機(jī)械類專業(yè)機(jī)械故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)探索

樊紅衛(wèi) 萬翔 張旭輝 毛清華 李曼

[摘 要] 綜合實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)，是工科專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。文章從機(jī)械故障診斷技術(shù)概念出發(fā)，介紹了旋轉(zhuǎn)機(jī)械典型故障、檢測(cè)手段、工況模擬及信號(hào)處理方法、如何構(gòu)建故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。以轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷為例，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提出了一種基于軸心軌跡的診斷方法，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案，為機(jī)械類專業(yè)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐提供了參考。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)械專業(yè);故障診斷;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

[課題項(xiàng)目] 西安科技大學(xué)新工科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（XGK1816，XGK1808）;西安科技大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（西科辦發(fā)〔2018〕111號(hào)）

[作者簡(jiǎn)介] 樊紅衛(wèi)（1984—），男，陜西寶雞人，博士，講師，主要從事機(jī)械動(dòng)力學(xué)與故障診斷研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0381-02? ? [收稿日期] 2019-12-09

目前，我國(guó)高等教育正在經(jīng)歷新一輪變革，“新工科”[1]浪潮正席卷高校工科教育。“新工科”背景下，高校工科專業(yè)綜合改革勢(shì)在必行。長(zhǎng)期以來，工科院校十分重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)建設(shè)。工科專業(yè)特別是機(jī)械類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)普遍包括金工實(shí)習(xí)、電子實(shí)習(xí)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)、強(qiáng)化訓(xùn)練及綜合實(shí)驗(yàn)。尤其是綜合實(shí)驗(yàn)在學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用，越發(fā)得到重視。綜合實(shí)驗(yàn)通常是指面向某專業(yè)綜合知識(shí)應(yīng)用能力訓(xùn)練的獨(dú)立設(shè)課的實(shí)踐環(huán)節(jié)，一般安排在大學(xué)四年級(jí)，占2學(xué)分。綜合實(shí)驗(yàn)[2]具有創(chuàng)新性、復(fù)雜性和開放性的特征，要求教師能設(shè)計(jì)出滿足學(xué)生綜合能力訓(xùn)練的專業(yè)實(shí)驗(yàn)。大型機(jī)械故障復(fù)雜多樣，診斷手段也很靈活，因此機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)可以訓(xùn)練學(xué)生機(jī)械動(dòng)力學(xué)、測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程能力的綜合性實(shí)驗(yàn)。

一、機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)械故障診斷技術(shù)[3]是通過測(cè)取機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中的狀態(tài)信息并結(jié)合診斷對(duì)象的歷史狀態(tài)對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理和定量識(shí)別機(jī)械設(shè)備及其零部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)及工作狀況，推斷設(shè)備已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生的故障，從而確定必要對(duì)策的一門綜合性技術(shù)。從定義可以看出，機(jī)械故障診斷技術(shù)涉及傳感器、信號(hào)處理、故障診斷或趨勢(shì)預(yù)測(cè)等多方面知識(shí)，通常需要借助計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)診斷或預(yù)測(cè)。

就目前應(yīng)用來看，故障診斷技術(shù)在各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛。設(shè)計(jì)機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為對(duì)象，針對(duì)功能部件如軸承、齒輪、軸等設(shè)置故障，典型故障有：（1）軸承故障：內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體的劃傷、磨損、點(diǎn)蝕、裂紋等;（2）齒輪故障：斷齒、齒根裂紋、齒面點(diǎn)蝕、磨損等;（3）軸故障：不平衡、不對(duì)中、彎曲、碰摩、軸上零件松脫等。

在設(shè)計(jì)故障檢測(cè)手段時(shí)，可通過振動(dòng)、溫度、電流和油液等信息的分析處理，獲得可以反映故障的有效特征，如振動(dòng)特征頻率等，由此診斷故障發(fā)生的部件及故障的類型。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)載荷、速度等可以進(jìn)行多樣化模擬，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定載、變載、恒速、變速等，不同的工況作用于故障機(jī)械系統(tǒng)，可激發(fā)出包含診斷特征的有效信息。

以基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷實(shí)驗(yàn)為例，振動(dòng)信號(hào)處理方法有時(shí)間域、頻率域和時(shí)間-頻率域。時(shí)間域分析有基本波形分析和相關(guān)分析，頻率域分析有快速傅里葉變換、功率譜、包絡(luò)解調(diào)譜等，時(shí)間-頻率域分析有短時(shí)傅里葉分析、小波分析等。頻率域分析主要用于平穩(wěn)信號(hào)的處理，時(shí)間-頻率域分析主要用于非平穩(wěn)信號(hào)處理。

通過不同部件不同故障類型的組合，及不同運(yùn)行工況的模擬，采用不同的信號(hào)分析手段可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，實(shí)現(xiàn)由單一故障到復(fù)合故障、由恒定工況到時(shí)變工況、由簡(jiǎn)單分析到復(fù)雜分析的不同程度故障診斷綜合能力訓(xùn)練。

二、機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

自2016年以來面向機(jī)械類專業(yè)開設(shè)了“旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)”，以電機(jī)-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為對(duì)象，以振動(dòng)信號(hào)分析為主要手段，對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)中，將學(xué)生分為若干組，每組完成不同實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括故障模擬、信號(hào)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理和診斷分析等，要求學(xué)生采用LabView程序完成一部分程序自主開發(fā)，如快速傅里葉算法、傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化、分析結(jié)果可視化等。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，查閱資料并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)工況和故障模擬，選用振動(dòng)傳感器并與上位機(jī)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，進(jìn)而設(shè)計(jì)分析算法和可視化程序，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分析論證，據(jù)此修改實(shí)驗(yàn)方案完成下一輪實(shí)驗(yàn)，如此獲得對(duì)實(shí)驗(yàn)中理論知識(shí)和應(yīng)用技能的熟練掌握。下面以“轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷實(shí)驗(yàn)[4]”為例，介紹筆者近年實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)過程。

1.實(shí)驗(yàn)臺(tái)。設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障模擬與診斷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖所示，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)一根細(xì)長(zhǎng)軸，軸上裝有一個(gè)圓盤，在圓盤上通過施加偏心塊來模擬軸偏心故障（質(zhì)量不平衡）。通過光電、渦流、編碼器等測(cè)量軸的轉(zhuǎn)速，通過壓電、磁電和渦流傳感器測(cè)量軸振動(dòng)。通過PWM原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，通過軸左端加載螺栓進(jìn)行軸承預(yù)緊，從而改變軸運(yùn)行工況。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。對(duì)渦流傳感器測(cè)得的水平和豎直方向振動(dòng)位移，可合成軸心軌跡，根據(jù)軸心軌跡是否為橢圓及橢圓度大小可判定是否發(fā)生了轉(zhuǎn)子不平衡及不平衡的嚴(yán)重程度。數(shù)據(jù)處理時(shí)，注意對(duì)原始信號(hào)需進(jìn)行濾波，以消除噪聲影響。

3.實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。通過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)驗(yàn)所反映的物理規(guī)律?？稍O(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)對(duì)比方案。

實(shí)驗(yàn)1：在轉(zhuǎn)軸上擰1個(gè)偏心塊，轉(zhuǎn)速設(shè)置為500r/min;

實(shí)驗(yàn)2：在轉(zhuǎn)軸上擰1個(gè)偏心塊，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min;

實(shí)驗(yàn)3：在轉(zhuǎn)軸上擰3個(gè)偏心塊，轉(zhuǎn)速設(shè)置為500r/min;

實(shí)驗(yàn)4：在轉(zhuǎn)軸上擰3個(gè)偏心塊，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min。

通過上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)，可研究不同偏心量和不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸振動(dòng)信號(hào)的影響，進(jìn)而從信號(hào)表現(xiàn)上反映設(shè)備發(fā)生了什么樣的故障狀況。

結(jié)語

全文介紹了機(jī)械故障診斷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和教學(xué)案例。首先，介紹了機(jī)械故障診斷技術(shù)的內(nèi)涵，提出了故障診斷實(shí)驗(yàn)中的故障類型、診斷信號(hào)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M方案。結(jié)合筆者近年教學(xué)實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)子不平衡故障診斷實(shí)驗(yàn)，介紹了基于軸心軌跡進(jìn)行不平衡故障診斷的原理和如何進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)工況下的診斷實(shí)驗(yàn)。介紹了從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)到教學(xué)實(shí)踐全過程，對(duì)此類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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