同期平均化が低速ギアボックスのピニオン故障を特定した事例
ある大規模な製紙プラントで、23歯のピニオンが132歯のブルギアを駆動する低速ギアボックスから、潤滑油中に鉄粉が発見されました。保守管理者は、機械が大破損を起こす前に汚染源を特定する必要がありました。
ギアボックスの概要
このギアボックスは、入力軸に23歯のピニオン、132歯のブルギア、そして同一のブルギアがもう1つ搭載されており、これらは2本の24インチ鋼製ローラーに取り付けられています。出力側のブルギアは52 rpmで回転し、ピニオンは302 rpmで回転しています(図1参照)。

図1. ギアボックスの速度比
初期調査
油分析では鉄粉が検出されましたが、ベアリング近くで採取した振動スペクトルにはベアリング固有の周波数成分は見られませんでした。疑いはギア自体に向けられ、どの部品に欠陥があるかを隔離するため、より詳細な分析が行われました。
同期平均化:診断ツール
同期平均化は古くから知られた手法ですが、産業診断の現場ではあまり活用されていません。タコメーターからのトリガー信号を用いて振動取得をギアの回転に同期させることで、単一ギアの振動シグニチャを分離し、他の機械要素からの信号を抑制できます。
主な設定として、1回転分よりわずかに長い記録長と、多数の平均化回数(今回は90回)を用いて波形の明確化を図りました(図3参照)。

図3. 平均化の設定
結果
両方のブルギアはクリーンで欠陥のない波形を示しましたが、ピニオンの平均化信号には、ブルギアとの噛み合いが不規則になる箇所で顕著なノイズ領域が現れました(図4参照)。

図4. 同期平均化で明らかになったピニオンの欠陥
実地検査
「このギアボックスは20年間問題なく稼働してきた」という保守責任者の懐疑的な見方にもかかわらず、アクセスプレートを外して内部を確認したところ、ピニオン軸のキー溝が著しく摩耗し、ギアが約半歯分ずれていることが判明しました。ピニオンボアの隙間と剥離が確認され、汚染の機械的根本原因が特定されました(図5〜7参照)。

図5. ピニオンボアの剥離

図6. 歯面の摩耗

図7. 損傷した歯先のクローズアップ
解決
ギアボックスメーカーの確認によると、ピニオンと軸のインターシャフィットが緩すぎたことが原因で、これは取り付け時に発生しうる状態でした。ピニオンと軸は即座に交換され、大破損は未然に防がれました。この成功事例により、プラント内での振動監視の価値が再確認されました。
重要なポイント
- 同期平均化は、ギア固有の振動シグニチャを分離する強力かつ未活用の手法です。
- 長年稼働している設備でも、潜在的な欠陥が標的を絞った分析で明らかになることがあります。
- 迅速な診断と是正措置により、大幅なダウンタイムと修理コストの削減が可能です。
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