振動解析の具体的な応用例

振動解析の具体的な応用例

パイプ、ボイラー、ファンなどの計測に振動センサーがどのように役立つかをご紹介します。

振動解析の具体的な応用例

振動解析の簡単な説明と考え方

monitoring_maintenance_staff
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前回の記事では、振動モニタリングの「何を」「なぜ」行うのかを列挙しました。 しかし、「何を」「なぜ」知っているだけでは相手を説得することはできません。 時には、振動解析を活用した事例や詳細な使用例を示す必要があります。 近年、世界の自動車産業では、自動車に対する需要が増加し、機械を効果的に働かせることがこれまで以上に重要になっています。 それを実現したのが、センサーによる振動解析です。 機械が出力する量と周波数を測定する電子機器です。

振動解析とは?

まず初めに、振動とは何かをおさらいしましょう。 ウェブスターの辞書によると、振動とは「弾性体や媒体の粒子が、平衡状態から交互に反対方向に周期的に動くこと。 攪乱の例としては、伸縮や揺れなどがある。 この現象は、稼働中の回転するタイプの機械や動く構造物で発生する。 振動源は、回転シャフト、噛み合うギア歯、転がり軸受要素、回転電界、流体の流れ、燃焼現象、構造共振、角回転など、さまざまなものがある。」と定義されています。

 

振動分析とは、機械やその部品の状態を監視する過程であることを思い出してください。 これは通常、接続基準のアナログオプションや、収集したデータをクラウドにアップロードする無線オプションによって行われます。 収集されたデータは、機械の通常とは異なる挙動を分析するために使用されます。 これは、機械の寿命を向上させ、長期的に費用を削減するために行われます。 振動解析によって発見できる一般的な故障のリストを以下に示します。 .

  • 不均衡
  • ベアリングの不具合
  • 機械の緩み
  • 工場配管
  • plant_piping
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  • ミスアライメント
  • 共振と固有振動数
  • モーターの電気的故障
  • シャフトの曲がり
  • ギアボックスの故障
  • ポンプのキャビテーション
  • 限界速度

振動解析では何を測定するのか?

振動が現象であることを思い出してください。 回転機械の振動は、回転部品やベアリングの摩擦や遠心力の結果です。 時間領域解析では、振動解析に共通するパラメータとして、二乗平均平方根(RMS)、標準偏差、ピーク振幅、尖度、波高因子、歪度などがあります。

  • 振幅は、振動の最大延長であり、波形の最低点から最高点まで測定されます。 動きの大きさに関係します。
  • ピーク振幅は、ゼロ基準レベルからの波形の最大正負偏差。
  • 二乗平均平方根(RMS)は、"実効 "信号レベルを表す。 振動の強さを測定する最も一般的なパラメータです。
  • 標準偏差(Standard Deviation)は、グループとそのグループの平均値との差。
  • クルトーシス(Kurtosis)とは、度数分布曲線のピークの鋭さ。
  • クレストファクターは、ピーク値と実効値の比。
  • 歪度とは、信号の平均値に対する非対称な広がりを表す尺度。

振動は様々なタイプのセンサーを通して計測され、各センサーには、圧電(PZT)センサー、微小電気機械センサー(MEMS)、近接プローブ、レーザドップラ振動計など、様々な計測技術が搭載されています。 最も一般的に使用されるセンサーは PZT で、変形すると電圧が発生し、その電圧信号をデジタル化して振動を表現します。

振動解析の特徴とは?

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変に聞こえるかもしれませんが、振動には一定の種類や形態があります。 変位、速度、加速度です。 この3つのタイプのうち、加速度は最も広い周波数範囲を提供し、動的故障解析に広く適用されるため、最も頻繁に使用されるタイプです。

  • 変位は、ある物体が移動した2つの位置の差を表す。
  • 速度は、移動の速さの違いを表す。
  • 加速度とは、物体がその速度を変化させる速度である。
  • 振動の強さは振幅で、周期性は振動数で表すことができる。
  • 振幅とは、振動体や波のある点が、その平衡位置から測定した最大変位または移動距離のことである。
  • 周波数は、単位時間内に一定点を通過する波の数である。
  • 流れによる振動係数は、検査対象のパイプの幾何学的特性から計算される。

振動解析の利点と制限事項は?

振動解析の利点と限界について説明します。

利点
  • 健康状態の変化にリアルタイムで反応
  • 遠隔状態監視をサポート
  • 予知保全のための確立された処理と信号分析方法/アルゴリズム
  • さまざまな運転条件に対応する市販の各種センサーを使用可能
制限事項
  • 故障箇所の特定が困難
  • 亀裂伝播の監視が困難
  • 適切なシステム設定が必要

振動モニタリングの全体的な利点は、作業を遠隔で行えることであるといえます。 オンライン監視は先進的であり、持ち運びが可能であるため、推奨され、好まれています。 さらに、機械の健康状態に関するリアルタイムのデータが得られます。

振動解析の具体的な活用法

振動センサーが、その設置や使用方法から、いかに使いやすいツールであるかを思い出してください。 そのため、振動センサーが実際に使用されている産業事例は数多くあります。 ここでは、いくつかの例を順不同で簡単にご紹介します。

  • 航空宇宙
  • 自動車・搬送
  • パルプ・製紙
  • 食品と飲料
  • 石油・ガス、精製、石油化学
  • 発電(化石燃料、原子力、水力、風力タービン)
  • 工作機械
  • 金属加工
  • 鉱業、鉱物処理、セメント

これらの例に共通するのは、異なるタイプの回転機器を使用していることです。 以下は、その産業用途について詳しく説明したものです。 むしろ、この回転機器を使用していない産業を挙げられますか? 米国の調査によると、産業用電動機の約90%がポンプに連結されているそうです。

電車のドアに関する応用

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鉄道システムにおける遅延の原因の一つは技術的な問題であります。 ある調査によると、輸送遅延の19%は技術的な問題によるものであり、そのうちの20%は自動ドアの故障によるものであります。 日本では近年、駅と列車の間に改札口を設置することが議論されています。 さらに、このような遅延は、収益の損失、フランチャイズの罰金、乗客や間接的に影響を受けた利用者への補償金にもつながる可能性があります。 つまり、監視されていない問題は、予想以上に壊滅的な金銭的損害を引き起こす可能性があるのです。 振動解析は、次のような方法で列車のドアの健全性を監視するために使用されます。

  • 加速度ピックアップを使用することで、すべての重要なドアコンポーネントをカバーする総合的な状態監視を実現。
  • どの部品に不具合が発生する可能性があるか、または次回のメンテナンス時に交換が必要かを自動的に早期警告。
  • 緩み、空気圧の変化、ドアローラー、リニアシャフトアセンブリ、ボールベアリングの摩耗、シャフトとドアパネルのミスアライメントを、ドア機構の故障が発生する前の非常に早い段階で検出。

さらに、技術戦略委員会と鉄道安全基準委員会から一部資金提供を受けたプロジェクトまたはケーススタディが、訓練用ドアへの振動モニタリングの利用を裏付けるために実施された。 このプロジェクトの目的は、列車ドアの機械が故障する前に摩耗や欠陥を検出するシステムを開発することでした。 このプロジェクトでは実験的なドアが使用されましたが、それでも肯定的な試験データが得られました。

振動モニタリングとプロセス配管

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プロセス配管は、施設内で流体やガスを移動させる最も安全で効果的な方法です。 これは配管とは異なり、輸送するものに合わせて特別に設計された材料で作られています。 プロセス配管システムの最も一般的な故障原因の一つは、振動による疲労です。 英国の安全衛生庁(HSE)が発表したデータによると、疲労と振動による故障は、炭化水素放出の21%を占めています。 これは経済的損失につながり、地域の安全、健康、環境に影響を与えます。 配管システムが故障する可能性を提供する2つの要因があります。

  1. 流れに起因する振動要因と動的圧力・流れに起因する振動係数(Fvと表現されることもあります。vは添え字) : これは、検査されるパイプの幾何学的特性、パイプの外径、主パイプの肉厚から計算されます。
  2. 動圧 (pv^2) : この係数は、密度や流体速度などの流体システムの流動特性から決定されます。

TWIは、プロセス配管の振動モニタリングの研究を行いました。 この研究は、2種類の振動を検出するポータブル装置を用いて実施されました。

  1. EIガイドラインに従った許容振動レベル
  2. リスクベースの評価を必要とする許容できない振動レベル

この研究により、以下の結果と工場オーナーへのフィードバックが得られました:

  • 操作が簡単で、専門家でなくても使用できる。
  • 低費用、最初の設置は費用がかかるかもしれないが、長期的にはプラントの費用削減を可能にする。

回転式風力タービン部品の振動モニタリング

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風力タービンは風を利用して電気を作る道具です。 回転する風車に振動監視を適用するプロジェクトが実施されました。 このプロジェクトの目的は、不必要なメンテナンスをどれだけ削減できるか、あるいは無くすことができるかということです。 振動解析手法は、ギアボックス、回転部品、発電機の状態を監視するために適用されました。

振動監視と排水サンプポンプ

ご存じない方のために簡単に説明すると、廃水とは、人間が関連する活動から生じる、地域社会の水性廃棄物のことであります。 廃水には、ブラックウォーターとグレイウォーターの2種類があります。

water_purification_facility
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廃水ポンプは、この廃水を処理するために極めて重要ですが、施設によっては距離が遠いため、最低限の監視しか行われていません。 最小限の監視で発生する問題には、ポンプの問題につながるキャビテーション、蒸気泡の破裂による振動、高圧によるインペラの損傷などがあります。 しかし、これらの問題は遠隔監視で防ぐことができます。 振動分析を使用することで、排水の問題、タンクの不要なレベル変化、その他のポンプの故障を防ぐことができます。

冷却塔ファン用ボイラー給水ポンプ

そもそもボイラー給水ポンプは、蒸気ボイラーに給水するポンプです。 問題は、不適切な吸込圧力、吐出圧力、流量、ポンプ速度、または電力が原因で発生する可能性があります。 技術者は、振動センサーがそれを超えるとアラームを鳴らすような制限値を事前に設定することができます。

振動モニタリングとクリーンルームファン

ファンフィルターユニット(FFU)などのクリーンルームファンは、クリーンルームの清掃に一役買っています。 調査によると、クリーンルームは30以上の産業で使用されており、その70%は半導体、製薬、バイオテクノロジービジネスで使用されています。 従って、クリーンルームを汚染から遠ざけることは重要です。 さらに、ファンやドライブベルトの故障は制御不能の原因となります。 しかし、ベアリング、ファンインペラ、ドライブからのモーター振動用のリモートセンサーを設置することで、故障を回避することができます。

振動監視と鉱山工場コンベヤ

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ほとんどの採掘環境では、ほこりや汚れに敏感な高価な機器を使用しています。 掘削中に使用される最も重要な資産の1つであるコンベヤは、通常、地面の上、下、または近くに配置されるため、これは難題です。 さらに、モーター、ギアボックス、ローラーベアリングといったコンベアシステムの他の部品は、通常、手の届きにくい場所に配置されているため、専門家にとっては健康面や安全面への懸念が増します。 しかし、遠隔振動を使用すれば、安全な距離で監視ができるため、疲労が減少します。

食肉加工工場の冷却と振動監視

冷却装置は、標準的な業務用またはHVAC冷却よりも多くの処理を行うように設計された冷凍システムです。 冷却装置は、ハロカーボンまたはアンモニア冷媒を使用することにより、産業プロセスに冷凍を提供します。 回路はコンプレッサー、コンデンサー、エバポレーター、ポンプ、パイプ、高圧冷媒リリーフバルブなどで構成されます。 これらの部品はすべて、温度、湿度、空気循環を制御することで、食肉の安全な消費を維持するために協働します。 振動センサーは、ベアリングの磨耗を検知して早期に警告を発し、不十分な冷却性能を防ぐために使用されます。

パン工場ミキサーの振動監視

東アジア諸国では異質な考えに聞こえるかもしれませんが、米国では毎秒約350枚のピザが食べられており、米国人の98%がピザを食べています。 そのため、ピザ工場にとって、各パーツが効果的に機能することが重要になります。 平均して、ピザ工場は複数のポンプとモーターを使用して、1日に最大22,680kg(50,000ポンド)を生産することができます。 典型的なピザ工場は、サイロ、攪拌モーター、モーター駆動、コンベアベルトといった部品で構成されています。 これらの複数の部品とピザの高い需要により、振動監視は工場が各部品の健全性を判断することを可能にします。

フットボールスタジアム空調ファン

アメリカに共通するもうひとつの外国の話題は、フットボール(アメリカンフットボール)です。 アメフトスタジアムでは、密閉されたスタジアム内に換気を供給するため、複雑で精巧なシステムが必要となります。 さらに、スタジアムの故障や損傷は、観客や収益の損失につながる可能性があります。 したがって、ほとんどのスタジアムにとって、HVACファンの動作不良は選択肢の一つではありません。 遠隔センサーにより、オペレーターは重要なモーターやポンプの振動を監視することができ、試合の中止や中断を防ぐことができます。

建設現場での振動モニタリング

建設現場における排水ポンプは、多くの用途があるため重要です。

  • 排水と脱水
  • 掘削脱水
  • 地下水低下(排水井戸/ウェルポインティング)
  • construction_site_application

    construction_site_application
  • 建設現場での用途
  • トンネル工事
  • 建築工事
  • ダム排水
  • 橋梁
  • 下水道ネットワーク
  • パイプライン
  • バイパス
  • 治水
  • 海洋
  • 雨水流出
  • 建設用採石場

脱水ポンプの全体的な目的は、建設現場から離れた場所にある地下水を除去することです。 他の配管と同様、詰まりは故障の最も一般的な原因であり、腐食、潤滑不足、汚染によって発生します。 さらに、工事は計画通りに進め、遅延を防ぐことも重要です。 したがって、資産内のあらゆる変化について情報を得ることが重要です。 チェックされていない部品は、ポンプの信頼性の低下につながり、甚大な損害をもたらす可能性があります。

病院のポンプとファン

病院には様々な設備がある。 換気や空気循環に不可欠な機器も無数にあります。 換気システムは、新鮮な空気を供給し、限られた空間内の熱を除去し、病気を予防し、患者を治療するために実施されるため、重要です。 これらの機器に遠隔振動センサーを取り付けることで、病院のメンテナンスは機器が健康で継続的であることを確認することができます。 過度の振動は、アンバランス、緩み、カップリングの摩耗、ミスアライメント、ベアリング不良、ロータークラックなどが原因で発生することがあります。 この監視は、初動作業員の健康を守るだけでなく、患者の健康も守るため、非常に重要です。

吸水ロッドポンプ

サッカロッドポンプは、地上の動力源を利用した人工揚水システムです。 ダウンホールポンプアセンブリに接続されたビームとクランクアセンブリによって往復運動が作成されます。 このツールの目的は、地下の油層から石油を引き上げることです。 コンポーネントの大半が地下にあるため、機器の故障や修理には非常に費用がかかります。 しかし、遠隔無線センサーがあれば、少しは楽になります。 ほとんどの場合、振動データはソフトウェアを使って送信され、担当者は現場にいなくてもグラフの傾向をチェックすることができます。

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