技術記事
鉱山用ふるい機のユニバーサルジョイントカップリングに周期的な振動：位相、作動角、十字軸摩耗の点検方法
ユニバーサルジョイントカップリングで駆動している振動ふるいが回転数に合わせて周期的に揺れ始めると、まず疑われるのはシャフトです。実際、ヨークの位相違い、両端の作動角の不一致、十字軸軸受の摩耗は、いずれも回転数に関係した振動を起こします。ただし振動ふるいはもともと振動させる機械なので、加振機やばね支持、架台に原因があったのにシャフトを交換してしまう例も少なくありません。部品を手配する前に、次の順番で切り分けることをおすすめします。
カルダン軸の振動原因：まずシャフト由来かを確認する
最初に、振動と回転数を結び付けます。ふるい本体だけでなくモーターと加振機の軸受でも測定し、卓越周波数をシャフトの回転数と比べてください。加振機を直接駆動している場合、ふるいの作動振動そのものがシャフトと同じ周波数になるため、回転一次のピークだけでは判断できません。下の表を切り分けの出発点にしてください。
| 見えている症状 | 最初に確認する箇所 |
|---|---|
| 回転二次成分が強く、作動角が大きいほど悪化 | ヨークの位相、または両端作動角の不一致 |
| 回転一次成分が回転数とともに増加 | アンバランス、チューブの曲がり、フランジの振れ |
| 起動・停止・負荷変動時の打音 | 十字軸軸受の摩耗、スプラインのガタ、フランジボルトの緩み |
| 起動・停止時に共振域を通過する際の大きな揺れ | 通常の過渡現象。ただしスプラインの伸縮代不足は要確認 |
| シャフトを外してモーター単体運転でも振動が残る | モーター、ベースフレーム、隣接設備 |
典型的な例として、インバーター駆動のふるいが特定の回転数帯だけ荒れるケースがあります。ジョイントを疑う前に、その回転数帯でベースフレームや隣接機械が共振していないかを確認してください。振動がシャフトではなく構造物についてくるなら、ジョイントを新品にしても変わりません。
作動角、ヨークの位相、取付位置を確認する
十字軸ジョイントは角度がついた状態では等速で回転を伝えられず、出力側は一回転につき二回加速と減速を繰り返し、角度が大きいほど変動も大きくなります。二つのジョイントを持つシャフトでこれを打ち消すには、両端の作動角が等しく、中間軸の両端のヨークが同一平面上にあることが条件です。どちらかが崩れると被動側に回転変動が生じ、振動と軸受への余分な荷重として現れます。
作動角は取付状態で測定し、できれば静止時と運転時の両方で確認してください。ふるい本体はばねの上で動くため、加振機側の角度もそれに合わせて変わります。配置が入力軸と出力軸の平行なZ配置、または両軸が対称に傾いたW配置で両端の角度が等しいこと、複合角がある場合はシャフトメーカーの指定どおりに補正されていることも確認します。測定の詳細はユニバーサルジョイントカップリングの作動角チェックで解説しています。
次に位相を確認します。多くのシャフトはスプラインスリーブとスプライン軸に合いマークがあり、整備後に差し込み直す際、数歯ずれて組まれることがよくあります。マークが消えている場合は、軸方向から中間軸の両端のヨークを見比べてから判断してください。
十字軸軸受、シール、スプライン、フランジボルトを点検する
駆動をロックアウトし、手でシャフトを回しながら、もう一人に各ジョイントを観察してもらいます。半径方向や軸方向のガタ、ゴリゴリした回転感のあるニードル軸受、シールリップの錆や内部への粉じん侵入は、十字軸組立品が寿命に近いサインです。十字軸軸受は作動角の範囲で揺動するだけなので、角度がごく小さいとニードルがほとんど転がらず、ふるいの振動によって軌道面に圧痕が残ることがあります。
密封式でない限り、メーカーの周期に従って各軸受に給脂し、すべてのシール部から新しいグリースが出るまで入れてください。スプライン部は摩耗、フレッティング錆、油切れを点検します。トルクがかかった状態でスプラインが固着すると、ふるい本体の動きに追従できず、軸方向の力がジョイントと加振機の軸受に押し付けられます。
最後にフランジボルトとフランジ面を確認します。ボルトが緩むとフランジがインローの上でずれ、アンバランスとまったく同じ症状になり、フランジ面のフレッティング痕はそれがすでに起きている証拠です。伸びたボルトは交換し、規定トルクで締め付けてください。
長さ、伸縮ストローク、動バランス、危険速度
ふるいに使うシャフトは本体の動きに追従する必要があるため、取付長さは伸び側・縮み側の両方に余裕を残しておかなければなりません。起動・停止時の共振通過で本体が大きく振れたときにスプラインが底付きすると強い打音が出ますし、引き出されすぎるとかみ合い長さが短くなって摩耗が早まります。ジョイントの良否を判断する前に、取付長さとシャフトの最短長・最長長を比べてください。
アンバランスは主に回転一次の振動として現れ、回転数とともに大きくなります。チューブの曲がり、バランスウエイトの脱落、チューブへの原料の付着、偏心したフランジの再組立はどれも原因になり、スプラインが摩耗してすき間が増えるとチューブが振れ回ります。修理歴のあるシャフトなら、修理後に組立状態で動バランスを取り直したかを確認してください。
細長いシャフトを高めの回転数で使うと、曲げの危険速度に近づき、わずかなアンバランスでも急激に増幅されます。狭い回転数帯で振動が急上昇し、その帯域を越えると下がるなら、危険速度を疑ってください。対策は通常、軸長の短縮、チューブ径の拡大、中間支持の追加であり、十字軸の交換ではありません。
十字軸組立品だけ交換するか、シャフトごと交換するか
軸受は摩耗していても、ヨークの軸受穴が真円で損傷がなく、スプラインが許容範囲内で、チューブが曲がっていなければ、十字軸組立品の交換だけで済みます。ヨーク穴が楕円に摩耗している、スプラインのガタが大きい、チューブが曲がっている、または十字軸の早期破損が繰り返されている場合は、シャフト全体を交換または再生してください。早期破損の繰り返しは、作動角・長さ・バランスのどれかが最初から合っていなかったことを示している場合がほとんどです。
修理や交換のお見積もりでは、情報が揃っているほど確認のやり取りが少なくなります。次の情報をお送りください。
- 全長：取付長さ、最短長、最長長
- 接続フランジ：外径、ボルトピッチ円、ボルト本数とサイズ、インロー、端面キーの有無
- 両端の作動角（静止時と運転時）
- 回転数、モーター出力、伝達トルク
- 銘板、両端ジョイント、スプライン、損傷部の写真
- 振動が出るタイミングの説明または動画
当社のユニバーサルジョイントカップリングはSWCシリーズで、SWC100からSWC620まで14サイズ、シリーズ全体で公称トルクTnは1.25～1000 kN·mです。サイズを選ぶ前に、トルク、回転数、軸径、キー溝、サービスファクター、ミスアライメント、使用環境を確認します。お客様の駆動条件がこの範囲から外れる場合は、無理に当てはめずにそのようにお伝えします。
FAQ
回転二次の振動は動バランスで直りますか？
たいていは直りません。この成分は作動角の不一致や位相違いによる幾何学的な問題で、動バランスでは幾何関係は変わらないからです。まず作動角と位相を正し、それでも回転一次成分が残る場合にバランスを取ってください。
合いマークが消えている場合、位相はどう確認しますか？
シャフトを軸方向から見通してください。標準的なZ配置やW配置では、複合角補正のためにメーカーが別の指定をしていない限り、中間軸両端のヨークは同一平面上にあるはずです。そろっていなければスプラインを抜き、ヨークがそろう位置まで回してから、両方の部品にマークを付けて組み戻します。
新しい十字軸がすぐに摩耗するのはなぜですか？
早期破損が繰り返されるなら、原因は十字軸の外にあります。作動角が大きすぎる・不一致、スプラインの固着による軸方向荷重、給脂漏れ、シール損傷からの粉じん侵入などです。原因を取り除かずに十字軸だけ替えても、寿命を最初から数え直すだけです。
振動が収まらず、幾何関係の見直しや交換用シャフトについてご相談したい場合は、上の一覧をお送りください。図面からでも、旧シャフトの写真と実測寸法からでも製作でき、ご要望に応じて動バランスを行い動バランス検査成績書を同梱します。標準型式の納期は通常15～25日で、非標準の長さは図面確認後に納期をお知らせします。図面を送って見積依頼
選定または既設品交換の技術確認が必要ですか？
出力、回転数、軸径、キー溝、取付寸法、図面または既設品写真をお送りください。使用条件を確認してから型式と見積を検討します。