。
