振動解析とクロスチャネル位相で設備トラブルを早期発見する方法

最新の振動データコレクタは複数センサーの同時接続に対応しており、強力なクロスチャネル位相解析機能を備えています。

クロスチャネル位相測定には、標準のアナライザと振動ルートケーブルに加え、ケーブルとセンサーを1組追加するだけで実施できます。

クロスチャネル位相は、構造的緩み、完全性問題、芯出し不良、共振状態など、通常検出が難しい問題を発見できます。

仕組み

通常のルート取得では、重なり合う正弦波を周波数で分離し、それぞれを個別のスペクトルピークとして表示します。

位相解析は単一周波数を分離し、その動きを基準信号に対して測定します。基準は反射テープからのタコメータパルス、キーフェイザー、クロスチャネル構成での別の振動信号などです。

タコメータパルスが矩形波、振動信号が正弦波を生成する場合、それらのピークタイミングを比較します。その結果生じる時間差を角度（度）で表現し、回転運動を反映させます。

回転機械では、反射テープの立ち上がりエッジがタコメータパルスを生成し、続く振動ピークがシャフトの重い部分（ヘビースポット）を示します（重い部分が振動の高い部分と一致しないケースもありますが、本稿では割愛します）。

クロスチャネル構成で2つのセンサーを使用すると、アナライザは各信号の振動ピークを比較します。ユーザーは対象周波数（多くはシャフト回転速度）を指定できます。

典型的なアプローチでは、センサーAをモーターのアウトボード垂直端に、センサーBをモーターフットに配置し、それらの相対位相を観測します。片方のセンサーを固定し、もう片方を追加ポイントへ移動させながら測定します。

センサーBがセンサーAに対して±30°なら、2点は同期して動いています（正常）。±180°なら逆位相で動いており、フット付近でハウジングが分離するクラックが疑われます。所見を記録して後で分析します。

センサーBをフットボルトへ移動：0°ならボルトプレートがモータートップと同期（ボルト締結良好）。±180°のシフトならその位置で緩みあり。

ベースと床にも同じロジックを適用：すべてのポイントがセンサーAと一致すれば相対的緩みなし。

次にセンサーAをモーターインボード端へ移動し同様にチェック。さらにセンサーAをカップリング越しにポンプインボード、アウトボード端へ移動し、各結果を記録します。

個別コンポーネント評価後、垂直・水平両方向で機械列全体の測定値を比較します。垂直方向で芯出し済みでも水平方向で芯出し不良のケースがあるため、両軸必須です。

センサーAを0度固定と仮定し、センサーBをベアリングからベアリングへ機械列に沿って移動。ベアリングで0°なら正常芯出し、±180°なら参照とは逆方向に動いており角度芯出し不良を示唆。

例：センサーBがポンプインボードベアリングで±180°なら、ポンプアウトボードベアリングでは0°が期待されます。すべてのベアリングでインフェーズ読み取りなら正常芯出し確認。

水平方向でも同様に、センサーAをモーターアウトボード水平点に固定し、センサーBを同側で移動、次に反対側へ。すべて記録します。

軸方向位相測定も追加洞察を与えます。センサーAをモーターインボードベアリング、センサーBをポンプアウトボードベアリングに軸方向配置。インフェーズなら正常、±180°シフトなら角度芯出し不良（回転時にシャフト同士が押し合う）を示します。

クロスチャネル位相は機械ベースの構造健全性評価にも有効です。センサーAをモーターアウトボードベアリング垂直方向に固定し、センサーBをベースに沿って2〜3インチ刻みで移動。

一貫したインフェーズ読み取りならフレックスなし。ベース前後で90°または180°シフトなら著しいフレックスや構造欠陥。前面から背面対応位置で180°シフトは典型的な危険信号で、ベースが反対方向に曲がっていることを意味します。

振幅について

位相読み取りには2つの主要指標が付随します：位相角（度）と振動振幅。一部アナライザでは「ピーク＆位相」と表記され、ピークは選択周波数での最大振動を表します。

下図では、ベース上の円が位相方向（目盛り印）を示し、内側の値が速度（インチ/秒）を表示。振幅は左端0.114 in/sから中央付近0.954 in/sまで上昇後、右側で再び低下。位相が一定のため、これは共振ではなく剛性問題を示します。

このような局所的剛性問題は、不十分なグラウトや補強不足を指し示すことが多々あります。他エリアを損なわず剛性を改善する補強設計について、エンジニアに相談してください。

まとめ

クロスチャネル位相は現代の2チャネルアナライザに不可欠な機能で、技術者が機械トラブルを早期に検出・確認・記録する力を与えます。正常な機械運動をしっかり理解することが、正確な解釈の前提となります。