回転機械におけるシャフトのミスアライメントの理解

定義: ミスアライメントとは何ですか?

シャフトのずれ 機械が通常の運転条件下で運転している際に、2本以上の連結されたシャフトの回転中心線が同一直線上にない状態を指します。アンバランスと並んで、機械の早期故障の最も一般的な原因の一つであり、振動の増加、ベアリングやシールの損傷、過剰なエネルギー消費につながります。精密アライメントの目的は、規定の許容範囲内でシャフトの中心線を可能な限り正確にアライメントさせることです。

ずれの種類

不整合は主に 2 つのタイプに分類されますが、実際のケースでは、ほとんどの場合、両方の組み合わせが存在します。

1. 平行ずれ（またはオフセット）

平行ずれは、2つのシャフトの中心線が互いに平行でありながら、一定の距離だけずれている場合に発生します。これは、一方のシャフトがもう一方のシャフトよりも高いか低いか（垂直方向のずれ）、あるいは片側に寄っているか（水平方向のずれ）という形で視覚的に表すことができます。

2. 角度のずれ

角度ずれは、2本のシャフトが互いに角度をなしているときに発生します。シャフトの中心線はカップリング点で交差しますが、同一線上にありません。これにより、カップリング部に片側がもう片側よりも広い「隙間」が生じます。

3. 複合的なずれ

これは最も一般的なシナリオであり、シャフトが平行ずれと角度ずれの両方を同時に抱える状況です。

ずれの振動特性

位置ずれにより、FFT スペクトルで識別できる非常に特徴的な振動シグネチャが生成されます。

• 主要指標（2倍）: 最も一般的で典型的なミスアライメントの兆候は、正確に 回転速度の2倍（2次）これは、位置ずれによって生じる力により、シャフトとカップリングが 1 回転につき 2 回の曲げサイクルを受けるためです。
• 高い軸方向振動： ずれはしばしば強い振動を引き起こし、 軸方向 軸方向（シャフトと平行）の2倍のピーク値が高い場合、ミスアライメントの非常に強い指標となります。
• その他の倍音（1倍、3倍、4倍）： 2倍速が主な指標ですが、ミスアライメントによって1倍速の走行速度周波数も励起される可能性があります。特に平行オフセットなどの深刻なミスアライメントは、3倍速や4倍速といった高調波も生成する可能性があります。
• カップリング固有の周波数: 一部のタイプのカップリングは、摩耗したり、位置ずれによってストレスがかかったりすると、独自の特性周波数で振動を発生することがあります。

振動スペクトルが 1 倍ピークの 50% 以上である 2 倍ピークを示し、特に高い軸方向振動を伴う場合は、ミスアライメントの典型的な例です。

ずれの一般的な原因

ずれは最初の設置時から存在する場合もあれば、時間の経過と共に発生する場合もあります。

• 不適切な取り付け: 最も一般的な原因は、機械の初期セットアップ時に正確な調整が行われなかったことです。
• 熱成長: 機械が室温から動作温度まで加熱されると、部品は膨張します。モーターの高さが上昇したり、ポンプのケーシングが膨張してシャフトの位置ずれが生じることがあります。精密なアライメントでは、こうした熱膨張を考慮する必要があります。
• パイプの歪み: 入口配管や出口配管の支持が不十分な場合、ポンプやコンプレッサーが駆動装置から外れることがあります。これはプロセス産業では非常によく見られる問題です。
• 基盤の問題: 基礎が弱かったりひび割れていたり、アンカーボルトが緩んでいたりすると、時間の経過とともに機械が移動する可能性があります。
• ソフトフット: 機械の取り付け脚の 1 つがベースプレートに平らに設置されていない状態。ボルトで固定すると、機械のフレームがねじれたり歪んだりします。

ずれを修正することがなぜ重要なのか

機械の位置がずれた状態で稼働させると、深刻な結果を招くことになります。

• ベアリングとシールの故障: シャフトにかかる高い周期的負荷はベアリングとシールに直接伝達され、それらの早期故障を引き起こします。
• カップリング障害: カップリングは、わずかなずれを許容するように設計されていますが、ずれが大きすぎると摩耗してすぐに故障してしまいます。
• シャフトの疲労: シャフトを繰り返し曲げると疲労亀裂が生じ、最終的にはシャフトが破損する可能性があります。
• エネルギー消費量の増加: 有用な作業を実行する代わりに、かなりのエネルギーが熱と振動の形で無駄になります。

ダイヤル インジケータやレーザー アライメント システムなどのツールを使用した精密なアライメントは、効果的な信頼性およびメンテナンス プログラムの基礎となります。

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