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よく耳にするFFT解析。軸受診断に適用すると何がわかる?

The word spectrum and doctor showing chalkboard against low angle view of tall trees

「FFT、よく聞くけれどイマイチわからない」「難しそう…」という方、大勢いると思います。でも、実はこのFFTも周波数の応用なのです。FFTと軸受診断について解説します。

発生している周波数を可視化するには?

 
回転機械から発生しているさまざまな音や振動は、低周波領域から高周波領域に至る周波数が交じり合った状態です。モーターが稼働している音だけではなく、それに伴い回転するシャフト(軸)やカップリング、軸受(ベアリング)の振動かもしれませんし、ポンプであればキャビテーションかもしれません。

(低周波領域)
● カップリングのミスアライメント
● 羽根のアンバランス
● 歯車の噛み合いによる振動
● ポンプのキャブテーション
● 軸受の振動 …etc.
(高周波領域)

これらの周波数を可視化するために用いるのがセンサです。センサの内部には圧電素子という部品が組み込まれており、この圧電素子に機械的な力やひずみがかかると、電圧が発生します。この性質を利用し、周波数を可視化するのですが、圧電素子の種類によって取得できる周波数領域が異なります。

例えば一般的な振動加速度センサが対象にしているのは、5-20kHz程度といわれており、私たちの可聴域もおおむねこの中に含まれます。圧電素子は水晶・ロッシェル塩でつくられることが多いようです。

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時間軸波形と周波数スペクトル

 
下図は、センサが取得した電圧を個々の周波数に分解し、波形の時間的変化を示したものです(横軸:t)。これは時間軸波形と呼ばれています。

出力される周波数はさまざまで、電圧の強弱は振幅(波の高さ)であらわされます。振動計であれば、振動が小さい場合は電圧も小さく、振動が大きい場合は電圧も大きくなります。しかし、このような時間軸波形を見るだけでは、どの部位に起因する周波数なのか判別することができません。

voltage

そのため、この時間軸波形を基に、横軸に「周波数(波の個数)」を、縦軸に「振動の強弱(波の高さ=振幅)」をとったものが周波数スペクトルと呼ばれるもので、この波形を用いて診断を行います。

これらの時間軸波形を周波数スペクトルに変換する、すなわち計算機上で高速に計算するアルゴリズムのことをFFT(高速フーリエ変換)と呼びます。

周波数スペクトルを用いた軸受診断

 
では、軸受の診断に焦点をあててみましょう。軸受にはそれぞれ固有の損傷周波数というものがあり、軸径・型式・回転数などから算出することができます。最近では、製造メーカーのWebサイトに掲載されていたり、自動計算ソフトが組み込まれていたりしますので、そちらを使うと便利です。

卓越した周波数があった場合、損傷周波数(およびその整数倍)と合致するかを確認することで、軸受に損傷があるか否か、その部位を確認することができます。センサを使用し、計測した具体的な例でみていきましょう。

ある軸受の周波数スペクトルを取得しました。すると、いくつか卓越した周波数があることが確認できます。一つ目は150Hzと200Hzの中間あたり、二つ目は350Hz近辺です(ここでは横軸:周波数、縦軸:dBの周波数スペクトルが出力されています)。

FFT spectrum

その軸受の損傷周波数を調べたところ、下記であることがわかりました。

● 転動体損傷周波数:130.992Hz
● 内輪損傷周波数:175.298Hz
● 外輪損傷周波数:145.369Hz
● 保持器損傷周波数:11.182Hz

この中では、内輪損傷周波数=175.298Hzと合致しそうです。さらに、二つ目のピークのある350Hzというのは、175の整数倍(2倍)にあたります。このことから、内輪に損傷が発生している可能性が疑われます。

このとき、診断パラメータの数値は初期の軽微な損傷の可能性を示唆していました。そのため、機械をストップし、開放を実施したところ、内輪に損傷を発見することができました。

inner race failure
※ 写真はイメージです。

特に気を付けたいのは、玉(コロ、転動体)の損傷です。軸受の玉は一般的に内輪、外輪よりも固い素材でつくられています。仮に玉が破損すると噛み込みが発生し、機器停止に至る可能性が高いため、一般的に玉損傷周波数が検知された場合、軸受の交換時期とされています。

おわりに

 
どの部位で損傷が発生しているのかを判断するために、振動計が使用されることも多いです。当社が取り扱っているAdash社の振動計では最大3276800のライン数で振動測定ができるので、さらに高解像でFFT解析を行うことが可能です。

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定期的な軸受診断で不良を見逃さないようにしたいですね。

文/いしだ

※ 2024年6月 加筆修正


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