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トライボロジー診断による設備状態監視とメンテナンス

２０１５年１０月２日

新日鐵住金（株）設備・保全技術センター機械技術部

四阿 佳昭

２０１５年１０月２日

新日鐵住金（株）設備・保全技術センター機械技術部

四阿 佳昭

状態監視振動診断技術者コミュニティ 第７回ミーティング

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内容

１．現場潤滑管理と結びついてこその潤

滑剤診断技術

２．潤滑剤を通して機械の状態を診る

３．数値にこだわらない状態監視

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製鉄設備とその保全の特徴

（１）高信頼性が要求される

∵故障時の生産損失&費用影響が甚大

（２）設備点検・診断・補修工事などの作業量が多く、コストも大きい

（３）自家保全（脱メーカー）

（４）状態監視に基づく予知保全と改良保全さらにプロアクティブ・メンテナンス

（１）高温・腐食・摩耗・ゴミの極環境

（２）２４時間連続操業

（３）基幹設備は永年に亘って稼働

（４）多くのプロセス・機械要素・構造体からなり設備は多様な劣化モードを示す

（５）ベースの要素技術領域も多岐に亘る

製鉄設備の特徴 製鉄所の保全の特徴

原料 焼結・ｺｰｸｽ 高炉 転炉 連続鋳造 熱間圧延 冷間圧延 連続焼鈍 表面処理

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メンテナンスの体制（製鉄設備の例）

◇故障レス化 ◇高効率化

◇整備コスト削減

◇生産性向上 ◇合理化

+

予知保全・改良保全

◇点検／簡易診断

◇保全計画

◇保全費管理

◇設備改善

◇トラブル対策

ニーズ

背景・ニーズ 現在のメンテナンス体制

事後保全

予防保全

これまでの保全方式の変遷

予知保全(CBM)

改良保全

保全部門(設備管理)

保全技術部門(技術開発)

開発成果

故障診断技術・故障防止／長寿命化技術

◇潤滑／油圧技術

◇材料／表面改質技術

◇設備診断技術

◇電気設備診断技術

◇回転機・計測制御技術

プロアクティブ保全(Proactive Maintenance)

保全技術スタッフと保全員のコラボによって原因系に遡った抜本的な保全活動を実施（プロアクティブ保全）

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現場の潤滑管理活動

日常潤滑管理

ﾄﾗﾌﾞﾙ対策長寿命化

潤滑系診断

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潤滑管理業務のフロー

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ場所指定徹底（ｻﾝﾌﾟﾙ容器に表示）

地区別ﾁｪｯｸﾘｽﾄ配布（１回/年）ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ日を容器に明記

毎月の期日に締め切り

約１ヶ月（粘度、水分、全酸価、ﾐﾘﾎﾟｱ重量）

毎月期日までに診断書発行

"Tribology Tips"資料発行

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ周期、診断箇所の検討（1回/年）

（約３週間）

（保全技術ｽﾀｯﾌ）G

NG

対

策

実

施

年間計画

容器配布

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ

回 収

分 析

診断

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適切なサンプリングのやり方

サンプリング口はきれいにして

フラッシングは充分に

水分・コンタミの目視確認

容器の蓋は開けたままにしない

取る時開けて早く閉めるサンプリングの

後は蓋をして

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各種診断法の原理

放射温度計

熱電対熱起電力

ｶｳﾝﾄ検波 BPF

圧電素子 平均値HPF1kHz〜

〜1kHz

高周波

低周波FFTLPF

発光分光

軸

V

(6)汚染診断法

(5)摩耗粉診断

(2)電気抵抗法

(1)温度法(3)振動法

(4)AE法

フェログラフ

アナライザ

薄膜

フィルター

フェログラフィ

粒径分布

・形状

汚染物重量

金属元素濃度

2色顕微鏡像

SOAP

出力電圧

抵抗

電源接触 AEｾﾝｻｰ

オイル

サンプル

潤滑油分析による診断法は、機械の稼働面を直接通ったオイルを見るので直接的に情報が得られる。

振動診断＝隔靴掻痒

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主な設備診断技術と潤滑剤診断

（１）機械設備の主な状態監視・診断技術 ※ISO TC108/SC5の技術体系

○振動診断技術 ●潤滑剤診断技術○超音波による診断技術 ○AEによる診断技術○熱画像 ○電流分析（３相電動機,変圧器）

（２）潤滑油分析の方法

分析方法 観察対象 測定の種類 測定装置，機器

化学分析

油分析 摩耗粒子

粒子分析

汚染物質

分析フェログラフィ

定量フェログラフィ

発光分光分析

原子吸光分光分析

磁石

ｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ・電磁石等

ﾊﾟｰﾃｨｸﾙｶｳﾝﾀｰ

ﾌｨﾙﾀｰ

ﾌｪﾛｸﾞﾗﾌｨ

SOAP

ﾁｯﾌﾟﾃﾞｨﾃｸﾀｰ

ｵﾝﾗｲﾝ測定

NAS等級

その他

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(1)分析フェログラフィ (2)定量フェログラフィ

分析ﾌｪﾛｸﾞﾗﾌｱﾅﾗｲｻﾞの構造 DRﾌｪﾛｸﾞﾗﾌｱﾅﾗｲｻﾞの構造

フェログラフィ装置の構造

磁石

フェログラムスライド

試料油

排油管

油注ぎ口

試料の流れ

排油管

出口付近の鉄粒子(＜1μm)

バリヤー

50mm地点試料がフェログラム上に初めて触れる

地点

0 10 20 30 40 50 56mm 粒子径

(μm)5

10

00 1 2 3 4 5 6 7

粒子の最大移動距離(mm)

第1センサー 第2センサー

粒子分布図代表的摩耗粒子配列

大摩耗粒子+一部

小摩耗粒子

小摩耗粒子

油送チューブ

光ファイバー

ディジタル読取装置 3 8 8

沈着管

不要オイル廃棄管磁気勾配

小摩耗粒子

大摩耗粒子

ランプ

光電素子

光電素子

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代表的な摩耗粒子(実際のフェログラフ写真)

粒子形態 粒子形態

正常摩耗

(ﾗﾋﾞﾝｸﾞ)フレーク状

表面滑らか

0.5～10μm

平板状 不規則形状

歯車疲労等

20μm以上

切削摩耗 切り屑,ｶ-ﾙ状砂等混入

25～100μm

シビア

摩耗

直線的ｴｯｼﾞ

ｽﾄﾗｲｴ-ｼｮﾝ20μm以上

球形 球形

軸受疲労

1～5μm

その他

砂 ポリマー 錆

分析フェログラフィでは、摩耗粉の形態から摩耗メカニズムの分類、劣化進行状態の判断等ができる。

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摩耗粒子濃度の定義

摩耗粒子濃度の表示

(1)定量フェログラフィの場合DL:大摩耗粒子濃度DS:小摩耗粒子濃度N:希釈倍率

①正常時はDL≦ DS,異常時はDL≫ DS→｢DL - DS｣は摩耗の異常度を表す.②全摩耗量：WPC＝(DL+DS)×N ・・・摩耗粒子のﾄｰﾀﾙ.よって,総合的な異常摩耗の度合いは,③異常摩耗指数：IS=(DL-DS)×(DL+DS)×N2＝(DL2−DS2)×N2(2)分析フェログラフィの場合AL:大摩耗粒子濃度(付属の光学的ﾘｰﾀﾞｰで測定される.)AS:小摩耗粒子濃度(付属の光学的ﾘｰﾀﾞｰで測定される.)WPC,IS:定量フェログラフィ同様の定義で計算される．

★摩耗粒子の量は，定量フェログラフィではDL値，DS値として測定され，分析フェログラフィでは顕微鏡に付属の光学的センサーによってAL値，AS値として表される．

時間

粒子径(μm)

異常摩耗係数

Is,

全摩耗量

(WPC)

0.1 1 10 100 1,000 10,000 100,000

破 壊

異常摩耗の進行

異常摩耗の開始

正常摩耗

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数値にこだわらない状態監視

時間

粒子径(μm)

異常摩耗係数

Is,

全摩耗量

(WPC)

0.1 1 10 100 1,000 10,000 100,000

破 壊

異常摩耗の進行

異常摩耗の開始

正常摩耗

摩耗損傷の進行と粒子径・分布の変化 アバウトな光学リーダー

→顕微鏡視野の摩耗粒子割合

→Ａ

Ｌ値

％

数値にとら

ように！

数値にとらわれて、重要な情報を無視しないように！

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設備診断・傾向管理による最適なメンテナンスの重要性

★潤滑診断は検出限界：良

←ﾒﾝﾃﾅﾝｽ必要時期

τDτN

検出限界

機能限界

時間tO tD tF

観測パラメータ値（劣化度）

健全期 兆候期 トラブル

サンプリング・診断周期 リスク(潜在)

ロス(顕在化)

適切な時期に診断し劣化傾向を定量的に把握し状態監視できれば、適切なメンテナンスが可能。

潤滑系の診断のように検出限界の高いものは早期にメンテナンス時期を把握できる。

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潤滑異常の進行と機械トラブルの発生

摩耗増加・

ﾘｰｸ増加

異常動作

性能低下

効率低下

油漏れ

振動・騒音

損傷

異物

潤滑剤不良

リーク

異常負荷

摩 耗

昇温

異常要因 トラブル

その他

潤滑異常

潤滑異常の進行過程

金属接触・油膜切れ

(悪循環)

(悪循環)

摩耗粉

隙間・ガタ増加

表面粗度大

潤滑状態が悪化し、機械のトラブルとなる仮定には、稼働面の摩耗による摩耗粉の発生、摩耗進行によるガタの増大などが起きる。

摩耗粉診断は、この途中のメカニズムにおいて検出できるのでトラブルの発見と対策が早くできる。

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機械の損傷過程と潤滑診断による対策の効果

★

時間初期なじみ 異常摩耗定常摩耗

＊早期からの摩耗状態把握

潤滑系診断技術（油診断） 振動法

温度法

摩耗

(劣

化)進

行度

合

摩耗防止対策(寿命向上)

潤滑油分析による診断は感度が高く、早期に異常兆候の把握が可能。早期対策によってトラブルを未然に防止し寿命向上を図ることも可能。

ギヤの悪環境試験での検証

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潤滑剤診断技術（摩耗粉診断技術）の３つのポイント

１．摩擦面からの直接の情報

２．機械の損耗の途中の過程で摩耗粉

→早期の診断と対策

＆ ちょっとした違いの把握（潤滑剤開発）

３．数値だけでない状態監視

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フェログラフィの適用事例発電所海水取水ポンプ軸受(1)

電動機

海水取水ポンプ

ｲﾝﾍﾟﾗｰ

. .

A部詳細

軸受部 A部

スラスト軸受

オイルバス

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フェログラフィの適用事例発電所海水取水ポンプ軸受(2)

摩耗粉濃度

AL%

粘度変更

(ISOVG68→100)

合成潤滑油に変更

(R&O → PAO)

新油に更油実施

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.05月 6月 7月経過日

フェログラフィによって摩耗粉濃度の変化をとらえることにより、油の高性能化や粘度最適化の効果を稼働中に確認できる。

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圧延ロール

水・スケール浸入ロールチョック

軸受

3)軸受材質改善

2)高性能シール適用

1)高性能グリース開発・適用

圧延機ロールネック軸受の寿命改善事例

（２）寿命改善のポイント

（１）圧延機軸受の損傷事例ころ条痕、スミアリング

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高性能シール&グリース適用冷延ワークロール評価結果

圧延機ロールネック軸受の寿命改善

①高性能シールの構造

追従しろ

4mm

金枠

従来：線接触型

面 圧 大 面圧 低 減

面接触&軸変位追従型

1mm追従しろ

従来型シール

混入

水分

％

0

10

20

30

40

WS(ワークサイド)

水分混入激減

DS(ドライブサイド)

改善シール

②水分混入量 ③摩耗粉の状態従 来

(従来シール+グリース)改 善

(面接触ｼｰﾙ+耐水グリース)

AL=23% AL=12%

圧延ロール

水・スケール浸入

ロールチョック

軸受

高性能シール適用

高性能グリース適用

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耐水型高性能ウレアグリースの開発

圧延機ロールネック軸受の寿命改善事例

錆

摩耗・焼付き

スミアリング

高荷重

水混入

グリース軟化

グリース流出

潤滑面での水膜の形成油膜の破断

＜現象＞ ＜原因＞

混入した水を

微細・均一に分散

耐漏洩性の向上

転動面付着性の向上

＜対策手段＞

→耐水型ウレア増ちょう材＋分散剤など

①グリース開発の考え方

②試験方法

③試験結果(例)

０

２０

４０

６０

８０

漏洩

量

％

ちょ・う度変化量

８０

０

２０

４０

６０

０

２００

４００

６００

８００

１０００摩耗

粉量

ＷＰＣ

従来品

ウレア増ちょう剤組成

開発品

開発品

開発品

芳香族主体 脂肪族主体

従来品

従来品試作品

試作品

試作品

シリンダー

荷重検出

水(80℃) 減速機

モーターノズル

試験軸受

グリース耐漏洩性試験軸受含水摩耗試験(含水率30%)

試験軸受回転計

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熱延仕上圧延機ワークロール評価結果

★取替頻度：約1/2化

①摩耗粉評価結果

②ロールチョック開放点検例

従来グリース 開発グリース

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ＳＯＡＰ法(Spectrometric Oil Analysis Program)ICP Elemental spectroscopy

温度ｾﾝｻｰ

凹面回折格子 分光器

出口

ｽﾘｯﾄ

分析試料

プラズマ発光

ｱｯﾃﾈｰﾀ

ｱｯﾃﾈｰﾀ

ｱｯﾃﾈｰﾀ

ｲﾝﾃｸﾞﾚｰﾀ

ｲﾝﾃｸﾞﾚｰﾀ

ｲﾝﾃｸﾞﾚｰﾀ

負高圧電源

A/D変換器

CPU

ｲﾝﾀｰﾌｪｰｽ

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コンタミナント診断法(油中異物診断)

黒

白

判 定

・粒子サイズ・面積率・NAS等級計算

etc.

メンブランフィルター

コンタミナント粒子

画像

2値化

演算処理

コンタミナント計数装置

メンブランフィルター

ファンネル

クランプ メンブランフィルター

真空ポンプ

127mm

自動粒子カウンター(‘HIAC’)

支体

光線

平行光線

フォトディテクター

センサー内部

粒子1000μm

60μm

A

63mm

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油中コンタミナント管理効果浄油装置の導入効果(事業所レベルの例)

7 9 8 0 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 8 8 9 9 0 9 1 9 20

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

年 度

ポンプ交換台数

作動油不良率

作動

油不

良率

およ

びポ

ンプ

交換

台数

（％

、台

）

浄油機設置台数

浄油

機設

置台

数（

台）

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まとめ

• 潤滑剤診断は日常管理・早期発見ツールとして有効であり、他の診断技術とともに保全現場へ導入することにより多くの効果を発揮する。

• 有効性・重要性の認識と広い普及が望まれる。

• 診断技術を正しく使い、評価できることが基本。そのために関連技術の訓練と資格認定も有効。

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トライボロジー診断と振動診断の比較①

トライボロジー診断 振動診断

感度が高く、早期に故障発見可能(内科的対策)。機械要素の潤滑向上効果

の早期確認可。

機械の非稼働時にもサンプリング可能。

損傷部位が同定できる場合がある。（直接的情報）

異常が比較的明確に現れてから検出(外科的対策)。運転中しか出来ない。

（危ない）

外部からセンシングする場合、ノイズ問題有り。

複雑な診断になると技術と経験が必要

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トライボロジー診断と振動診断の比較②

トライボロジー診断 振動診断

サンプリングの代表性、撹拌、発生と沈降の関係など定量的には実施管理が難しい。

分析フェログラフィ診断など定量性は乏しい。

診断作業には高価な道具、技術、経験が必要。

機械の定量的な状態監視に向く。

機械の不具合損傷モード確認も可能。

結果までのリードタイムがトライボよりも短い。

簡易診断・精密診断の機器、技術体系が揃っている。

（現場と専門技術者のコラボが良く回せる）