技術資料

河川ポンプ設備（横軸ポンプ設備）の状態監視保全技術
片野浩司＊ 山口

１．はじめに和哉＊＊隆夫＊＊＊田中

岸寛人＊＊＊＊

隔又は基準に従って遂行し、アイテムの機能劣化又は故障の確率を低減するために行う保全である。

非常用施設である河川ポンプ設備は、洪水被害防止

予防保全には時間計画保全と状態監視保全があり、を目的として設置されている重要な社会基盤施設であ

時間計画保全は、定められた時間計画に従って遂行さり、豪雨や異常出水時には確実に稼働することが要求れる予防保全である。日常的な点検で内部の劣化状況される設備である。

を把握しきれない、大型の主ポンプ設備や駆動設備（原河川用ポンプ設備は、今後10年で約40％が設置後50動機、減速機）では、確実な整備が行える点で有効で年超となり、老朽化の進行による故障頻度上昇が懸念ある。しかし、内部劣化の有無によらずに定期的に整されている。その一方で、維持管理費は年々削減され備を行うため、経済性で不利な場合がある。ている現状にあり、このような状況下でいかに効率的

一方、状態監視保全は、設備状態の監視により劣化で効果的な設備維持管理を行うかが課題となってい兆候を確認・診断し、それにより整備時期を判断するる。

予防保全である。信頼性と経済性を両立することがでこれまで、「河川構造物長寿命化及び更新マスターきることから、民間プラント等の常用設備に広く導入プラン」（国土交通省水管理・国土保全局、平成23年されている。そのため、非常用設備である河川ポンプ６月）
において、機械設備は重要な研究分野に位置づけ設備においても、状態監視保全を導入し、劣化予測技られてきたが、平成24年度の国土交通省の社会資本整術を確立することは極めて有効である。

備審議会・河川分科会の「安全を持続的に確保するための今後の河川管理のあり方検討小委員会」においても、機械設備の老朽化が重大な問題と指摘されるとともに、機械設備の劣化診断・管理技術の向上がさらに求められている。
従って、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）
技術を確立することによって、不測の重大故障を回避し、無駄のない予防保全の実現を図る必要がある。
本研究は、常用設備を対象として普及しつつある振図－１

保全方式の分類

動解析技術を用いて、非常用設備の河川ポンプ設備、ここでは横軸ポンプ設備の状態監視保全の開発と確立を図るものである。
２．設備保全の考え方

３．横軸ポンプ設備の振動診断・評価
土木研究所先端技術チームでは、既往研究において振動解析による状態監視保全技術が河川ポンプ設備に設備保全は、図－１のとおり予防保全と事後保全に大別される。

も適用可能であるかを調査し、劣化傾向の把握が可能であるという結果を得た。

予防保全とは、アイテム（部品、構成品、デバイス、しかし、対象が本州以南の排水機場としていたため、装置、機能ユニット、機器、サブシステム、システム

立軸ポンプ設備がほとんどであった。そこで、河川ポなどの総称又はいずれか。JIS Z 8115による定義）のンプ設備の状態監視保全技術の適用範囲を拡大するた

使用中の故障の発生を未然に防止するため、規定の間め、北海道で設置割合が高い横軸ポンプ設備について、

20

寒地土木研究所月報№733

2014年６月

当チームが連携して研究を実施している。

計測した振動波形から周波数解析する手法としては、高速フーリエ変換（FFT）ソフトウェアを用いる。
表－１
ේℂ

渦電流式変位計の原理࡮࠮ࡦࠨౝߩࠦࠗ࡞ߦ㜞๟ᵄ㔚ᵹࠍᵹߔߎߣߦࠃࠅ㜞๟ᵄ⏛᧤߇⊒↢ߔࠆ‫ޕ‬࡮ߎߩ⏛⇇ౝߦ᷹ቯኻ⽎‛㧔㊄ዻ㧕ࠍ⟎ߊߣ‫ޔ‬ኻ⽎‛⴫㕙ߦ᷵㔚ᵹ߇⊒↢ߔࠆ‫ޕ‬࡮ߎߩ᷵㔚ᵹ߇‫ߣ࡞ࠗࠦޔ‬᷹ቯኻ⽎‛ߣߩ〒㔌߇ㄭ޿߶ߤᄢ߈ߊߥࠆᕈ⾰ࠍ೑↪ߒߡᄌ૏ࠍ⸘᷹ߔ
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写真－１

横軸ポンプ設備の例

回転機械において、主軸がどこの断面でも同径の完全な真円で、重心も中央にあり、軸心が直線であれば、主軸に振動は生じない。しかし、これらの微妙な変位、羽根車の摩耗、継手のずれ、軸受や歯車の状態によっ㐳ᚲ㗬ᕈ߇㜞޿‫ޕ‬⍴ᚲて様々な振動が発生する。

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振動を利用した精密診断によって、振動波形、それ࡮ਥゲ๟ࠅ߇⁜㓖ߛߣ࠮ࡦࠨߩขઃ߇࿎㔍ߢ޽ࠆ㧔ࡑに周波数解析を加えることで、劣化傾向を診断し、そࠣࡀ࠶࠻ࠬ࠲ࡦ࠼ߢ઒⸳㧕‫ޕ‬の部位を特定することが可能となる。
４．使用計測機器とセンサ等設置位置࡮᭴ㅧ߇◲නߢၷ‗‫․ޔ‬ᕈ߇቟ቯߒߡ޿ࠆߚ߼‫ޔ‬ା

表－２
ේℂ

３方向加速度計の原理࡮࿶㔚⚛ሶߦᯏ᪾⊛ᄌᒻ㧔ᱡߺ㧕ࠍട߃ࠆߣ㔚૏㧔㔚⩄㧕߇⊒↢ߔࠆߣ޿߁࿶㔚ലᨐࠍ↪޿ߚ࠮ࡦࠨߢ޽ࠆ‫ޕ‬

本研究で対象としているポンプ設備は、主軸回転周࡮ᝄേ૕ߦ࿕ቯߔࠆ߆᛼ߒߟߌߡ⛘ኻᝄേടㅦᐲࠍ

波数が２～５Hz の低速回転機械である。そのため、

ᬌ಴ߔࠆ‫ޕ‬ポンプ主軸に起因する振動については、回転による変࡮ᯏ᪾⸳஻ߩᝄേ᷹ቯߦᦨ߽ᄙߊ૶ࠊࠇߡ޿ࠆ‫ޕ‬

位を直接計測することとし、大型回転機械の主軸振動解析で実績のある渦電流式変位計を採用した。
また、減速機、原動機に起因する振動については、軸受や歯車の損傷で発生する振動数が高い振動数成分を持つことが多いことから、３方向加速度計で計測した。
使用計測機器の原理と長短所を表－１、２に示す。
渦電流式変位計は、主軸が露出している箇所にマグ㐳ᚲ࡮᭴ㅧ߇◲නߢၷ‗‫ޔ‬ା㗬ᕈ߇㜞޿‫ޕ‬࡮᷹ቯ๟ᵄᢙ▸࿐߇ᐢ޿‫ޕ‬⍴ᚲ࡮๟࿐᷷ᐲߩᕆỗߥᄌൻߦࠃࠆᓇ㗀߇಴߿ߔ޿‫ޕ‬

ネットスタンドでセンサを固定し、主軸に対し直交し࡮ᝄേ૕ߣ৻૕ߣߥࠆࠃ߁ߦขࠅઃߌࠆ‫ޕ‬て２個のセンサを取り付けて計測することにより、軸࡮ᝄേ૕ߩേ߈ߦᓇ㗀ߒߥ޿ࠃ߁ߥ⾰㊂ߩ࠮ࡦࠨࠍの振れ回りを確認する。

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センサ等設置位置を図－２、写真－２、３に示す。
診断・評価は、各々の計測波形の振幅の大きさ（p-p値：peak to peak value）及び振動エネルギー（Rms 値：root mean square）より設備各部位の劣化度を推測し、周波数解析よりその原因を特定する。
寒地土木研究所月報№733

2014年６月 21

考察については、これまで先端技術チームが実施した非常用系ポンプ（立軸ポンプ設備）における知見を基に行った。
ここでは２例の振動計測結果について述べる。
これらの設備要目を表－３に示す。
なお、計測結果と相対比較できる初期値が得られてなかったことから、立軸ポンプ設備の p-p 値と Rms値の初期値を参考とした。平成26年度の計測において、分解整備後のデータを取得の上、初期値を設定する予定である。
表－３٨ᄌ૏⸘⸳⟎▎ᚲ‫ޔ‬٨ടㅦᐲ⸘⸳⟎▎ᚲ

図－２

変位計、加速度計設置位置᷵㔚ᵹᑼᄌ૏⸘䌘ᣇะ䉶䊮䉰ឃ᳓
ᯏ႐
ABᒻᑼ対象ポンプ設備要目
ญᓘ
(mm)
1000
1500

ᮮゲᢳᵹ
ᮮゲᢳᵹ

࿁ォᢙ
(rpm)
1500
1000

⠀ᩮᢙ㧔ᨎ㧕
55（1）A 排水機場（第１号ポンプ）
࿁ォㅦᐲ⸘
䉶䊮䉰

計測波形・周波数解析、主軸の振れ回り（リサージュ図）を基に、以下の６項目の異常について当該設備の状態を推定した。

᷵㔚ᵹᑼᄌ૏⸘
䌙ᣇะ䉶䊮䉰

写真－２

振動計測結果を表－４に示す。また、計測した振動波形と周波数解析結果を図－３、４、原動機、減速機加速度の周波数解析結果を図－５、６に示す。

渦電流式変位計の設置状況
表－４
ᣇะ
X㧔᳓ᐔ㧕
Y㧔㋦⋥㧕

写真－３

振動計測結果（Ａ排水機場）

࿁ォ๟ᵄᢙ
㧔Hz㧕
2.900
2.900

p-p ୯
㧔mm㧕
0.01480.1489Rms ୯
㧔mm㧕
0.00220.0018３方向加速度計の設置状況（減速機）

５．振動計測結果及び考察
平成25年度は、北海道開発局のご協力をいただき、11排水機場（ポンプ台数24台）の調査を実施した。
今回が初調査であったことから、横軸ポンプ設備の22

図－３振動波形と周波数分析（Ｘ方向）
寒地土木研究所月報№733

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図－６①

減速機加速度の周波数分析（上からＸ ､ Ｙ ､Ｚ方向）

水中軸受のゆるみ・がた
回転数の分数成分に近い0.4N の成分（N は回転周波数を表す）が見られるが、Rms 値が小さいので、水中
図－４振動波形と周波数分析（Ｙ方向）

軸受の大きな劣化兆候はないと推定する。
②

主軸のアンバランス回転数成分 N が突出しているが、p-p 値、Rms 値が小さいので、特に異常がないと推定する。
③

芯ずれ
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っており、高調波成分が発生している。これは横軸ポンプ設備特有の振動特性であり、軸の自重により軸がたわむので、その影響で高調波が発生していると考えられる。
回転数の整数倍の周波数が広く分布しており、特に２倍成分（２N）が大きめなので、芯ずれの傾向が見られる。
今後、Rms 値の急激な増加がないか、兆候の推移を注視することを提案する。
④

羽根車の摩耗ZN（羽根車数×回転数）成分である５N が大きく見られないので、現段階では大きな劣化はないと推定する。
図－５

原動機加速度の周波数分析（上からＸ ､ Ｙ ､Ｚ方向）⑤

減速機ベアリングの異常ベアリングの仕様が不明ではあるが、減速機加速度の周波数分布より、複数の卓越周波数が見られること、減速機振動速度 Rms 値（X 方向（水平）14.1mm/s、Y方向（鉛直）21.2mm/s、Z 方向（軸）45.7mm/s、いずれも減速機加速度からの積分値）が大きいことから、ベアリングの異常について注視することを提案する。
⑥

減速機歯車の異常減速機歯車の噛み合い周波数（横軸平行歯車、仕様による計算値894Hz）は卓越していないが、上記速度Rms 値が大きいので、今後の兆候に注視することを提案する。
リサージュ図を図－７に示す。振れ回りの径は小さく、軌跡は安定している。
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図－９
図－７

振動波形と周波数分析（Ｙ方向）

リサージュ図（単位：mm）①（2）B 排水機場
（第２号ポンプ）

水中軸受のゆるみ・がた回転数の分数成分に近い0.3N（X 方向）、0.5N（Y（1）と同様に計測波形・周波数解析、リサージュ図方向）の成分（N は回転周波数を表す）が見られるが、を基に、当該設備の状態を以下のように推定した。

Rms 値が小さいので、水中軸受の大きな劣化兆候は振動計測結果を表－５に示す。また、計測した振動波形と周波数解析結果を図－８、９に示す。

ないと推定する。但し、今後の傾向を注意する。
②

主軸のアンバランス
以下の点により、アンバランスが進行している可能表－５
ᣇะX㧔᳓ᐔ㧕Y㧔㋦⋥㧕

振動計測結果（Ｂ排水機場）

࿁ォ๟ᵄᢙ
㧔Hz㧕
2.383
2.383p-p ୯
㧔mm㧕
0.10840.0636Rms ୯
㧔mm㧕
0.01200.0087性があると推定する。
・周波数分布では回転数成分 N が突出している。
・p-p 値、Rms 値ともに高めである。
今後、p-p 値、Rms 値の急激な増加がないか、兆候の推移を注視することを提案する。
③

芯ずれ
Ａ排水機場と同様に高調波成分が発生している。
回転数の整数倍の周波数が広く分布しており、軽微ではあるが芯ずれの傾向が見られる。
今後、Rms 値の急激な増加がないか、兆候の推移を注視することを提案する。
④

羽根車の摩耗ZN（羽根車数×回転数）成分＝５N が見られるが、微弱なので早急な整備は必要ないと推定する。
リサージュ図を図－10に示す。振れ回りの軌跡がやや安定していないことがわかる。

図－８振動波形と周波数分析（Ｘ方向）

図－10

24

リサージュ図（単位：mm）

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2014年６月

の検討を継続するとともに、本運転と異なる条件で管６．まとめ

理運転を行う排水機場における振動特性を把握するこ河川ポンプ設備の状態監視保全技術を確立するため、北海道で主流である横軸ポンプ設備の振動特性にとで、河川ポンプ設備の状態監視保全技術の適用性を高めていく。

対する診断・評価の検討を行った。
平成25年度は北海道開発局のご協力をいただき、11

参考文献

排水機場
（ポンプ台数24台）の調査を実施した。
その結果、A 排水機場は、芯ずれの傾向が見られた。

１）振動技術研究会：ISO 基準に基づく機械設備の状

また、B 排水機場は、主軸のアンバランスの傾向が見態監視と診断（振動られた。両者とも特に異常と認められる結果は現れて2012年９月

いないが、今後の推移を注視することを提案する。
振動解析による状態監視保全技術として、非常用系ポンプ（立軸ポンプ設備）で得られた知見を、今回横軸ポンプ設備にも適用できることがわかった。
今後、横軸ポンプ設備特有の高調波に対する検証をカテゴリーⅡ）【第３版】、

２）株式会社キーエンス：まるごとわかる sensor.co.jp（URL http://www.sensor.co.jp）
３）藤野健一、田中義光、上野仁士：河川ポンプ設備の状態監視技術に関する調査、平成23年度国土交
通省国土技術研究会

含め、横軸ポンプ設備における的確な診断を行う手法

片野浩司＊

KATANO Koji
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№733

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

2014年６月 田中隆夫＊＊＊TANAKA Takao
北海道開発局
釧路開発建設部
施設整備課（前 寒地機械技術チーム研究員）

岸寛人＊＊＊＊KISHI Norihito

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

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