回転機械におけるシャフトの曲がりを理解する
定義: シャフト ボウとは何ですか?
シャフトボウ （シャフトの曲がり、ローターの曲がり、または単に「曲がり」とも呼ばれる）は、 ローター シャフトに永久的または半永久的な曲率が生じ、直線の中心線から外れてしまう。一時的なものとは異なり、 なくなる これは、緩んだコンポーネントや偏心した取り付けによって発生する可能性があり、シャフトの曲がりはシャフト材料自体の実際の変形を表します。.
シャフトボウは 振動 表面上は似ている症状 アンバランス, しかし、従来の方法では修正できない バランシング 手順。そのため、曲がったシャフトのバランス調整に時間を無駄にしないためには、正しい診断が不可欠です。.
シャフトボウの種類
シャフトの曲がりは、その原因と期間に基づいて分類できます。
1. 永久機械弓
これは、以下の原因でシャフト材料に生じる塑性（永久）変形です。
- 機械的過負荷または衝撃
- メンテナンス中の不適切な持ち上げや取り扱い
- ローターを落とす
- 運転中の過度の曲げ応力
- 製造上の欠陥または不適切な熱処理
シャフトが降伏（永久変形）すると、シャフトが静止し、すべての荷重が除去されても、弓形はそのまま残ります。.
2. サーマルボウ（過渡）
別名 サーマルボウ または ホットボウ, これは、シャフトの不均一な加熱によって引き起こされる一時的な状態です。加熱側が冷却側よりも膨張し、一時的な湾曲が生じます。原因としては以下が挙げられます。
- 非対称熱源（片側に高温プロセス流体、もう一方に冷却空気）
- ベアリングの摩擦によりシャフトの片側が加熱される
- ローターの摩擦により局所的な加熱が発生する
- 屋外設備の太陽熱暖房
- 大型タービンの不適切な暖機手順
熱変形は通常、シャフトが均一に冷却されるか、熱平衡状態に達すると消えます。しかし、熱変形サイクルを繰り返すと、最終的には永久変形を引き起こす可能性があります。.
3. 残留応力弓
溶接、熱処理、または製造プロセスからの内部残留応力により、特に応力緩和を引き起こす動作温度または機械的負荷にさらされた場合、シャフトが時間の経過とともにゆっくりと曲がることがあります。.
シャフトの曲がりの原因
根本原因を理解することで、シャフトの曲がりを防ぎ、是正措置を導くことができます。
機械的な原因
- オーバーロード: 設計限界を超える負荷で運転する
- 不適切な保管: 適切なサポートなしにシャフトを水平に保管すると、時間の経過とともにたわみが生じます
- 誤った取り扱い: 指定された吊り上げポイントではなく、シャフトで吊り上げる
- 事故または衝撃: 落下、衝突、異物による損傷
- ベアリングの焼き付き： ベアリングが固着すると、駆動トルクによってシャフトが曲がる可能性がある。
熱的原因
- 不均一な加熱： シャフト円周上の不均一な温度分布
- 急激な温度変化: 起動時またはシャットダウン時の熱衝撃
- ホットスポット: 摩擦、擦れ、またはプロセス条件による局所的な加熱
- 不十分なウォームアップ: 冷えたタービンや大型機械を急激に始動させる
- シャットダウン手順: 高温のシャフトが冷却される前に回転を停止させる（熱たわみ）
材料と製造の原因
- 素材の品質が悪い: 介在物、空隙、または材料の不均一性
- 不適切な熱処理: 焼入れまたは焼戻しによる残留応力
- 溶接歪み： 非対称溶接による残留応力の発生
- 機械加工時の応力: 製造中に生じる応力
シャフトの曲がりが振動を引き起こす仕組み
湾曲したシャフトは、次の 2 つのメカニズムを通じて振動を生み出します。
1. 幾何学的なアンバランス
湾曲したシャフトが回転すると、その湾曲した中心線が円錐形などの非円形の軌跡を描きます。ローターの質量分布が完全にバランスしていても、湾曲した形状によって偏心した回転質量が生じ、遠心力が生じ、等倍振動（シャフトの回転周波数における振動）が発生します。.
2. ベアリングへのモーメント荷重
曲率により曲げモーメントが発生し、それがベアリングに伝達されてベアリングの負荷と振動が変動します。.
シャフトの曲がり検出
シャフトの曲がりと実際の質量のアンバランスを区別することは、効果的なトラブルシューティングにとって重要です。
症状の比較：弓状変形と不均衡
| 特性 | アンバランス | シャフトボウ |
|---|---|---|
| 振動周波数 | 1倍の走行速度 | 1倍の走行速度 |
| 位相関係 | 常に一貫して同じ | ウォームアップ中に変更される可能性があります |
| スローロールバイブレーション | 存在（速度²に比例） | 非常に低速でも存在し、しばしば顕著である |
| バランス調整への対応 | 正しいバランス調整により振動が減少 | 改善はほとんどまたは全くなく、悪化する可能性がある |
| 熱感度 | 温度に対して比較的安定 | ウォームアップ/クールダウン中に大きく変化する |
| 振れ測定 | ローターが静止しているときは低い | 静止時でもランアウトが大きい（永久弓形） |
診断テスト
1. スローロール測定
シャフトを非常にゆっくりと（通常は動作速度の5～10%）回転させ、測定します。 なくなる 近接プローブまたはダイヤルインジケータを使用します。低速回転時に大きな振れが発生する場合は、シャフトの曲がりまたは機械的な振れを示しており、アンバランス（速度の2乗に比例した力を発生させる）ではありません。.
2. シャットダウン位相シフト
振動を監視する 位相角 機械が停止すると、真の不釣合いは速度に関わらず一定の位相を維持します。湾曲したシャフトは、特に冷却時に位相が変化することがあります。.
3. 熱弓試験
熱変形が疑われる場合は、起動時およびウォームアップ時の振動を監視してください。熱変形は通常、機械が温まるにつれて振動が増加し、その後、熱平衡に達すると安定または減少します。.
4. 機外振れチェック
ローターを取り外し、Vブロックまたは旋盤で支え、ダイヤルゲージでラジアル振れを測定しながらゆっくりと回転させます。大きな振れ（通常0.001インチまたは25µm超）が見られる場合は、永久的な曲がりが発生していると判断できます。.
5. 目視検査
大きなシャフトの場合、シャフトの長さに沿って目視したり、光学的な方法 (レーザー アライメント) を使用すると、明らかな曲がりを発見できます。.
修正方法
適切な修正方法は、弓の重症度と種類によって異なります。
永久メカニカルボウ用
1. シャフト矯正
軽度から中程度の弓状変形（通常は シャフトの厚みが0.005インチ（125µm）未満の場合は、油圧プレスを用いて冷間または熱間でシャフトを矯正することがあります。この矯正には特殊な設備と熟練した技術者が必要です。シャフトは支持され、慎重に荷重が加えられることで塑性変形を起こし、真っ直ぐな状態に戻ります。.
2. 熱応力緩和
シャフトの残留応力を緩和するために熱処理を施すことで、応力に起因する曲がりを軽減または解消できる可能性があります。これには適切な炉設備とプロセス制御が必要です。.
3. シャフトの交換
深刻な曲がりやクリティカルな用途では、シャフトの交換が最も信頼性の高い解決策となる場合が多くあります。新しいシャフトのコストは、ダウンタイムや矯正が失敗するリスクと比較検討する必要があります。.
4. 「船首周りのバランス」“
大型タービンなどでは、場合によっては、船首効果を打ち消すための補正ウェイトを計算し設置することができます。これは船首を固定するものではありませんが、振動を最小限に抑えます。このアプローチには限界があり、通常は一時的な解決策となります。.
サーマルボウ用
1. 運用手順の変更
- ゆっくりとしたウォームアップ手順を実施する
- 熱たわみを防ぐためにシャットダウン中にも回転ギアの連続運転を維持する
- 蒸気の流入やプロセス流体の温度をより慎重に制御する
- 対称的な加熱/冷却を確保する
2. 設計変更
- 断熱材を追加して温度勾配を減らす
- 均一なウォームアップのために加熱ジャケットを設置する
- 冷却システムを改善して温度分布を均一にする
3. 回転ギア操作
大型タービンの場合、ウォームアップ時およびクールダウン時にターニングギア（低速回転駆動装置）を作動させてシャフトを回転させ、熱変形の発生を防止します。.
予防戦略
シャフトの曲がりを予防するのは、それを修正するよりもはるかに簡単です。
設計と製造
- 残留応力を最小限に抑えるために適切な熱処理手順を使用する
- アプリケーションに適したシャフト剛性を設計する
- 温熱環境に適した材料を指定する
設置とメンテナンス
- ローターを持ち上げるときは必ず指定された持ち上げポイントを使用し、シャフトを持ち上げないでください。
- 予備ローターはたるみを防ぐために適切なサポートで保管してください
- 取り扱い中に機械的衝撃を避ける
- 定期的にシャフトの真直度をチェックする（毎年またはメーカーのスケジュールに従って）
手術
- メーカーのウォームアップおよびシャットダウン手順に従ってください
- 急激な温度変化を避ける
- 起動時に熱変形の兆候を監視する
- 振動位相における説明のつかない変化を調査する
バランス調整手順への影響
曲がったシャフトのバランスを取ろうとすることは、通常は無駄であり、逆効果になる可能性があります。
- 効果のない修正: 質量アンバランスを考慮して計算されたバランスウェイトは幾何学的な弓形を修正しない
- 問題を隠す: 湾曲したシャフトを部分的に「バランス調整」することで、振動は一時的に軽減されるかもしれないが、根本的な問題は解決されないままとなる。
- 無駄な時間: 複数回のバランス調整が成功しなかった場合は、弓形を確認する必要があることを示しています。
- 潜在的な損害: 曲がったシャフトに大きな補正ウェイトを追加すると、応力が増加し、さらなる損傷を引き起こす可能性があります。
ベストプラクティス: 特にローターに取り扱いの履歴、熱イベント、または原因不明の振動の問題がある場合は、バランス調整手順を開始する前に必ずシャフトの曲がりがないか確認してください。.
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