216

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-16

簡易型 AE 法によるすべり軸受診断システムの開発
Development of the Sliding Bearing Diagnosis System by the Simple Model AE Method
三上雅生 (Masao Mikami)＊ 1

要約 原子力発電所の保全活動の充実を目指して状態監視保全への移行が進めらいる．本研究では，更なる高度化を図るべく，大型回転機器用すべり軸受の損傷要因である潤滑不良（潤滑油切れ）をアコースティクエミッション（ＡＥ）法を用いて早期に検知する技術の開発を行った．汎用型試験装置を用いた実験により潤滑油切れ，潤滑油水混入等の各現象でのＡＥ信号特性を調べ，振動測定や油分析よりも早期に検知が可能であることが分かった．そこで，簡易診断システムを試作し，その性能の確認を行ったところ汎用型試験装置と同様に異常発生の初期段階より検出できることを確認した．
キーワード

状態監視保全，すべり軸受，潤滑不良，AE 法，損傷加速試験，AE 信号特性

Abstract
A shift to condition based maintenance is in progress to improve maintenanceactivities in nuclear power
plants. In this study a technique was developed to detectlubrication failure (i.e. the condition of running out of lubricating oil) that may damage sliding
bearings. The technique used an acoustic emission （AE） method for early stage detection offailure. AE signal properties were examined for various conditions such as running out oflubricating oil, forming a lubricating oil water mixture using commercially available test
equipment, and it turned out that the equipment can detect the failure earlier than vibration
measurement and oil analysis. Then a simplified diagnosis system was fabricated and tested. It
was confirmed that the simple diagnosis system can detect failure at its initial stage like agenerally available examination device.
Keywords

condition monitoring maintenance，sliding bearing, lubrication defectiveness, AE method,
injury acceleration testing,AE signal properties,

1. はじめにめ，すべり軸受を有する回転機器の診断で使用されている振動測定では異常が検知されることはほとんどな

原子力発電所の保全活動の充実を目指して，状態監

く，万一異常を検知した場合，その時点でプラントの視及び状態基準保全に対応した各種設備診断を実施す

運転上の問題となる可能性があるので連続モニタリンるため設備診断技術ごとに技術指針が制定された(1)〜グが必要である．また，油分析はサンプリング試験で(3)．現在，回転機器の軸受部に対して振動計測あるは結果が分かるまで時間を要するので，オンラインでいは油分析による状態監視が行われている．しかしな計測できる複雑な装置を必要とする．このためすべりがら，すべり軸受を用いている回転機器は大型で重要軸受に対しては振動測定よりも早期に異常を検知できなものが多いにもかかわらず，異常が振動として顕在る簡単な計測システムが望まれている．上記のような化しにくい特徴がある．一般産業で用いられている回

安定的な運転中に発生し得るのは，何らかの原因によ転機器は，経済性の観点から稼働率を上げるため，各るすべり軸受の瞬間的な油切れと考えられる．本研究部品の使用限度近くまで運転している．これに対し，は，この瞬間的な油切れを AE 法により早期に検知す原子力プラントでは，各機器の保全に関し高い品質管ることを目的として始めた．

理を要求されているため，軸受部他の点検頻度が高い

ＡＥによるすべり軸受損傷診断に関して古くから研上，負荷が一定の安定な運転を行っている．このた究がなされて報告(4)〜(6)されているが実用化の例は少＊1元(株)原子力安全システム研究所

技術システム研究所

現在

関電プラント(株)INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-16

217

ない．ＡＥ法は「材料が変形したりき裂が発生したりする際に材料が内部に蓄えていたひずみエネルギーが解放されて生じる数十 kHz〜数 MHz の弾性波」を利用した検出法であり，高度な信号処理と熟練を必要とすると一般的に言われてきた．ＡＥ特性はＡＥ波の波形，ＡＥ計数率，ＡＥ振幅，ＡＥ周波数分析，ＡＥエネルギー（ＡＥ波の面積），信号持続時間（しきい値を超えたＡＥ信号の発生時間）等がある．過去のＡＥ
センサによる診断技術は，上記ＡＥ特性から扱う周波数が高周波帯域であり，複雑で高価な計測・信号処理システムを必要としていた．

図2

軸受上部の振動センサと 3 種の AE センサ

本研究では，先ほど述べたように運転中に発生し得る瞬間的な油切れを検知したいので，まず汎用型試験の負荷変動がほぼなく清浄な運転保守状況から油切れ装置により，種々のＡＥセンサを用いてこれが測定可による損傷を考慮すれば十分と考えられる．

能であるかどうかを含め，最適な条件を調査した．同汎用型装置の試験としてＡＥセンサと振動計用の加時 に 振 動 計 測，油 分 析 を 行 っ た．そ の 結 果，約

速度センサ，温度計測用の熱電対を軸受上部に接着剤50〜200kHz 程度の比較的低い周波数帯域で，振動計で貼り付け，また軸に回転検出用センサを取付け実施

測，油分析よりも早期に油切れを検知可能であることした．図２は軸受上部に加速度センサとＡＥセンサ 3がわかった．次に，低周波数帯域に特化した安価で実種を貼り付けたものである．

機適用性に優れた簡易型ＡＥ計測システムを開発・試

ＡＥの測定は，センサ信号を増幅後，原波形信号と験し，同様な油切れを十分検知できることを確認し検波波形信号とを並列処理し，デジタルオシロスコーた．以下にその成果を報告する．

プで波形を監視しながら信号が大きくなった時点で各々の波形データを保存し，その後周波数解析等の処

2. 汎用型装置による試験理を行った．
図 3 は種々のセンサを用いて計測したＡＥ信号波形モデル試験装置を図 1 に示す．左右の支持軸受に支と周波数スペクトルである．本試験では潤滑油ポンプえられた回転軸の中央にある試験用軸受を，下部より停止後 500 秒前後でＡＥ振幅が１(V)前後に達した油圧で持ち上げる構造である．本試験装置を用いて，後，実験を停止する前に各種センサの信号波形と高速すべり軸受上部から供給している潤滑油を停止する油フーリエ変換（FFT）による周波数分析データを取切りの実験を実施した．原子力プラントでは一定運転得した．ＡＥセンサ 3 種では各々軸の回転に同期した大きな振幅の波形が確認されたが，振動センサに変化は認められなかった．またＡＥセンサの周波数スペク㧭㧱࠮ࡦࠨࡊ࡝ࠕࡦࡊ

トルは５０ｋＨｚから２００ｋＨｚと比較的低周波帯

ẢṖᴤଏ⛎

⹜㛎↪ゲฃ

域に分布している．同時に測定していた油分析，温度センサには異常の兆候は表れず，軸受けを開放すると周の一部のみに軽微な接触痕が確認できた．図４に軸受の開放結果を示す．本実験より汎用型装置計測シス
テムを用いて既存の振動計測法や油分析法よりも早期に異常が検知できることがわかった．
次にシステム全体の低コスト化を目的として，サンゲฃ਄ߍᴤ࿶

プリング周波数を低くするため，検波波形により検知可能か検討した．図５は潤滑油の供給停止を繰り返し４回行ったときの最大振幅の推移である．それぞれの潤滑油供給停止後に最大振幅の上昇が確認された．最図 1 モデル試験機

初 2000(sec)の油供給停止前にも最大振幅は 0.7(V)218

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-16

信号波形

左図信号のＦＦＴ結果

共振型ＡＥセンサ（150KHz）
広帯域ＡＥセンサ（100KHz~1MHz）

低周波帯ＡＥセンサ（〜100KHz）

振動計センサ（〜20KHz）

回転パルス

図 3 潤滑不良（油切り）試験時の AE 信号と周波数分析（FFT）結果

図4周の一部に軽微な接触痕のある軸受

図5

繰り返し油切り試験時の AE 振幅前後あり 15000(sec)前後の振幅値よりも大きい．こシステムを開発した．本システムはポンプ・モーターの時の検波波形を確認は単発の 0.7(V)ピーク波であの複数の監視ができるよう４ｃｈとした．図６にシスりノイズと考えられ，この除外方法としては周期性をテム構成を示し，表１に開発したシステムの仕様を示考慮することとした．

す．
簡易型ＡＥ計測システムの検証はモデル試験装置を

3. 簡易型ＡＥ計測システムの開発，確認使って，汎用型装置計測システムと同時計測し比較することにより確認した．油切れは潤滑油に水混入を行汎用型装置計測システムによる試験結果から低周波うことで再現した．これは，本試験装置が下部から油数帯域に特化した実機適用性に優れた簡易型ＡＥ計測圧により軸受を持ち上げ軸と軸受を接触させているもಙྕฎ⌮㒊$(ࢭࣥࢧࢹ࣮ࢱྲྀᚓ㸭ゎᯒ㒊㸲FK࢔ࣥࣉࣇ࢕ࣝࢱ᳨Ἴ$'ኚ᥮)3*$ಖᏑࢹࣂ࢖ࢫ
6'࣮࢝ࢻ

図6

開発したシステムの構成

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-16

表1目

仕検出器
アンプ部
信号処理部のであり，水混入により局部的な潤滑油の膜消滅によ

簡易型 AE 計測システムの仕様

項る固体接触となり，適切に再現できると考えたからで様AE センサある．試験時採取したデータのうち汎用型装置計測シ

ゲイン 30〜60dB

ステムの測定結果と代表チャンネルの結果を図９に示

フィルタ部
50kHz〜1MHz
包絡検波回路含む

す．図９の上段①は汎用型装置計測システムでの振幅最大値の測定結果であり②は簡易型ＡＥ計測システム

AD 変換

1MHz

データ取得
解析部

演算処理
電源
保存デバイスFPGA
100V
SD カード

信号処理
内容

サンプリング

30sec 間隔（可変）5 サイクル

データ採取
保存データ
内容219の同じく振幅最大値の測定結果である．また，下段③と④は同様に汎用型装置計測システムと簡易型ＡＥ計ାภಣℂㇱ   ࠺࡯࠲ขᓧ㧛⸃ᨆㇱ

サンプリング毎の最大値・平均値
しきい値を超えた 10 波形データ

データ取得／解析のフローチャートを図７に，簡易型
AE 計測システムのシステム外観を図８に示す．

㧭㧱࠮ࡦࠨ5& ࠞ࡯࠼࠮࠶࠻

図8開発したシステムの外観ࡄ࡜ࡔ࡯࠲⸳ቯࡕ࠾࠲࡝ࡦࠣ㐿ᆎ࠺࡯࠲ࠨࡦࡊ࡝ࡦࠣ㧑㧑㧑㧑ᦨᄢ୯¸ᐔဋ୯⸘▚ᦨᄢ୯¸ᐔဋ୯߇Nߒ߈޿୯ࠍ⿥߃ߚ߆㧫Ԙ

Y๟ᦼ⸃ᨆࠗࡌࡦ࠻࿁ᢙࠞ࠙ࡦ࠻ԙ

N๟ᦼᕈ޽ࠆ߆㧫Y਄૏  ᵄᒻߩࠨࡦࡊ࡝ࡦࠣ๟ᦼ߆㧫
Nᵄᒻ࠺࡯࠲ࠍ଻ሽYࠕ࡜࡯ࡓ಴ജԚᤨ㑆ᦨᄢᐔဋࠍ଻ሽ
N5& ࠞ࡯࠼ขࠅ಴ߒࡏ࠲ࡦ߇᛼ߐࠇߚ㧫ԛ

Y5& ࠞ࡯࠼࠮࠶࠻ᓙߜ

図7

ソフトウェアのフローチャート

図9

水混入試験時の汎用品と開発品の AE 最大値及び最大値／平均値の推移

220

INSS JOURNAL Vol. 19 2012 NT-16

測システムでの最大値／平均値である．

断技術（2008）．

試験後当該軸受部のメタルを確認したところメタル（３）日本電気協会，電気技術指針原子力編

原子力

表面に図４と同様の接触痕が認められた．ＡＥ最大値

発電所の設備診断に関する技術指針―赤外線サは水の混入量が増えるに従い大きくなっている．まーモグラフィ診断技術（2008）．

た，最大値と平均値の比は 5%，10%，20% 水混入時

（４）井上紀明，尾崎研吾，佐藤一也，米山隆雄，掛は「10」以上の値となったが 50% の混入時は全体の札優，昼岡修一，圧延機すべり軸受のＡＥによ値も高くなり比の値は大きくなっていない．採取したる損傷診断技術，川崎製鉄技報，Vol.17，No.

他チャンネルのデータに欠測もなく良好な結果であった．

4，(1985)．
（５）和田正毅，水野萬亀雄，笹田直，摩擦・摩耗のモデル試験装置を用いてすべり軸受の潤滑不良試験

ＡＥによるインプロセス計測に関する研究 焼によるＡＥ計測を行い，焼付き現象の予兆である軸と付き過程のＡＥ計測，精密工学会誌，Vol.56，の接触を診断する簡易型ＡＥ計測システムを開発しNO.10，p.1835-1840 (1990)．

た．これは，焼き付き過程を，潤滑油の膜が局部的に（６）米山隆雄，佐藤一也，井上知昭，久野勝邦，古消滅して固体接触が発生し，それが進むと摩耗が発生賀嗣明，池内和雄ＡＥ計測法によるすべり軸し摩耗粉の成長，脱落が生じ，そしてあるとき成長過受損傷診断技術の開発アコースティック・エ

程が急速に進み，脱落に至らず焼きつくと考えられる

ミッション総合コンファレンス論文集，Vol.3，

ため，一番初期の固体接触を検出して記憶し，接触状

p.213-218，（1981）

況を把握すれば，保守情報としては十分と考えられる．

5. まとめ原子力プラントで安定的な負荷一定運転を行っている回転機器の状態監視に特化したＡＥ法による計測システムを開発した．
本システムにより運転中に発生し得る瞬間的な油切れを振動計測や油分析よりも早期に検知できることがわかった．また実機適用性に優れた簡易型ＡＥ計測システムを新たに開発した．
今後は実機環境下で実際にすべり軸受の計測を行う予定である．

謝辞
本研究を進めるにあたり，非破検査株式会社江淵高広研究員，山邉正太研究員にご指導ご協力をいただきました．ここに記して謝意を表します．

参考文献（１）日本電気協会，
電気技術指針原子力編

原子力

発電所の設備診断に関する技術指針―回転機器振動診断技術
（2007）．
（２）日本電気協会，
電気技術指針原子力編

原子力

発電所の設備診断に関する技術指針―潤滑油診