振動解析は、機械の技術的状態を診断するための重要な技術です。機械の故障の種類によって、振動周波数スペクトルに特徴的なパターンが現れます。機械振動の周波数スペクトル（通常はFFT解析）を調べることで、特定の故障の種類を特定できます。以下に、一般的な故障カテゴリ（アンバランス、ミスアライメント、緩み、ベアリング故障、ギア故障）を表に示します。各表には、故障のサブタイプの概要、典型的な振動スペクトル、観測されたスペクトル成分、主要な識別特性、そしてスペクトルグラフ（SVGとして埋め込まれています）が示されています。すべての周波数の参照には、動作速度の倍数を使用します（例：「1×」は1回転に1回の周波数）。
不均衡
| 欠陥の種類 | スペクトルの説明 | スペクトル成分の簡単な説明 | 主な特徴 | SVGグラフ |
|---|---|---|---|---|
| 静的不均衡 （1面） | スペクトルは、基本動作速度（1× RPM）で単一のピークが支配的です。振動は正弦波で、他の周波数ではエネルギーが最小限に抑えられます。 | 主に1倍の回転周波数成分が強く、高調波はほとんどまたは全くありません（純粋な1倍音）。 | 全ての半径方向で1倍の大きな振幅：両ベアリングの振動は同位相（両端間に位相差なし）です。同一ベアリングにおける水平方向と垂直方向の測定では、約90°の位相ずれがしばしば見られます。 | |
| ダイナミックアンバランス （2面/カップル） | スペクトルには、静的アンバランスと同様に、1回転あたり1回（1×）の周波数ピークが顕著に現れます。振動は回転速度で発生し、アンバランスのみが問題である場合、高周波成分は顕著に現れません。 | 支配的な1× RPM成分（多くの場合、ローターの「揺れ」またはぐらつきを伴う）: 他の障害が存在しない限り、高調波は通常発生しません。 | 各ベアリングの1倍の振動は 位相がずれている – ローターの両端の振動には約180°の位相差があります（偶不均衡を示しています）。この位相関係における強い1×ピークは、動的不均衡の兆候です。 |
ずれ
| 欠陥の種類 | スペクトルの説明 | スペクトル成分の簡単な説明 | 主な特徴 | SVGグラフ |
|---|---|---|---|---|
| 平行ずれ （オフセットシャフト） | 振動スペクトルは、特に半径方向において、基本波（1倍）とその2倍および3倍の高調波（走行速度）でエネルギーが上昇する傾向を示します。通常、ミスアライメントが存在する場合、1倍成分が支配的となり、顕著な2倍成分が伴います。 | シャフト回転周波数の1倍、2倍、3倍の周波数で顕著なピークが見られます。これらは主にラジアル振動（シャフトに垂直な方向）の測定で顕著に現れます。 | ラジアル方向の1倍振動および2倍振動が大きい場合は、その兆候です。カップリングの反対側におけるラジアル振動の測定値に180°の位相差が見られることが多く、純粋なアンバランスとは区別されます。 | |
| 角度ずれ （傾斜シャフト） | 周波数スペクトルには、シャフト速度の強い高調波が見られます。特に、1× に加えて 2× の動作速度成分が顕著です。1×、2× (多くの場合 3×) の振動が現れ、軸方向 (シャフトに沿った方向) の振動が顕著です。 | 運転速度の1倍と2倍（場合によっては3倍）で顕著なピークが見られます。2倍の成分は、多くの場合、1倍の成分と同等かそれ以上の大きさになります。これらの周波数は、機械の軸方向の振動スペクトルにおいて顕著に現れます。 | 1倍高調波に比べて2倍高調波振幅が比較的高く、軸方向の振動も強い。カップリングの両側の軸方向測定値は180°位相がずれており、これは角度ずれの典型的な特徴である。 |
緩み
| 欠陥の種類 | スペクトルの説明 | スペクトル成分の簡単な説明 | 主な特徴 | SVGグラフ |
|---|---|---|---|---|
| 機械的な緩み （部品の緩み） | スペクトルには走行速度の高調波が豊富に含まれており、1倍の広い範囲（1倍から10倍程度の高次数まで）の整数倍が大きな振幅で現れます。進行すると、低調波（例えば0.5倍）の周波数も現れることがあります。 | 複数の走行速度高調波（1倍、2倍、3倍…最大約10倍）が支配的です。繰り返しの衝撃により、1/2倍、3/2倍などの分数次（半次）周波数成分が現れる場合もあります。 | スペクトルには、回転周波数の整数倍のピークが多数等間隔に並ぶ、特徴的な「倍音列」が見られます。これは、部品の緩みや不適切な取り付けによって繰り返し衝撃が発生していることを示しています。多くの倍音（場合によっては半次倍音）が存在することが、重要な特徴です。 | |
| 構造上の緩み （ベース/取り付けの緩み） | 振動スペクトルは、多くの場合、回転速度の1倍または2倍の速度で支配されます。一般的に、1倍の回転速度（RPM）でピークが現れる場合と、2倍の回転速度（RPM）でピークが現れる場合があります。2倍を超える高調波は、通常、これらの基本波に比べて振幅がはるかに小さくなります。 | 主に軸速度の1倍および2倍の周波数成分を示します。その他の高調波（3倍、4倍など）は通常存在しないか、またはわずかです。緩みの性質（例えば、1回転あたり1回の衝撃、または2回の衝撃）によっては、1倍または2倍の成分が支配的になる場合があります。 | スペクトルの他の部分と比較して、1倍または2倍のピーク（あるいはその両方）が著しく高い場合、支持部または構造の緩みを示します。機械の取り付けが緩い場合、振動は垂直方向で強くなることがよくあります。高調波がほとんどなく、1つまたは2つの低次のピークが支配的である場合は、構造または基礎の緩みの特徴です。 |
ベアリングの欠陥
| 欠陥の種類 | スペクトルの説明 | スペクトル成分の簡単な説明 | 主な特徴 | SVGグラフ |
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| 外輪欠陥 | 振動スペクトルは、外輪の欠陥周波数とその高調波に対応する一連のピークを示します。これらのピークは通常、高周波数（シャフト回転数の整数倍ではない）で発生し、転動体が外輪の欠陥を通過するたびに発生します。 | 外輪ボールパス周波数（BPFO）には複数の高調波が存在します。顕著な外輪故障の場合、通常、スペクトルには8～10のBPFO高調波が観測されます。これらのピーク間の間隔は、BPFO（ベアリングの形状と速度によって決まる固有周波数）に等しくなります。 | BPFOとその連続高調波における明確なピーク列が特徴的です。均等間隔で並ぶ多数の高周波ピーク（BPFO、2×BPFO、3×BPFO、…）の存在は、明らかに外輪ベアリングの欠陥を示しています。 | |
| 内輪の欠陥 | 内輪故障のスペクトルは、内輪故障周波数とその高調波において複数の顕著なピークを示します。さらに、これらの故障周波数ピークのそれぞれは、通常、回転速度（1倍）周波数間隔でサイドバンドピークを伴います。 | 内輪ボールパス周波数（BPFI）の複数の高調波を含み、多くの場合8～10倍程度です。これらのBPFIピークは、±1×RPMのサイドバンドによって変調されるという特徴があります。つまり、各BPFI高調波の横に、メインピークからシャフト回転周波数に等しい距離を置いて、小さなサイドピークが現れるということです。 | 決定的な兆候は、サイドバンドパターンを伴う内輪欠陥周波数（BPFI）の高調波の存在です。BPFI高調波の周囲にシャフト速度間隔で現れるサイドバンドは、内輪欠陥が1回転ごとに1回負荷されていることを示しており、外輪ではなく内輪に問題があることが分かります。 | |
| 転動体の欠陥 （ボール/ローラー） | 転動体（ボールまたはローラー）の欠陥は、転動体の回転周波数とその高調波で振動を引き起こします。スペクトルには、軸速度の整数倍ではなく、ボール／ローラー回転周波数（BSF）の倍数となる一連のピークが示されます。これらの高調波ピークの1つは、他のピークよりも著しく大きくなることが多く、損傷した転動体の数を反映しています。 | 転動体の基本欠陥周波数（BSF）とその高調波におけるピーク。例えば、BSF、2×BSF、3×BSFなどが現れます。これらのピークの振幅パターンは、損傷した転動体の数を示す可能性があります。例えば、第2高調波が最大の場合、2つのボール／ローラーに剥離が発生している可能性があります。転動体の損傷はレースの損傷にもつながることが多いため、レース欠陥周波数における振動も伴うことがよくあります。 | シャフトの回転周波数ではなく、BSF（ベアリング要素の回転周波数）間隔でピークが連続して現れる場合、転動体の欠陥を識別します。BSFのN次高調波の振幅が特に高い場合、多くの場合、N個の要素が損傷していることを意味します（例えば、BSFの2倍のピークが非常に高い場合、2つのボールに欠陥がある可能性があります）。 | |
| ケージ欠陥 （ベアリングケージ/FTF） | 転がり軸受のケージ（セパレータ）に欠陥があると、ケージの回転周波数（基本トレイン周波数（FTF））とその高調波で振動が発生します。これらの周波数は通常、軸速度よりも低速です。スペクトルはFTF、2×FTF、3×FTFなどでピークを示し、変調により他の軸受周波数と相互作用することがよくあります。 | ケージの回転周波数（FTF）とその整数倍に対応する低周波ピーク。例えば、FTFがシャフト速度の約0.4倍の場合、約0.4倍、約0.8倍、約1.2倍などのピークが見られることがあります。多くの場合、ケージ欠陥はレース欠陥と共存するため、FTFがレース欠陥信号を変調し、和/差周波数（レース周波数の周囲に側波帯）を生成することがあります。 | ベアリングケージ回転速度（FTF）と一致する1つ以上の低調波ピーク（1倍未満）は、ケージに問題があることを示しています。これは、他のベアリングの故障兆候と併せて現れることがよくあります。重要な特徴は、スペクトルにFTFとその高調波が存在することです。ケージが故障しない限り、これはまれです。 |
ギアの故障
| 欠陥の種類 | スペクトルの説明 | スペクトル成分の簡単な説明 | 主な特徴 | SVGグラフ |
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| ギア偏心/シャフトの曲がり | この欠陥は、ギア噛み合い振動の変調を引き起こします。スペクトルでは、ギア噛み合い周波数（GMF）のピークが、ギアシャフトの回転周波数（ギア回転数の1倍）間隔で並ぶサイドバンドピークに囲まれています。多くの場合、偏心によるアンバランスのような影響により、ギア自体の1倍回転速度の振動も増大します。 | ギアの噛み合い周波数とその低次高調波（例：GMFの1倍、2倍、3倍）における振幅の顕著な増加。GMF（場合によってはGMFの高調波）の周囲に、影響を受けるギアの回転速度の1倍の間隔で、明瞭なサイドバンドが現れる。これらのサイドバンドの存在は、ギアの回転によって噛み合い周波数が振幅変調されていることを示す。 | ギアの噛み合い周波数において、ギア周波数の1倍に顕著なサイドバンドが見られることが、ギアの特性です。このサイドバンドパターン（GMFの周囲に回転速度に応じて等間隔にピークが現れる）は、ギアの偏心またはギアシャフトの曲がりを強く示唆しています。さらに、ギアの基本振動（1倍）が通常よりも高い場合もあります。 | |
| ギアの歯の摩耗または損傷 | ギア歯の欠陥（摩耗や破損など）は、ギアかみ合い周波数とその高調波における振動の増加を引き起こします。スペクトルには、しばしば複数の高振幅のGMFピーク（1×GMF、2×GMFなど）が見られます。さらに、これらのGMFピークの周囲には、シャフトの回転周波数間隔で多数のサイドバンド周波数が出現します。場合によっては、サイドバンドによるギアの固有振動数（共振）の励起も観察されます。 | ギアのかみ合い周波数（歯のかみ合い周波数）とその高調波（例えば、GMFの2倍）において、ピークが上昇します。GMFの各主要高調波の周囲には、1倍の回転速度で区切られたサイドバンドピークが存在します。GMFの1倍、2倍、3倍の成分の周囲にあるサイドバンドの数と大きさは、歯の損傷の程度が増すにつれて増加する傾向があります。重篤な場合には、ギアの共振周波数に対応する追加のピーク（独自のサイドバンドを含む）が現れることがあります。 | 密なサイドバンドパターンを伴う、高振幅のギアかみ合い周波数高調波が複数出現するのが、このギアの特徴です。これは、摩耗や歯の破損による歯の通過が不規則であることを示しています。ひどく摩耗または損傷したギアは、かみ合い周波数のピーク付近に広範なサイドバンド（ギア速度の1倍間隔）を示し、健全なギア（GMFに集中したよりクリーンなスペクトルを示す）と区別することができます。 |
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