案例探究式故障診斷實(shí)驗(yàn)改革研究范文

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摘要：針對(duì)專業(yè)碩士學(xué)位研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的行業(yè)性和職業(yè)性需求，在分析故障診斷方法與應(yīng)用理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，建立案例探究式故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)體系。該體系以實(shí)際工程案例為背景，通過數(shù)據(jù)采集、不平衡故障、不對(duì)中故障、軸承裂紋故障四大模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集通過傳感器選擇、測(cè)點(diǎn)分布、采樣參數(shù)設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)，不平衡故障通過數(shù)據(jù)采集、動(dòng)平衡校正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)，不對(duì)中故障通過數(shù)據(jù)采集、分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)，軸承裂紋故障通過數(shù)據(jù)采集、裂紋尺寸、分析方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)設(shè)計(jì)與理論教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，能夠滿足專業(yè)學(xué)位研究生的工程訓(xùn)練需求，并提高解決工程問題和理論創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：專業(yè)學(xué)位研究生；故障診斷；探究式；案例故障

診斷實(shí)用技術(shù)是針對(duì)專業(yè)碩士開設(shè)的機(jī)械故障診斷類課程，對(duì)企業(yè)智能化推進(jìn)和降耗增效具有重要意義[1-4]。針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源有限、傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)收獲小的現(xiàn)狀，本文探討了案例探究式故障診斷實(shí)驗(yàn)改革措施，圍繞數(shù)據(jù)采集、不平衡故障、不對(duì)中故障、軸承裂紋故障四大模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式實(shí)驗(yàn)，并通過故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)，使專業(yè)研究生掌握故障診斷基本理論、最新技術(shù)和工程實(shí)踐能力。

一、故障診斷實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前，故障診斷課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式多樣，但大多是對(duì)理論教學(xué)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，按照內(nèi)容主要分為3個(gè)方面：旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷平臺(tái)結(jié)構(gòu)和原理，主要了解旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷平臺(tái)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特性和工作原理；典型故障故障信號(hào)采集和信號(hào)特征分析，主要了解信號(hào)采集原理和不同故障信號(hào)特征；常用故障診斷方法應(yīng)用，主要驗(yàn)證常用故障診斷方法的有效性[5-7]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生了解典型故障產(chǎn)生機(jī)理和信號(hào)特征，以及運(yùn)用常用故障診斷方法解決故障問題。但是，對(duì)于培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的專業(yè)碩士仍有不足。為此，針對(duì)當(dāng)前企業(yè)存在的故障診斷難點(diǎn)，開展案例探究式的故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)改革，讓學(xué)生能通過方案設(shè)計(jì)、工程實(shí)施和故障排除等流程解決實(shí)際工程問題。

二、故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

故障診斷技術(shù)集機(jī)械、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，綜合性很強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求較高[8]。傳統(tǒng)的故障診斷實(shí)驗(yàn)教學(xué)偏重對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的理解，更注重實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[9]，主要是對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，熟悉不同類型故障產(chǎn)生原因，運(yùn)用常用故障診斷方法進(jìn)行故障類型驗(yàn)證等。這就導(dǎo)致專業(yè)碩士的故障診斷實(shí)用技術(shù)課程培養(yǎng)停留在基礎(chǔ)認(rèn)知和簡(jiǎn)單操作上，不利于培養(yǎng)獨(dú)立解決實(shí)際工程故障問題的能力[10]。因此，需要教師具有豐富的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，深入行業(yè)生產(chǎn)，將典型故障診斷案例引入理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考并解決實(shí)際工程問題[11-12]。針對(duì)上述問題，從培養(yǎng)面向行業(yè)、面向職業(yè)、面向應(yīng)用和面向?qū)嵺`的專業(yè)碩士出發(fā)，對(duì)故障診斷實(shí)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。一是增設(shè)多樣化數(shù)據(jù)采集探究性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)不同種類傳感器的安裝和使用能力，以及針對(duì)實(shí)際工程問題，數(shù)據(jù)采集相關(guān)參數(shù)配置的綜合能力。針對(duì)不同檢測(cè)設(shè)備、不同工況，數(shù)據(jù)采集傳輸方式?jīng)Q定數(shù)據(jù)的可靠性，采集相關(guān)參數(shù)決定了數(shù)據(jù)是否保留故障完整信息。為此，根據(jù)企業(yè)數(shù)據(jù)檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)案例探究式實(shí)驗(yàn)供學(xué)生進(jìn)行探索式實(shí)踐。二是增加不平衡、不對(duì)中故障的故障解除探究性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)不平衡、不對(duì)中故障的信號(hào)采集方式和特征識(shí)別能力，以及故障解除實(shí)踐能力。不平衡和不對(duì)中故障往往是由于安裝未校正或局部脫落等原因造成，大多數(shù)可以通過動(dòng)平衡測(cè)試等方法現(xiàn)場(chǎng)解除故障。因此，設(shè)計(jì)不平衡、不對(duì)中案例探究式實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生故障排除能力。三是優(yōu)化軸承裂紋故障的故障診斷理論探究實(shí)驗(yàn)。軸承裂紋故障是實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的損傷類故障，該類故障信號(hào)特征與不對(duì)中、不平衡故障特征明顯不同，呈現(xiàn)出微弱性、局部性等特征，如何利用有效的數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行故障診斷尤為重要。因此，通過設(shè)計(jì)不同尺寸、不同位置的裂紋故障案例實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生利用最新理論解決實(shí)際工程問題能力。

三、探究式實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)案例數(shù)據(jù)采集是故障診斷中最重要的步驟，采集的數(shù)據(jù)是否保留完整設(shè)備狀態(tài)信息決定了故障診斷的精度。因此，數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)主要圍繞不同情況下數(shù)據(jù)正確采集而展開，依托故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包含不平衡故障模擬及數(shù)據(jù)采集模塊，不對(duì)中故障模擬及數(shù)據(jù)采集模塊、裂紋故障模擬及數(shù)據(jù)采集模塊。圖1所示為數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)結(jié)構(gòu)。不平衡故障和不對(duì)中故障信號(hào)是低頻振動(dòng)信號(hào)，裂紋故障信則是高頻振動(dòng)信號(hào)；不平衡故障和裂紋故障從徑向可以采集到故障信號(hào)，不對(duì)中故障則在徑向和軸向都可以采集到故障信號(hào)；不平衡故障和不對(duì)中故障需采用加速度振動(dòng)傳感器采集信號(hào)，裂紋故障則可用加速度振動(dòng)傳感器或聲發(fā)射傳感器采集信號(hào)，而設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度的獲取則需要利用光電傳感器采集。因此，通過3種不同類型的故障，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行傳感器選型、傳感器測(cè)點(diǎn)分布、采集頻率設(shè)置、采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置、濾波頻率設(shè)置、旋轉(zhuǎn)機(jī)械拆裝等探索性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工程應(yīng)用能力。

（二）不平衡、不對(duì)中故障實(shí)驗(yàn)案例引起不平衡、不對(duì)中故障的因素有很多種，如安裝不當(dāng)、磨損、局部腐蝕或固體物堆積等，大多數(shù)不平衡、不對(duì)中故障發(fā)現(xiàn)后都可以通過適當(dāng)方法進(jìn)行故障排除，使設(shè)備重新進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。因此，不平衡、不對(duì)中實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)圍繞故障的發(fā)現(xiàn)和排除而展開，主要包括不平衡故障診斷與排除模塊和不對(duì)中故障診斷與排除模塊。圖2所示為不平衡、不對(duì)中故障實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)結(jié)構(gòu)。不平衡故障通過轉(zhuǎn)盤添加砝碼進(jìn)行模擬，不對(duì)中故障可以通過改變軸的安裝位置進(jìn)行模擬。兩種故障均是低頻振動(dòng)信號(hào)，信號(hào)的特征有所區(qū)別，不平衡故障主要表現(xiàn)為徑向振動(dòng)，振動(dòng)能量主要集中在工頻的1倍頻，振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速的平方成正比，振動(dòng)幅值不隨負(fù)荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振動(dòng)相位差90°，軸心軌跡為橢圓形。不對(duì)中故障同時(shí)表現(xiàn)為徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，徑向振動(dòng)以工頻的2倍頻為主，軸向振動(dòng)以工頻的1倍頻為主，振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速升高而增大，振動(dòng)幅值隨負(fù)荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振動(dòng)相位差180°，軸心軌跡為香蕉形、8字形。因此，可引導(dǎo)學(xué)生通過不同診斷分析方法進(jìn)行故障甄別，再根據(jù)動(dòng)平衡補(bǔ)償進(jìn)行不平衡故障排除或通過安裝角度調(diào)整進(jìn)行不對(duì)中故障排除。

（三）裂紋故障實(shí)驗(yàn)案例裂紋故障在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障中十分常見，主要是由于疲勞損傷引起的局部剝落或化學(xué)物品腐蝕引起，故障程度會(huì)隨著設(shè)備運(yùn)行逐漸惡化，可能導(dǎo)致停機(jī)等生產(chǎn)事故。裂紋故障實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)圍繞故障早期發(fā)現(xiàn)展開，主要包括內(nèi)圈裂紋故障診斷模塊、外圈裂紋故障診斷模塊和滾動(dòng)體裂紋故障診斷模塊。圖3所示為裂紋故障實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)結(jié)構(gòu)。裂紋故障產(chǎn)生后，旋轉(zhuǎn)部件與故障點(diǎn)會(huì)發(fā)生周期性碰撞從而產(chǎn)生周期性高頻脈沖振動(dòng)信號(hào)。對(duì)于這類具有局部特征的故障信號(hào)識(shí)別，在理論分析上具有很大的探索空間。同時(shí)，通過設(shè)置不同尺寸、方向、位置的裂紋故障，可以發(fā)現(xiàn)故障的發(fā)展規(guī)律，從而進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。該案例庫(kù)可以更大程度上培養(yǎng)學(xué)生故障診斷方法創(chuàng)新能力和模式識(shí)別算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

四、結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)體系的建立是以故障診斷方法與應(yīng)用、故障診斷實(shí)用技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)課程為背景，以企業(yè)需求為導(dǎo)向，以數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)、不平衡和不對(duì)中故障實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)和裂紋故障實(shí)驗(yàn)案例庫(kù)為實(shí)際工程問題，以培養(yǎng)面向行業(yè)、面向職業(yè)、面向應(yīng)用和面向?qū)嵺`的專業(yè)學(xué)位碩士為目標(biāo)，形成了完整的探究式故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)體系。經(jīng)過三屆學(xué)生教學(xué)檢驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)體系能有效提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐能力和解決工程問題能力。

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作者：嚴(yán)保康 周鳳星 盧少武 寧博文 單位：武漢科技大學(xué)