「インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト」

第1回ライフラインコアモニタリング
プロジェクト成果報告会～回転機器の振動特性とモニタリングシステムの開発～
高砂熱学工業株式会社
2015年4月23日

コアモニタリング研究体

1回転機器の振動特性（構造による分類）

ポンプ
機械設備の回転機器

横型

遠心立型
送風機

圧縮機
■設備全体における劣化発生頻度の高い機器
1位：回転機器37%、2位：配管17%、3位：制御機器9%
コアモニタリング研究体

2回転機器の振動特性■回転機器の日常診断と診断基準（ポンプの事例）

部位・部品

診断項目

診断基準

能力

圧力計・真空計の指示値

・指示値により、規定全揚程付近にあることを確認
・指示値により、銘板電流値以下であることを確認

電流値
ポンプ本体

グランド部水漏れ・１分間30滴～150ccを超える
・1分間1滴を超える
・溶液温度+30℃以下

グランド部加熱
軸受け・軸継手

振動異音
過熱・全振幅で2Pモートル使用は30μm・
4Pモートル使用は40μm
・異音の確認・温度上昇40℃以内外形全体・配管・バルブ

変形・損傷・さび・水漏れ

目視によるケーブル・電動機

絶縁抵抗、損傷

1MΩ以上
目視による
コアモニタリング研究体

3回転機器の振動特性■回転機器の診断周期と判定基準（ポンプの事例）
区分

本体診断／
部品交換周期

劣化判定基準

本 陸上ポンプ
体

5年（分解点検）15年（寿命）

水中ポンプ

5年（分解点検）10年（寿命）・変形・損傷・さに・・・清掃、塗装、目視・回転不能・・・目視
・圧力・吐出量・過負荷・・・初期データ
・振動・・・50μm以上
・音響・・・聴音某
・軸受温度・・・温度上昇値40℃を超える

消 角パッキン耗部 メカニカルシール品

1年・水漏れ・・・1分間30滴～150ccを超える場合

1年・水漏れ・・・1分間1滴以上

摺 スリーブ動部 ライナーリング
部
品 ボールベアリング

3年

・角パッキンを取り換えても適量以上の漏れがある場合
・寸法の目安・・・直径差で2mm以上摩耗の場合

3年・圧力・吐出量・過負荷・・・初期に比べ10%・寸法の目安・・・隙間直径差で1mm以上摩耗

3年・振動・・・50μm
・音響・・・聴覚による・温度上昇・・・40℃以内

5年

・損傷・摩耗している場合

5年

・圧力・吐出量・過負荷・・・初期に比べ10%異常の劣化
・損傷・腐食・摩耗している場合

5年・軸または羽根車交換時
・損傷・摩耗している時5年・腐食している場合・軸振れが30μm以上

フランジ型たわみ軸継手
主 羽根車
要部 羽根車キー品
軸

コアモニタリング研究体

4回転機器の振動特性■振動の発生原因に固有の周波数（監視周波数）
軸受の傷による振動の周波数特性

機械振動の周波数特性
固有周波数

ガタ

1/2fr,fr,Nfr

アンバランスfr

軸曲がり2fr

1)1kHz 以上の高周波数成分の振動加速度が増加する
0振動加速度 [dB]

振動原因

-10-20-30-400

正常なベアリング

2)傷の接触に固有の周波数ｄ：球の直径(mm)
D：ピッチ円の直径(mm)α：接触角(deg)d1fi = fr 1+ cos α 2  D
1  dfo = fr 1− cos α 2  D２

1 D   d ２
fb = fr 1−   cos α 2 d  D


2000

図4000
6000
周波数[Hz]

8000

10000

外輪に圧痕のあるベアリング

軸受の傷による振動加速度の周波数特性
fi:内輪の傷が球と接触する周波数fb:球の傷が内輪または外輪と接触する周波数
fo:外輪の傷が球と接触する周波数



コアモニタリング研究体

5回転機器の振動特性■軸受の破壊モデルと兆候 ⇒非定常現象なため、従来は連続データで監視
軸受の磨耗劣化による回転接触表面のはく離が拡大して傷になり破壊（停止）

クラック発生表面はく離傷の発生吉岡モデル

初期フェーズ

クラック進展IOANNIED,HARRIS モデル

初期フェーズ
異音

微視的

弾性衝撃波（AE）

巨視的

本研究の領域

振動

はく離拡大

初期段階

交換の目安

振動加速度

初期の３倍

ＡＥ

外輪球

はく離内輪

回転トルク

異音

兆候の伝播

コアモニタリング研究体

6

モニタリングシステムの開発■モニタリングシステムの課題◆圧電振動発電センサデバイスを用いた監視技術の開発→課題：不定期な鹿威し方式振動データのフィルタリングと異常検知ロジック◆汎用モニタリングシステムの開発→課題：簡便な初期設定で、データ収集から異常検知，余裕時間予測までをシームレスに処理【対象機器】

Ｍ型端末

運転状態

010

カウンタ

渦巻きポンプ

停止状態

05

回転数

データ送信のパルス

摩耗劣化の進行によって増幅する異常振動を鹿威しの間隔とその間の発生頻度で検出

Ｍ型端末
0時刻

【鹿威し方式振動データ】(パルス、カウントの不定期データ)

立型ポンプ【フィルタリング】【摩耗劣化など日常時の監視】
日常管理における劣化判断

振動加速度の時間波形

変位 →アラームメンテナンス
注意

時間 →

コアモニタリング研究体

7

モニタリングシステムの開発■モニタリングシステムの課題◆顧客のBCP(Business Continuity Plan-事業継続計画)対応に合致→課題：熱エネルギーの安定供給が求められる病院施設、地域冷暖房施設を対象とした実証実験◆都市インフラの安全な維持管理→課題：熱エネルギー供給の最重要機器（ポンプ）に加え、送風機・圧縮機などの回転機器、配管、ダクトを対象に安価な監視システムを提供【平成27年度以降に実証実験追加予定の施設】【平成26年度実証実験施設】
病院施設の冷温水ポンプ8台を実測

熱供給会社が運営する複数の地域冷暖房施設
ポンプ類300台規模

コアモニタリング研究体

動力数百kW規模の大型ポンプ類

8モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果
モニタリングシステムの開発
従来の連続監視データと、今回の不定期監視データの振動計測精度の感度解析に供する
鹿威しセンサエミュレータを構築⇒鹿威しセンサデバイスの開発とモニタリングシステムの開発を同時進行可能とした【鹿威しセンサエミュレータ】

システムの構築と実証
病院施設において、連続振動データと鹿威しセンサエミュレータを用いた、不定期データ収集の実証⇒高効率、省設置スペースの立型ポンプの振動実態を獲得

振動加速度ピックアップ
高砂熱学製
振動監視装置中継器

３軸振動加速度ピックアップ
サーボ型加速度センサ

鹿威しエミュレータ

【オンサイトでのデータ収集装置】

コアモニタリング研究体【収集データの一例】

9

モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果（詳細）鹿威しエミュレータの開発⇒機器の運転停止判断、軸回転数、振動加速度の補正に有効なフィルタ仕様の特定測定ボックスの機能
・AIO変換機（16ch差動入力）
・加速度センサ電源供給
・加速度センサ、温度センサの出力変換・アナログフィルタ

コアモニタリング研究体

10モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果（詳細）立型ポンプ実証実験の様子③↓ ②↓②モータスツール（Z方向）③モータ（Y方向）④ハウジング（Z方向）

設置状況の全景①カップリング(Y方向)
コアモニタリング研究体⑤架台（Z方向）11

モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果（詳細）☞低周波帯域にピークが見られるか
振動加速度度 (dB)①カップリング

振動加速度度 (dB)

②モータスツール☞中高周波帯域に増加が見られるか

振動加速度度 (dB)

③モータ

コアモニタリング研究体

12

モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果（詳細）◆フィルタ仕様の特定⇒インバータ制御による軸回転数の変化と振動加速度の特性把握
インバータによりポンプ流量を制御した時の振動特性
軸回転数∝流量でデータ整理
振動特性は、振動加速度（RMS,peak)、波高率(C.F)、振動速度、振動変位※波高率(C.F) = ピーク値／実効値、正弦波の場合は√21.2

1000
800
700

0.8

600

0.6

500
4000.4300
2000.2

ポンプ流量 (L/min)

9001
振動加速度 (m/s2)【汎用渦巻きポンプ（軸動力18.5kW、軸回転数1,500rpm) 】

100

00
7:40

7:50

8:00

8:10

8:20

8:30

8:40

8:50

9:00

9:10

9:20

【振動加速度ピックアップ】（軸受上部 Z軸方向）
リオン製PV-41
せん断型、1.09mV/m/s2)
3Hz～10kHz【振動計】
リオン製 VA-12

9:30

時刻
振動加速度 m/s2

流量

コアモニタリング研究体

13

モニタリングシステムの開発■平成２６年度の開発成果（詳細）◆横型ポンプの振動データの解析⇒高周波帯域の鹿威し方式の振動データから、軸受の損傷が主たる要因の衝撃波の検知
渦巻き型ポンプ② 軸動力18.5kW、軸回転数1,500rpm 軸受NTN-6310ZZ
異常レベル２（クラックの発生程度）

コアモニタリング研究体

14回転機器の振動特性とモニタリングシステムの開発

ご清聴ありがとうございました

高砂熱学工業株式会社

コアモニタリング研究体

15