《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》實驗教學改革探索

田祖織+劉同岡

摘要：《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》是高校機械工程學科的重要專業(yè)課程，本文針對我?！稜顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》實驗教學實際情況，分析存在的問題，探索改進實驗教學的方法，并對實驗內容進行改革探索，以提升教學效果。

關鍵詞：故障診斷；實驗教學；振動實驗；鐵譜分析

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）11-0179-02

一、課程現(xiàn)狀與不足

（一）課程現(xiàn)狀

隨著機電產品向大型化、復雜化、自動化和連續(xù)化方向快速發(fā)展，設備出現(xiàn)故障所帶來的財產和人員損失越來越嚴重，因此，機電產品的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術得到了眾多企業(yè)和大專院校的重視，近些年來發(fā)展迅速?！稜顟B(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》作為一門課程發(fā)展于上世紀六七十年代，是一門綜合性的技術，涵蓋了測試技術、信號分析與處理技術、機械原理、機械振動等多學科的基礎知識，對于機電專業(yè)學生來說，《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》是其走上工作崗位的必備技能之一，同時也是其樹立產品質量意識和人身安全意識的基礎課程。因此，該課程是機械工程學科的重要專業(yè)課程，在國內眾多高校均有開設，在我校為機械工程及自動化專業(yè)本科生的重要課程，現(xiàn)開課32學時，其中實驗4學時，每年均有200余名本科生選修該課程。該課程的理論性和實踐性均較強，需要開展大量實驗以促進理論知識的理解，目前可以開設的實驗較多，如：溫度法故障診斷技術、油液法故障診斷技術、無損法故障診斷技術、振動法故障診斷技術等，但受制于課程學時的限制，現(xiàn)僅開設兩個重要實驗：（1）振動監(jiān)測分析實驗；（2）油液鐵譜監(jiān)測分析實驗。實驗目的是讓學生更好掌握課堂教學中的振動故障診斷技術和油液分析技術兩部分重要內容，并提高學生的動手能力。

（二）存在的問題

但根據(jù)現(xiàn)有實驗教學效果，上述目的并未完全達到，主要存在如下兩個問題：（1）實驗教學方法不當。實驗前，學生一般是觀察教師實驗過程，而對于實驗機理和實驗儀器缺乏深刻認識，僅是機械性的重復實驗過程，缺乏積極性；（2）實驗內容陳舊，所做實驗無法準確反映課堂教學內容。如振動監(jiān)測分析實驗中僅介紹振動測量方法，側重于振動信號的測取，且為演示性實驗，適于機械振動相關課程的實驗，與本課程所講授的齒輪、軸承、軸系等故障診斷技術相關性不強；此外，油液鐵譜監(jiān)測分析實驗中只有磨粒定性觀察分析實驗，缺乏客觀定量評價分析內容。致使學生對所做實驗缺乏深刻認知，實驗積極性不高，動手能力鍛煉不足，無法有效促進理論知識的理解。因此，本文針對本課程實驗教學中存在的問題，對其改革進行探索，以期提高學生實驗的積極性和整體教學效果。

二、實驗教學改革探索

（一）實驗教學方法探索

針對現(xiàn)有實驗教學方法存在的問題，探索先期預實驗的方法，即將實驗設備和實驗機理作為課堂教學和課外作業(yè)的一部分，促使學生采用思維風暴，預想實驗流程和每步實驗可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，最后通過現(xiàn)場實驗展開驗證，通過這種方法可以有效提升實驗的目的性，讓學生自如掌控整個實驗流程。此外，為了解決實驗學時限制和實驗項目較多難題，可在課堂理論教學中穿插補充教師課外所做的實驗圖片和視頻，提高教學的生動性，促進理論知識的理解，相當于增加了學生的虛擬實驗時間，實現(xiàn)“虛擬實驗”，以使學生能夠更加直觀且全面的理解各種故障診斷機理和過程。

（二）更新振動監(jiān)測分析實驗內容

由于現(xiàn)有的振動監(jiān)測分析實驗僅介紹振動傳感器的安裝、振動分析軟件的應用等內容，未涉及故障診斷等相關知識，與課堂講授關聯(lián)性較低，因此，擬將本實驗替換為齒輪、軸承、軸系故障模擬及振動分析實驗。實驗室將采用uT6818機械振動分析及故障模擬試驗臺實現(xiàn)各種故障模擬，并進行振動測試、診斷、分析。更新后的實驗可以實現(xiàn)：（1）滾動軸承故障模擬：可方便的將被測部分的軸承更換成有缺陷的軸承，如軸承內圈損傷、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、不對中故障模擬：通過調整軸上旋轉圓盤上的平衡重量，可以模擬軸不平衡缺陷；通過調整軸座底盤的安裝位置可以模擬軸安裝不對中缺陷。（4）螺栓松動故障模擬。此外，該實驗臺不僅可以模擬各種故障，還可采用不同方法對上述故障開展診斷，主要可以實現(xiàn)：（1）滾動軸承故障診斷方法：共振解調譜法、脈沖沖擊計法、特征參數(shù)診斷法；（2）齒輪故障診斷方法：微角速度波動法、邊帶法、倒頻譜法等；（3）軸系不對中故障診斷方法：相位法、諧次法；（4）軸系不平衡故障診斷方法：絕對無誤判的相位法、頻譜法等；（5）螺栓預緊故障診斷方法：雙通道相位法、單通道諧次法；（6）結構故障診斷方法：模態(tài)分析法。

更新后的實驗可模擬故障種類多、診斷方法豐富，基本涵蓋了課堂所授理論內容，可有效加深學生對于課堂知識的理解。

（三）改進油液鐵譜監(jiān)測分析實驗內容

實驗室現(xiàn)有8臺鐵譜顯微鏡可以進行譜片觀察，其主要采用目鏡進行定性分析，缺乏定量分析手段。而定量分析的效率較高，且對操作者的經驗要求較低，在實際工業(yè)中應用廣泛。本文擬將實驗室現(xiàn)有的8臺鐵譜顯微鏡中的2臺加裝光密度傳感器進行定量分析改造，以實現(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量儀。其具體實驗操作步驟如下：

（1）準備：接通光密度測量儀的電源，預熱5分鐘以上。然后將光密度測量儀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量儀信號輸入接口。（2）調光路：關閉顯微鏡反射光源，開啟透射光源，將光源電壓預調到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)進行調試觀測。扳轉聚光鏡組上的孔徑光攔調節(jié)扳手，將孔徑光攔調至最小。（3）調壹：光路調好后，把視場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，使光線不進入測頭。調節(jié)光密度測量儀面板上的“調壹”旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為1.000（±0.002）。（4）調零：將雙目筒上的操縱桿拉出，使光線進入測頭。調節(jié)光密度測量儀面板上的“調零”旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為0.000（±0.004）。（5）調半：將無色的濾光片（遮光率為0.5）蓋在底座的透射光出光孔上，調節(jié)透射光源的電壓調節(jié)旋鈕，使數(shù)字顯示屏上的數(shù)字為0.500（±0.004）。（6）復調：拿出無色的濾光片，若數(shù)字顯示屏上的數(shù)字不為0.000，則繼續(xù)調整“調零”旋扭，使之為0.000。（7）校準：重復5）、6）使光密度測量儀同時滿足4）和5）的要求，則儀器校準完畢。（8）讀數(shù)：移動顯微鏡載物臺，使觀測視場到達譜片上指定位置，對視場內光密度值進行測量，通過光密度計面板進行讀數(shù)。（9）結果：根據(jù)測量譜片內環(huán)內圈、中環(huán)內圈、外環(huán)外圈的磨粒覆蓋面積百分數(shù)，計算出磨損烈度指數(shù)，即可對機械設備磨損狀態(tài)做出相應評估。

改進后的油液分析實驗，可實現(xiàn)磨粒的定性和定量分析，實驗內容完整豐富，有效促進學生對磨粒鐵譜分析的全面認知，提高實驗的目的性和積極性，提升實驗教學效果。

三、總結

本文針對中國礦業(yè)大學機電工程學院《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》課程的實驗教學實際情況，分析了實驗教學中存在的問題和不足，探索改進現(xiàn)有實驗教學方法和實驗內容，提出了“課堂預實驗”使學生全面了解實驗機理，以解決實驗的盲目性；提出了“虛擬實驗”增加理論教學的生動性，并解決實驗學時限制問題；更換了振動測試實驗內容，使實驗更加符合課堂講授實際；更新了油液分析實驗內容，使實驗內容更加全面。通過上述改革探索，可有效提升該課程的整體教學效果。

參考文獻：

[1]胡而已.《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術》課程實驗教學改革淺析[J].教育教學論壇，2014，（29）：38-39.

[2]周邵萍.狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷案例教學實踐[J].化工高等教育，2007，（4）：64-66.

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