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Microsoft PowerPoint - ⑦小村講師 2012_10振動コミニュティ_資料.ppt

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(1)

事例に基づいた状態監視

信号処理技術のノウハウ

第4回 状態監視振動診断技術者コミュニティ

博士(工学)

小 村 英 智

3DIM 技研

2012/10/12

3DIM

音・振動 センサ

状態監視技術

計測器 分析器 評 価 診 断 信号処理技術 計測技術 検出技術 × × × 情報処理技術 状態監視技術は,これら各技術の総合したものであり 各技術の積で結果が求まる. 何れかの技術が乏しいと期待する結果が得られない.

左右に大きく振動する

異常モータの事例

1V 2V 1A 2A 1H 2H 測定個所と測定方向 故障発見台数 故障見逃台数 故障発見率 1A, 1V, 1H, 2A, 2V, 2H 97 -- 100% 1A, 1V, 2A, 2V 78 19 80% 1A, 1V, 2V 64 33 66% 1V, 2V 45 52 46% 1H, 2H 45 52 46%

測定個所と故障発見率

267台中97台発見

(2)

"Using Transducers for Machinery Fault Detection", Bert Lundgard, DLI Engineering, published in Sensors magazine, November, 1988, by Helmers Publishing Inc., Peterborough, NH. 測定点の数 故障発 見 率( % )

測定個所と故障発見率

変位は鉛直方向,水平方向,軸方向の並進振動で

3次元振動

回転軸に対して

垂直方向と水平方向の

2次元測定で十分

変位の測定

2 軸の変位測定

軸振動測定 軸位置測定 x軸 y軸 ISO7919-1

軸位置の軌跡

(3)

A B C D ・radial 半径方向,押し当て方向 ・tangential 正接tangent方向 ・axial 軸方向 ・vertical 鉛直方向 ・horizontal 水平方向 ・axial 軸方向

タンジェシャル振動

×

×

振動速度は剛体振動で,

鉛直方向,

水平方向,

軸方向

鉛直軸の回転,

水平軸の回転,

軸方向の回転

6 次元

振動速度の次元数

鉛直 水平 軸

回転機械の振動測定は,

鉛直方向,

水平方向,

軸方向

の並進

3 次元と

振動速度の測定

鉛直 鉛直 水平 水平 軸

軸方向の回転

4 次元

加速 加速

振動加速度は弾性波振動で

1 次元

タンジェシャル振動

・同じ感度の加速度センサーを並列に接続する. ・赤の上下方向の振動は打ち消し合う. ・青の正接方向の振動は二倍になる.

(4)

配管は,

鉛直方向,

水平方向,

の並進

2 次元と

振動速度の測定

鉛直 水平 鉛直 水平

配管の回転

3 次元

A B C D ・radial 半径方向,押し当て方向 ・tangential 正接tangent方向 ・axial 軸方向 ・vertical 鉛直方向 ・horizontal 水平方向 ・axial 軸方向

タンジェシャル振動

×

×

音・振動 センサ

状態監視技術

計測器 分析器 評 価 診 断 信号処理技術 計測技術 検出技術 × × × 情報処理技術 フーリエ(Fourier)解析 ヒルベルト(Hilbert) 変換 ケプストル(Cepstrum) 解析 フルスペクトル(Full spectrum)解析 ウェーブレット(Wavelet)解析 フーリエスペクトルの加工処理 振幅確率密度関数の加工処理

電動機

カップリング

回転体

回転機械の構成

破損箇所 軸受が多い

SKF 設計寿命1/3

保全とは

軸受の寿命延長

(5)

構造系異常

ミスアライメントによるストレス

(2)

F

a

F

a

F

r

F

r 3 10

=

P

C

L

P=F

r

+F

a

: ベアリングに掛かる負荷

C : ベアリングに特有な定数

L

10

: ベアリングの寿命時間

ミスアライメントによる軸受の寿命

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 1 2 3 4 5

ミスアライメントによる負荷

ベアリングの寿命

ミスアライメントによる軸受の寿命

負荷が 2倍

寿命は 1/8

負荷が 3倍

寿命は 1/27

(6)

0.1 1 10 100 1000 10000 0.1 1 10 100

ミスアライメントと回転機械の寿命

連続運転可能月数

ミスアライメント(μ)

2倍 → 1/3

3倍 → 1/5

5倍 → 1/10

10倍 → 1/25

円周方向(α) 偏心量 面方向(β) 偏角量 回転数 新設 修理 新設 修理 1,800以下 0.03 0.05 0.02 0.03 1,800 ~3,600 rpm 0.02 0.03 0.01 0.02 3,600 ~ 9,500 rpm 0.01 0.02 0.005 0.01 9,500 ~30,000 rpm 0 0.005 0 0.005

偏心量,偏角量の許容値

(参考値)

単位:mm

ゆるみとガタ

ゆるみ は軸受の過剰負荷の原因 増す締めは重要な作業 ゆるみ だけでは振動しない ガタ は ゆるみ + アンバランス など モー タ 作用する 力の方向

アンバランス力

(F)=質量(

Δ

m)x回転半径(r)×ω

2

アンバランス力

(遠心力)

アンバランス力

(F)=不つり合い(U)×ω

2 ω F r Δm 不つり合い(U) ・不つり合い(U)=総質量(m)x偏芯量(e) ・不つり合い(U)=質量(⊿m)x回転半径(r)

(7)

ここで: H = 転がり軸受の寿命(時間) C = 軸受の基本動定格荷重(ポンド)(製造メーカーの仕様) L = 軸受に掛かる負荷(ポンド) M = 振動に対抗する質量の重さ(ポンド) V = 測定された振動速度(インチ/s) F = 振動周波数(CPMかRPM)

×

×

+

=

RPM

MVF

L

C

H

16667

10

7753

.

6

3 5

アンバランスと軸受寿命

Balancing, Identification and Correction

Lance Bisinger : Computational Systems Incorporated Knoxville, TN 37932

ここで: H = 転がり軸受の寿命(時間) C = 軸受の基本動定格荷重(kg)(製造メーカーの仕様) L = 軸受に掛かる負荷(kg) M = 振動に対抗する質量の重さ(kg) V = 測定された振動速度(mm/s) F = 振動周波数(Hz)

×

×

+

=

F

MVF

L

C

H

277

.

78

10

6

.

1

3 4

アンバランスと軸受寿命

ISO10816-1の判定基準

振動速度 mm/s (rms) 区分境界の値 クラス Ⅰ クラス Ⅱ クラス Ⅲ クラス Ⅳ (mm/s) 45 28 18 11.2 7.1 4.5 2.8 1.8 1.12 0.71 0.45 0.28 A A A A B B B B C C C C D D D D C = 軸受の基本動定格荷重 10,000 kg L = 軸受に掛かる負荷 500 kg M = 振動に対抗する質量の重さ 6,500 kg F = 振動周波数 30 Hz 振動速度値 軸受寿命(年) 18.0 mm/s 0.88 11.2 mm/s 1.72 7.1 mm/s 2.81 4.5 mm/s 4.02 2.8 mm/s 5.22 1.8 mm/s 6.14 1.12 mm/s 6.90 0.71 mm/s 7.42 0.0 mm/s 8.46 軸受寿 命 (年 ) 振動速度(mm/s)

アンバランスと軸受寿命の例

(8)

構造系異常の絶対判定

S.J.Shuey 「人の指先の振動感度」

Power Engineering誌 1973年5月 0 25 50 75 100 125 150 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 人が感覚的に危険と感じる範囲 機械の振動許容範囲 人の指の 感覚限界 変位 (Peak to P eak : μ ) 回転数 (rpm) 100 300 600 1000 3000 6000 変位 (Peak to Pe ak :μ ) 回転数 (rpm) 100 300 600 1000 3000 6000 100 300 600 1000 3000 6000 変位 (Peak to Pe ak :μ ) 回転数 (rpm)

S.J.Shuey 「人の指先の振動感度」

1000 100 10 1 指の感覚限界 振動許容範囲 感覚的に危険 と感じる範囲 1 --- = 1m/s2 (片振幅) r2 1 --- = 5mm/s (片振幅) r 1 ---r1.5 955rpm=15.9Hz D=20μm (両振幅) V=1mm/s (片振幅) A=0.1m/s2(片振幅)

T.C.Rathbone チャート

回転数(rpm) Power Plant Engineering誌 1939年11月

1区分

おおむね

5dB間隔

変位 (Peak to P eak: μ ) 60 600 6000 2000 1000 100 10 3 非 い---す 感 覚 的 に 知 覚 能 な レ ベ ル 悪い ---対 策が 必要 少し 悪い 許せ 良 い 非常 に良

(9)

IRD 一般機械用振動許容チャート

測定値が

振動速度

1区分

6dB間隔

0.1 1 10 100 1000 100 1000 10000 100000 回転数(rpm) 変位 (Peak to P eak: μ ) 非 常 に 悪 い 順 調 少 し 悪 い 非 常 に 良 い 許 せ る 良 い 悪 い 極 め て 順 調 非 常 に 順 調 8.0mm /s 0.5mm /s 4.0mm /s 2.0mm /s 0.25m m/s 16.0 mm/s 0.1 25m m/s 1.0mm /s

M.P.Blake 振動新基準チャート

係数 設 備 2 つり上げられた状態のス ティックシャフト型遠心分 離機、多段渦巻ポンプ、特 性不明な種々の装置 1.6 タービン、タービン発電機、 回転型圧縮機 1 単段渦巻ポンプ、電動機、 送風機 一般的な化学装置用機器 (重要度の低いもの) 0.5 シャフトサスペンド型遠心 分離器 0.3 リンクサスペンド型遠心分 離器 サービス係数 100 300 1000 1800 4000 10000 2000 1000 100 10 2 回転数(rpm) AA A B C D 変位 (Peak to P eak : μ ) 0.1mm /s 10m m /s2 10m /s2 100m m /s2 1.0m /s2 100m /s2 100mm /s 1.0mm /s 10mm/ s

ISO2372の判定基準

振動速度 mm/s (rms) 区分境界の値 クラス Ⅰ クラス Ⅱ クラス Ⅲ クラス Ⅳ (mm/s) 45 28 18 11.2 7.1 4.5 2.8 1.8 1.12 0.71 0.45 0.28 A A A A B B B B C C C C D D D D クラスⅠ:15kW以下のモーター クラスⅡ:15kW∼75kWのモーターや300kW以下の機械 クラスⅢ: 剛な重い基礎に据え付けた大型機械 クラスⅣ: 比較的柔い基礎に据え付けた大型機械 1974年

ISO10816-1の判定基準

振動速度 mm/s (rms) 2009

Range of typical zone boundary values r.m.s. vibration velocity (mm/s) 45 28 18 14.7 11.2 Zone boundary C/D 9.3 4.5 to 14.7 7.1 Zone boundary B/C 4.5 1.8 to 9.3 2.8

Zone boundary A/B 1.8 0.71 to 4.5 1.12 0.71 0.45 0.28

(10)

フーリエスペクトルの加工処理

対 象

アンバランス

ミスアライメント

緩み,ガタ

アンバランスのスペクトル例

Hz No.2 ブロワ 15kW 3600rpm 17mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 Hz No.3 遠心分離機 3000rpm 15.9mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 Hz No.12 ブロワ 110kW 1800rpm 9.1mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 Hz No.23 モータ 1750rpm 3.0mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200

ミスアライメントのスペクトル例

Hz No.7 ブロワ 90kW 2600rpm 12.7mm/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 50 100 150 200 Hz No.15 遠心ポンプ5.5kW 3600rpm 5.4mm/s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 50 100 150 200 Hz No.14 ブロワ 11kW 3600rpm 9.9mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 Hz No.16 ブロワ 30kW 3600rpm 5.7mm/s 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 50 100 150 200

( )

=

i ps

p

f

a

( ) ( )

ps i i

a

f

p

f

s

=

( ) ( ) ( )

r r r

( )

r sd

s

f

s

f

s

f

・・・

s

nf

f

=

+

2

+

3

+

+

振動数領域の劣化パラメータ

sd

f

:異常値

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 50 100 150 200

(11)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 50 100 150 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200

高調波合成処理の例

ミスアライルントの 周波数スペクトル例2600rpm 90kW ブロワ 高調波合成処理後 の周波数スペクトル

振幅領域と振動数領域による判定チャート

0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s)

正常

注意

異常

故障スペクトルの占有度

マグネットポンプ(5.5kW, 3600rpm)

v

rms

:7.8mm/s f

sd

:0.997 D

アンバランス状態の事例

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 Hz 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

ブロワ(90kW, 2600rpm)

v

rms

:12.7mm/s f

sd

:0.95 D

ミスアライメント状態の事例

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 50 100 150 200 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

(12)

ブロワ(130kW, 1800rpm)

v

rms

:6.0mm/s f

sd

:0.938 C

ガタ状態の事例

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 50 100 150 200 Hz 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

ブロワ(130kW, 1800rpm)

v

rms

:1.4mm/s f

sd

:0.884 A

正常状態の事例

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 50 100 150 200 Hz 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度 0 0.1 0.2 0.3 0 50 100 150 200 Hz

ルーツブロワ(50kW, 1470rpm)

v

rms

:38.2mm/s f

sd

:0.54 D

軸受に内輪傷があり

占有率が低いがvrmsが大きいので異常と診断した事例 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

ブロワ(55kW, 3600rpm)

v

rms

:3.4mm/s

f

sd

:0.994 C

正常を注意(アンバランス)と誤診した事例

Hz 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

(13)

ルーツブロワ(1800rpm)

v

rms

:11.6mm/s f

sd

:0.99 D

正常を異常(ミスアライメント)と誤診した事例

Hz 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 50 100 150 200 0 10 20 30 40 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Vr ms (m m/ s) 正常 注意 異常 故障スペクトルの占有度

振幅確率密度関数の加工処理

対 象

転がり軸受

HFD,gSEとは

外輪欠陥のある振動加速度波形

HFD : High frequency demodulation

Hilbert変換 または エンベロープ波形 HFDは,この波形のオーバーオール値 gSEは,この波形のオーバーオール値 振動加速度のp-p値の波形 IRD社 70 40 100 50 10 1 4 2 0.6 30 15 20 0.1 7 5 20 0.4 6 10 0.6 0.4 700 40 6 2 4 10 20 2000 3000 2500 1500 1 1000 0.2 回転数 (N : rpm) 軸径 (D : mm) 判定基準(m/s2(rms)) 危険 注意 回転数 2988rpm 軸径 50mm 注意:11m/s2 2 7

10

D

N

X

d

=

d c

X

X

= 25

0

.

×

危険:45m/s2

転がり軸受の判定基準の例

(14)

DN値と振動加速度の関係

DN (軸径×回転数) 値 振動加速度 (m/s 2 ) 0.1 1 10 100 0 100000 200000 300000 出典:昭和エンジニアリング㈱ 消費電力(kW)

診断パラメータと電力の関係

m/s

2 0 10 20 30 40 50 1 10 100 1000 出典:昭和エンジニアリング㈱

正常な転がり軸受の振幅確率密度関数

正規分布適合性検定:適合度0.85

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 σ -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 σ

傷のある転がり軸受の振幅確率密度関数

正規分布適合性検定:適合度0.005以下

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 0.5 1 1.5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 σ σ

(15)

正常な機械が発する音・振動の振幅確率密度関数は正規分布

正規分布からのズレ成分が異常成分

振動波形の 正規分布 ズレ成分 振幅確率密度関数 (正常成分) (異常成分)

( )

x

r

( )

x

p

ϕ

( )

x

+

豊田先生、曰く

( )

ϕ

x e x = − 2 2

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

p x

=

c

0

x

+

c

x

+

c

x

+

c

x

+

c

x

+

0 1 1 2 2 3 3 4 4

1

2

3

4

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

!

!

!

!

・・・・・

確率密度関数のGram-Charlier級数展開

c3= −s3 c4 =s4−3 c5= − +s5 10s3 c6 =s6−15s4+30

Gram-Charlier級数

という。

( ) ( )

x

x

c

H

( ) ( )

x

x

c

H

( ) ( )

x

x

c

H

( ) ( )

x

x

c

H

( ) ( )

x

x

p

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

6 6

ϕ

5 5 4 4 3 3

!

6

!

5

!

4

!

3

+

+

=

正常成分

ズレ成分(異常成分)

H

n

: エルミートの多項式

( ) ( )

x

=

x

s

(

x

x

)

( ) (

x

+

s

)

(

x

x

+

)

( )

x

+

⋅⋅

p

ϕ

ϕ

6

3

ϕ

!

4

3

3

!

3

2 4 4 3 3

s

x

i i n 3 3 1

=

=

s

x

i i n 4 4 1

=

=

x

i

を実効値σで正規化すると

歪み度 (Skewness)

尖り度 (Kurtosis)

英国Southampton大学のR.M.Steward教授が提唱した

「正常な機械が発する振動の尖り度が3になる」ことが

Gram-Charlier級数展開を行うことで証明された。

摩耗系劣化パラメータとして 極めて有効。

(16)

面積は

68.3%

0

68.3%

の面積

正常時の実効値に等価 0

等価実効値

Equivalent rms:

σ

eq -15 -10 -5 0 5 10 15 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 20 0 200 400 600 800 1000 0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000

σ

eq

を求める方法

σ

eq

638

(17)

傷のある転がり軸受の振幅確率密度関数

正規分布適合性検定:適合度0.005以下

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 0.5 1 1.5 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 σ σ 現在の実効値 正常時の実効値

従来のパラメータ

新しいパラメータ

実効値比

Sigra

尖り度

Kurtosis eq

σ

σ

β

2

=

3

4 4 4

=

σ

i

x

c

4

3

4 4

=

eq i

x

σ

β

劣化パラメータ

判定基準

σ

=

2

c

正常な転がり軸受の振動波形

600rpm -100-80 -60 -40 -200 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1000rpm -100-80 -60 -40 -200 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1400rpm -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

外輪傷のある転がり軸受の振動波形

600rpm -500 -400 -300 -200 -1000 100 200 300 400 500 0 200 400 600 800 1000 1000rpm -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1400rpm -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

(18)

eq

σ

σ

β

2

=

3

4 4 4

=

eq i

x

σ

β

600rpm 1000rpm 1400rpm β2 600rpm 1000rpm 1400rpm β4

回転速度による比較

正常 正常 傷付 傷付

パラメータ

パラメータ

平常

注意

故障

2

β

β

4 2

3

>

β

3

6

>

β

2

6

2

β

4

20

>

β

20

60

>

β

4

60

4

β

劣化パラメータの判定基準値

0 10 20 30 40 50 0 100000 200000 300000 0 1 2 3 4 0 100000 200000 300000 0 20 40 60 80 0 100000 200000 300000 β4 β2 DN(軸径×回転数) 値 DN(軸径×回転数) 値

診断パラメータとDN値の関係

m/s 2 β4 β2 消費電力(kW) 消費電力(kW)

診断パラメータと電力の関係

m/s 2 0 10 20 30 40 50 1 10 100 1000 0 1 2 3 4 1 10 100 1000 0 20 40 60 80 1 10 100 1000

(19)

大野耐一(トヨタ自動車)が提唱した「なぜ」「なぜ」五回運動 たとえば、機械が動かなくなった場合を考えてみる。 (1)なぜ機械がとまったか? オーバーロードがかり、ヒューズが切れたからだ。 (2) なぜオーバーロードがかかったのか? 軸受部の潤滑が十分ではないからだ。 (3) なぜ十分に潤滑しないのか? 潤滑ポンプが十分くみ上げていないからだ。 (4) なぜ十分くみ上げないのか? ポンプの軸が摩耗してガタガタになっているからだ。 (5) なぜ摩耗したのか? ストレーナー(濾過器)がついていないので、切粉が入ったからだ。 以上の五回の『なぜ』を繰り返すことによって、真の原因を発見し、改善すること ができるようになる。『なぜ』の追求の仕方が足りないと、単なるヒューズやポン プの軸の取替えで終わってしまい、数ヵ月後には同じトラブルが再発することに なる。 バーチャル・コーポレーション(徳間書店) William H.Davidow & Michael S.Malone

斜めはめ込み軸受

Cocked Bearing 4 1 2 3 位相 1 : 2/6π(rad) 2 : 5/6π(rad) 3 : 8/6π(rad) 4 : 11/6π(rad) スペクトル fr 3fr 軸方向 2fr 軸に斜めに取り付けられた転がり軸受は,かなり大きい軸方向の振動を発生させる. 軸受の上下間および左右間で位相が180°異なるひねり運動が起こり,この振動は 軸受箱で軸方向の振動として測定される. 通常のカップリングで軸心調整をしたり,回転体のつり合せを試みてもこの問題を解 決できない.異常に取り付けられた軸受を外し,正しく取り付け直さなければならない.

転がり軸受のアライメント

内輪表面と外輪表面が平行であるとき 軸受は心出しされていると看做される.

外輪のアライメント測定

(20)

内輪のアライメント測定

Rd Rr ω Rrω Rdω 圧縮力 引張力

転がり軸受けのミスアライメント

Rd Rr ω Rrω Rdω 圧縮力 引張力

転がり軸受けのミスアライメント

参照

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