科研課題推動下的教學(xué)實驗研究

摘要：隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的不斷發(fā)展，振動實驗教學(xué)在新工科背景下得以不斷發(fā)展進(jìn)步。機(jī)械振動測試實驗課程通過理論講解、案例分析等方式，使學(xué)生深入理解機(jī)械振動的基本原理和振動測試方法。進(jìn)而通過實際操作振動測試儀器，使學(xué)生掌握振動傳感器的安裝、調(diào)試和使用方法，學(xué)會使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力。在科研課題與實驗教學(xué)的融合中，采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲信c創(chuàng)新思維指導(dǎo)實驗教學(xué)工作，引導(dǎo)學(xué)生以科研的視角開展實驗研究，為其在工程領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動"科研課題"實驗教學(xué)"數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

中圖分類號：G420

Research"on"Teaching"Experiments"Driven"by"Scientific"Research"Projects

—Taking"“Mechanical"Vibration"Test"Experiment”"as"an"Example

LU"Wenjia1"""ZENG"Yajing1""LIU-FU"Jinbiao1""HUANG"Ke2

• （1."Zhaoqing"University，"Zhaoqing，"Guangdong"Province，"526061"China;"2.No.1"Secondary"School"of""Zhaoqing，"Zhaoqing，"Guangdong"Province，"526040"China）

Abstract：With"the"continuous"development"of"modern"engineering"technology，"vibration"experiment"teaching"has"been"continuously"developed"and"improved"under"the"background"of"new"engineering."The"course"of"Mechanical"Vibration"Test"Experiment"enables"students"to"deeply"understand"the"basic"principles"and"testing"methods"of"mechanical"vibration"through"theoretical"explanation，"case"analysis"and"other"methods."Then"through"practically"operating"vibration"test"instruments，"it"enables"students"to"master"the"installation，"debugging"and"use"methods"of"vibration"sensors，"and"learn"to"use"the"data"acquisition"system"and"analysis"software"for"data"processing"and"analysis，"so"as"to"cultivate"their"practical"operation"ability."In"the"integration"of"scientific"research"projects"and"experimental"teaching，"it"adopts"rigorous"scientific"research"and"innovative"thinking"to"guide"experimental"teaching，"and"guides"students"to"carry"out"experimental"research"from"a"perspective"of""scientific"research，"so"as"to"lay"a"solid"foundation"for"their"innovation"and"development"in"the"engineering"field.

Key"Words："Mechanical"vibration;"Scientific"research"project;"Experimental"teaching;"Data"acquisition"system

隨著社會的快速發(fā)展，當(dāng)下中國已經(jīng)進(jìn)入建設(shè)社會主義現(xiàn)代化科技強(qiáng)國的關(guān)鍵時期，要求高等院校加快培養(yǎng)一群知識型、技能型、創(chuàng)新型的高水平人才，推動社會科技與經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量快速發(fā)展。而針對高素質(zhì)綜合性人才培養(yǎng)目標(biāo)，實踐創(chuàng)新能力是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵[1]。實踐是檢驗認(rèn)識真理性的唯一途徑，當(dāng)代大學(xué)生在日常課程積累中已經(jīng)打下較好的理論基礎(chǔ)，但是缺乏實驗的踐行[2]。在已有設(shè)備的情況下盡可能地通過進(jìn)行實操來提高學(xué)生的分析能力和判斷能力，讓他們充分實踐自己所學(xué)的專業(yè)知識、熟練運用相關(guān)測試軟件，實現(xiàn)學(xué)科交叉融合[3-4]。同時學(xué)生的合作協(xié)作能力也很重要，可以讓學(xué)生多進(jìn)行集體策劃和成果分享促使學(xué)生達(dá)成通力合作，通過協(xié)作達(dá)成好的效果。

振動測試是在產(chǎn)品投入運行后，利用振動信號測試系統(tǒng)機(jī)械與電氣故障的診斷方法，它是產(chǎn)品質(zhì)量評價與質(zhì)量控制的重要手段[5]。具體的測試方法主要包括通過不同類別的振動傳感器測量系統(tǒng)的振動強(qiáng)度、頻譜特征及動態(tài)響應(yīng)，采用非入侵式的診斷方法了解系統(tǒng)的振動狀況，尋找振源，進(jìn)而采取合理的減振措施[6]。振動實驗教學(xué)希望將從科研項目積累的振動實驗方法應(yīng)用于教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生們以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S構(gòu)建振動實驗方案、搭建振動實驗平臺、提取振動特征以及分析振動機(jī)理，切實落實實踐與理論相統(tǒng)一的實驗教學(xué)模式。Simcenter"SCADAS是一款強(qiáng)大且緊湊的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)振動測試與分析而設(shè)計，Simcenter"SCADAS與Simcenter"Testlab軟件平臺無縫集成，從而完成振動噪聲與耐用性測試的信號采集與數(shù)據(jù)分析[7]。振動實驗教學(xué)中Simcenter測試平臺的搭建可在振動信號識別采集與特征頻率提取等方面提供強(qiáng)大技術(shù)支持。為實現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特征模擬則需要對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行模型重建與仿真，基于模型仿真分析與機(jī)械振動實驗結(jié)果的比對以達(dá)到快速建模與優(yōu)化設(shè)計的目的。SolidWorks作為一款主流的三維計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件，它在機(jī)械設(shè)計、模具設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域具有模塊化、集成化的特點而得到廣泛應(yīng)用[8]。通過振動測試與分析尋求到影響機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性的關(guān)鍵因素與激勵來源，進(jìn)而基于SolidWorks計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行模型重建，修改造成系統(tǒng)不利振動的結(jié)構(gòu)特征、修復(fù)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的故障來源，從而實現(xiàn)從機(jī)械系統(tǒng)故障診斷到模型重建與優(yōu)化設(shè)計的目的。在機(jī)械振動測試與振動仿真的具體應(yīng)用方面，KUANG和LIN[9]通過建立直齒輪傳動系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，研究了磨損故障形式對齒輪振動功率譜的影響，這些測試方法已經(jīng)在齒輪箱故障特征提取等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

本文的機(jī)械振動測試實驗以PT500pro多級齒輪傳動實驗與測試系統(tǒng)為研究對象，通過實驗教學(xué)對機(jī)械傳動系統(tǒng)中的各種故障進(jìn)行測試與模擬，主要包括指導(dǎo)學(xué)生開展齒輪箱和滾動軸承的振動測試、頻譜分析、故障診斷與模型仿真等項目的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)。

1""搭建實驗教學(xué)平臺

為了推進(jìn)學(xué)科交叉融合和跨學(xué)科研究，構(gòu)筑全面均衡發(fā)展的高質(zhì)量學(xué)科體系，提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)學(xué)科的交叉融合。搭建振動實驗測試系統(tǒng)，從學(xué)生自身知識儲備出發(fā)，以“強(qiáng)基計劃”"“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)計劃”為發(fā)展方向，優(yōu)化實驗結(jié)構(gòu)、細(xì)化實驗過程。本實驗由現(xiàn)有硬件設(shè)備PT500pro多級齒輪傳動實驗與測試系統(tǒng)和Simcenter"SCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)共同搭建而成。學(xué)生先連接兩個系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建如圖1所示。

多級齒輪傳動實驗與測試系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)可以開展振動測試、頻譜分析、齒輪箱、軸承振動測量等，且其配有相應(yīng)的故障模擬配件和正常完好的配件，在實驗過程中，學(xué)生需要更換配件進(jìn)行運作，收集各類配件的振動信號。借助多級齒輪箱傳動實驗系統(tǒng)與測試系統(tǒng)設(shè)置，將振動信號擴(kuò)展到包括數(shù)以百計的Simcenter"SCADAS的輸入通道。經(jīng)此操作，所有系統(tǒng)均可在真正的主從配置中運行，且學(xué)生能得到一個包含完全同步的數(shù)據(jù)的測量文件。

2""制定教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

2.1"依據(jù)人才培養(yǎng)要求，制定教學(xué)目標(biāo)

為響應(yīng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，人才強(qiáng)國戰(zhàn)略，推動工程教育的發(fā)展，培育新時代“魯班”，構(gòu)建以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力、團(tuán)隊合作與責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識等綜合素質(zhì)為目標(biāo)，振動實驗測試系統(tǒng)課程教學(xué)目標(biāo)有以下4個方面。

2.1.1振動實驗測試系統(tǒng)的基本原理和操作方法

學(xué)生應(yīng)能夠理解振動實驗測試系統(tǒng)的工作原理，掌握各種振動測量儀器的使用方法。能夠熟練操作實驗設(shè)備，進(jìn)行振動信號的采集、處理和分析。

2.1.2振動特征信號采集與仿真分析

采用Simcenter"SCADAS對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將設(shè)備和實驗臺連接好后，通過通道設(shè)置將搭建的振動傳感器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與靈敏度校準(zhǔn)，在示波與采集設(shè)定模塊檢查信號接收強(qiáng)度與傳感器接入狀態(tài)，進(jìn)而采用測量模塊實時讀取振動信號并采集記錄，然后基于Simcenter"Testlab的后處理模塊對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析。在仿真方面，使用Solidwords軟件對實驗臺進(jìn)行三維建模，將振動測試過程中采集到的故障特征提取后，修改原系統(tǒng)發(fā)生機(jī)械故障的零部件并進(jìn)行模型重建，在確保建模正確的情況下進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)仿真分析，進(jìn)一步對優(yōu)化的仿真模型進(jìn)行特征分析與性能評價。

2.1.3培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、實踐以及團(tuán)隊合作能力

通過振動實驗測試系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠運用所學(xué)知識解決實際工程問題，提高自己的創(chuàng)新思維和實踐能力。教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生分組合作，共同完成實驗任務(wù)。通過團(tuán)隊合作，學(xué)生可以學(xué)會相互支持、協(xié)作共贏，培養(yǎng)良好的團(tuán)隊精神和溝通能力。

2.1.4提高學(xué)生的綜合測試能力

通過振動實驗測試系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠掌握專業(yè)知識，還能夠提高自己的動手能力、分析問題和解決問題的能力。

振動實驗測試的實驗?zāi)康氖峭ㄟ^搭建的多級傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能測試模型，更好地探究系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲的原因，從而更精準(zhǔn)高效地優(yōu)化改進(jìn)齒輪傳動系統(tǒng)；對系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行振動實驗分析，分析其力學(xué)性能與動態(tài)特性；通過計算機(jī)后處理分析將所得的實驗分析結(jié)論與理論模型對照，從而驗證理論模型的準(zhǔn)確性并探究系統(tǒng)內(nèi)部的振動機(jī)理，進(jìn)而對系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析，從而為提高系統(tǒng)的可靠性提供理論與實驗依據(jù)。

2.2"實驗項目和內(nèi)容

2.2.1振動實驗測試的初步了解

為了讓學(xué)生對振動實驗有初步的了解。教師組織學(xué)生，講授實驗任務(wù)、實驗設(shè)備、實驗安全，以及小組分工等；而后在學(xué)生的協(xié)助下，進(jìn)行使用LMS測試系統(tǒng)對操作臺進(jìn)行振動信號的采集。討論如何將采集到的信號以各種特征圖片的形式展示出來，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。首先明確多級齒輪傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)部控制系統(tǒng)的運行流程，如圖3所示。該系統(tǒng)包括主機(jī)顯示器、傳感器、PLC、和執(zhí)行元件四大部分，運行過程大致為：（1）PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C(jī)；（2）實驗臺的傳感器信號輸入PLC；（3）PLC輸出信號控制電氣元件；（4）電氣元件狀態(tài)反饋回PLC控制系統(tǒng)。

2.2.2小組之間獨自進(jìn)行振動實驗測試

首先將采集裝置分別連接到操作臺和電腦上后，在操作臺顯示器上對實驗參數(shù)進(jìn)行測定。實驗臺的人機(jī)界面包括首頁、監(jiān)控畫面界面、參數(shù)設(shè)置、手動畫面、曲線瀏覽、數(shù)據(jù)采樣、IO界面報警畫面顯示報警信息生產(chǎn)計數(shù)等。學(xué)生可以通過多級齒輪測試系統(tǒng)的監(jiān)控畫面觀察到轉(zhuǎn)速、張力等設(shè)定值的大小，如圖4所示。還有一些監(jiān)控數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)矩、電流、溫度等。小組自行分工，分別負(fù)責(zé)實際測試環(huán)節(jié)的搭建以及后期數(shù)據(jù)的處理。測試包括不同轉(zhuǎn)速、不同齒數(shù)、不同故障形式等多處測試；數(shù)據(jù)處理則負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的處理。

小組可以在變轉(zhuǎn)矩的模式下，減速箱監(jiān)控可以顯示當(dāng)前測試臺轉(zhuǎn)速和運行速度等信息。在該模式下，可隨意設(shè)定0～50"N·m范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩定值，通過改變不同的轉(zhuǎn)矩的參數(shù)設(shè)定對該階段進(jìn)行測試，變轉(zhuǎn)矩測試界面如圖5所示。

在脈沖轉(zhuǎn)矩模式下，對轉(zhuǎn)矩加載器設(shè)定0～50"N·m范圍內(nèi)的設(shè)定值，系統(tǒng)會自動顯示出脈沖發(fā)生的時間，學(xué)生可以通過對脈沖寬度時間的設(shè)定來進(jìn)行觀察、測試，如圖6所示。

然后進(jìn)行信號的采集，通過改變不同的轉(zhuǎn)速等因素觀察采集到的信號變化并進(jìn)行對比。測試的過程應(yīng)確保操作的正確性。最后討論實驗的注意事項、操作過程中可能出現(xiàn)的問題以及后期的數(shù)據(jù)處理中如何高效且保證各種特征圖的效果，培養(yǎng)學(xué)生動手以及自主學(xué)習(xí)解決問題的能力。

2.2.3建模仿真得到仿真數(shù)據(jù)

根據(jù)操作臺的相關(guān)信息使用三維建模軟件對齒輪箱進(jìn)行建模。基于工程教育理念，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)綜合考慮對課程目標(biāo)的全面支撐，確保教學(xué)效果。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包含了實驗講授、階段性討論總結(jié)等。在實驗開始前的準(zhǔn)備階段中，老師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組，明確每個學(xué)生負(fù)責(zé)的任務(wù)，同時明確每個階段的預(yù)期目標(biāo)，確保學(xué)生的積極性同時也是保障實驗的進(jìn)度，明確要解決的問題和要完成的實驗報告要求。

實驗過程中，多與學(xué)生進(jìn)行互動，組織進(jìn)行討論、提問、答疑等深層次的教學(xué)活動，實驗操作采用同伴討論、同伴互交的方式讓每個成員都能參與到整個實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。實驗過后，對操作有誤的同學(xué)進(jìn)行糾正，同時進(jìn)行總結(jié)，討論不同參數(shù)對實驗的數(shù)據(jù)的影響。

2.2.4系統(tǒng)測試和分析

將基于Solidworks建模得到的多級齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行運動仿真與動態(tài)仿真分析，將得到的仿真數(shù)據(jù)與實驗測試結(jié)果對比，討論仿真實驗值與理論值之間的不同以及誤差，從而判斷修正后仿真模型的準(zhǔn)確性。

最后，指導(dǎo)老師組織學(xué)生進(jìn)行一次心得以及總結(jié)大會，談及學(xué)生之間的收獲，最后在老師的指導(dǎo)下規(guī)范地完成實驗論文的撰寫。

3""實驗測試與仿真分析

在熟悉實驗系統(tǒng)操作運行的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生采用數(shù)學(xué)建模和計算機(jī)仿真的方法，要求學(xué)生以小組的形式先自行將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Simcenter"Testlab系統(tǒng)，導(dǎo)出時間頻域圖，如圖7所示，紅色表示為z方向上軸承的振動頻率，藍(lán)色表示y方向上軸承的振動頻率，綠色表示為x方向上軸承的振動頻率。

然后引導(dǎo)學(xué)生自行運用Solidworks建立多級齒輪振動測試系統(tǒng)模型，如圖8所示。對傳動系統(tǒng)進(jìn)行分析，以求出傳動過程中的載荷和時域響應(yīng)等參數(shù)，包括軸承載荷、齒輪偏差、齒輪嚙合、軸承剛度等，從而確定多級齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性。采用數(shù)值模擬方法對多級齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行仿真和驗證，測試計算結(jié)果與實測結(jié)果的相關(guān)性，從而確定系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可靠性。

4""教研評價

了解科研成果的價值是教師有效應(yīng)用科研結(jié)果的前提。科研成果是經(jīng)過系統(tǒng)研究和論證的知識和理論，能夠為教育教學(xué)提供有益的指導(dǎo)。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，引入對機(jī)械發(fā)展具有重要意義的科研項目，將工程圖學(xué)和理論力學(xué)、材料力學(xué)和工程材料等學(xué)科的知識進(jìn)行深度交叉，探索齒輪結(jié)構(gòu)對振動的影響。在這個實驗中，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)Simcenter振動測試技術(shù)與方法，可以使用西門子的Simcenter測試系統(tǒng)對多級齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行振動測試與動態(tài)模型的驗證工作；培養(yǎng)學(xué)生們學(xué)習(xí)使用動態(tài)建模與分析軟件，幫助學(xué)生們合理建立多級齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能分析模型。最終以學(xué)生做的實驗結(jié)果為主體協(xié)助學(xué)生完成科研項目。

5""結(jié)語

開展PT500pro多級齒輪傳動與測試系統(tǒng)的實驗研究，學(xué)生對振動測試的基本過程有了較為深入的理解與學(xué)習(xí)。進(jìn)而通過Simcenter"Testlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，觀察在不同工況下多級齒輪系統(tǒng)的運動狀態(tài)與振動特性。采用Solidworks建模軟件進(jìn)行仿真，建立了多級齒輪傳動系統(tǒng)仿真模型，引入三維建模和計算機(jī)仿真方法，使學(xué)生對各類學(xué)科和各種技能有機(jī)結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過此次科研與實驗研究的結(jié)合，可加強(qiáng)學(xué)生對科研活動的參與和思考，極大程度地提高了學(xué)生的實踐能力與科學(xué)思維。并激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，擴(kuò)寬了學(xué)生的科學(xué)視野，為同學(xué)們?nèi)蘸箝_展科研與實驗研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

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