土木技術資料 55-8(2013)

特集：ストックマネジメント技術研究の最前線

アセットマネジメントに向けた
河川ポンプ設備の状態監視保全技術
上野仁士 ＊ 藤野健一 ＊＊ 田中義光 ＊ ＊＊よ り 主 ポ ン プ 等 の ケ ー シ ン グ 振 幅 (P-P)を 計 測 し

1．はじめに 1てきた。しかしこれは、振動の大小で異常の有無

河川ポンプ設備は、洪水被害防止を目的としたを判断するもので、劣化傾向の把握と劣化部位の極めて重要な社会基盤施設であり、豪雨や異常出特定をすることは難しい。また、本研究で対象と水時には確実に稼働することが要求される。そのし て い る ポ ン プ 設 備 は 主 軸 回 転 周 波 数 が 60 ～ためには設備の万全な整備が不可欠であり、管理360rpm(=1～ 6Hz) 程 度 の 低 速 回 転 機 械 で あ り 、者は、経時を基に定期的に整備する「時間計画保本来加速度センサの適用が困難な領域であり、か全」で維持管理をしている場合が多い。この手法

つ振動エネルギが小さいため、状態監視保全が困は確実な整備が行えるという点が大きな長所だが、難とされている。

内部劣化の有無ではなく年次経過のみが整備実施

そこで、ポンプ主軸の振動、つまり回転による基準であるため、経済性で不利とされている。

変位を直接計測し、振動波形、振幅に加え高速河 川 用 ポ ン プ 設 備 に お い て は 、 今 後 10年 で 約

フーリエ変換により周波数分布を解析することで40％ が 設 置 後 50年 超 と な り 、 老 朽 化 の 進 行 に よ

劣化傾向を診断し、さらにその部位を特定する、る故障頻度上昇の懸念がある反面、整備予算は状態監視保全の世界では「精密診断」と言われる年々削減されている現状にあり、この相反する状手法についての適用性を調査した。

況下でいかに効率的で的確な設備維持管理を行うかが課題となっている。

発生周波数分布と異常部位の関係は表-1に示す通りであり、常用系設備においてはこれに基づい一般の設備、例えば民間工場の生産設備等の常て診断が行われている。

用系設備では、設備状態の監視により劣化兆候を確認・診断し、それにより整備時期を判断する「 状 態 監 視 保全 」 と いう考 え 方 を 導入 す る ケー ス
が あ り、 これ によ り保 全費 用 の 5％ 削 減を 可能 とした例もある。したがって、河川ポンプ設備の維持管理においても状態監視保全を導入することはきわめて有効と考えられるが、状態監視保全は本来、常時稼働している機械設備に対して定期的にパラメータ計測をするものであり、平時は停止しており、必要時のみ稼働する河川ポンプ設備のような「非」常用設備では、的確な診断ができるか未知数であり、診断技術が確立していない。
本研究は、河川ポンプ設備の維持管理に適した状態監視保全（劣化予測）技術を確立し、不測の重大故障を回避し、無駄のない予防保全の実現を目指すものであり、その現状を概説する。

2．計測・診断技術
河川ポンプ設備の点検時には、加速度センサに────────────────────────Research of condition based maintenance of river pumping
system－ 22 －

表-1

発生周波数と発生原因（主軸関係）

土木技術資料 55-8(2013)に減速機下部とケーシングの振動計測と、主軸の3．設備診断例

振れ回りを計測している。その結果を表-2に示す。

本研究では、全国の排水機場のうち、時間計画保全による定期整備の、のべ71機場170台のポン

表-2

プ設備について調査を行ったが、ここでは特徴的計測部位な傾向が見られた代表例について述べる。

計測条件

減速機下部

3.1 A排水機場
主ポンプ
ケーシング

ここでは、主ポンプ主軸の曲りを発見した例とし て 示 す 。 図 -1～ 2は 、 立 軸 軸 流 ポ ン プ （ 主 軸 回軸振動

転周波数1.9Hz）の主軸 振動波形と周波数分布で整備前後の振動計測結果
X方向

A排水機場

Z方向

61120

整備後

51015整備前

5618整備後4215整備前

600

整備後

100
単位：μm(p-p)

ある。

図-1

Y方向

整備前

主軸振動波形振動計測位置

このことから、減速機下部とケーシングの整備
図-2

A排水機場

前後の振動はわずかな差しかなく、この計測方法

主軸振動周波数分布

では軸の振れ回りを捉えられるとは言い難い事がこの結果から、当該設備の状態については、図わかる。対して軸変位の計測では整備前後では大-1で は 計 測 波 形 の p-p値 が 1.82mmと 著 し く 高 く 、きく異なるので、軸のふれ回りの把握には、軸変

図-2では周波数成分Ｎが突出しているので、主軸位の直接計測が有効であることが示されている。のふれ回りが大きく発生している可能性がある。

3.2 B排水機場

この診断の後、当該ポンプ設備の分解整備時に主軸の偏心量を計測した。その結果を図-3に示す。

ここでは、主ポンプ羽根車の劣化傾向を発見した例として示す。
図 -4～ 5は 、 立 軸 斜 流 ポ ン プ （ 主 軸 回 転 周 波 数3.8Hz）の主軸振動波形と周波数分布である。

1.37mm の偏心

図-3

主軸偏心計測結果

このことより、主軸の芯が、本来の軸の中心線より1.37mmずれていることがわかった。

図-4

また、分解整備にあたり整備業者が、その前後－ 23 －

B排水機場

主軸振動波形土木技術資料 55-8(2013)

これにより、診断の通り羽根車の摩耗が大きく、
ま た 、 写 真 -1に 示 す よ う に 羽 根 1枚 に 穴 が 貫 通 していたことが確認された。

図-5

B排水機場

主軸振動周波数分布

この結果より、当該設備の状態について、下記のとおり診断を行った。
・振動波形は、低周期の振動に高周波の振動がのこぎり状に乗る形であり、高調波成分が発生していることを示す。
・周波数解析より、回転数成分が突出しており、羽根車や主軸にアンバランスがあると考えられる。
・ 同 様 に 、 羽 根 車 成 分 (5N) が や や 大 き く 、 摩 耗

写真-1

羽根車の摩耗状況

等で羽根車の摩耗発生が懸念される。
・回転数成分以下の周波数がほとんど検出されて以上より、本整備結果は、前述の診断との因果いないので、水中軸受の摩耗は起きていないと関係が明確であることを示しており、これにより考えられる当該技術で河川ポンプ設備の羽根車の異常兆候を捉えることが可能ということが示されたと考える。

その後、当該ポンプ設備の分解整備時に羽根車の摩耗量を計測した。その結果を表-3に示す。

4．評価手法の検討
以上は一例であるが、低回転かつ「非」常用系

表-3

羽根車摩耗量計測結果のポンプ設備においても、異常箇所の特定が行えることが示された。今後は、劣化程度をどのように判断するかが課題となる。
基本は振動初期値からの変化量により判断する相対値判定を用いるが、初期値が不明の場合が多い。その場合は最初の計測値を仮の初期値として判断するのが通例だが、その最初の計測値が適正か否かを判断する指針が必要と考える。
そ の よ う な 指 針 の 一 つ と し て 、 ISO7919で は「非往復動機械の機械振動 - 回転軸における測定及び評価基準」が示されているが、ISOの規定はあくまでも推奨指標であり企業等では独自の基準を優先させる場合もあるので、非常用系である河川ポンプ設備での適用性を検証する必要がある。
そこで、ISO7919と同様に両対数グラフ上にこれ ま で の 振 動 計 測 値 （ 変位 p-p） を プ ロ ッ ト し 、ISO7919との比較検証を行った。その結果、本来は軸回転数1000rpm以上の基準であるISO7919-3－ 24 －

土木技術資料 55-8(2013)（ 産 業 機 械） の 示す ゾ ーン ラ イ ン を 、 1000rpm以（前年及び翌年のデータは正常）下に延長したものが最も設備異常の有無と振動計・管理運転方式が、負荷の大きいバイパス管測結果との相関を示していることが確認された。

運転のため振動値が極めて大きいケース

その結果を図-6に示す。
以上より、今後、データの蓄積によりさらなる検証が必要ではあるが、図-6に示すゾーンを河川ポンプ設備の主軸振動値の評価に準用可能と考える。

5．まとめ
河川ポンプ設備の状態監視保全技術について、振動による設備劣化傾向の把握が可能であること、また、その評価指標についてとりまとめることができた。
ABラインの式：振動値＝ 150/√ N
BCライン（注意値）の式：振動値＝ 280/√N
CDライン（危険値）の式：振動値＝ 420/√N
いずれもNは回転数 (rpm)/1000

図-6

今後は、状態監視技術の適応性向上のため、より多くの事例の調査を行い、診断精度向上を図る予定である。

発生周波数と発生原因（主軸関係）

謝辞ここで示される相関とは、以下の通りである。

本研究にあたり、調査対象設備の施設管理事務○ほとんどの調査機場では軸に異常は見られな所には、資料提供や現地調査に当たり、多大な御かったが、上図においてもほとんどのデータ協力を頂きました。この場を借りて、厚く御礼申が BCラ イ ン （ こ れ 以 上 の 振 動 値 の 場 合 は 、し上げます。

異常兆候が見られるので運転に注意を要する
参考文献判断ライン）以下に分布している。
○ CDラ イ ン （ こ れ 以 上 の 振 動 値 の 場 合 は 設 備が危険状態であることを判断するライン）以上の値が数件有るが、このデータは以下のものである。
・前述の、軸に曲がりがあったケース
・計測の異常値であったケース
上野仁士 *

独立行政法人土木研究所つくば中央研究所技術推進本部先端技術チーム 主任研究員
Hitoshi UENO

1） 藤野健一、田中義光、上野仁士：「河川ポンプ設備の状態監視に関する研究」、平成23年度国土交通省
国土技術研究会、2011
2） 上 野 仁 士 、 藤 野 健 一 、 竹 田 英 之 ：「 河 川 ポ ン プ 設
備 に お け る 状 態 監 視 技 術 に 関 す る 研 究 」、 平 成 24
年度 建設施工と建設機械シンポジウム、20123） 松 下 修 己 、 田 中 正 人 、 小林正 夫 、 古 池 治 孝 、 神 吉
博：「続 回転機械の振動」、コロナ社、2012

藤野健一 **

独立行政法人土木研究所つくば
中央研究所技術推進本部先端技術チーム 主席研究員
Kenichi FUJINO－ 25 －

田中義光 ***

国土交通省関東地方整備局関東技術事務所施設技術課長（前
独立行政法人土木研究所つくば
中央研究技術推進本部先端技術チーム主任研究員）
Yoshimitsu TANAKA