刘兆宁1史亮1辛宇鹏2韩中成1
(1.青岛海西重机有限责任公司,山东青岛;2.太原理工大学机械与运载工程学院;山西太原)
【摘要】轴承是当前的港口大型机械加工设备运转时的主要部件，一旦关键轴承出现故障，必然会导致整个加工制造系统的质量出现影响最终影响到企业的生产过程。此外大型设备的生产周期比较长，在设备运行状态下需要反复对设备进行加工，如果出现故障必然会影响到设备后续的使用性能。对此，故障诊断技术与相关的管控措施研究工作势在必行。
【关键词】大型设备；轴承；故障诊断技术
0.引言
港口大型设备的关键轴承管理工作能够提升设备的完好率，满足港口在货物装卸方面的实际需求，同时避免安全隐患以保障生产过程。另外，轴承的维修频率可以从根源上进行降低，从而缩短故障停时以降低维修成本。这需要通过不同的技术手段对轴承故障类型进行模式识别，然后在具体的工况下进行试验和评估。
1.常见的轴承故障与诊断管控措施
1.1 常见故障
引起轴承产生故障的原因较多，无论是安装问题、腐蚀还是超载等都会引起轴承在运转过程当中的损坏，即便是在无外因影响下正常使用，也可能会因为长期运转导致疲劳剥落、磨损等。通常情况下按照轴承的损伤程度可以划分为三种类型。
1.1.1 磨损故障
磨损故障一般是因为轴承长时间使用运转导致的故障，这也是正常的材料损耗，属于渐变性故障。这种故障并不会因为轴承短时间的严重损伤，因此受到忽略的可能性比较高，在时域上表现出无序性。
1.1.2 损伤故障
损伤故障包括疲劳剥落、胶合等故障类型，前者是因为滚珠在滚道内运动时由于交变载荷的作用在材料内部产生裂纹而影响到轴承表面，而后者则是金属附着在零件表面的情况。引起此类损伤故障的主要因素包括化学腐蚀、电腐蚀等，使得轴承在短时间内达到极高的温度。
1.1.3 材料变形故障
材料变形故障指的是轴承产生变形或是断裂等直接形变从而干扰到设备的正常运转，其中断裂是因为轴承承受载荷过大，这与生产工艺、装配等都有着密切联系，而后者也是因为轴承受到了较大的挤压力从而在受力处产生凹陷，甚至会因此而出现永久性形变问题[1]。
1.2 诊断管控方法
港口设备在运转过程当中本身会因为环境的影响出现不同的使用状态，因此轴承信号检测结果的差异也会让故障诊断方法产生差异，常用的故障诊断方法也包括以下几个方面。
1.2.1 温度检测
温度检测主要是检测轴承在高速运转下的变化趋势，此时轴承温度变化幅度会比较大，对于润滑不良的轴承过热现象会相对敏感。不过这种检测对于一些比较小规模的故障效果有限，例如使用时间过长出现的轻微磨损等。一般而言在故障发展至一定阶段后，温度检测才能最有效地发挥功能。
1.2.2 声发射检测
声发射是一种弹性波，在材料受到外力和内力作用产生裂纹扩展或变形时会以弹性波的形式释放出应变能，而轴承在出现点蚀等问题时也会因此出现声发射信号，为基础故障诊断提供了关键的参考依据。声发射信号可以被用于轴承的早期故障诊断，和信号产生机理之间密切关联，不过在轴承故障已经产生之后再进行声发射检测时结果可能会受到影响。
1.2.3 油样分析
油样分析是通过轴承磨损微粒在润滑油当中的数量情况来确定轴承的故障强度，因此在正常情况下油样分析法对于磨损类故障的敏感程度是最高的。油样分析包括光谱分析和铁谱分析两种类型，其中铁谱分析方法可以将高强度的磁场作用于油液当中然后将其中的微粒进行有序分离，通过仪器对微粒的物理特性进行检测，从而确定轴承的磨损情况。而光谱分析方法也是通过检测油液当中的金属杂质来完成轴承损伤情况的判断，但使用环节可能会产生一定的局限性。
1.2.4 振动分析
振动分析法是当前使用频率较高的一种轴承故障诊断法，对于所有类型的轴承故障都可以进行诊断。信号检测过程当中安装在轴承表面的壳体加速度传感器可以接收到相应的信号，且现代信号分析方法一般都可以被应用于振动信号处理，信号测量简单且结果的精确性良好。
1.2.5 不同故障处理
为了从根源上提升作业质量和作业效率，对于不同的轴承故障有着不同的处理方法，从运转角度的层面来看，如果出现噪音问题，那么需要推测原因，分析是哪种因素导致轴承出现噪音然后再针对性采取处理方案。一般而言，如果噪音是比较强烈的金属音，那么说明是异常载荷现象或是安装问题，此时就需要修正配合并调整轴承座的档肩位置。如果是安装不良，那么就应该改善轴承座的加工精度并改善安装方法。噪音是比较规则的声音则说明有异物进入，此时需要考虑更换轴承并改善密封位置，反之声音不规则时则需要考虑轴承是否出现了损伤[2]。
异常温度升高可以通过修正配合轴承座的加工精度和改善安装方法来实现，或是改善密封形式。
振动状态过大时则要调整轴与轴承座档扇垂直度。
2.轴承信号分析与特征提取
2.1 运行特点和数据采集方法
大型的港口设备的加工周期比较长，对于设备的稳定性要求较高，我们在进行轴承信号检测时一般会通过加速度传感器来测量振动情况，并按照轴承的故障频率范围来选择传感器型号。在测量环节，传感器会被安装在紧贴着轴承外圈的设备表皮之上，然后分布在轴承轴向的各个方向，在条件允许的情况下还可以在轴承的轴向位置安装传感器以测量轴向信号。
2.2 基于形态学的特征提取
LMD方法可以被视为是一种自适应的信号分解方法，能够把信号分解成为不同的PF分量，然后采用组合滤波器的方式对检测到的信号进行降噪处理。首先要分析测量物体的结构特征，并且考虑到噪声对于分解效果可能产生的影响以确保数据的可信度[3]。LMD方法所分解的是轴承信号，按照轴承结构可以了解到产生振动信号的源头。
2.3 信号实验
信号处理方法在轴承故障诊断当中有着关键作用，其中的数据输入过程是对轴承数据的分类输入，包括已知的轴承故障信号与待分类的轴承信号。其中前一个信号是为了建立分类模型，而后一个信号则被用于轴承故障的判断，然后对其中的某些信号特征进行实时显示。在输入信号的处理和特征提取阶段，则会针对轴承的所有故障信号进行判断和报警，例如提取信号的特征向量然后将其输入到分类系统当中，对检测出的故障轴承进行报警，将故障数据状况下的信号特征等内容一一地显示。
3.结语
港口大型设备的关键轴承管控以及故障诊断技术的有关研究应用有助于提升港口门机的可靠性和完善性，在后续的研究阶段也会进一步地完成轴承故障诊断技术的推广，积极开展实验工作，从而提升作业效率和维修水平，不断地完成机械加工设备的轴承故障诊断技术优化，完成信号分析和故障识别，并且在今后的工作实践当中可以应用于其他领域，促进该领域的行业升级和发展。
【参考文献】
[1]杨洋, 韩敬重. 港口大型设备关键轴承管控及故障诊断技术应用研究[J]. 中国设备工程, 2020(05):147-149.
[2]周桂平. 集成故障诊断技术的设备管理系统的研究与设计[J]. 工业控制网络与系统研究室, 2012.
[3]宋今朝. 组合机械故障诊断技术在船舶电机轴承异常检测中的应用[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(12):119-121.