回転機械におけるラジアル振動の理解
ラジアル振動 とは、回転軸がその回転軸線に対して垂直方向に、車輪のスポークのように中心から外側へ向かって振動する運動のことです。「ラジアル」という言葉は、軸の中心線から離れる方向を指すあらゆる方向を包含するため、水平方向（左右）と垂直方向（上下）の両方の運動を含みます。これは技術者が 横方向の振動 または横方向の振動であり、回転機械において最も一般的に計測・トレンド管理される振動の形態です。 振動 回転機械において最初に確認すべき数値であり、多くの国際規格がこれを基準として制定されています。実際には、軸の空間内での完全な軌跡を再現できるよう、各軸受で直交する2方向の計測が行われます。
1. 定義と計測方向
軸は、その軸線に垂直な面内でどの方向にも動くことができるため、1つのセンサーだけでは全体像を把握できません。各軸受に90°の角度で取り付けた2本のプローブにより、完全なラジアル方向の状態を捉えることができ、それぞれの測定値は個別にも、また合算した形でも報告されます。
水平放射状振動
水平振動とは、軸の左右方向の動きです：
- 軸線に垂直かつ床面に平行な方向。
- 水平型機械において、最もアクセスしやすい計測ポイントであることが多い。
- 重力、基礎剛性の非対称性、および水平方向の加振力を反映する。
- ほとんどの定期監視プログラムにおける標準的な計測方向。
垂直ラジアル振動
垂直振動とは、軸の上下方向の動きです：
- 軸線に垂直かつ床面にも垂直な方向。
- 重力およびロータの静荷重から直接影響を受ける。
- ロータの自重により支持剛性に非対称性が生じるため、振幅が水平方向より大きくなることが多い。
- 立型ポンプや立型モータなど、縦型機械の診断に重要です。このような機械では「水平」と「垂直」という概念が通常の意味を失い、2つのラジアル軸は単純に直交関係となります。
全体的なラジアル振動
全ラジアル変位は、計測された2成分のベクトル和です：
放射状の合計 = √(水平² + 垂直²)
- 方向に依存せず、真の変位量を表す。
- 単一値での振動深刻度評価やアラーム設定に有用。
- 2軸のピークが同時に現れることはほとんどないため、軸が描く軌跡は円ではなく通常は楕円となります。これは、オービット解析において重要な意味を持ちます。
2. ラジアル振動の主な原因
ラジアル振動は、軸線に対して垂直に作用するあらゆる力によって発生します。支配的な周波数を特定することが診断の核心であり、各故障モードには特有の周波数特性が現れます。
1. アンバランス（主要な原因）
アンバランス は、回転機器における半径方向振動の最も一般的な単一原因です：
- It creates a 遠心力 シャフトとともに回転し、 走行速度（1倍）.
- この力は、アンバランス質量、その半径、そして特に重要な回転速度の二乗に比例して増大します。そのため、小さな重量の偏りも、回転数（RPM）が上昇するにつれて深刻な問題となります。
- それはおおむね円形または楕円形を生じる シャフト軌道.
- 是正可能な バランシングは、部品を交換せずに修正できる唯一の欠陥です。
2. ずれ
シャフトのミスアライメント 連結された機械間では、半径方向および 軸方向振動:
- 主として2倍周波数（1回転あたり2回）のラジアル振動として現れます。
- また、1X、3X、およびそれ以上の高調波も発生します 倍音.
- 半径方向信号に伴う高い軸方向振動は、重要な手がかりとなります。
- について 段階 2つの軸受間の関係から、芯ずれが角度方向か、平行（オフセット）か、またはその両方かを判断できます。
3. 機械的な欠陥
複数の機械的問題が特徴的なラジアルパターンを生成します：
- ベアリングの欠陥: 高周波数の衝撃が 軸受欠陥周波数.
- シャフトの曲がりや湾曲： アンバランスに似た1X振動ですが、低速回転時にも存在します。参照： シャフトボウ.
- 緩み: 複数の高調波（1X、2X、3X以上）が非線形かつしばしば方向性を持った挙動を示します。
- ひび割れ: 起動・停止時に変化する1Xおよび2X振動は、 ひびの入ったローター.
- こする： サブ同期成分と同期成分が混在し、 ローターラブ.
4. 空気力と水力
ポンプ、ファン、圧縮機内部のプロセス力は、独自の半径方向加振力を発生させます：
5. 共鳴条件
機械が 臨界速度, 、放射状の振動が劇的に増幅されます。
- 固有振動数が加振周波数と一致する場合、これは共振の典型的な条件です 共振.
- 振幅はその後、システムの 減衰.
- レベルは狭い回転数帯域内で壊滅的な値に向かって上昇することがあります。
- そのため、設計においては運転速度と危険速度の間に十分な分離マージンを確保することが求められます。
3. 測定規格とパラメータ
測定単位
ラジアル振動は、それぞれ異なる周波数範囲に適した3つの関連パラメータで表すことができます：
- 変位: 実際の移動距離（マイクロメートル µm、またはミル）。低速機械および 近接プローブ シャフト測定値。
- 速度: 変位の変化率（mm/s、in/s）。一般産業機械に最も広く使用されるパラメータであり、ISO厳しさ規格の基準となっています。
- 加速度: 速度の変化率（m/s²、g）。軸受欠陥検出などの高周波数用途に使用されます。
同じ物理的な運動が、ある単位では問題なく見え、別の単位では警戒が必要に見えることがあるため、パラメータの選択は重要です。速度は、回転機械の不具合が集中する中周波数帯域全体にわたってスペクトルを平坦化する傾向があり、これがまさにISOの限界値の根拠となっています。
国際規格
について ISO 20816 シリーズはラジアル振動の厳しさ限界値を定めています。（旧ISO 10816ファミリーおよびそれ以前のISO 2372に取って代わるものであり、ISO 20816を権威ある規格として引用してください。）
- ISO 20816-1: 機械振動の評価に関する一般的なガイドライン。
- ISO 20816-3: 15 kWを超える産業機械向けの具体的な基準。
- 振動レベルゾーン： A（良好）、B（許容範囲）、C（不十分）、D（許容範囲外）
- 測定位置： 通常、ラジアル方向の軸受ハウジング上で測定します。
業界固有の標準
- API 610： 遠心ポンプのラジアル振動限界値。
- API 617： 遠心圧縮機の振動基準。
- アピ 684: ラジアル振動を予測するためのロータダイナミクス解析手順。
- NEMA MG-1： 電動機の振動限界値。
4. 監視と診断技術
定期モニタリング
標準的なプログラムは、スケジュールに従ってラジアル振動を追跡します：
- ルートベース収集： 固定間隔（毎月、四半期ごと）での定期測定。
- 総合レベルのトレンド管理： 時間の経過とともに総振幅が上昇していくのを監視します。
- Alarm limits: ISOまたは機器固有の規格から設定します。
- 比較： current versus ベースライン、また水平方向と垂直方向の比較。
高度な分析
問題が疑われる場合、より詳細なツールによってその性質を明らかにします：
- FFT分析: a frequency スペクトラム 振動を各成分に分離します。
- 時間波形: 時間軸上の生の信号を表示し、過渡現象や変調を明らかにします。
- 位相分析: 各計測点間の位相関係。
- 軌跡解析： ラジアル計測値に直接対応する軸中心線の軌跡。
- エンベロープ分析: 軸受欠陥の早期検出のための高周波数デモジュレーション。
継続的な監視
重要設備は通常、常時監視されます：
5. 水平方向と垂直方向の差異
典型的な振幅の関係
多くの機械では、垂直方向の読み値が水平方向を上回ります：
- 重力の影響： ロータの重量が静的たわみを生じさせ、垂直方向の剛性を高めます。
- 非対称剛性： 基礎および支持構造物は、水平方向に剛性が高い場合が多くあります。
- 典型的な比率： 垂直振動が水平値の1.5〜2倍となるのは一般的です。
- バランスウェイトの影響： ロータ下部（最もアクセスしやすい位置）に取り付けた修正おもりは、垂直振動を優先的に低減する傾向があります。
診断の違い
- アンバランス: 重点の位置によっては、特定の方向により強く現れることがあります。
- ゆるみ: 垂直方向において、非線形性がより明確に現れることが多くあります。
- 基礎に関する問題： 垂直方向の振動は、基礎の劣化に対してより敏感です。
- ずれ: 芯ずれの種類によっては、水平方向と垂直方向の測定値で異なる形で現れることがあります。
6. ロータダイナミクスとの関係
ラジアル振動は、 ローターダイナミクス 解析の中心に位置します。これは、シャフトのラジアル曲げ挙動が、どこでどのように問題が発生するかを左右するためです。
臨界速度
- ラジアル固有振動数が危険速度を決定します。
- 第一危険速度は、通常、第一ラジアル曲げモードに対応します。
- キャンベル図 回転速度の関数としてラジアル挙動を予測します。
- 危険速度からの分離マージンを確保することで、ラジアル振動を適切な範囲に抑制します。
モードシェイプ
- 各ラジアルモードは特性を有しています たわみ形状.
- 第1モード：シンプルな円弧。
- 第二モード： node point.
- より高次のモード：段階的により複雑なパターン。
バランス調整の考慮事項
- バランシングは、1X周波数におけるラジアル振動を低減することを目的としています。
- 影響係数 各補正おもりと、それによるラジアル振動の変化量を対応付けます。
- The best correction-plane 取り付け位置は、ラジアルモード形状から導出されます。
7. 修正・制御および現場での実施
アンバランスの場合
- フィールド・バランシング ポータブル解析器を使用します。 バランセット-1A 各軸受における1Xラジアル振幅と位相を計測し、影響係数を算出することで、エンジニアは分解や釣合い試験機を使用することなく、実稼働回転速度でロータを自軸受内でバランシングすることができます。また、計測されたアンバランス量を修正質量に変換するために、 試用版重量計算機.
- 単面 または 2平面バランス 手順はロータの形状に応じて選択されます。
- 精密工場バランシング（ バランスマシン 最も重要なコンポーネントに対して。
機械的な問題の場合
- 芯出し不良を修正するための精密アライメント。
- 軸受欠陥に対する軸受交換。
- 緩いコンポーネントの締め付け。
- 構造的問題に対する基礎補修。
- 曲がりシャフトに対するシャフト矯正または交換。
共鳴の問題
- 危険速度域を回避するための回転速度変更。
- 剛性の変更（シャフト径、ベアリング位置の変更）
- 減衰強化（例えば スクイーズフィルムダンパー またはベアリング選定の見直し。
- 固有振動数を運転速度から遠ざけるための質量変更。
8. 予知保全における重要性
半径方向振動の監視は、 予知保全:
- 早期故障検出： ラジアル振動の変化は故障の数週間または数ヶ月前に起こる
- トレンド: 段階的な上昇は発展中の問題を示唆する。
- 故障診断： 周波数成分により特定の欠陥タイプが識別されます。
- 深刻度評価： 振幅により問題の深刻さと緊急性が示されます。
- メンテナンスのスケジュール： 作業はカレンダーではなく、設備の状態に基づいて実施されます。
- Cost savings: 壊滅的な故障を回避し、保全インターバルを最適化できます。
回転機械における主要な振動計測として、半径方向振動は設備状態の本質的な証拠を提供します — これにより、産業用回転機械の信頼性が高く、安全かつ効率的な運転に欠かせないものとなっています。
