機械システムの状態監視と診断技術

日本機械学会編
井上剛志名大教授編著
兵藤行志産業技術総合研究所編著
榊田均元（株）東芝博士（工学）著
瀧本孝治新川電機（株）著
高橋亨 NTN（株）著
四阿佳昭日鉄物流（株）著
山越孝太郎（株）サーモグラファー著
西本重人（株）SETLa 著
劉信芳（株）高田工業所博士（情報工学）著

機械の状態監視と診断技術の概要を網羅的に学べる入門書。資産管理の観点でも実用的。

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発行年月日: 2021/06/21

判型: A5

ページ数: 264ページ

ISBN: 978-4-339-04671-7

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【書籍の紹介】
IoT時代が到来し，各種センサが非常に安価になり，大量のデータを取得して扱うことが当たり前となりつつ現在，「機械システムの状態監視と診断技術」に対するニーズや関心，期待が急激に高まってきた。また，状態監視と診断技術は「機械システムを資産として管理する」ための有力なツールとしてもその適用範囲を今後急速かつ広範囲に拡大・発展させていくことがほぼ確実である。

このような背景を踏まえて，本書は「機械システムの状態監視と診断技術」の現時点の主要項目を網羅している。1章では，「機械システムの状態監視と診断のISO概論」を述べ，2章以降では，「振動を用いた大型・高速回転機械の状態監視と診断」「風車発電装置を例にとった軸受の状態監視と診断」，「潤滑剤分析による状態監視と診断」，「赤外線サーモグラフィーを用いた機械の状態監視と診断」，「アコースティック・エミッションを用いた機械の状態監視と診断」，「電動機の電流兆候解析による状態監視と診断」を説明している。どの章においても，特に実用的側面に重点をおき，かつ国内外の規格も参照しつつまとめたものである。

本書は，現時点において機械システムの状態監視と診断技術に対して全く知識や経験がない方や，これから同技術を用いて業務を行う新人・若手技術者の方々にとっては，その技術的な概要を網羅的に学ぶことができる入門書である。そして同時に，機械システムを資産管理する立場の技術者・経営者にとっては，「機械システムの状態監視と診断技術」の概要を俯瞰して押さえ，資産管理的な観点で視野を広げ，適用を考えるのに適した実用書でもある。

本書を通して，国内のさまざまな立場の技術者・経営者の方々が「機械システムの状態監視と診断技術」を身近な技術として慣れ親しみ，このIoT 時代において本書がこれらの技術の活用・普及のさらなる一助となることを期待する。

【読者へのメッセージ】
　一つの機械をトラブル無しに長期間運用するためには、振動技術をはじめとする多くの診断技術を知り、状況に応じて各技術の強みを活かして選択・併用することができるグローバルな技術者の育成がとても重要です。
機械システム・設備の予防保全では、定期的補修後の故障率の増加、プラント停止による生産性の阻害などの欠点を補うため、効率的な状態監視保全が広く適用されるようになりました。そして、これを可能とする種々の機械状態監視・診断技術が国内外の規格（ISO，JIS）で発行され、参照されています。
日本機械学会のISOTC108SC5「機械システムの状態監視と診断」国内委員会では，これまで20年以上機械システムの状態監視と診断に関するISO規格化の検討を行ってきました。そして，同技術に関して2016年度，2018年度，2019年度と3回にわたって講習会を実施してきましたが，ここ数年は毎回定員を超える申し込みがあり，同技術分野への関心の高まりを感じていました。
本書は，この講習会の講師メンバーを中心として執筆し，基本的にはこれらの講習会で用いられた内容・資料を基に書籍としてまとめたものです。本書では、機械の状態監視と診断に関する技術的な概要から、振動、熱画像等の代表的な監視診断技術を取り上げ、その基礎、実践面でのノウハウ，応用例、そして関連するISO規格までをわかりやすくご紹介します。「機械システムの状態監視と診断」に関するこれらの多様な技術分野をこのように網羅的にかつ単なる寄せ集めでなく1冊にまとめあげたものは他にないと思います。本書を通じて，グローバル技術者に必須の最新の状態監視診断技術と規格の全般を学ぶことができます。

序論

本書は，ISO/TC 108/SC 5 Condition monitoring and diagnostics of machine systems（機械システムの状態監視と診断）において，その技術にかかわる国際標準化を推進する国内委員会メンバーを中心に企画・執筆したものである．このISO/TC 108/SC 5のスコープは「機械システムの状態監視と診断技術に関する手法と手順，装置要件の標準化を目的とする．すなわち，まず稼働中の機械システムに関連する選択された物理的パラメータを定期的または継続的に感知・測定および記録すること，つぎに，得られたデータおよび情報を変換（縮減），分析，比較および表示すること，さらに最終的には，中間結果から機械システムの運転および保守に関する決定（判断）を支援することのそれぞれの標準化を目的とする」である．本書では，この「機械システムの状態監視と診断技術」のうちの七つの主要技術を取り上げ，まとめた．

機械システムの状態監視と診断技術の規格化（ISO/TC 108/SC 5）の歴史は，1988年に始まった．日本はその初回（Pメンバー15か国）から現在に至るまで参加し，その技術や技術者認証制度の規格化に貢献してきた．このあたりの経緯に興味がある方は，日本非破壊検査協会の機関誌「非破壊検査」2020Vol.69No.9の特集「状態監視診断技術の動向」で「機械状態監視診断のISO規格に関するISO/TC 108/SC 5の経緯と現状」としてまとめたので参照されたい．そして，その国内活動をけん引してきた歴代SC 5委員長の神吉博氏（神戸大学名誉教授），岩壺卓三氏（神戸大学名誉教授），榊田均氏にはここに敬意を
表する．

本書の内容の基盤となるこのISO/TC 108/SC 5の活動で最も特徴的なものは，世界的に共通でかつ客観的な個人の技術力評価のための機械の状態監視診断技術者認証の国際規格ISO 18436シリーズ（機械システムの状態監視と診断技術者の認証）を策定してきたことである．規格としてはこれまでにISO 18436-2（振動），ISO 18436-4（現場における潤滑油分析），ISO 18436-5（分析室における潤滑油分析），ISO 18436-6（アコースティック・エミッション，AE），ISO 18436-7（サーモグラフィ），ISO 18436-8（超音波）が発行されてきた．そして，日本ではこれらの規格に基づいて，2021年現在までに，振動（2004年から4カテゴリーで合計5570人（2021年4月現在）），トライボロジー（2009年度から3カテゴリーで合計1364名（2021年4月時点見込み））とサーモグラフィ（2016年度から2カテゴリーで合計180名（2021年4月現在））の技術者認証が実施されている．ISO/TC 108/SC 5国内委員会では，この分野技術の啓蒙と活動の紹介のために，日本機械学会主催で「講習会：グローバル技術者必須！！機械の状態監視と診断技術，基礎・実践ノウハウと応用例・規格」を2007年以来計5回企画し，実施してきた．特にこの直近2回は反響が大きく，昨今のIoT時代の到来による同分野技術へのニーズ・関心の急激な高まりとともに，同技術分野への期待を強く感じた．本書は，これらの講習会の項目・内容を精査し，各分野の国内専門家を中心に実用的側面に重点をおいてまとめたものである．

一方で，世界における「機械システムの状態監視と診断」とそのISO規格化はすでにその視点を動かしている．基礎技術に関する規格化は一巡し，現在は技術者と経営者の中間において，「機械システムを資産管理する」ための状態監視と診断技術の規格化に，急速かつ発展的に移行しつつある．ごく近い将来（数年以内）に，世界的にはこのような「機械システムの資産管理」のための認証制度が規格化され，日本においても実施されるであろう．

以上の経緯と背景のもと，本書は，「機械システムの状態監視と診断技術」にまだまったく知識や経験がない方や，これから同技術を用いて業務を行う新人・若手技術者にとって，その技術的な概要を網羅的に学ぶことができる入門書として執筆した．本書で学んだ後には，上記のISO規格に基づく技術者認証にもスムーズに移行して取り組むことができる内容となっている．また同時に本書は，機械システムを資産管理する立場の技術者・経営者が「機械システムの状態監視と診断技術」の概要を俯瞰して押さえ，資産管理的な観点で視野を広げ，適用を考えるのに適した実用書でもある．ぜひ，本書を通して，国内のさまざまな立場の技術者・経営者の方々が「機械システムの状態監視と診断技術」を身近な技術として慣れ親しみ，本書がこのIoTの時代におけるこれらの技術の活用・普及のさらなる一助となることを本書全体の構成や推敲にかかわった者として期待する．

2021年4月
編著者一同

1．機械システムの状態監視と診断に関するISO概論
1.1　はじめに
1.2　ISO組織
1.3　日本におけるISOの対応・検討
1.4　機械の状態監視と診断とは
1.5　機械システムの状態監視と診断に関するISO規格
　1.5.1　性能データによる機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.2　振動を用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.3　トライボロジーを用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.4　赤外線熱画像を用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.5　AEを用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.6　超音波を用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
　1.5.7　電気兆候解析を用いた機械の状態監視と診断のISO規格概要
1.6　機械システムの診断と予測技術に関するISO規格
　1.6.1　診断技術に関するISO規格概要
　1.6.2　予測に関するISO規格概要
1.7　特定機器の診断技術のISO規格
　1.7.1　風力発電設備の診断技術のISO規格概要
　1.7.2　水力発電設備の診断技術のISO規格概要
1.8　機械の状態監視と診断技術者認証
　1.8.1　機械の状態監視と診断技術者認証に関するISO規格概要
　1.8.2　日本における機械の状態監視と診断技術者認証
1.9　おわりに
引用・参考文献

2．大型高速回転系の状態監視と振動診断
2.1　はじめに
2.2　振動測定パラメータ（変位，速度，加速度）
2.3　アメリカ石油協会（API）規格と変位センサの原理
　2.3.1　アメリカ石油協会（API）規格
　2.3.2　渦電流式変位センサ
2.4　ISO規格
　2.4.1　機械振動の測定と評価に関するISO規格
　2.4.2　ISO7919（軸振動の測定と評価）
　2.4.3　ISO10816（ケーシング振動の測定と評価）
　2.4.4　振動測定方法の選定
2.5　代表的な振動解析法
　2.5.1　時間領域と周波数領域の解析
　2.5.2　空間領域の解析
　2.5.3　位相解析
2.6　グラフ表示
　2.6.1　トレンドグラフ
　2.6.2　オービット
　2.6.3　ポーラ線図
　2.6.4　ボード線図
　2.6.5　スペクトル線図
　2.6.6　ウォーターフォール図とカスケード図
　2.6.7　フルスペクトル線図
　2.6.8　S-V線図
　2.6.9　キャンベル線図
2.7　事例紹介
　2.7.1　オイルホワール（ロータキット事例）
　2.7.2　オイルホワール（実際の蒸気タービン事例）
　2.7.3　ラビング（実際の蒸気タービン事例）
　2.7.4　熱曲がり（実際の蒸気タービン事例）
　2.7.5　ミスアライメント（ロータキット事例）
2.8　おわりに
引用・参考文献

3．軸受の状態監視と振動診断（風力発電装置の事例）
3.1　はじめに
3.2　風力発電装置と軸受
　3.2.1　風力発電装置の基本構造
　3.2.2　主軸受
　3.2.3　増速機用軸受
　3.2.4　発電機用軸受
3.3　風力発電装置の状態監視
　3.3.1　風力発電装置用軸受の特徴
　3.3.2　状態監視の導入効果
　3.3.3　状態監視の目的
　3.3.4　振動診断
3.4　軸受の損傷形態
　3.4.1　ピーリング
　3.4.2　フレーキング
　3.4.3　スミアリング
　3.4.4　圧こん
　3.4.5　フレッチング，フォールスブリネリング
　3.4.6　クリープ
　3.4.7　電食
　3.4.8　保持器破損
3.5　転がり軸受の振動と診断技術
　3.5.1　軸受の音響診断
　3.5.2　軸受の損傷と振動進展
　3.5.3　振動の周波数分析による診断
　3.5.4　軸受の特徴周波数
3.6　風力発電装置での状態監視
　3.6.1　風力発電装置の状態監視の難しさと重要性
　3.6.2　発電機の軸受の損傷事例
　3.6.3　状態監視による検出と人間の感覚との比較
3.7　おわりに
引用・参考文献

4．潤滑剤分析による状態監視と診断
4.1　はじめに
　4.1.1　潤滑剤分析の特徴
　4.1.2　潤滑剤分析法の分類
4.2　摩耗粉分析による診断法：フェログラフィ
　4.2.1　フェログラフィの原理
　4.2.2　摩耗粉の形態と潤滑状態
　4.2.3　摩耗粉濃度と状態監視
　4.2.4　フェログラフィの適用事例
4.3　発光分光分析による診断法：SOAP
　4.3.1　SOAPの原理と特徴
　4.3.2　SOAPの適用事例
4.4　コンタミナントの計測による診断法
　4.4.1　コンタミネーション管理の必要性
　4.4.2　コンタミナントの計測方法と汚染度の評価法
　4.4.3　コンタミネーション管理の事例
4.5　潤滑管理の一般的な流れと油サンプリングの留意点
4.6　おわりに
引用・参考文献

5．赤外線サーモグラフィによる状態監視と診断
5.1　はじめに
5.2　赤外線サーモグラフィの原理
5.3　赤外線サーモグラフィ計測の特徴
　5.3.1　赤外線サーモグラフィ計測のメリット
　5.3.2　伝導，対流，放射
　5.3.3　反射，放射，透過
　5.3.4　見かけの温度
5.4　赤外線サーモグラフィを用いた機械システムの状態監視
　5.4.1　効果的な運用のための視点
　5.4.2　劣化モード（発熱モード）
　5.4.3　評価方法
　5.4.4　判読方法
　5.4.5　零負荷時温度と温度上昇分の測定
　5.4.6　管理基準の設定
5.5　状態監視の評価
　5.5.1　絶対評価
　5.5.2　相互評価
　5.5.3　相対評価
5.6　データ取得上の注意点
　5.6.1　測定時の留意点一覧
　5.6.2　測定時の留意点（フォーカス設定）
　5.6.3　測定時の留意点（温度設定）
　5.6.4　判定・評価できるデータ取得（熱画像取得）
　5.6.5　判定・評価できるデータ取得（画像以外の情報）
5.7　事例紹介
　5.7.1　電気系の事例
　5.7.2　機械系の事例
5.8　おわりに
引用・参考文献

6．アコースティックエミッション（AE）による状態監視と診断
6.1　はじめに
6.2　AEの基礎知識
　6.2.1　き裂の進展によるAE
　6.2.2　摩耗の進展によるAE
　6.2.3　AE検査によるき裂発生位置の特定
6.3　AE検査
　6.3.1　AEセンサ
　6.3.2　AE装置
　6.3.3　IoTへの対応
　6.3.4　AEの伝播と減衰
　6.3.5　高温部のAE検査
6.4　転がり軸受の故障診断
6.5　歯車機構の故障診断
6.6　設備の簡易診断例
　6.6.1　エスカレータの診断
　6.6.2　プレス機の診断
　6.6.3　メカニカルシールの診断
　6.6.4　ロボットの診断
　6.6.5　発電用風車の診断
　6.6.6　加工工具の診断
　6.6.7　射出成型機の診断
　6.6.8　製品のき裂有無の診断
　6.6.9　研削加工の診断
　6.6.10　溶接加工の診断
　6.6.11　設備の簡易診断のまとめ
6.7　静止物の簡易診断例
　6.7.1　タンクや配管のき裂診断
　6.7.2　腐食の診断
　6.7.3　放電による破壊の診断
6.8　おわりに
引用・参考文献

7．電動機の電流兆候解析による状態監視と診断
7.1　はじめに
7.2　誘導電動機
　7.2.1　誘導電動機の種類
　7.2.2　誘導電動機の原理
7.3　誘導電動機の基本量と電流信号
　7.3.1　誘導電動機の回転速度とすべり
　7.3.2　極通過周波数
　7.3.3　固定子のスロット通過周波数
　7.3.4　電流信号のスペクトル解析と対数表示
　7.3.5　電流信号の相互作用
7.4　電動機の損傷・故障箇所とMCSA
　7.4.1　回転子バーの損傷
　7.4.2　軸系ミスアライメント
　7.4.3　回転子の静的偏心
　7.4.4　回転子の動的偏心
　7.4.5　固定子の異常
　7.4.6　転がり軸受の異常
　7.4.7　異常の判断基準
7.5　復調電流スペクトルによる異常診断
7.6　電流信号の高調波解析
7.7　おわりに
引用・参考文献

索引

井上剛志（イノウエツヨシ）

名古屋大学機械システム工学専攻，教授．専門は機械力学・制御であり，ロータダイナミクスを中心に研究している．日本機械学会（JSME）やアメリカ機械学会（ASME）などに論文が多数掲載されている．社会貢献活動として2004年からISOTC108SC5国内委員会幹事，2012年から同委員会委員長を務めており，著書「機械システムの状態監視と診断技術」はその活動の成果の１つとしてまとめたものである．ほかに，マルチボディダイナミクス協議会を2013年に設立し，会長を務めている．2017年から2021年現在はASME Journal of Computational and Nonlinear DynamicsのAssociate Editorを務めている．

兵藤行志（ヒョウドウコウジ）

榊田均（サカキダヒトシ）

瀧本孝治（タキモトコウジ）

高橋亨（タカハシトオル）

四阿佳昭（シアヨシアキ）

山越孝太郎（ヤマコシコウタロウ）

西本重人（ニジモトシゲト）

劉信芳（リュウシンホウ）

株式会社高田工業所理事，技術本部長付．専門は機械情報工学・保全工学であり，電流信号・振動信号などによる回転機械の状態監視診断技術の研究開発を行っている．日本プラントメンテナンス協会(JIPM)，日本設備管理学会(SOPEJ)や日本機械学会などに講演・掲載論文が多数ある．社会貢献活動として日本設備管理学会代議員，ISOTC108SC5国内委員会委員として，活躍している．「機械システムの状態監視と診断技術(7章)」をはじめ，「安全工学便覧」，「工場・研究所における災害・事故および各種リスクの可視化と対策」などの書籍執筆に参加．近年，社内チームを立上げて，誘導電動機の固定子電流信号を用いた回転機械の状態監視診断について，基礎研究から商品開発まで全力で取組んでいる．DX時代に相応しい回転機械状態監視診断の技術商品として「電流情報量診断システム（T-MCMA）」を産業界に提供し始めた．今後も新しい状態監視診断技術商品を精力的に研究開発し、生産設備と社会インフラの安全・安心な運転と長寿命化に寄与する．