スライドベアリングの各種故障診断・解析！振動の原因、メカニズム、特徴、解決策

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スライドベアリングとは、一般的に言われる平面ベアリングのことで、形状がシンプルで接触面積が大きい。潤滑状態が良好であれば耐摩耗性も優れ、ベアリングの寿命も長くなる。スライドベアリングは耐荷重性が高く、回転精度も優れており、潤滑膜には衝撃に耐える機能があるため、工学分野で広く利用されています。本稿では、スライドベアリングの振動故障の原因、振動メカニズム、振動対策などについて解説しています。滑り軸受は、負荷がかかる方向によって、推力滑り軸受と半径方向滑り軸受に分けられます；潤滑油膜の形成原理によって、動圧スライドベアリングと静圧スライドベアリングに分けられる；構造形態によって、一体型スライドベアリングと分割型スライドベアリングに分けられる。1. スライドベアリングの故障発生原因 スライドベアリングの故障発生原因は主に、軸受ブッシュの設計や不適切な取り付けにある； 過速運転、過積載運転、または潤滑油に不純物が含まれている場合； 高温・高速・高負荷の運転状態下では、軸受部と軸受ブッシュの材料が熱膨張し、軸受の隙間がなくなり、金属同士が直接接触する； 交流荷重の作用により、ベアリング表面には往復する引張応力、圧縮応力、およびせん断応力が生じ、その結果ベアリング表面に微細なき裂が発生します。継続的な運転状態の下で、最終的に疲労破壊が生じます； 大きな振幅での長期運転によって引き起こされる剥離； カップリングのずれや運転操作の不適切さなどが原因で生じる準同期不安定など。7 @# S3 k" ?' ` 2. スライドベアリングの振動故障の種類 スライドベアリングの振動故障にはさまざまな現れ方があり、その中には軸受の隙間が過大であることも含まれます；油膜渦動と油膜振動、摩擦；また、一般的な軸受の摩耗、焼損、疲労による剥離亀裂などの故障もあります。3. スライドベアリングの故障振動メカニズム　スライドベアリングの振動を引き起こす原因は多くあり、そのほとんどはローターの不均衡、ずれ、剛性の問題など、他の機械的な問題に起因している。スライドベアリング自体が引き起こす振動は、主に適切でない隙間による剛性の低下、および設計や取り付けの不備によるオイルフィルムの問題に起因する。オイルフィルム渦動とは、半径方向スライド軸受のオイルフィルム力によって生じる一種の渦動です。ローターの軸受部がスライドベアリング内で安定して回転しているとき、ベアリングの油膜力Rと負荷Wが互いにバランスを取り、ローターの軸心はある平衡位置O1にある。もしローターが乱れによって平衡位置からO2点へ移動した場合、変化後のオイルフィルム力R′と負荷Wの合力Fはもはやゼロではなく、共線にはならない。合力Fは、半径方向の分力と接線方向の分力の2つに分解できる。半径方向の分力Frは軸受の変位方向と反対であり、軸受を元の平衡位置O1に戻そうとする弾性的な復元力である；また、接線方向の力Fuは軸受の変位方向に垂直であり、これによって軸受は平衡位置O1を中心にさらに回転し続ける。これによって渦動が生じ、この渦動を油膜渦動と呼び、Fuを渦動力という。http://p1.pstatp.com/large/3b160000b4946692d02b 軸受けが受ける渦動力が油膜減衰力より小さい場合、軸心の渦動によって形成される軸心軌跡は収束し、渦動は減少する；渦動力が油膜減衰力に等しくなると、軸心の軌跡はもはや拡大せず閉じた図形となり、渦動は安定する；渦動力が減衰力を上回る場合、軸心の軌跡は発散し、渦動は不安定となる。渦動の回転方向がローターの回転方向と同じ場合、それは正の進動である；逆に、反進動である。理論的な計算によると、オイルフィルムの渦動の回転周波数Ωは、ローターの回転周波数ωの半分、つまりΩ＝ω/2に等しくなる。したがって、オイルフィルムの渦動は理論上、半速渦動とも呼ばれる。実際には、油膜渦動の振動周波数は回転速度周波数の約0.42～0.48倍であり、すなわちΩ＝（0.42～0.48）ωとなる。オイルフィルム振動は、ローターの回転周波数ω（すなわち回転速度n）が絶えず上昇するにつれて、オイルフィルム渦動の渦動周波数Ωも絶えず上昇する。回転速度nがローターの第一臨界回転速度nk1の約2倍に達した時、つまりオイルフィルム渦動の周波数がローター軸受系の固有周波数に等しくなるΩ＝ωk1の時、ローター軸受系は強烈な共振を起こし、これがいわゆるオイルフィルム振動である。油膜振動が発生すると、回転速度がさらに上昇しても、渦動周波数は渦動比（Ω/ω）が一定であるという法則に従って上昇することはなく、依然としてωk1のままであり、つまりローターの固有周波数である第一臨界回転速度にしっかりと固定されたまま変わらないのである。油膜渦動および油膜振動は自己励起振動であり、つまり振動を維持するエネルギーは、回転子軸受システム（潤滑油を含む）が自らの回転によって生み出すもので、外部とは無関係に絶えず大量のエネルギーを供給し続けることができる。したがって、油膜振動には深刻さ、突発性、時折断続的な轟音が発生するといった特徴もある。大型機械で多く使用される傾斜軸受について、理論計算によれば、軸受ブロックの質量と支持点の摩擦力を無視した場合、傾斜軸受の交差剛性はゼロとなり、オイルフィルムの渦動や振動が発生することはない。そのタイルが自由に揺れるため、油膜力は自動的に軸心を通るよう調整され、荷重と一直線になり、接線方向の油膜分力がなくなり、根本的に渦動の推進力が排除される。しかし、実際の使用においては、支点の摩擦力やベアリングの締め付けが不適切であること、潤滑油の粘度が高すぎることなど、設計条件と合致しない状況が生じることが多いため、傾斜軸受でもオイルフィルム振動が発生する可能性があります。円筒形ベアリング、楕円形ベアリング、多油楔ベアリング、多油葉ベアリングなどの他のタイプのベアリングについても、高速で軽負荷の場合は、油膜渦動や油膜振動が発生する可能性がある。4. スライドベアリングの振動故障診断　スライドベアリング自体に関連する振動要因としては、隙間振動、高負荷装置による衝突摩擦が引き起こす熱的不均衡、およびオイルフィルムが原因となる不安定問題が主である。その他の振動はほとんどが、ローターシステムからの励起がベアリングハウジング上で生じる応答であり、プラットフォーム内の他の機械故障診断手法を参照することができる。また、脱型、亀裂、および低パラメータの通常機器における摩耗などの故障については、振動ではあまり敏感に反応しないが、油液分析ではしばしば良好な結果が得られる。スライドベアリングの振動故障診断方法：1. 軸受の動作が悪くなったり摩擦の兆候が見られる場合、振動には明らかな変化が現れないこともあるが、軸受の温度は著しく上昇する。このため、現場の温度計や冷却水の温度、油温の変化を観察し、また潤滑油の色の変化も確認することができる。2. 振動がベアリングのトップギャップの調整が過剰または緩んでいることによって引き起こされる場合、垂直方向の振動は著しく増大し、水平振幅との比率は縮小して水平振幅に近づくか、それを超えることもある。振動は一般的にそのベアリングでのみ比較的明確に現れます。3. 装置に非接触型センサーが軸振動を測定するために搭載されている場合、ベアリングの摩耗は通常、直流ギャップ電圧の顕著な上昇を伴い、それによってセンサーに対するベアリングの位置での摩耗度合いが示されます。4. オイルフィルムの渦動時、回転速度がある値に達すると振幅が急激に増大し、オイル温度の変化によって振幅も顕著に変わる。5. オイルフィルム振動故障は柔軟な回転子にのみ発生し、その振動周波数は回転速度の半分の周波数に近い。軽負荷軸受では、その回転速度に達する前に、まずオイルフィルムの渦動が現れることがある。過負荷のベアリングは、回転速度が上がる過程で油膜振動が直接発生することがあります。6. 油膜の渦動や振動が発生した場合、潤滑油圧を上げると、振動がかなり顕著に変化することがある。7. 油膜振動回転速度の遅れ現象。加速過程において、回転速度が不安定限界回転速度を超えるとオイルフィルム振動が発生する。しかし、油膜振動が発生した後、機械の回転速度がその閾値まで低下しても、振動は減少しない。回転速度がさらに低下した場合にのみ、振動は減少する。加速・減速過程において油膜振動が発生し消滅する回転速度の間には差があり、この現象は回転速度遅れ現象と呼ばれる。8. 振動は、振幅が大きく、突発的であるという二重の特性を持つ。油膜振動が近づくと、不安定な低周波振動成分が現れ、その振幅は時々消えたり現れたりする。オイルフィルム振動が発生すると、振動振幅は短時間（数秒間）で急激に増大し、その振動振幅は通常の強制振動よりもはるかに大きくなる。9. 軸受の微細な亀裂や剥離などの欠陥に対しては、最も効果的な方法は停止時に行う金属探傷法である。10. 油膜の渦動時には二重環または多重環の軸心軌跡特性が現れ、高調波の振動波形はすべて蛇行する特徴を持つ。11. かみ合い隙間が大きすぎると、周波数の高調波成分が多くかつ顕著になり、機械的な緩みの現象に似ている。隙間が大きすぎるスライドベアリングは、わずかな不均衡やずれ、その他の関連する力によって高次調波の振動スペクトルを生じさせる可能性があります。この場合、ベアリングは故障の原因ではありません。しかし、ベアリングの隙間が規定値を満たしていれば、振動振幅は増大しません。12. 油膜の渦動時、スペクトル図において半周波成分が明らかに増加するが、その振幅は一般的に倍周波成分の振幅の半分以下であり、回転速度が上昇しても半周波と倍周波の関係の順序は変わらない。13. 油膜振動の前は、振動は工頻成分が主である。振動が急変すると、工業用周波数成分の振幅は減少し、低周波成分の振幅が工業用周波数成分を**上回って主要な周波数成分となる。14. 油膜振動が発生すると、振動は急激に増大し、回転速度をさらに上げても振幅は変わらなくなる。振動周波数は常にローターシステムの固有周波数と等しく、回転速度の変化によって変わりません。ローター両端のベアリング振動位相はほぼ同じである。