軸受の異音と早い故障の原因——損傷の型・クリープ・振動の見方と外に頼むとき

異音がしたら、まず「全周か、一か所か」を分ける

軸受の損傷は、大きく分けると、軌道面や転動体の面の全周にわたる損傷と、面の一か所に生じた局部の損傷の二つになる。転がり軸受の異常の検出方法を解説した論文は、全周の損傷の代表を摩耗や面あれとし、このときの振動は正常な軸受と同じランダムな性質のまま振幅だけが大きくなること、一方、はく離のような局部の損傷では、傷が接触する瞬間に大きな振動が出るため等間隔のパルスをもつ波形になることを示している^[4]。

耳で聞くときも、連続した音が全体に大きくなったのか、回転に合わせて周期的に鳴っているのかを聞き分けると手がかりになる。ただし音は周りの機械の音にまぎれやすく、同じ論文も、現場では暗騒音が大きいため音を手がかりにするのは難しいことが多く、振動で見るのが一般的だとしている^[4]。

損傷の名前を、JIS の用語で合わせておく

社内や外の会社と話すときに損傷の呼び方がずれると、原因の見立てもずれる。JIS B 0104（転がり軸受用語）は、よく出る損傷を次のように定義している^[1]。

同じ規格は、このほかにも多くの用語を定めている^[1]。外した軸受の写真を外の会社に送るときも、この用語で「どの面に、どの損傷が、どの範囲に」と書くと、見立ての食い違いが減る。

検出の手段ごとに、見えるものが違う

先の論文は、軸受の異常を見つける手段として、振動・音、温度、摩耗粉、軸受すきま、油膜の電気抵抗の五つを挙げ、損傷の種類によって見つけやすさが違うと整理している^[4]。社内で何を測るかを決めるときの参考になる。

「温度が上がっていないから大丈夫」とは言えないことが、この表から分かる^[4]。

振動の数字の目安は「初めの値の何倍か」で見る

同じ論文は、振動の大きさを表す値として、時間で平均した実効値（rms 値）と、一定時間の中の最大の振幅であるピーク値を挙げ、全周の損傷には rms 値が、局部の傷によるパルスにはピーク値が向くとしている^[4]。そのうえで、運転中の rms 値が初めの値の 2〜6 倍、ピーク値が初めの値の 10〜40 倍を注意の範囲とした例を紹介している^[4]。これは一つの例であって一般の判定基準ではないが、据え付けた直後の値を記録しておかないと、後で比べる物差しがないことははっきりしている。

どこに傷があるかは、パルスの間隔で分かる

局部の傷が一つあると、その傷に転動体が当たるたびにパルスが出る。論文は、振動の信号を絶対値に直してから周波数を分析すると、外輪の傷では転動体の数 Z と保持器の回転速度 fc の積（Z×fc）、内輪の傷では Z と内輪と保持器の回転速度の差 fi（fi = fr − fc、fr は内輪の回転速度）の積（Z×fi）の周波数にピークがはっきり出る例を示している^[4]。ただし傷が一周に 2 個以上ある場合は、この関係はそのままは使えないと注記している^[4]。軸受の型番から転動体の数や寸法が分かるので、型番と回転数を記録しておけば、分析を頼んだときに傷の位置まで見立ててもらえる。機械全体の振動の測り方と評価の基準は機械・設備の振動解析を頼むときの記事で扱っている。

軸受を替えても直らないなら、クリープを疑う

軸受を新品に替えたのに、しばらくすると同じ音が出る。この場合は、軸受そのものではなく、軸やハウジングとのはめあい面が滑っているクリープを疑う。JIS B 0104 は、クリープを、はめあい面にすきまが生じたときに内側の面が外側の面に対して相対的にずれる現象と定義している^[1]。

どちらの輪にしめしろを付けるかは、荷重の向きで決まる。JIS B 1566 は、内輪に対して荷重の方向が回転する場合（内輪回転荷重）は内輪と軸をしまりばめか中間ばめにし、荷重が大きいほどしめしろを大きくすること、外輪に対して荷重の方向が回転しない場合（外輪静止荷重）は外輪とハウジングをすきまばめか中間ばめにすることを基本としている^[3]。荷重の向きがその輪に対して回る側の輪のはめあいがゆるいと、ずれが起きやすい^[3]。多くは回転する輪の側だが、止まっている外輪の側で起きることもあり、下に挙げるファンの外輪クリープはその例である^[5]。はめあいの指定の仕方は軸受を型番で買うときの記事で扱っている。

外輪のクリープを振動で見つけた事例として、約 110 台の同じ型のファンを運転している工場の報告がある。軸受箱の内周と軸受の外周がこすれ合い、光沢化・摩耗・フレッチングが生じ、軸の振れ回りが大きくなって機器全体が振動し、摩耗粉がグリースに混じって潤滑不良に広がる、という進み方が書かれている^[5]。この報告は、兆候を段階ごとに次のように整理している^[5]。

この報告は、軸受箱から周期的な音が聞こえたら、振動の値の高い低いにかかわらず周波数の分析をすることで早く見つけられるとしている^[5]。一つの工場のファンの事例なので、そのまま他の機械に当てはまるとは限らないが、「値が低いから問題ない」と判断しないための手がかりになる。

計算した寿命より早く壊れるとき

軸受の寿命の計算は、JIS B 1518 による。この規格の基本定格寿命は、通常の使用条件で信頼度が 90 % のときの寿命で、潤滑の状態や潤滑剤の汚れなどを考えに入れた修正定格寿命の計算方法も定めている^[2]。一方で同じ規格は、摩耗、腐食、電食の影響は考慮していないと明記している^[2]。

つまり、外した軸受の損傷が転がり疲れによるはく離なら、荷重や潤滑の前提が実際と合っていたかを見直すことになる。摩耗・腐食・電食が原因なら、寿命の計算をやり直しても答えは出ない。損傷の型を見てから、計算の話に進む順番が大切である。摩耗の型の見分け方は機械部品の摩耗対策の記事で扱っている。

社内でやっておくこと

原因を外に調べてもらうにしても、社内で残しておかないと取り返せない情報がある。

一つめは、軸受を外す前の振動と音の記録である。軸受箱の同じ位置で、同じ運転状態のときに測る。据え付け直後の値があれば一緒に残す。二つめは、運転の条件である。回転数、荷重のかかり方、運転と停止の頻度、発生した時期。三つめは、外した軸受とグリースである。洗わずに、グリースが付いたまま袋に入れる。グリースの中の摩耗粉や異物の量と種類が、原因の手がかりになるからである。どちらが荷重を受けていた側か分かるように、外す前に印を付けておく。四つめは、軸とハウジングの寸法である。はめあい面の摩耗やこすれの跡も写真に残す。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

軸受を替えても再発する、同じ設備の複数の軸受で早い故障が続く、原因を取引先や社内で説明しなければならない——こうした場合は、振動の分析と、外した軸受の損傷の観察を専門の会社に頼むほうが早い。

壊れた部品の調べ方全般は故障解析を外部に依頼するときの記事に、歯車の音との見分け方は歯車の騒音の記事にまとめている。

振動の記録と外した軸受がそろったら、分析の頼み先から相談できます

よくある質問

温度が上がっていないので、異音はしばらく様子見でよいですか

温度で気付けるのは焼付きのような進んだ段階で、それも遅れて出る。はく離や割れ、圧こんのような局部の損傷は、温度にはほとんど出ない^[4]。音がしているなら、振動を測って記録し、変化を追う。

同じ型番の軸受に替えたのに、すぐ同じ音が出ます

軸受そのものより、はめあい・取付け・潤滑の側を疑う。とくに、荷重の向きがその輪に対して回る側のはめあいがゆるいとクリープが起きやすい^[3]。多くは回転する輪の側だが、止まっている外輪の側のこともあり、ファンの軸受で外輪のクリープが見つかった事例もある^[5]。外した軸受の外周や内周、ハウジングの内面にこすれた跡がないかを見る。

新品の軸受でも音がすることはありますか

ある。止まったまま振動を受けると、転動体と軌道の間で繰返しの微小な滑りが起きうる。JIS B 0104 は、こうした微小な滑りによる摩耗をフレッチング、ブリネル圧こんに似た状態のものをフォールスブリネリングと呼んでいる^[1]。取付けのときの打ち込みで圧こんが付くこともある。取付けの手順と、取付け前の状態を記録しておく。

まとめ

軸受の異音は、損傷が全周か一か所かで振動の出方が違う。全周ならランダムなまま大きく、一か所ならパルスが出て、その間隔から傷の位置まで見立てられる。温度では局部の傷はほとんど分からない。軸受を替えても直らないならクリープを疑い、はめあいを確かめる。計算した寿命より早く壊れたら、まず損傷の型を見る。寿命の計算は摩耗・腐食・電食を考えていないからである。外す前の振動、運転の条件、洗っていない軸受とグリース、はめあい面の寸法を残し、社内で絞れないときは専門の会社に分析と観察を頼む。

出典・参考資料

1. JIS B 0104:1991 転がり軸受用語（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧）
2. JIS B 1518:2013 転がり軸受－動定格荷重及び定格寿命（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2013 年 11 月 20 日改正・2023 年 10 月 20 日確認）
3. JIS B 1566:2015 転がり軸受－取付関係寸法及びはめあい（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2015 年 3 月 20 日改正・2025 年 10 月 20 日確認）
4. 転がり軸受の異常の検出方法について（五十嵐昭男／ターボ機械 7 巻 10 号・ターボ機械協会／1979 年）
5. 六ヶ所再処理工場の横型遠心ファンにおける軸受外輪クリープの振動診断について（佐々木一人・瀬川佑太／保全学 15 巻 3 号・日本保全学会／2016 年）

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