《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

田祖織+劉同岡

摘要：《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》是高校機(jī)械工程學(xué)科的重要專業(yè)課程，本文針對(duì)我校《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際情況，分析存在的問題，探索改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革探索，以提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：故障診斷；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；振動(dòng)實(shí)驗(yàn)；鐵譜分析

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）11-0179-02

一、課程現(xiàn)狀與不足

（一）課程現(xiàn)狀

隨著機(jī)電產(chǎn)品向大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化和連續(xù)化方向快速發(fā)展，設(shè)備出現(xiàn)故障所帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)和人員損失越來(lái)越嚴(yán)重，因此，機(jī)電產(chǎn)品的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)得到了眾多企業(yè)和大專院校的重視，近些年來(lái)發(fā)展迅速。《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》作為一門課程發(fā)展于上世紀(jì)六七十年代，是一門綜合性的技術(shù)，涵蓋了測(cè)試技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械振動(dòng)等多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于機(jī)電專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》是其走上工作崗位的必備技能之一，同時(shí)也是其樹立產(chǎn)品質(zhì)量意識(shí)和人身安全意識(shí)的基礎(chǔ)課程。因此，該課程是機(jī)械工程學(xué)科的重要專業(yè)課程，在國(guó)內(nèi)眾多高校均有開設(shè)，在我校為機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)本科生的重要課程，現(xiàn)開課32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，每年均有200余名本科生選修該課程。該課程的理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)，需要開展大量實(shí)驗(yàn)以促進(jìn)理論知識(shí)的理解，目前可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)較多，如：溫度法故障診斷技術(shù)、油液法故障診斷技術(shù)、無(wú)損法故障診斷技術(shù)、振動(dòng)法故障診斷技術(shù)等，但受制于課程學(xué)時(shí)的限制，現(xiàn)僅開設(shè)兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)：（1）振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)；（2）油液鐵譜監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生更好掌握課堂教學(xué)中的振動(dòng)故障診斷技術(shù)和油液分析技術(shù)兩部分重要內(nèi)容，并提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

（二）存在的問題

但根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，上述目的并未完全達(dá)到，主要存在如下兩個(gè)問題：（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不當(dāng)。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生一般是觀察教師實(shí)驗(yàn)過程，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)儀器缺乏深刻認(rèn)識(shí)，僅是機(jī)械性的重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，缺乏積極性；（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，所做實(shí)驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確反映課堂教學(xué)內(nèi)容。如振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)中僅介紹振動(dòng)測(cè)量方法，側(cè)重于振動(dòng)信號(hào)的測(cè)取，且為演示性實(shí)驗(yàn)，適于機(jī)械振動(dòng)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)，與本課程所講授的齒輪、軸承、軸系等故障診斷技術(shù)相關(guān)性不強(qiáng)；此外，油液鐵譜監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)中只有磨粒定性觀察分析實(shí)驗(yàn)，缺乏客觀定量評(píng)價(jià)分析內(nèi)容。致使學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)缺乏深刻認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)積極性不高，動(dòng)手能力鍛煉不足，無(wú)法有效促進(jìn)理論知識(shí)的理解。因此，本文針對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，對(duì)其改革進(jìn)行探索，以期提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和整體教學(xué)效果。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在的問題，探索先期預(yù)實(shí)驗(yàn)的方法，即將實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)機(jī)理作為課堂教學(xué)和課外作業(yè)的一部分，促使學(xué)生采用思維風(fēng)暴，預(yù)想實(shí)驗(yàn)流程和每步實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，最后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)展開驗(yàn)證，通過這種方法可以有效提升實(shí)驗(yàn)的目的性，讓學(xué)生自如掌控整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。此外，為了解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)限制和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多難題，可在課堂理論教學(xué)中穿插補(bǔ)充教師課外所做的實(shí)驗(yàn)圖片和視頻，提高教學(xué)的生動(dòng)性，促進(jìn)理論知識(shí)的理解，相當(dāng)于增加了學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“虛擬實(shí)驗(yàn)”，以使學(xué)生能夠更加直觀且全面的理解各種故障診斷機(jī)理和過程。

（二）更新振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由于現(xiàn)有的振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)僅介紹振動(dòng)傳感器的安裝、振動(dòng)分析軟件的應(yīng)用等內(nèi)容，未涉及故障診斷等相關(guān)知識(shí)，與課堂講授關(guān)聯(lián)性較低，因此，擬將本實(shí)驗(yàn)替換為齒輪、軸承、軸系故障模擬及振動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室將采用uT6818機(jī)械振動(dòng)分析及故障模擬試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種故障模擬，并進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、診斷、分析。更新后的實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)：（1）滾動(dòng)軸承故障模擬：可方便的將被測(cè)部分的軸承更換成有缺陷的軸承，如軸承內(nèi)圈損傷、外圈損傷、滾珠損傷。（2）齒輪故障模擬：通過更換有缺陷的齒輪，可模擬各類齒輪故障，如裂紋、斷齒、磨損。（3）軸系不平衡、不對(duì)中故障模擬：通過調(diào)整軸上旋轉(zhuǎn)圓盤上的平衡重量，可以模擬軸不平衡缺陷；通過調(diào)整軸座底盤的安裝位置可以模擬軸安裝不對(duì)中缺陷。（4）螺栓松動(dòng)故障模擬。此外，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅可以模擬各種故障，還可采用不同方法對(duì)上述故障開展診斷，主要可以實(shí)現(xiàn)：（1）滾動(dòng)軸承故障診斷方法：共振解調(diào)譜法、脈沖沖擊計(jì)法、特征參數(shù)診斷法；（2）齒輪故障診斷方法：微角速度波動(dòng)法、邊帶法、倒頻譜法等；（3）軸系不對(duì)中故障診斷方法：相位法、諧次法；（4）軸系不平衡故障診斷方法：絕對(duì)無(wú)誤判的相位法、頻譜法等；（5）螺栓預(yù)緊故障診斷方法：雙通道相位法、單通道諧次法；（6）結(jié)構(gòu)故障診斷方法：模態(tài)分析法。

更新后的實(shí)驗(yàn)可模擬故障種類多、診斷方法豐富，基本涵蓋了課堂所授理論內(nèi)容，可有效加深學(xué)生對(duì)于課堂知識(shí)的理解。

（三）改進(jìn)油液鐵譜監(jiān)測(cè)分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有8臺(tái)鐵譜顯微鏡可以進(jìn)行譜片觀察，其主要采用目鏡進(jìn)行定性分析，缺乏定量分析手段。而定量分析的效率較高，且對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求較低，在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用廣泛。本文擬將實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的8臺(tái)鐵譜顯微鏡中的2臺(tái)加裝光密度傳感器進(jìn)行定量分析改造，以實(shí)現(xiàn)鐵譜磨粒的定量分析，即在現(xiàn)有鐵譜顯微鏡的第三目上加裝光密度傳感器和光密度測(cè)量?jī)x。其具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

（1）準(zhǔn)備：接通光密度測(cè)量?jī)x的電源，預(yù)熱5分鐘以上。然后將光密度測(cè)量?jī)x的探頭裝到顯微鏡第三目上，并將探頭的接線插頭插入光密度測(cè)量?jī)x信號(hào)輸入接口。（2）調(diào)光路：關(guān)閉顯微鏡反射光源，開啟透射光源，將光源電壓預(yù)調(diào)到4伏左右。在透射燈室前加毛濾光片，用25×或40×物鏡觀察譜片，按透射光系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試觀測(cè)。扳轉(zhuǎn)聚光鏡組上的孔徑光攔調(diào)節(jié)扳手，將孔徑光攔調(diào)至最小。（3）調(diào)壹：光路調(diào)好后，把視場(chǎng)移至譜片上沒有磨損顆粒的干凈處。將雙目鏡筒上的操縱桿推入，使光線不進(jìn)入測(cè)頭。調(diào)節(jié)光密度測(cè)量?jī)x面板上的“調(diào)壹”旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為1.000（±0.002）。（4）調(diào)零：將雙目筒上的操縱桿拉出，使光線進(jìn)入測(cè)頭。調(diào)節(jié)光密度測(cè)量?jī)x面板上的“調(diào)零”旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為0.000（±0.004）。（5）調(diào)半：將無(wú)色的濾光片（遮光率為0.5）蓋在底座的透射光出光孔上，調(diào)節(jié)透射光源的電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為0.500（±0.004）。（6）復(fù)調(diào)：拿出無(wú)色的濾光片，若數(shù)字顯示屏上的數(shù)字不為0.000，則繼續(xù)調(diào)整“調(diào)零”旋扭，使之為0.000。（7）校準(zhǔn)：重復(fù)5）、6）使光密度測(cè)量?jī)x同時(shí)滿足4）和5）的要求，則儀器校準(zhǔn)完畢。（8）讀數(shù)：移動(dòng)顯微鏡載物臺(tái)，使觀測(cè)視場(chǎng)到達(dá)譜片上指定位置，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)光密度值進(jìn)行測(cè)量，通過光密度計(jì)面板進(jìn)行讀數(shù)。（9）結(jié)果：根據(jù)測(cè)量譜片內(nèi)環(huán)內(nèi)圈、中環(huán)內(nèi)圈、外環(huán)外圈的磨粒覆蓋面積百分?jǐn)?shù)，計(jì)算出磨損烈度指數(shù)，即可對(duì)機(jī)械設(shè)備磨損狀態(tài)做出相應(yīng)評(píng)估。

改進(jìn)后的油液分析實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)磨粒的定性和定量分析，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完整豐富，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)磨粒鐵譜分析的全面認(rèn)知，提高實(shí)驗(yàn)的目的性和積極性，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

三、總結(jié)

本文針對(duì)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際情況，分析了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題和不足，探索改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提出了“課堂預(yù)實(shí)驗(yàn)”使學(xué)生全面了解實(shí)驗(yàn)機(jī)理，以解決實(shí)驗(yàn)的盲目性；提出了“虛擬實(shí)驗(yàn)”增加理論教學(xué)的生動(dòng)性，并解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)限制問題；更換了振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)更加符合課堂講授實(shí)際；更新了油液分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加全面。通過上述改革探索，可有效提升該課程的整體教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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Exploration of Experiment Teaching Reform for"Technology of Condition Monitoring and Fault Diagnosis"

TIAN Zu-zhi，LIU Tong-gang

（School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：Technology of condition monitoring and fault diagnosis is an important professional course of mechanical engineering specialty. According to the experimental teaching status of our university，the existing problems of this course are analyzed，and the experimental teaching method and content are reformed to improve the teaching effectiveness.

Key words：fault diagnosis；experimental teaching；vibration monitoring；ferrographic analysis