関東学院大学 理工学部　准教授

堀田 智哉

2017/3　　　　　博士（工学）　東京理科大学
...もっと見る 2017/3　　　　　博士（工学）　東京理科大学
2017/4‐2020/3　 関東学院大学理工学部助教
2020/4-2023/3　 関東学院大学理工学部講師
2023/4　　　　　関東学院大学理工学部准教授
[専門分野]　転がり軸受工学、機械要素・機械設計、トライボロジー、材料工学

機械および軸受の振動測定

　運転中の機械の振動を測定し、その振動を分析することで、機械または転がり軸受の状態を把握することができます。運転中の転がり軸受は、さまざまな振動を発しますので、それぞれの軸受がどのような振動を発生させるのかを事前に把握しておく必要があります。
　機械の振動測定については、JIS B 0906:1998 「機械振動 −非回転部分における機械振動の測定と評価− 一般的指針」に詳しく書かれていますので、一般的な機械の振動測定方法や評価について、より詳しく知りたい方は、そちらも参考にしてください。また、転がり軸受の状態を評価するための方法については、JIS B 0906の附属書E 「転がり軸受の損傷検出のための専門的な計測及び分析」にも記載されています。
　このJISの中では、“回転機械の広帯域振動の評価は，振動速度のrmsで行なうのが一般的である。これは振動エネルギーと関係づけることができるためである。しかし，変位又は加速度のような他の量，また，rms値の代わりにピーク値を選んでもよい。”と述べられています。転がり軸受の損傷検出では、一般的に「振動加速度の生データrms値」を使用しています。これ以外にも、「加速度ピーク値」、「加速度rms値に対するピーク値の比 (クレストファクタ) 」、「加速度rms値とピーク値の積」などが使用されることがあります。
　機械の振動評価方法には、異常の程度を判断するための簡易診断法と、異常の部位を特定する精密診断法があります。精密診断では異常の部位の特定のために、振動波形をフィルタ処理したうえで、FFT解析 (FFT : 高速フーリエ変換, Fast Fourier Transform) をおこないます。このFFT解析によって、振動がどのような周波数成分で構成されているのかを明らかにします。この精密診断法については、軸受の寿命と振動 (2) でも解説していますので、そちらも参考にしてください。
　機械の振動は直交3方向すべてに現れますが、運転監視においては、半径方向に1あるいは2方向で測定をおこなうのが一般的です。ただし、スラスト軸受など軸方向に荷重が負荷されている場合など、軸方向に振動が顕著に現れる場合などでは、軸方向の振動を測定する必要があります。

振動の指標

　前述したように、軸受の状態監視では、一般的に振動加速度のrms値 (rms : 二乗平均平方根, Root Mean Square) が使用されます。rms値は実効値とも呼ばれます。このrmsとは本来、交流電圧の強さを示すために考えられたもので、電気信号の平均的なエネルギーの大きさを示す指標ですが、振動についても同じように定義されています。rms値は、ある一定期間の波形の2乗をとり、それを平均して、平方根を求めたものです。式で表すと、次式のようになります。

\[V_{rms}=\sqrt{\frac{1}{T}\int _{0}^{T}V\left( t\right)^{2} dt}\]

\(V_{rms}\) : 振動加速度rms値 [m/s²]　　\(T\) : 周期 [s]　　\(V(t)\) : 振動波形

波形が正弦波の場合は、以下のとおりです。
\[ V_{rms}=\frac{V_{\max }}{\sqrt{2}}=0.707V_{\max } \]

\(V_{max}\) : 最大振幅 [m/s²]

　実効値のほかに振動の大きさを表す指標として、波形の一定時間内における振幅の最大値を示すピーク値があります。ピーク値には、片振幅を示す0-p (0-Peak) と、全振幅を示すp-p (Peak to Peak) とがあります。正弦波の場合、実効値とピーク値とは図1に示す関係にあります。

　さらに、等価ピーク値あるいはEQピーク値と呼ばれるものがありますが、これは波形が正弦波であると仮定して、rms値から算出されたピーク値です。したがってrms値と等価ピーク値との関係は以下のとおりです。

\[ V_{0-p}=V_{\max }=\sqrt{2}V_{rms} \]
\[ V_{p-p}=2V_{\max }=2\sqrt{2}V_{rms} \]

\( V_{0-p} \) : 等価0－p [m/s²]
\( V_{p-p} \) : 等価p－p [m/s²]

　振動の大きさを振動加速度レベル [dB] で表示していることがあります。「人の感覚は刺激の強度の対数に比例して知覚される」 (Weber – Fechnerの法則) と考えられていますが、振動加速度レベルは人の感覚により近くなるように換算した指標です。周波数補正をしない場合における、振動加速度レベルLと振動加速度の実効値との関係は以下の式および図のとおりです。

\[ L=10\log \frac{Vrms^{2}}{V_{0}^{2}} \]

\( L \) : 振動加速度レベル [dB]
\( V_{0} \) : 基準振動加速度（JIS：10^-5 m/s²，ISO：10^-6 m/s²）

　また、振動加速度の単位として、[G]が用いられていることがありますが、これは標準重力加速度を基準とした値です。1.0 G = 9.80665 m/s²で換算が可能です。

　次回は、軸受の監視の基本について解説します。