振動解析におけるシャフト軌道プロットの理解
A シャフト軌道 これは、回転する軸の幾何学的中心が1回転またはそれ以上の回転を行う間に描く軌跡を示す図です。これは、軸の内部におけるその運動を2次元で表したものです。 ベアリングクリアランスまるでシャフトの端を真上から覗き込んでいるかのように。この強力な診断ツールは、一対の非接触型 近接プローブ 90度ずらして配置し（通常はX-Y配置）、それらの同時変位信号を時間軸ではなく互いにプロットする。
1. 軌道プロットがなぜそれほど有用なのか
標準 時間波形 または FFTスペクトル 示す 振動 一方向のみ。軌道プロットは、2つの直交する方向を組み合わせることで、シャフトの動的な動きの全体像を捉え、解析担当者が動きの実際の形状や方向を推測するのではなく、視覚的に把握できるようにします。この追加の次元は、幅広い故障の診断に極めて貴重な手がかりを提供するため、軌道プロットは ローターダイナミック 分析 — 特に、流体膜潤滑機構を備えた高速で重要な機械について ジャーナルベアリング、例えばタービン、コンプレッサー、大型発電機など。
プローブはベアリングに対して変位を直接測定するため、その軌跡からは、シャフトがどれだけ動いたかだけでなく、クリアランス内のどこに位置しているかも明らかになります。これは、ケーシングに取り付けられた 加速度計 では到底提供できないものです。さらに タコメーター または キーフェーザー マークは軌道上の各回転ごとにスタンプを押して、その位置を固定する 位相 そして、歳差運動の方向を明確に定める。
2. 軌道の形状の読み方
軌道の形状、大きさ、そして向きは、ローターに作用する力の直接的な指標です。熟練した分析者であれば、軌道の形状を見るだけで機械の状態を診断することができます。
円軌道または楕円軌道
ベアリングを中心とする単純な円軌道や楕円軌道は、通常、単一の周波数が支配的な、挙動の安定したローターを示しており、ほとんどの場合 アンバランス. 軸受支持部の剛性が両方向で同じ場合（等方性）、軌道は円形になりますが、水平方向と垂直方向で剛性が異なる場合（異方性）には楕円形になります。実際の現場では、ほとんどの機械が水平方向よりも垂直方向の剛性が高いため、後者のケースが非常に一般的です。
歪んだ8の字型またはバナナ型の軌道
軌道が単純な楕円から歪むと、シャフトの動きには複数の周波数が影響を及ぼすようになります：
- A 「バナナ」または三日月形の軌道 多くの場合、 ずれ、ここでは1×周波数と2×周波数の両方が存在します。
- A 8の字型 これは、2×成分が強いことを示す典型的な兆候であり、軸のずれを如実に示す指標です。内側にループがある8の字状のパターンは、状態がより深刻であるか、あるいは何かが擦れていることを示唆することがよくあります。
折れ曲がったり鋭角になったりする軌道
軌道の急激な方向転換、平坦な部分、または「曲がり」は、 ローターとステーターの摩擦. これらは、シャフトがベアリングなどの固定部品に接触する際、その動きが一時的に制限されていることを示している。 シール、または機械の筐体。
非常に不規則な軌道
軌道が不安定だったり、不規則だったり、あるいは「ノイズ」に満ちているように見える場合は、深刻な機械的トラブルの兆候である可能性があります 緩み、流体による不安定性など オイルワール または ホイップ、あるいはポンプやコンプレッサー内の乱流状態。
3. 歳差運動の方向：順方向と逆方向
軌道の描かれる方向は、軸の回転方向に対する相対的な位置関係そのものが、重要な診断要素となります：
- 順進： 軌道は軸の回転方向と同じ方向を描きます。これは、アンバランスなどの力が作用した場合の通常の挙動です。
- 逆歳差運動： 軌道はシャフトの回転方向と逆になります。これは異常な状態であり、以下のことを示している可能性があります。 シャフトの亀裂、激しい摩擦、あるいは特定の種類の流体誘起不安定性。
この2つを区別するには、1回転ごとの位相マークが必要である。それがなければ、軌道は形状は示しても、その移動方向は示さないため、判別上の区別が失われてしまう。
4. フィールド診断における軌道
監視システムにデータを供給する恒久設置型の近接プローブは、大型の重要機械の軌道状態を把握するための定番の方法ですが、その基本原理――位相基準を用いて互いにプロットされた2つの直交する変位信号――は、現場の技術者にとっても同様に活用可能です。例えば、 バランセット-1A 2つの平面上の振幅と位相を同時に測定するため、軌道やスペクトルによってそれが確認されれば アンバランス が支配的な存在であり、その構成はそのまま フィールドバランシング および修正後の状態の確認。もし軌道にずれや摩擦、不安定さが認められた場合、その発見に基づき、作業の方向性をバランス調整ではなく、アライメント調整や機械的な修理へと転換する。
変位軌道 対 速度軌道
両者は同じ測定ではなく、その違いによって図から結論づけられる内容が決まる。1対の近接プローブは軸の 変位 軸受に対する相対位置を読み取るため、プロットはジャーナルがクリアランス内のどこに位置しているかを示す真の地図となり、同じ信号の直流成分から得られるのは 軸の中心線。加速度計を軸受ハウジングに固定した携帯型2チャンネルアナライザーは、2つの 速度 チャンネル同士をmm/s単位でプロットしたものであり、見えているのはハウジングの動きであって、軸の位置ではない。
トランスデューサーを変更しても変わらないのは形状である。形状、向き、歳差運動の方向は、センサーではなくロータに作用する力のパターンによって決まるため、おなじみの分類は変わらず現れる——1×成分が支配的なときは滑らかな楕円、強い2×成分があるときは三日月形または8の字形、何かが擦れているときは側面が平らになりキンクが生じる。変わってしまうのは絶対位置である。速度軌道からはクリアランスがどれだけ残っているかは分からず、軸の動きをマイクロメートル単位に換算し直すこともできない。現場では故障の種類を特定するために使い、実際に軸がどこを走っているかを知りたいときは近接プローブを使うこと。
Balansetソフトウェアにおける軌道の位置
Balanset-1Aでは、軌道は振動計ウィンドウの1つのタブであり、メインウィンドウからF5キーで開く。このウィンドウにはデバイスファームウェア5.5.0以降が必要である。“X-Y Orbit”タブは、チャンネル1を一方の軸に、チャンネル2をもう一方の軸に、1:1の軸スケールでプロットするため、画面上の円は不均等な軸によるアーティファクトではなく、本当に円である。4チャンネルのBalanset-4Aでは、チャンネル3と4のための2つ目の軌道が最初の軌道の下に描画される。
チャートの上にあるスイッチが、何を描画するかを決定する：
| モード | 何がプロットされているか | 正しい見方である場合 |
|---|---|---|
| Unsynced | 回転基準のない、生の軌跡 | タコメーターが利用できない場合、または信号に含まれるすべてを見たい場合 |
| Sync（生データ） | タコメーターマークに合わせて重ね合わせた、直近の回転 | 再現性の判断——安定した閉じた図形は、動きが回転ごとに繰り返されていることを意味する |
| 1× | 回転成分のみ：V·oとFの読み取り値に一致するきれいな楕円 | バランシング前にアンバランスベクトルを確認する |
タコメーターマークがなければ、2つの同期モードには同期する対象がなく、プログラムはそのことをチャートのタイトルに表示し、“Unsynced”だけが唯一の正直な表示となる。これはセクション3で述べた要点の実践的な形である。1回転ごとの基準がなければ、歳差運動の方向も分からない。
軌道の脇にある数値を読み取る
チャートの横にあるタイルは、測定面ごとに3つの値を示し、まとめて見ることで形状の解釈を始める前に最も速く行える健全性チェックとなる：
- V·s ——作業帯域全体のブロードバンドRMS速度、mm/s単位。
- V·o ——回転周波数における1×成分のみ、mm/s単位。
- F - その 位相 その1×成分の、度単位。
回転成分は構造上、合計の一部であるため、V·oがV·sを超えることは決してなく、両者の比率は実際に見る前に軌道の形を予測する。V·oがV·sに近い場合、エネルギーのほぼすべてが1×に集中し、軌道はきれいな楕円に収束する。そして アンバランス が支配的な力である。V·oが明らかに小さい場合、その差は高調波とブロードバンドノイズであり——まさにその残差が、セクション2で説明した三日月形、8の字形、キンクへと楕円を歪ませる。V·o ≈ V·sとともに大きく歪んだ軌道が報告される場合は矛盾しており、まず計測機器を確認すべきである。
各面の下には安定性バーがある。読み取り値がまだドリフトしている間はグレー、直近12個のストリーム値の変動係数が10%を下回ると緑、ばらつきが20%を超えるとオレンジになる。バーがオレンジの間に取得された軌道は診断ではなく、まだ落ち着いていない機械のスナップショットに過ぎない。
スペクトルと照合して形状を確認する
軌道は何かが楕円を歪ませていることを教えてくれるが、その原因となっている次数を教えてくれるのはスペクトルである。同じウィンドウの“Wave Spectrum”タブは、上に波形、下に速度スペクトルを表示し、最も高いバーではなく、測定された回転速度の正確な倍数の位置に破線ガイドを配置する——そのため、マーカーを外れたピークは軸速度の高調波ではまったくなく、軸受、ギアメッシュ、またはブレードパスに属することになる。三日月形または8の字形の軌道とともに現れる支配的な2×成分が示すのは ずれ；不安定でドリフトする軌道の下で0.43×〜0.48×の間に現れるピークは、次の兆候である オイルワール；軌道の側面が平らになったブロードバンド成分は、次を示唆する 接触.
チャートの下にあるセレクタは、スペクトルを速度と加速度の間で切り替える。軌道について考察する際に用いるべき軸は速度である。なぜなら軌道自体が速度チャンネルから描画されているからである。
共振を通して軌道を観察する
軌道はある速度での一瞬のスナップショットであり、数百RPM離れると形状は完全に変わり得る。代わりに“Run-down”タブはコースト・ダウン全体を記録する。1×振幅と位相は、平滑化なしで1回転ごとに1つの生の値として、低下する速度に対してログされ、100–2000RPMの間の任意の値に設定可能で、デフォルトは300の停止しきい値まで続く。共振は、およそ180°の位相回転を伴う振幅ピークとして現れる——それは同じ危険速度であり、それを キャンベル図 励振ラインが固有振動数曲線と交差する位置を予測する。完全なラン・ダウンレポートは、運転速度で取得したX-Y軌道をそれらの曲線とともに保持するため、形状と共振マップが1つの文書にまとまる。
5. 軌道プロットが示すもの
要約すると、単一の軌道プロットからは、一目で豊富な情報が得られます：
- シャフト振動の全体的な振幅。
- – シャフトの動きの形状。これは、障害の種類の識別に役立ちます。
- 歳差運動の方向、つまり順方向か逆方向か。
- ベアリングのすきま内における軸の平均位置――その 軸の中心線.
FFTスペクトルや時間波形と併せて分析することで、軌道データから、分析担当者は極めて信頼性の高い詳細な 診断 機械の動的挙動について――「どの程度か」、「どのような形状か」、「どの方向か」という要素を一つに統合し、決定的な全体像を浮かび上がらせる。
