案例探究式故障诊断实验改革研究范文

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摘要：针对专业硕士学位研究生实验教学的行业性和职业性需求，在分析故障诊断方法与应用理论教学和实验教学基础上，建立案例探究式故障诊断综合实验体系。该体系以实际工程案例为背景，通过数据采集、不平衡故障、不对中故障、轴承裂纹故障四大模块进行实验案例库设计。数据采集通过传感器选择、测点分布、采样参数设置进行实验案例设计，不平衡故障通过数据采集、动平衡校正进行实验案例设计，不对中故障通过数据采集、分析方法进行实验案例设计，轴承裂纹故障通过数据采集、裂纹尺寸、分析方法进行实验案例设计。该实验案例库设计与理论教学内容密切相关，能够满足专业学位研究生的工程训练需求，并提高解决工程问题和理论创新能力。

关键词：专业学位研究生；故障诊断；探究式；案例故障

诊断实用技术是针对专业硕士开设的机械故障诊断类课程，对企业智能化推进和降耗增效具有重要意义[1-4]。针对实验设备资源有限、传统验证性实验教学收获小的现状，本文探讨了案例探究式故障诊断实验改革措施，围绕数据采集、不平衡故障、不对中故障、轴承裂纹故障四大模块进行实验案例库设计，引导学生进行探究式实验，并通过故障诊断综合实验，使专业研究生掌握故障诊断基本理论、最新技术和工程实践能力。

一、故障诊断实践教学现状

目前，故障诊断课程的实验教学形式多样，但大多是对理论教学的验证性实验，按照内容主要分为3个方面：旋转机械故障诊断平台结构和原理，主要了解旋转机械故障诊断平台动力学结构特性和工作原理；典型故障故障信号采集和信号特征分析，主要了解信号采集原理和不同故障信号特征；常用故障诊断方法应用，主要验证常用故障诊断方法的有效性[5-7]。传统实验教学可以让学生了解典型故障产生机理和信号特征，以及运用常用故障诊断方法解决故障问题。但是，对于培养具有较强工程实践能力的专业硕士仍有不足。为此，针对当前企业存在的故障诊断难点，开展案例探究式的故障诊断综合实验改革，让学生能通过方案设计、工程实施和故障排除等流程解决实际工程问题。

二、故障诊断综合实验方案设计

故障诊断技术集机械、传感器技术、信号处理技术、人工智能、计算机技术于一体，综合性很强，对实验教学要求较高[8]。传统的故障诊断实验教学偏重对理论教学内容的理解，更注重实验验证[9]，主要是对旋转机械结构进行了解，熟悉不同类型故障产生原因，运用常用故障诊断方法进行故障类型验证等。这就导致专业硕士的故障诊断实用技术课程培养停留在基础认知和简单操作上，不利于培养独立解决实际工程故障问题的能力[10]。因此，需要教师具有丰富的实际工程经验，深入行业生产，将典型故障诊断案例引入理论教学和实验教学，引导学生独立思考并解决实际工程问题[11-12]。针对上述问题，从培养面向行业、面向职业、面向应用和面向实践的专业硕士出发，对故障诊断实用技术实验教学进行改进。一是增设多样化数据采集探究性实验。该实验主要培养学生对不同种类传感器的安装和使用能力，以及针对实际工程问题，数据采集相关参数配置的综合能力。针对不同检测设备、不同工况，数据采集传输方式决定数据的可靠性，采集相关参数决定了数据是否保留故障完整信息。为此，根据企业数据检测需求，设计案例探究式实验供学生进行探索式实践。二是增加不平衡、不对中故障的故障解除探究性实验。该实验主要培养学生对不平衡、不对中故障的信号采集方式和特征识别能力，以及故障解除实践能力。不平衡和不对中故障往往是由于安装未校正或局部脱落等原因造成，大多数可以通过动平衡测试等方法现场解除故障。因此，设计不平衡、不对中案例探究式实验加强学生故障排除能力。三是优化轴承裂纹故障的故障诊断理论探究实验。轴承裂纹故障是实际工程中经常遇到的损伤类故障，该类故障信号特征与不对中、不平衡故障特征明显不同，呈现出微弱性、局部性等特征，如何利用有效的数字信号处理方法进行故障诊断尤为重要。因此，通过设计不同尺寸、不同位置的裂纹故障案例实验，提高学生利用最新理论解决实际工程问题能力。

三、探究式实验案例库设计

（一）数据采集实验案例数据采集是故障诊断中最重要的步骤，采集的数据是否保留完整设备状态信息决定了故障诊断的精度。因此，数据采集实验案例库主要围绕不同情况下数据正确采集而展开，依托故障诊断实验平台，主要包含不平衡故障模拟及数据采集模块，不对中故障模拟及数据采集模块、裂纹故障模拟及数据采集模块。图1所示为数据采集实验案例库结构。不平衡故障和不对中故障信号是低频振动信号，裂纹故障信则是高频振动信号；不平衡故障和裂纹故障从径向可以采集到故障信号，不对中故障则在径向和轴向都可以采集到故障信号；不平衡故障和不对中故障需采用加速度振动传感器采集信号，裂纹故障则可用加速度振动传感器或声发射传感器采集信号，而设备旋转速度的获取则需要利用光电传感器采集。因此，通过3种不同类型的故障，可以引导学生进行传感器选型、传感器测点分布、采集频率设置、采样点数设置、滤波频率设置、旋转机械拆装等探索性学习，培养进行数据采集的工程应用能力。

（二）不平衡、不对中故障实验案例引起不平衡、不对中故障的因素有很多种，如安装不当、磨损、局部腐蚀或固体物堆积等，大多数不平衡、不对中故障发现后都可以通过适当方法进行故障排除，使设备重新进入稳定状态。因此，不平衡、不对中实验案例库围绕故障的发现和排除而展开，主要包括不平衡故障诊断与排除模块和不对中故障诊断与排除模块。图2所示为不平衡、不对中故障实验案例库结构。不平衡故障通过转盘添加砝码进行模拟，不对中故障可以通过改变轴的安装位置进行模拟。两种故障均是低频振动信号，信号的特征有所区别，不平衡故障主要表现为径向振动，振动能量主要集中在工频的1倍频，振动幅值与转速的平方成正比，振动幅值不随负荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振动相位差90°，轴心轨迹为椭圆形。不对中故障同时表现为径向振动和轴向振动，径向振动以工频的2倍频为主，轴向振动以工频的1倍频为主，振动幅值随转速升高而增大，振动幅值随负荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振动相位差180°，轴心轨迹为香蕉形、8字形。因此，可引导学生通过不同诊断分析方法进行故障甄别，再根据动平衡补偿进行不平衡故障排除或通过安装角度调整进行不对中故障排除。

（三）裂纹故障实验案例裂纹故障在旋转机械设备故障中十分常见，主要是由于疲劳损伤引起的局部剥落或化学物品腐蚀引起，故障程度会随着设备运行逐渐恶化，可能导致停机等生产事故。裂纹故障实验案例库围绕故障早期发现展开，主要包括内圈裂纹故障诊断模块、外圈裂纹故障诊断模块和滚动体裂纹故障诊断模块。图3所示为裂纹故障实验案例库结构。裂纹故障产生后，旋转部件与故障点会发生周期性碰撞从而产生周期性高频脉冲振动信号。对于这类具有局部特征的故障信号识别，在理论分析上具有很大的探索空间。同时，通过设置不同尺寸、方向、位置的裂纹故障，可以发现故障的发展规律，从而进行寿命预测。该案例库可以更大程度上培养学生故障诊断方法创新能力和模式识别算法的设计和优化。

四、结语

该实验体系的建立是以故障诊断方法与应用、故障诊断实用技术、数字信号处理等相关课程为背景，以企业需求为导向，以数据采集实验案例库、不平衡和不对中故障实验案例库和裂纹故障实验案例库为实际工程问题，以培养面向行业、面向职业、面向应用和面向实践的专业学位硕士为目标，形成了完整的探究式故障诊断综合实验体系。经过三届学生教学检验，该实验体系能有效提高了学生学习兴趣、实践能力和解决工程问题能力。

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作者：严保康 周凤星 卢少武 宁博文 单位：武汉科技大学