動力實驗臺輔助監(jiān)測診斷課程教學(xué)的建設(shè)研究

摘要：監(jiān)測與故障診斷系列課程需要實踐平臺輔助課堂內(nèi)容的理解，提高解決工程實際問題的能力，針對聯(lián)合動力實驗臺在教學(xué)實踐中的不足，提出了改進及建設(shè)方案，為培養(yǎng)具有獨立進行科學(xué)研究的創(chuàng)新人才提供良好的研發(fā)平臺和實驗環(huán)境。

關(guān)鍵詞：故障診斷;教學(xué)改革;實驗教學(xué)

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0236-02

0 ?引言

輪機工程是船舶與海洋工程國家一級重點學(xué)科所屬的二級學(xué)科。隨著造船技術(shù)以及船舶現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，提高動力裝置的安全性和可靠性是保證船舶運行安全的重要途徑，故障診斷系類課程的改革為培養(yǎng)船舶行業(yè)提供高素質(zhì)人才有非常重要作用。設(shè)備監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及查明原因，并能預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。監(jiān)測與故障診斷系列課程包括測試技術(shù)及機械故障診斷基礎(chǔ)、信號分析與數(shù)據(jù)處理、模式識別等主要課程。此系列課程學(xué)習(xí)難度較大，對學(xué)生理論基礎(chǔ)知識和實踐能力要求較高，建立實踐教學(xué)平臺，對課程的學(xué)習(xí)和實踐效果提高有良好促進作用，可以提升學(xué)生的科學(xué)研究能力和水平。

1 ?聯(lián)合動力實驗臺組成及運行方式

聯(lián)合動力裝置實驗臺由GTD-350燃?xì)廨啓C、減速齒輪箱、N6135柴油機、S1A-02燃?xì)廨啓C、余熱鍋爐、燃燒器、YOX-560限矩型液力耦合器、并車齒輪箱、分車齒輪箱、SSS離合器、SG880水力測功機、發(fā)電機、STF426蒸汽輪機等主要設(shè)備組成。[1]如圖1所示各主機聯(lián)合運行通過三S離合器切換實現(xiàn)，傳動系統(tǒng)安裝了聯(lián)軸器，可以有效避免扭振對實驗臺各儀器造成的影響。STF426蒸汽輪機為單級懸臂式背壓汽輪機，由淄博桑特動力設(shè)備有限公司制造，本體由一雙列復(fù)速級葉輪和齒輪減速箱組成，功率50kW。GTD-350型燃?xì)廨啓C是自由渦輪式航空渦輪發(fā)動機，功率為300kW，燃?xì)獍l(fā)生器壓氣機由七級軸流和一級離心式壓氣機級組成?？諝饨?jīng)過壓氣機進口，流經(jīng)各級軸流壓氣機后到達(dá)離心式壓氣機級，經(jīng)渦殼通過兩個管道進入燃燒室，氣流在燃燒室內(nèi)方向改變180度，流入渦輪轉(zhuǎn)子。這種獨特的布置形式使得GTD350燃?xì)廨啓C的軸變得很短[1]。S1A-02 燃?xì)廨啓C為日本川崎重工生產(chǎn)，功率224kW，輸出轉(zhuǎn)速1500r/min，燃?xì)獬鯗?30℃。柴油機是南通柴油機股份有限公司生產(chǎn)的N6135CZ3增壓中冷式柴油機，直列式四沖程，活塞行程為150mm，壓縮比為14，活塞總排量為9L，燃燒室形式為“？棕”型直接噴射式。柴油機采用電啟動，冷卻方式為水冷，持續(xù)功率為145.6kW。實驗臺可以進行多項單機及聯(lián)合動力裝置總體性能研究實驗，例如N6135柴油機、GTD350燃?xì)廨啓C、S1A-02燃?xì)廨啓C分別帶負(fù)載單獨運行，還可以構(gòu)成柴燃、燃燃、燃蒸聯(lián)合動力形式運行。

2 ?實驗臺輔助教學(xué)存在不足

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)兩者是相輔相成、相互促進、相互發(fā)展的。一方面診斷是目的，監(jiān)測是手段。兩者相互聯(lián)系，又有各自的側(cè)重點。另一方面，狀態(tài)監(jiān)測是故障診斷的基礎(chǔ)和前提，新的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用會使故障診斷的準(zhǔn)確性提高、能力加強[2]。常規(guī)參數(shù)的測量儀器無法滿足實驗平臺設(shè)備故障診斷的需要;實驗臺的運行參數(shù)測量系統(tǒng)簡陋，弊端較多。實驗數(shù)據(jù)的處理及分析系統(tǒng)是以聯(lián)合動力總體性能測量基本參數(shù)為指導(dǎo)構(gòu)建，功能單一。診斷系統(tǒng)沒有對狀態(tài)信號進行全面的分析和處理，不能進行定位故障原因，分析故障的嚴(yán)重程度。缺乏能夠進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷教學(xué)實驗的完善系統(tǒng)。

3 ?動力裝置實驗平臺建設(shè)內(nèi)容

結(jié)合監(jiān)測與故障診斷系列課程教學(xué)需求，根據(jù)學(xué)科現(xiàn)有的條件，在實驗室已有實驗臺架及測試設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立動力裝置參數(shù)測量、狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術(shù)實驗平臺，形成完整的穩(wěn)動態(tài)參數(shù)測量、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究環(huán)境，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

根據(jù)不同的教學(xué)任務(wù)，動力裝置運行參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供有效參數(shù)測量途徑和數(shù)據(jù)記錄處理方法;故障診斷系統(tǒng)可以根據(jù)所取得的實驗數(shù)據(jù)對動力裝置進行狀態(tài)分析和趨勢預(yù)估。實驗平臺的主要教學(xué)功能如下：動力裝置運行參數(shù)的獲取及數(shù)據(jù)分析處理，為測試技術(shù)的學(xué)習(xí)，重點對測試方法、測量分析儀器、測試工藝、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容提供輔助實踐平臺;為船舶動力裝置典型參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)庫、資料庫的建立提供研究教學(xué)平臺;為船舶動力裝置故障診斷技術(shù)及智能故障診斷系統(tǒng)的教學(xué)提供實驗環(huán)境和平臺支撐。

進一步完善溫度場、應(yīng)力場的穩(wěn)、動態(tài)測試技術(shù)，流場動態(tài)測試技術(shù)技術(shù)等瞬態(tài)參數(shù)的測量通用的軟件管理平臺及測量方法和測試規(guī)范，學(xué)習(xí)實踐過程中，指導(dǎo)學(xué)生熟練使用紅外成像儀、高速攝影機等。增加測試系統(tǒng)儀器，完善軟件系統(tǒng)構(gòu)建高水平通用監(jiān)測平臺，系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的通用性和可移植性，能夠方便準(zhǔn)確的完成被測裝置所需的參數(shù)測量工作。通過建立測試精度高，技術(shù)先進的實驗臺監(jiān)測系統(tǒng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗到很多傳感器的測試原理，重要的測試環(huán)節(jié);使學(xué)生在學(xué)習(xí)時能清晰地理解各個監(jiān)測模塊的作用及在測試系統(tǒng)中的功能與地位，對于理解測試系統(tǒng)的完整組成及性能分析有比較完整好的促進作用，加深學(xué)生對抽象理論概念的理解，另外也可以讓學(xué)生確切的體會各種物理量測試技術(shù)在具體工程應(yīng)用方法[3]。

通過建立故障診斷系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)故障征兆，實現(xiàn)對動力裝置故障的預(yù)測維修，從而保證動力裝置正常的運行狀態(tài)，避免惡性事故的發(fā)生，提高經(jīng)濟效益。但動力裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型號眾多，故障與征兆之間的關(guān)系不確定，甚至有時故障類型相同，而測量結(jié)果卻相互矛盾。這使故障診斷系統(tǒng)的研究變得異常復(fù)雜。將復(fù)雜實驗臺系統(tǒng)按照診斷對象劃分為發(fā)動機本體，附屬系統(tǒng)，軸系及傳動設(shè)備四大模塊，根據(jù)學(xué)習(xí)專業(yè)方向靈活選擇診斷對模塊來進行輔助教學(xué)。例如柴油機專業(yè)方向，可以選擇發(fā)動機模塊中的柴油機子模塊進行輔助教學(xué)。柴油機專業(yè)方向診斷輔助教學(xué)對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

實踐中，按照實驗臺模塊采用分組分層的實驗教學(xué)方式。部分基礎(chǔ)知識實施課堂教學(xué)，不同專業(yè)的學(xué)生可選擇不同的模塊。把實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)實驗、系統(tǒng)實驗和創(chuàng)新設(shè)計三個部分;同一專業(yè)按照學(xué)生的知識基礎(chǔ)、學(xué)生意愿，分成多個實驗小組，根據(jù)不同的培養(yǎng)任務(wù)來完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容[4]。選擇柴油機診斷模塊，分成數(shù)據(jù)信號處理、柴油機故障特征提取、柴油機故障分析等實驗小組。動力裝置實驗臺清晰的模塊劃融合分組分層的教學(xué)模式既有利于基礎(chǔ)好的學(xué)生更深入地鉆研，也有利于基礎(chǔ)一般的同學(xué)循序漸進、由淺入深地學(xué)習(xí)，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。

4 ?結(jié)論

根據(jù)課程內(nèi)容和科研項目進展，優(yōu)化科研與教學(xué)各項資源配置，加深同學(xué)們對故障診斷系列課程基礎(chǔ)知識的掌握，構(gòu)建完善的聯(lián)合動力裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)，更好地輔助故障診斷系列課程實踐教學(xué)，增強學(xué)生的獨立從事科學(xué)研究能力，優(yōu)化教學(xué)資源，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝春玲，張曉云，李淑英，孫聿峰.艦船電力推進原動機多模塊配置實驗臺測試系統(tǒng)研制[J].船舶工程，2005（04）：58-61.

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[3]劉國福，張玘.現(xiàn)代測試技術(shù)實驗課程對比研究及教學(xué)改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009（02）：74-76.

[4]盧建霞，屠大維，趙其杰，許爍.機械工程測試技術(shù)實驗教學(xué)創(chuàng)新平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2015，34（04）：182-185.