柴油机主轴承故障检测方法应用前景分析

王奇

大连产品质量检验检测研究院有限公司 辽宁大连 116300

轴承作为旋转机电设备的重要组成部分之一，其正常工作与否对于生产工作有着极大的影响。并且，在旋转设备的故障类型中轴承故障占据绝大多数。因此，构建一个可靠便捷的电机轴承故障诊断系统对于提高电机的工作寿命具有长远的意义。

1 柴油机滚动轴承常见故障

1.1 轴承剥离

通过研究分析，柴油机滚动轴承故障形式多种多样，其中，轴承剥离损伤故障发生几率最高。这一故障形式一般发生在金属组件中，如轴承、滚子等，而且一般发生于金属组件的工作面位置。通常情况下，剥离损伤平面为凹凸不平状，同时，在剥离范围内，还存在贝纹状疲劳弧线。造成这一损伤的原因有很多种，具体而言，可以分为使用因素和制造因素这两种。其中，使用因素指的是滚动轴承的承载状态、运行条件等相关因素，而制造因素指的是轴承本身的热处理加工工艺等相关因素[1]。

1.2 轴承磨削烧伤

在柴油机滚动轴承的制造过程中，可能会出现磨削烧伤这一损伤类型，因此，这一损伤属于轴承制造方面的质量问题。根据调查研究，在轴承内圈、外圈以及滚子等构件的工作面，都可能会出现这一损伤类型。对于磨削烧伤的滚动轴承，将其经冷酸、热酸浸蚀，其表面会出现灰色或者黑色，同时，在损伤位置可能还存在龟裂裂纹。这一损伤类型是由于滚动轴承金属构件在生产加工过程中磨削不当所造成的。在轴承的加工过程中，在磨削加工环节，构件表面温度会升高，如果散热不良，冷却时间过快，则就会造成轴承表层组织以及轴承性能发生变化，从而产生裂纹。

2 故障诊断模型的基本结构

在针对图像样本数据等二维、三维数据信息进行处理时，CNN网络性能会随着神经元数量、网络层数等参数的增加而提高。但随着神经元数量的不断增加，CNN网络卷积运算速度也会相应放慢，降低了网络整体的效率。同时在实验过程中能够发现，增加网络层数只有针对二维、三维信息时才会提高训练以及测试的准确度，而针对本文中所采取的一维数据及网络结构，网络层数的大幅度增加并没有提升训练和测试的准确度。因此，针对本文中一维时间序列数据的特点，需要选用合适网络参数及网络深度，优化网络结构，进而提高网络的性能。由于输入样本数量较大，且蕴含在样本数据的中非线性特征具有离散化的特点。针对该问题，本文通过构建包含卷积层、池化层、以及分类层等多层网络对原始信号特征信息进行提取。原始样本数据通过卷积层中设置的卷积核对其进行特征提取，进而得到多个特征矢量。通过最大池化层对特征矢量的进一步约简，提高非线性特征的鲁棒性。网络中构建的多层卷积池化层能够实现对输入样本信号中非线性特征的层层提取，进一步提高特征提取的可靠性与准确性。同时，在每层卷积层中使用批次归一化（BatchNormalization，BN）处理，对网络模型训练过程中的参数进行修正，进而减低模型训练过程中出现过拟合的情况。在模型的最后，通过构建三个全连接层，将提取出的特征参数展开形成一维向量。其中将第三层全连接层设置为分类层，同时由于本模型为多分类模型，因此将该层的激活函数选择为Softmax，以完成最终分故障分类[2]。

3 优化措施分析

3.1 传统的轴承故障诊断方法

传统的智能故障诊断方法主要有包括3个步骤：数据采集，特征提取和故障识别，其中特征提取和故障识别是影响最终效果的关键步骤。轴承故障引起的脉冲及其相关的振动信号具有强非线性和非静态调制特性，冲击和振动信号也会受到各种噪声和干扰的影响，而且，由于滚动零件的滑移和转速的不断变化，故障特征往往无法直接表现出均匀分布或有规律的特性，对特征提取和故障识别方法造成了较大影响。为有效解决这类非线性问题，经验模态分解(EMD)、小波变换(WT)和压缩传感(CS)等故障诊断方法被不断提出。EMD适用于非线性和非平稳信号的分析，虽然已应用于故障诊断、故障检测等领域，但存在缺乏明确的理论基础，对背景噪声敏感，抗干扰能力差，容易产生采样误差和分解模型混合等缺点。小波变换(WT)是时间(空间)频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，但其存在计算成本巨大和冗余系数有限的缺陷。综上分析可知：故障诊断的效果极大地依赖于特征提取方法的设计，而特征提取方法则需要专业的研究基础和丰富的实践经验，且需针对不同的故障诊断进行不断调整。

3.2 油封和密封罩的松动判断

一是用力快速转动轴承，发出“吱、吱”的响声，该特征为轴承油封与前盖或后挡摩擦的声音，判定为轴承油封松动。二是转动轴承外圈，轴承外侧密封罩开始转动，密封罩不动或双手紧压密封罩转动时与轴承外圈转动不同步，判定为轴承密封罩松动。三是外油封与密封罩有间隙，用手摇动外油封有松动，判定为外油封脱出。四是前盖或后挡与密封罩接触处有油脂泄露，聚集尘土，甚至泄露出新鲜油脂，判定为密封罩或油封不良。

3.3 剥离和锈蚀

一是快速转动轴承，听声音有无异常，然后用两手紧按轴承外圈，慢慢正反转动轴承外圈一周以上，集中注意力用手感触轴承内部，当感触到轴承局部出现“咯噔”感觉，判定为剥离。二是轴承开盖后检查，用手捻其油脂有无变色(有时不明显)，若油脂稀疏或发黄变质，判定为锈蚀[3]。

4 结语

滚动轴承损伤状况决定其振动响应，振动响应反过来也对损伤的发展产生影响，损伤的发展又会影响轴承的动力学特点，从而表现为振动响应的改变;因此，轴承的损伤和振动是相互耦合的，而目前考虑二者关系的研究仍然相对较少。