技術資料

河川用機械設備におけるメンブランパッチ色相による簡易劣化診断手法
一典＊

平地

片野浩司＊＊ 山口

１．はじめに和哉＊＊＊ណᴤ▎ᚲ㧝(㩜㨼㩧㩁㩨㩞㩘㩨㨹㩂㩇)

河川に設置されている樋門設備は、治水設備であり、設備が故障しその機能を失った場合、浸水被害により国民の生命、財産に影響を及ぼす恐れがあるため、社会的経済的影響が大きい。積雪寒冷地においては、寒暖差による劣化や凍結の影響などが懸念されるため、特に日頃の維持管理が重要となっている。
30年から40年を迎え、老朽化する設備が年々増加するណᴤ▎ᚲ㧞(นㅒⵝ⟎)ことで、維持管理費用の増加も懸念されており、設備図－１

これまで建設されてきた樋門設備の多くが、建設後の延命化や信頼性を確保しつつ効率的で効果的な維持ណᴤ▎ᚲ㧟(㩇㩊㩧㩎㩨㩘㩨㨹㩂㩇)

樋門開閉装置及び採油箇所管理が必要である。
そこで本研究では、摩耗や摩擦の低減、発熱の抑制、２．２

計数汚染度

腐食の防止、動力の伝達など様々な役割を担っている

潤滑油は、使用につれて様々な化学的変化をすると樋門設備の潤滑油に着目した。潤滑油は使用時間や使ともに、金属摩耗粉や外部からの微少な混入物の影響用環境によって劣化し、機械の運転状態に大きな影響によって汚染が進む。潤滑油管理では重要な管理項目を与える。また、機械の故障を招く潤滑油の劣化要因の一つである計数汚染度（NAS 等級）は、潤滑油に混は、油の酸化劣化による内的要因と金属摩耗粉やゴミ入している粒子を一定の粒子径範囲ごとに計数し、そなどの異物による外的要因の２つに大別されることがの粒子数から汚染レベルを判定するものであり、12等わかっている。

１）級まで分類されている（表－１）。

本稿では、積雪寒冷地の河川用機械設備のうち設置台数の多い樋門設備の開閉装置について、潤滑油分析による状態監視の可能性及び潤滑油のメンブランパッチ色相による簡易劣化診断手法の検討を行ったので報告する。
２．樋門開閉装置の潤滑油診断
２．１

潤滑油の採油箇所及び採油方法

樋門開閉装置の代表的なものを図－１に示す。

表－１

NAS 等級表㩿୘㪆㪈㪇㪇㫄㫃㪀╬⚖☸ᓘ㪇㪇㪇㪈㪉㪊㪋㪌㪌 㪄 㪈 㪌 㱘㫄㪈㪉㪌㪉㪌㪇㪌㪇㪇㪈㪃㪇㪇㪇㪉㪃㪇㪇㪇㪋㪃㪇㪇㪇㪏㪃㪇㪇㪇㪈 㪌 㪄 㪉 㪌 㱘㫄㪉㪉㪋㪋㪏㪐㪈㪎㪏㪊㪌㪍㪎㪈㪉㪈㪃㪋㪉㪌㪉 㪌 㪄 㪌 㪇 㱘㫄㪋㪏㪈㪍㪊㪉㪍㪊㪈㪉㪍㪉㪌㪊㪌 㪇 㪄 㪈 㪇 㪇 㱘㫄㪈㪉㪊㪍㪈㪈㪉㪉㪋㪌㪈 㪇 㪇 㱘㫄 ⿥㪇㪇㪈㪈㪉㪋㪏㩿୘㪆㪈㪇㪇㫄㫃㪀╬⚖☸ᓘ㪍㪎㪏㪐㪈㪇㪈㪈㪌 㪄 㪈 㪌 㱘㫄㪈㪍㪃㪇㪇㪇㪊㪉㪃㪇㪇㪇㪍㪋㪃㪇㪇㪇㪈㪉㪏㪃㪇㪇㪇㪉㪌㪍㪃㪇㪇㪇㪌㪈㪉㪃㪇㪇㪇 㪈㪃㪇㪉㪋㪃㪇㪇㪇㪈㪉㪈 㪌 㪄 㪉 㪌 㱘㫄㪉㪃㪏㪌㪇㪌㪃㪎㪇㪇㪈㪈㪃㪋㪇㪇㪉㪉㪃㪏㪇㪇㪋㪌㪃㪍㪇㪇㪐㪈㪃㪉㪇㪇㪈㪏㪉㪃㪋㪇㪇㪉 㪌 㪄 㪌 㪇 㱘㫄㪌㪇㪍㪈㪃㪇㪈㪉㪉㪃㪇㪉㪌㪋㪃㪇㪌㪇㪏㪃㪈㪇㪇㪈㪍㪃㪉㪇㪇㪊㪉㪃㪋㪇㪇㪌 㪇 㪄 㪈 㪇 㪇 㱘㫄㪐㪇㪈㪏㪇㪊㪍㪇㪎㪉㪇㪈㪃㪋㪈㪇㪉㪃㪏㪏㪇㪌㪃㪎㪍㪇㪈 㪇 㪇 㱘㫄 ⿥㪈㪍㪊㪉㪍㪋㪈㪉㪏㪉㪌㪍㪌㪈㪉㪈㪃㪇㪉㪋

採油箇所は、メインギヤボックス、可逆装置及びスタンドボックスの３箇所とし、給油口より真空式吸引

NAS 等級は、元々が高い清浄度が求められる工業ポンプを用い、概ね油槽の中層部から各箇所500ml 程や航空宇宙の流体動力用途などで使用されている。今度採油した。

回は、通常時は待機状態で出水時に確実に機能しなければならない樋門開閉装置に適用するものであり、採油した潤滑油の中には、計数汚染度の上限値となるNAS12等級を超過する潤滑油が確認された。

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33

そこで、NAS12等級以上の検体について、汚染度を門開閉装置に使用されているベアリングの各構成要素詳細に評価できるように NAS 等級を拡張した等級（以（内外輪、転動体、保持器）の表面状態を光学顕微鏡及下「仮 NAS 等級」という。）を新たに定義し、NAS12び電子顕微鏡（SEM）により観察し、さらに潤滑油に等級以上の潤滑油を仮 NAS13 ～ 21等級に細分化した

ついて、Ｘ線マイクロアナリシス（XMA）分析を実施

（表－２）
。

し、ベアリング表面の状態との関係を調査した。
表－２３．１

仮 NAS 等級表㩿୘㪆㪈㪇㪇㫄㫃㪀╬⚖☸ᓘ㪈㪊㪈㪋㪈㪌㪌 㪄 㪈 㪌 㱘㫄㪉㪃㪇㪋㪏㪃㪇㪇㪇㪋㪃㪇㪐㪍㪃㪇㪇㪇㪏㪃㪈㪐㪉㪃㪇㪇㪇㪈㪍㪃㪊㪏㪋㪃㪇㪇㪇㪈㪍㪊㪉㪃㪎㪍㪏㪃㪇㪇㪇㪈㪎㪈 㪌 㪄 㪉 㪌 㱘㫄㪊㪍㪋㪃㪏㪇㪇㪎㪉㪐㪃㪍㪇㪇㪈㪃㪋㪌㪐㪃㪉㪇㪇㪉㪃㪐㪈㪏㪃㪋㪇㪇㪌㪃㪏㪊㪍㪃㪏㪇㪇㪉 㪌 㪄 㪌 㪇 㱘㫄㪍㪋㪃㪏㪇㪇㪈㪉㪐㪃㪍㪇㪇㪉㪌㪐㪃㪉㪇㪇㪌㪈㪏㪃㪋㪇㪇㪈㪃㪇㪊㪍㪃㪏㪇㪇㪌 㪇 㪄 㪈 㪇 㪇 㱘㫄㪈㪈㪃㪌㪉㪇㪉㪊㪃㪇㪋㪇㪋㪍㪃㪇㪏㪇㪐㪉㪃㪈㪍㪇㪈㪏㪋㪃㪊㪉㪇㪈 㪇 㪇 㱘㫄 ⿥㪉㪃㪇㪋㪏㪋㪃㪇㪐㪍㪏㪃㪈㪐㪉㪈㪍㪃㪊㪏㪋㪊㪉㪃㪎㪍㪏╬⚖㪈㪏㪈㪐㪉㪇㪉㪈㪌 㪄 㪈 㪌 㱘㫄㪍㪌㪃㪌㪊㪍㪃㪇㪇㪇㪈㪊㪈㪃㪇㪎㪉㪃㪇㪇㪇㪉㪍㪉㪃㪈㪋㪋㪃㪇㪇㪇㪌㪉㪋㪃㪉㪏㪏㪃㪇㪇㪇㪈 㪌 㪄 㪉 㪌 㱘㫄㪈㪈㪃㪍㪎㪊㪃㪍㪇㪇㪉㪊㪃㪊㪋㪎㪃㪉㪇㪇㪋㪍㪃㪍㪐㪋㪃㪋㪇㪇㪐㪊㪃㪊㪏㪏㪃㪏㪇㪇㪉 㪌 㪄 㪌 㪇 㱘㫄㪉㪃㪇㪎㪊㪃㪍㪇㪇㪋㪃㪈㪋㪎㪃㪉㪇㪇㪏㪃㪉㪐㪋㪃㪋㪇㪇㪈㪍㪃㪌㪏㪏㪃㪏㪇㪇㪌 㪇 㪄 㪈 㪇 㪇 㱘㫄㪊㪍㪏㪃㪍㪋㪇㪎㪊㪎㪃㪉㪏㪇㪈㪃㪋㪎㪋㪃㪌㪍㪇㪉㪃㪐㪋㪐㪃㪈㪉㪇㪈 㪇 㪇 㱘㫄 ⿥㪍㪌㪃㪌㪊㪍㪈㪊㪈㪃㪇㪎㪉㪉㪍㪉㪃㪈㪋㪋㪌㪉㪋㪃㪉㪏㪏

２．３

代表例としてベアリングの内輪部の切断写真、光学顕微鏡による撮影写真を図－３、４に示す。図中の赤枠は電子顕微鏡（SEM）の撮影ポイントである。SEMによる内輪部の摩耗状態の観察を行った。その結果、切削摩耗によるとみられる10 ～ 20 μ m 程度の切削痕㩿୘㪆㪈㪇㪇㫄㫃㪀☸ᓘ

ベアリング精密評価及び剥離痕が多数みられた（図－５，６）。

摩耗分析と計数汚染度の関係

計数汚染度の高い検体について、NAS 等級、仮NAS 等級に細分化した上で摩耗分析を実施した。
その結果、金属濃度（Fe 値、Cu 値）は、NAS 等級、仮 NAS 等級の上昇に伴い上昇し、特に仮 NAS15等級以上において大幅な上昇を確認した（図－２）。
潤滑油の汚染度の悪化は、ギヤやギヤボックスに使用されるベアリング（Fe）又はベアリング保持器（Cu）

図－３

ベアリング内輪部の摩耗状態へ影響を及ぼす。特に仮 NAS15等級を境に Fe 値、Cu 値が大幅に上昇していることから油中に混入した異物が一定の数量を超えた際には、機器のಾ೥∥摩耗促進への大きな影響があると考える。

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30.0

27.9

25.0
20.0

17.9

20.1

15.0
10.0
5.0
0.0

6.0

6.1

0.2

0.9

1.2

12⚖

13⚖

3.514⚖

図－４7.415⚖

内輪部の光学顕微鏡による切削痕

16⚖⸘ᢙᳪᨴᐲ䋨㪥㪘㪪䊶઒㪥㪘㪪╬⚖䋩

図－２

計数汚染度と金属濃度平均値

３．開閉装置ベアリングと潤滑油分析
NAS 等級の上昇に伴い、金属濃度も上昇することが確認されたので、潤滑油が仮 NAS16等級であった樋34

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㨄✢ᾖ኿Ԙ 㨄✢ᾖ኿ԙ㨄✢ᾖ኿Ԛ㨄✢ᾖ኿ԛ

図－７

フェログラフィーによる摩耗粒子

表-３
図－５

内輪部の電子顕微鏡による切削痕

主な混入元素組成割合⚵ᚑഀว㧔㧑㧕ಽᨆኻ⽎
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考察

ベアリングの精密評価からベアリング表面に切削痕が観察された。一方、潤滑油分析ではベアリングの材料に起因する切削粒子が多く確認され、潤滑油の汚染度が仮 NAS16等級と高くなったのは、油中の切削粒子等が影響を与えたと考えられる。この状態で、ベアリングを使用し続けた場合、切削痕が起点となり、フ
図－６

内輪部の電子顕微鏡による剥離痕レーキング（常に接触を受けて回転することにより、表面がうろこ状にはがれる現象）に進展し、ベアリン
グの寿命が低下する可能性がある。ベアリングの寿命、３．２

さらには施設の寿命を延ばすためには、潤滑油の状態潤滑油分析

次に、ベアリングに使用されていた潤滑油に混入しを適切に把握し、清浄に管理することが重要である。ている摩耗粒子の組成割合を分析するため、摩耗粒子を磁場により大きさ順に配列したフェログラフィーを４．メンブランパッチ色相と計数汚染度行った（図－７）。フェログラフィーの結果より、Ｘ線照射ポイントを決定の上、Ｘ線マイクロアナリシス

４．１

潤滑油とメンブランフィルタ
３，４）（XMA）分析を行った（表－３）。

本田ら

は、新しい油中汚染物の判定法としてセその結果、ベアリング鋼を構成するステンレスの組ルロース・アセテートの白色フィルタ（メンブランフィ

成（Cr、Mn、Fe、Ni）割合に類似している粒子があっルタ）を用いて、そのフィルタ上に捕集された汚染物たことから、これら摩耗粒子はベアリングの内外輪、を色で判別する手法を提案するとともに、色相判別装転動体から発生したと考えられる。また、銅合金と推置（Colorimetric Patch Analyzer）を開発した。

定される粒子も存在していることから、ベアリング保本手法は、潤滑油をろ過したメンブランフィルタに持器又はベアリング以外のギヤ等の部分からも摩耗粒白色光を投射し反射光と透過光を用いて、RGB 値、最２）子が発生していることも推測できる。

大色差（MCD）、⊿ ERGB の各色パラメータを測定する。
RGB 値は、各々 256階調で表され、白で（255，255，255）、黒で（０，０，０）となる。最大色差（MCD）
は RGB値の２色間の最大差を表したものである。最大色差

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（MCD）により劣化要因の識別がなされ、酸化劣化にされる。

よる場合は値が大きく茶系色の色合いが強く、固形粒

表－４に計数汚染度別のメンブランパッチ、潤滑油子による場合は値が小さく灰系色の色合いが強くなる。

及び RGB、MCD、⊿ ERGB 値の一例を示す。メンブ

また、⊿ ERGB は白までの距離であり、次式で表される。

ランパッチと潤滑油の色相を比較してみると、潤滑油この値が大きいほど濃色化していることを意味し、汚色相がメンブランパッチ色相と必ずしも一致しないこ染程度を判定することができる。とがわかる。

㧹㧯㧰10090

メンブランパッチの作成

潤滑油をメンブランフィルタにろ過する装置として、（株）
クリーンテック製のコンタミチェッカー（図－８）を用いた。フィルタベース部に孔径0.8 μ m のメンブランフィルタをセットし、試料油５ml を注入後、真空8070
䌍䌃䌄䋨ᦨᄢ⦡Ꮕ䋩6050403020

ポンプにより吸引しろ過した。その後、石油エーテル

10にてメンブランフィルタの油分を除去し乾燥させた。

00.0

作成したメンブランフィルタを色相判別装置で測定で10.020.030.040.050.060.070.0㊄ዻỚᐲ䋨䌆䌥䋫䌃䌵䋩䇼ppm䇽

きるようにパッチ化し各色パラメータの測定を行った。

図－９測定を行った潤滑油は、平成25年度までに採油した65検体とした。

金属濃度と最大色差（MCD）•‿‵‶ℰ‷⁄‹‴䊐䉜䊮䊈䊦䉶䉾䊃㩷䌍䌃䌄䋨ᦨᄢ⦡Ꮕ䋩 ᐔဋ୯⌀ⓨ䊘䊮䊒㩷

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図－８４．３

コンタミチェッカー

図－10

測定結果

金属濃度と最大色差（MCD）

500

図－９に金属濃度（Fe+Cu 値）と最大色差（MCD）との関係を示す。金属濃度（Fe+Cu 値）が15ppm 以上の値）の上昇とともに減少することを確認した。
図－10に計数汚染度（NAS・仮 NAS 等級）と最大色差（MCD）及び⊿ ERGB の平均値の結果を示す。計数汚
染度の上昇に伴い最大色差（MCD）は減少、⊿ ERGB は上昇する傾向が確認できた。
図－11の計数汚染度と⊿ ERGB から計数汚染度の上昇とともにメンブランパッチ色相の濃色化が確認できた。特に、仮 NAS14又は15等級を境界として色の濃色化が顕著であり、固形粒子が増えていることが予想
36Ӡ'4)$場合、最大色差（MCD）が30以下となり金属濃度（Fe+Cu400300200

10001012141618⸘ᢙᳪᨴᐲ 0#5࡮઒ 0#5 ╬⚖図－1120

計数汚染度と⊿ ERGB

（各プロットはメンブランパッチ色相を示す）

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2015年２月

表－４

メンブランパッチとＲＧＢ値等

らの数値を用いて樋門開閉装置の潤滑油の汚染状態を判定できることが示唆された。
５．おわりに樋門開閉装置の潤滑油を利用した簡易劣化診断手法を確立するため、ギヤ、軸受（ベアリング）の劣化状態と計数汚染度、金属濃度及びメンブランパッチ色相との相関関係を調査した。今後はメンブランパッチ色相の測定により、樋門開閉装置に使用される潤滑油の交換時期の適正な判断及び異常の早期発見ができるよう判定精度を高めていく。
参考文献
１）（社）日本トライボロジー学会：メンテナンストラ
イボロジー，2006.11
２）ジムフィッチ：油中元素の発生源（日本語翻訳版），
2011.2
３）本田知己：潤滑油の劣化診断・検査技術，精密工学会誌，75，3（2009）４）本田知己，田中清隆，岩井義郎，佐々木徹：メン

４．４

ブランパッチの色によるタービン油の酸化劣化診

まとめ

最大色差（MCD）の値から汚染要因、⊿ ERGB 値の値から汚染程度を判定することができることから、これ

平地一典＊

片野浩司＊＊HIRACHI Kazunori

KATANO Kouji

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
研究員

寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
総括主任研究員
技術士（機械）寒地土木研究所月報№741

2015年２月 断法の開発，第10回評価・診断に関するシンポジ
ウム，2012.11

山口和哉＊＊＊YAMAGUCHI Kazuya
寒地土木研究所
技術開発調整監付寒地機械技術チーム
主任研究員

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