フィールドダイナミックバランシング

第1部：ダイナミックバランシングの理論的および規制的基礎

現場での動的バランス調整は、産業設備の耐用年数を延ばし、緊急事態を防止することを目的とした、振動試運転および状態基準保全における重要な作業の一つです。Balanset-1Aのようなポータブル機器を用いれば、これらの作業を稼働現場で直接実施できるため、分解に伴う停止時間とコストを最小限に抑えられます。ただし、バランス調整を成功させるには、機器を操作する能力だけでなく、振動の背後にある物理現象を深く理解し、作業品質を規定する法規・規格の枠組みを把握している必要があります。

この方法論の原理は、試験用ウェイトを設置し、アンバランスの影響係数を計算することに基づいています。簡単に言うと、この装置は回転するローターの振動（振幅と位相）を測定し、その後、ユーザーは特定の平面に小さな試験用ウェイトを順次追加することで、追加質量が振動に与える影響を「校正」します。振動の振幅と位相の変化に基づいて、装置はアンバランスを除去するために必要な補正ウェイトの質量と設置角度を自動的に計算します。

このアプローチは、いわゆる 3回実行法 2面バランス調整の場合：初期測定と、各面に1つずつ試錘を取り付けた2回の測定。1面バランス調整の場合、通常は試錘なしと1つの試錘を取り付けた2回の測定で十分です。最新の機器では、必要な計算はすべて自動的に実行されるため、プロセスが大幅に簡素化され、オペレーターの資格要件が軽減されます。

セクション1.1: 不均衡の物理学: 詳細分析

回転機器におけるあらゆる振動の根底には、アンバランス、すなわち不均衡があります。アンバランスとは、ローターの質量が回転軸に対して不均一に分布している状態です。この不均一な分布は遠心力の発生につながり、支持部や機械構造全体の振動を引き起こします。アンバランスを放置すると、ベアリングの早期摩耗や破損から、基礎や機械自体の損傷に至るまで、壊滅的な被害をもたらす可能性があります。アンバランスを効果的に診断し、除去するには、その種類を明確に区別する必要があります。

アンバランスの種類

静的不平衡（単面）: この種類の不釣合いでは、ローターの中心慣性主軸が回転軸に平行にずれ、重心が回転軸から半径方向に偏っています。水平なナイフエッジ（平行レール）に載せた静止状態のローターは、常に重い側が下を向きます。静的不釣合いは、L/Dが約0.5未満の薄い円盤状ローター、たとえば砥石や細幅のファンインペラで支配的です。重い箇所の正反対にある1つの補正面へ補正おもりを取り付ければ除去できます。この1面方式は中程度の速度（おおむね1000 rpm未満）で有効ですが、高速の細幅円盤では2面バランス調整が必要です。

連力（モーメント）不釣合い： このタイプは、ローターの慣性主軸が質量中心で回転軸と交差するが、平行ではない場合に発生します。偶不釣合いは、異なる平面に位置する、大きさは等しいが向きが反対の2つのアンバランス質量として表されます。静止状態では、このようなローターは平衡状態にあり、アンバランスは回転時にのみ「揺れ」または「ぐらつき」の形で現れます。これを補正するには、2つの異なる平面に少なくとも2つの補正ウェイトを設置し、補正モーメントを発生させる必要があります。

動的アンバランス: これは実際の状況で最も一般的なアンバランスのタイプであり、静的アンバランスと連力アンバランスの組み合わせを表します。この場合、ローターの主慣性中心軸は回転軸と一致しておらず、質量中心でも交差しません。動的アンバランスを除去するには、少なくとも2つの平面で質量補正が必要です。Balanset-1Aなどの2チャンネル機器は、この問題を解決するために特別に設計されています。

準静的不平衡： これは動的アンバランスの特殊なケースであり、慣性主軸が回転軸と交差しますが、ローターの質量中心では交差しません。これは、複雑なローターシステムの診断において、微妙ではあるものの重要な区別です。

剛性ローターとフレキシブルローター：重要な違い

バランス調整における基本的な概念の一つは、剛性ローターとフレキシブルローターの区別です。この区別こそが、バランス調整を成功させる可能性と方法論を決定づけるのです。

剛性ローター： ローターは、その動作回転周波数が第一臨界周波数よりも著しく低く、遠心力の作用下で大きな弾性変形（たわみ）を生じない場合、剛性ローターとみなされます。このようなローターのバランス調整は、通常、2つの補正面で実施するとうまくいきます。Balanset-1Aは、主に剛性ローター用に設計されています。

フレキシブルローター： ローターがフレキシブルであるとは、その臨界周波数に近い、あるいはそれを超える回転周波数で動作する場合に考えられます。この場合、弾性シャフトのたわみは質量中心の変位に匹敵し、それ自体が全体的な振動に大きく寄与します。

作業を開始する前に、ローターの動作速度と既知（または計算済み）の臨界周波数との相関関係を調べ、ローターを分類することが非常に重要です。共振を回避できない場合は、バランス調整中にユニットの取り付け条件を一時的に変更し、共振をシフトさせることをお勧めします。

セクション1.2: 規制の枠組み: ISO規格

バランシングの分野における標準は、統一された技術用語を確立し、品質要件を定義し、そして重要なことに、技術的な必要性と経済的な実現可能性の間の妥協の基盤として機能するなど、いくつかの重要な機能を果たします。

ISO 21940-11（旧 ISO 1940-1）: 剛体ローターのバランシング品質要求事項

この規格は許容残留不釣合いを決定するための基本文書です。機械の種類に応じてバランス品質等級（G）を選定し、その後、等級を許容比不釣合いに換算するときに回転速度を用います。e_per = (G × 9549) / n。

品質等級G： 各機器には、回転速度にかかわらず一定の品質等級が対応します。たとえば、ファン、ポンプ、汎用電動機にはG6.3、破砕機および農業機械にはG16、タービンおよびターボコンプレッサーにはG2.5が推奨されます。

許容残留アンバランス（U_per): この規格により、バランス調整時の目標指標となる許容比不釣合いを計算できます。計算は次の3段階で行います。

1. 許容される特定の不釣合いの決定（e_per) を次の式で表します。
   eper = (G × 9549) / n
   ここで、Gはバランス調整の品質等級（例：2.5）、nは動作回転数（rpm）です。e_per の単位はg·mm/kg または μm です。
2. 許容残留アンバランス（U_per）ローター全体について：
   Uper = eper × M
   ここで、Mはローター質量（kg）です。U_per の単位はg·mmです。
3. U_per を2つの補正面に配分します。対称ローターでは50/50に配分します（以下の例では各面19.9 g·mm）。軸受間に配置された非対称ローターでは、U_左 = U_per × (b/L)、U_右 = U_per × (a/L) とします。ここでaおよびbは重心から左・右の軸受までの距離、L = a + bです。片持ちローターでは、片持ち側の面により厳しい許容値を適用したモーメント基準の再計算が必要です。Balanset-1Aはこの配分を自動的に行い、［結果］タブでバランス許容値の横に各面の残留不釣合い（D1、D2）を表示します。

ISO 20806:2009: 中・大型ローターの現場バランシングの基準および安全対策

この規格は、フィールドバランス調整プロセスを直接規制します。

利点: 現場バランス調整の主な利点は、ローターが実際の運転条件、つまり支持台上で運転負荷がかかった状態でバランス調整されることです。これにより、支持システムの動的特性と、接続されたシャフトトレイン部品の影響が自動的に考慮されます。

欠点と制限:

• アクセス制限: 多くの場合、組み立てられた機械の補正面へのアクセスは困難であり、重量物の取り付けの可能性が制限されます。
• 試運転の必要性: バランス調整プロセスでは、機械の「開始と停止」サイクルを数回実行する必要があります。
• 重度の不均衡による困難： 初期のアンバランスが非常に大きい場合、平面の選択と補正重量の制限により、必要なバランス品質を達成できない可能性があります。

パートII：Balanset-1A機器によるバランス調整の実用ガイド

バランス調整の成否は、準備作業の徹底度に大きく左右されます。失敗の大半は計器の故障ではなく、測定再現性に影響する要因を見落とすことに起因します。準備の基本原則は、計器が不釣合いの影響だけを測定できるよう、他の振動源をすべて排除することです。

セクション2.1: 成功の基盤: 事前バランス診断と機械準備

ステップ1：一次振動診断（本当にアンバランスなのか？）

バランス調整を行う前に、振動計モードで予備的な振動測定を行うことをお勧めします。Balanset-1Aソフトウェアには「振動計」モード（F5ボタン）があり、ウェイトを取り付ける前に、全体の振動と、回転周波数（1倍）における部品の個別振動を測定できます。

典型的な不均衡の兆候： 振動スペクトルは、ローターの回転周波数（1回転あたりの周波数）におけるピークが支配的となるはずです。この成分の振幅は水平方向と垂直方向で同程度であり、他の高調波の振幅は大幅に小さくなるはずです。

その他の欠陥の兆候: スペクトルに他の周波数 (例: 2 倍、3 倍 RPM) または複数ではない周波数で大きなピークが含まれている場合、バランス調整の前に排除する必要がある他の問題があることを示しています。

ステップ2：包括的な機械検査（チェックリスト）

• ローター： ローター表面に付着した汚れ、さび、堆積物（固着した製品）を完全に除去してください。大きな半径位置では、わずかな汚れでも大きな不釣合いを生じます。破損または欠落した部品がないことも確認してください。
• ベアリング: ベアリングアセンブリに過度の遊び、異音、過熱がないか確認してください。ベアリングが摩耗していると、安定した測定値が得られません。
• 基礎とフレーム： ユニットが剛性の高い基礎に設置されていることを確認してください。アンカーボルトの締付けトルクとフレームに亀裂がないことを確認します。
• ドライブ： ベルト駆動の場合は、ベルトの張力と状態を確認してください。カップリング接続の場合は、シャフトの位置合わせを確認してください。
• 安全性： すべての保護ガードが存在し、使用可能であることを確認します。

セクション2.2: 機器のセットアップと構成

ハードウェアのインストール

振動センサー（加速度計）：

• センサーケーブルを対応する計器コネクタに接続します（Balanset-1AではX1およびX2、新しい改訂版ではCh-1およびCh-2）。
• センサーはできるだけローターに近いベアリングハウジングに設置してください。
• 重要な実践: 最大の信号を得るには、センサーは振動が最大となる方向に設置する必要があります。強力な磁気ベースまたはネジ式マウントを使用して、確実な接触を確保してください。

位相センサー（レーザータコメーター）：

• センサーを専用入力に接続します（Balanset-1AではX3、新しい改訂版ではTachoと表記）。
• ローターのシャフトまたはその他の回転部分に小さな反射テープを取り付けます。
• タコメータは、回転全体にわたってレーザー光線が安定してマークに当たるように設置します。

ソフトウェア構成（Balanset-1A）

• ソフトウェアを起動し、USBインターフェースモジュールを接続します（管理者権限は不要です）。
• バランス調整モジュール（F7 - Balancing）を開き、バランス調整するユニットの新規記録を作成します。
• 細幅ローターには1面（静的、F2 - Single-planeタブ）、その他の大半の用途には2面（動的、F3 - Two-planeタブ）を選択します。
• 修正面を定義します。修正ウェイトを安全に設置できるローター上の場所を選択します。

セクション2.3: バランス調整手順: ステップバイステップガイド

実行0: 初期測定

• 機械を始動し、安定した運転速度まで上げます。その後の運転では、回転速度が常に一定であることが非常に重要です。
• プログラムで測定を開始します。計測器は初期の振動振幅と位相の値を記録します。

実行1: 平面1の試験重量

• 機械を停止します。
• 試験重量の選択: 試験おもりの質量は、振動パラメータに明確な変化（振幅が少なくとも20～30%変化、または位相が少なくとも20～30度変化）を生じさせる必要があります。初期質量を推測する必要はありません。Run 0の後、ソフトウェアのFirst Trial Weight Estimatorが試験おもりの質量とタコメーター基準マークからの取付角度を推奨し、取り付けたおもりが小さすぎる場合は警告します。
• 試し重りの取り付け： 計量した試験用重りを平面 1 の既知の半径にしっかりと取り付けます。角度位置を記録します。
• 同じ安定した速度で機械を始動します。
• 2回目の測定を実行します。
• マシンを停止し 試験おもりを取り外します。取り外しが実用的でない場合は取り付けたままでも構いませんが、計算に反映されるようソフトウェアで「Leave on rotor」のチェックボックスを選択してください。

実行2: 平面2の試験重量（2平面バランス調整用）

• 手順 2 とまったく同じ手順を繰り返しますが、試用重量を平面 2 に取り付けます。
• 開始、測定、停止、そして 試験おもりを取り外します （または、Run 1と同様に「Leave on rotor」のチェックボックスを選択したままにします）。

補正重量の計算と設置

• プログラムは、試運転中に記録されたベクトルの変化に基づいて、各平面の補正ウェイトの質量と取り付け角度を自動的に計算します。
• 取り付け角度は通常、試験用重りの位置からローターの回転方向に測定されます。
• 恒久的な補正用ウェイトをしっかりと取り付けてください。溶接を行う場合は、溶接部自体にも質量があることに留意してください。

Run T（トリム）：検証測定と微調整バランス調整

• マシンを再度起動します。
• 残留振動のレベルを評価するために制御測定を実行します。
• 得られた値を ISO 1940-1 に従って計算された許容値と比較します。
• それでも振動が許容範囲を超える場合、機器は小さな「微調整」（トリム）補正を計算します。
• 完了したら、将来使用するためにレポートと影響係数を保存します。

パートIII: 高度な問題解決とトラブルシューティング

このセクションでは、フィールドバランスの最も複雑な側面、つまり標準的な手順では結果が得られない状況について説明します。

セクション3.1: 測定の不安定性の診断と克服

症状： 同一条件下で繰り返し測定を行うと、振幅または位相の測定値が大きく変動します（「変動」、「飛び」）。これにより補正計算が不可能になります。

根本的な原因： 機器に故障はありません。システムの振動応答が不安定で予測不可能であることを正確に報告しています。

体系的な診断アルゴリズム:

• 機械的な緩み: これが最も一般的な原因です。ベアリングハウジングの取り付けボルト、フレームのアンカーボルトの締め付けを確認してください。また、基礎やフレームにひび割れがないか確認してください。
• ベアリングの欠陥: 転がり軸受の内部クリアランスが過剰であったり、軸受シェルが摩耗していると、シャフトがサポート内で無秩序に動きます。
• プロセス関連の不安定性:
  • 空力（ファン）: 乱気流、ブレードからの流れの分離により、ランダムな力の影響が発生する可能性があります。
  • 油圧（ポンプ）： キャビテーションは強力でランダムな油圧ショックを発生させ、不均衡による周期的な信号をマスクします。
  • 内部質量移動（破砕機、粉砕機）： 材料がローター内部で再分布し、「可動アンバランス」として作用する可能性があります。
• 共振： 動作速度が構造物の固有振動数に非常に近い場合、わずかな速度の変化でも振動の振幅と位相に大きな変化が生じます。
• 熱の影響: 機械が温まると、熱膨張によりシャフトが曲がったり、位置が変わったりすることがあります。

セクション3.2: バランス調整が役に立たない場合: 根本的な欠陥の特定

症状： バランス調整手順が実行され、読み取り値は安定していますが、最終的な振動は高いままです。

振動スペクトルによる鑑別診断（BalansetソフトウェアではF8 - Charts、「F5-Spectrum (Hz)」タブ）:

• シャフトのミスアライメント： 主な兆候：回転数の2倍の周波数で高い振動ピークが見られます。高い軸方向振動が特徴的です。
• 転がり軸受の欠陥: BPFO、BPFI、BSF、FTFなどの特徴的な「軸受」周波数に高周波振動として現れます。詳細な転がり軸受診断はBalanset-1Aの対象外です。本機は5～1000 Hz帯域の振動速度を測定しますが、センサー応答はおおむね550 Hzを超えると低下し、エンベロープ（復調）解析もありません。この用途には専用の軸受アナライザーを使用してください。
• シャフトボウ： 1×RPMに高いピークとして現れ、しばしば2×RPMにも目立つ成分を伴います。ローターをマンドレル上でバランス調整する場合、ソフトウェアには組込みの振れ補償機能があります。マンドレル上でローターを180度回して行うF7 - Run Ecc測定と「Subtract mandrel runout from measurements」オプションを使用すれば、偏心を不釣合いと誤認しません。
• 電気的な問題（電動モーター）: 磁場の非対称性により、供給周波数の 2 倍 (50 Hz ネットワークの場合は 100 Hz) で振動が発生する可能性があります。

よくあるバランス調整の間違いとその防止策

• 故障したローターや汚れたローターのバランス調整: バランス調整を行う前に必ず機構の状態を確認してください。
• 試用重量が小さすぎます: 20-30%の振動変化ルールを狙う。
• 実行間で運転速度が一定でない： すべての測定中は常に安定した同一の回転速度を維持します。
• 位相およびマークのエラー: 角度の決定を注意深く監視してください。補正ウェイト角度は通常、試験ウェイトの位置から回転方向に測定されます。
• 不適切な取り付けまたは重量の紛失: 手順を厳守してください。実行後は試験おもりを取り外し、ローターに残す場合は、計算に反映されるよう「Leave on rotor」のチェックボックスが選択されていることを確認します。

バランス品質基準

注：等級番号はe_per・ω（mm/s）の積です。許容比不釣合い自体は回転速度に依存します。e_per = (G × 9549) / n [μm]。例：1500 rpmでG6.3の場合、e_per = 40.1 μm、3000 rpmでは20.1 μmです。

パートIV：よくある質問とアプリケーションノート

セクション4.1: 一般的なよくある質問（FAQ）

1 平面バランスと 2 平面バランスはいつ使用すればよいですか?
長さと直径の比（L/D）が約0.5未満で、回転速度が比較的低い（おおむね1000 rpm未満）砥石や細幅のファンインペラのような円盤状ローターには、1面（静的）バランス調整を用います。細長いローター、L/Dが約0.5を超えるローター、および高速で回転する細幅の円盤には、2面（動的）バランス調整を用います。2面バランス調整では、静的不釣合いと偶力（モーメント）不釣合いの両方を補正できます。

試験重量により危険な振動増加が発生した場合はどうすれば良いですか?
直ちに機械を停止してください。これは、試験用重りが既存の重心の近くに設置され、アンバランスを悪化させていることを示しています。解決策は、試験用重りを元の位置から180度移動させて測定をやり直すことです。これにより、試験用重りが既存のアンバランスを悪化させるのではなく、反対の効果を生み出すようになります。

保存した影響係数を別のマシンで使用できますか?
はい、ただし機械が完全に同一である場合に限ります。つまり、同じモデル、同じローター、同じ基礎、同じベアリングです。構造剛性が変化すると影響係数が変化し、無効になります。正確な補正計算を確実に行うために、新しい機械を使用するたびに必ず試運転を行うことをお勧めします。

静的アンバランスと動的アンバランスの違いは何ですか?
静的不釣合いでは、ローターの中心慣性主軸が回転軸に平行にずれ、重心が回転軸から半径方向に偏っています。ナイフエッジ支持に載せれば回転させなくても検出できます。動的不釣合いは静的不釣合いと偶力不釣合いの組合せであり、慣性主軸が回転軸と一致せず、回転時にのみ現れるため、2面補正が必要です。

バランスの読み取り値が不安定（浮いている）のはなぜですか?
不安定な測定値は、システムの振動応答が予測不可能であることを示しています。一般的な原因としては、機械的な緩み（ボルトの緩み、亀裂）、摩耗したベアリングによる過度の遊び、プロセスの不安定性（ポンプのキャビテーション、ファンの乱流）、共振（固有振動数に近い運転速度）、ウォームアップ時の熱の影響、または隣接する機器からの振動などが挙げられます。バランス調整を行う前に、これらの問題に対処してください。

2 平面バランス調整における 3 実行法とは何ですか?
3 回実行法には、次のものが含まれます。実行 0 - ベースライン振動を確立するための試用ウェイトなしの初期測定。実行 1 - 影響を判断するために平面 1 に試用ウェイトを設置した測定。実行 2 - 平面 2 に試用ウェイトを移動した測定。これらの 3 つのデータ ポイントに基づいて、機器は影響係数法を使用して、両方の平面に必要な正確な補正ウェイトを計算します。

ISO 1940-1 に従って許容残留アンバランスを計算するにはどうすればよいでしょうか?
まず許容残留比不釣合いを計算します：e_per = (G × 9549) / n。ここでGは品質等級（例：タービンは2.5、ファンは6.3）、nは回転数（rpm）です。次に、許容残留不釣合いを計算します：U_per = e_per × M。ここでMはローター質量（kg）です。例として、3000 rpmでG2.5の5 kgローターでは、e_per = (2.5 × 9549)/3000 = 7.96 μm、U_per = 7.96 × 5 = 39.8 g·mm。

正確なバランス調整に必要な最小の試験重量効果はどれくらいですか?
試験用重りは、振動振幅に少なくとも20～30%の変化、または位相角に少なくとも20～30°の変化を与える必要があります。効果が小さすぎると、有効な信号が測定ノイズに埋もれてしまい、補正計算の精度が低下します。変化が見られない場合は、十分な効果が得られるまで試験用重りの質量を（安全な範囲内で）増やしてください。

キー溝はどのように扱えばよいですか？（ISO 8821、現行規格：ISO 21940-32:2012）
相手部品を取り付けずにバランス調整する場合は、ISO 8821に代わるISO 21940-32:2012で規定されているとおり、軸のキー溝に「半キー」を用いるのが標準的な方法です。これにより、軸側の溝を満たすキー部分の質量を補償します。

セクション4.2: 特定の装備タイプのバランス調整ガイド

産業用ファンおよび誘引通風（ID）ファン：

• 問題： ブレードへの製品の蓄積や摩耗により、アンバランスが発生しやすくなります。
• 手続き 作業を始める前に、必ずインペラを徹底的に清掃してください。不安定さを引き起こす可能性のある空気力に注意してください。

ポンプ：

• 問題： 主な敵はキャビテーションです。
• 手続き バランス調整を行う前に、入口（NPSHa）に十分なキャビテーションマージンがあることを確認してください。吸入配管が詰まっていないことを確認してください。

破砕機、粉砕機、粉砕機：

• 問題： 極度の摩耗、ハンマーの破損や摩耗により大きなアンバランス変化が発生する可能性があります。
• 手続き 動作要素の完全性と接続状態を確認してください。機械フレームの追加の固定が必要になる場合があります。

電動モーターアーマチュア：

• 問題： 機械的振動源と電気的振動源の両方が存在する場合があります。
• 手続き 振動スペクトル（F8 - Charts）を使用し、電源周波数の2倍の振動がないか確認します。これがある場合は不釣合いではなく電気的な不具合を示します。

結論

Balanset-1Aのようなポータブル機器を用いたローターの動的バランス調整は、産業機器の運用における信頼性と効率性を向上させる強力なツールです。しかし、この手順の成功は、機器自体よりも、専門家の資格と体系的なアプローチを適用する能力に大きく依存します。

主な原則:

• 準備が結果を左右する： 徹底したローター洗浄、ベアリングと基礎の状態の確認、予備的な振動診断は、バランス調整を成功させるための必須条件です。
• 標準への準拠は品質の基盤です。 ISO 1940-1 を適用することで、主観的な評価が客観的で測定可能かつ法的に重要な結果に変換されます。
• この機器はバランサーであるだけでなく、診断ツールとしても機能します。 バランスを取れないことや読み取ることが不安定であることは、より深刻な問題を示す重要な診断兆候です。
• プロセスの物理を理解することが、非標準のタスクを解決する鍵となります。 剛性ローターとフレキシブルローターの違いを知り、共振の影響を理解することで、専門家は正しい判断を下すことができます。

このガイドで概説されている推奨事項に従うことで、技術専門家は一般的なタスクにうまく対処できるだけでなく、回転機器の振動に関する複雑で重要な問題を効果的に診断して解決できるようになります。