振動診断による設備異常の早期発見｜ベアリング・ギア・アンバランスの検知

「設備の突発故障で生産が止まった」

製造業において設備の突発故障は、生産停止、納期遅延、修復費用など、大きな損失を招く。実際に、ベアリングの偏摩耗により攪拌機シャフトが溶断・落下し、数千万円の損害が発生した事例もある。

この記事では、振動診断による設備異常の早期発見方法を解説する。ベアリング、ギア、アンバランスなど、異常の種類ごとの振動パターンと対処法を紹介する。

振動診断とは

振動診断は、設備の振動パターンを分析して異常の兆候を検出する技術だ。

なぜ振動診断が有効なのか

振動には機械全体の状態を表すパラメータ（加速度・速度・変位など）が多く含まれる。設備異常の初期段階からパラメータに変化が現れるため、異音や発熱より早く兆候を捉えることができる。

振動診断は、予知保全（予兆保全）の核となる技術だ。

振動の測定パラメータ

振動診断では、異常の種類に応じて測定パラメータを使い分ける。

振動速度と振動加速度

• 低周波（10～1,000Hz）：回転体のアンバランスや軸心のずれなど、機械全体の異常
• 高周波（1,000Hz超）：ベアリングの傷やギアの欠損など、部品レベルの異常

異常の種類によって振動が発生する周波数帯が異なるため、適切な振動センサを選択することが重要だ。

異常の種類と振動パターン

代表的な設備異常と、その振動パターンを解説する。

ベアリング異常

ベアリングの損傷は、製造設備で最も多い故障原因の一つだ。

ベアリング異常の兆候：

• 高周波（1,000Hz超）の振動が増加
• 振動パターンに「雑味」が発生
• 温度上昇、異音の発生

損傷の進行パターン：

1. 初期段階：微細な振動パターンの乱れ
2. 進行段階：振動レベルの増加、異音の発生
3. 末期段階：発熱、焼付き、軸受の破損

ベアリング異常は高周波の振動加速度で検出する。

アンバランス

回転体の質量分布が不均一な状態。

アンバランスの振動パターン：

• 回転周波数（1×rpm）に大きなピーク
• 振動の方向は主に径方向
• 回転速度に比例して振動が増加

主な原因：

• 羽根車やローターの摩耗
• 付着物の堆積
• 部品の欠損

ミスアライメント（軸心のずれ）

モーターと被駆動機の軸心がずれた状態。

ミスアライメントの振動パターン：

• 回転周波数の2倍（2×rpm）にピーク
• 軸方向の振動が大きい
• 軸継手部の温度上昇

主な原因：

• 据付け精度の不良
• 熱膨張による軸心のずれ
• 基礎の沈下

ギア異常

歯車の摩耗や損傷による異常。

ギア異常の振動パターン：

• 歯車のかみ合い周波数にピーク
• 側帯波（サイドバンド）の発生
• 異常が進行すると広い周波数帯でノイズ増加

主な原因：

• 歯面の摩耗
• 歯の欠損・ピッチング
• 潤滑不良

ゆるみ

機械の固定部にガタがある状態。

ゆるみの振動パターン：

• 回転周波数の整数倍（1×, 2×, 3×...）にピーク
• 振動波形が不規則
• 衝撃的な振動成分

主な原因：

• ボルトの締付け不足
• 軸受の過大すきま
• 基礎の劣化

振動診断の進め方

振動診断を効果的に進めるためのステップを紹介する。

ステップ1：基準値の設定

まず、正常時の振動レベルを測定し、基準値を設定する。

基準値の設定方法：

• 新設備：メーカー推奨値を採用
• 既存設備：正常運転時のデータを蓄積
• 業界標準：ISO 10816などの規格を参考

ステップ2：定期測定

定期的に振動を測定し、トレンドを監視する。

測定頻度の目安：

ステップ3：トレンド分析

振動レベルの変化をトレンドグラフで可視化する。

注目ポイント：

• 振動レベルの上昇傾向
• 急激な変化
• 季節変動（温度の影響）

ステップ4：周波数分析

異常が疑われる場合、周波数分析で原因を特定する。

周波数分析のポイント：

• 回転周波数との関係を確認
• ベアリング固有周波数との照合
• 正常時との比較

ステップ5：対策の実施

異常の種類に応じた対策を実施する。

振動監視の導入効果

振動監視による予知保全を導入すると、以下の効果が期待できる。

コスト削減：

• 突発故障による生産停止の削減
• 部品の寿命を使い切れる（過剰交換の防止）
• 計画的な補修による効率化

設備稼働率の向上：

• 突発停止時間の削減
• 計画停止への移行
• 設備総合効率（OEE）の向上

安全性の向上：

• 重大事故の未然防止
• 二次災害の防止
• 作業環境の改善

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まとめ

振動診断は、設備異常を早期に発見するための有効な手法だ。

振動診断のポイント：

• 異音や発熱より早く異常を検出できる
• 振動速度（低周波）と振動加速度（高周波）を使い分ける

代表的な異常と振動パターン：

• ベアリング異常：高周波の振動増加
• アンバランス：回転周波数にピーク
• ミスアライメント：回転周波数の2倍にピーク
• ギア異常：かみ合い周波数にピーク
• ゆるみ：回転周波数の整数倍にピーク

振動診断の進め方：

1. 基準値の設定
2. 定期測定
3. トレンド分析
4. 周波数分析
5. 対策の実施

振動診断を活用して、設備の突発故障を未然に防ぎ、安定した生産を実現しよう。

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