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摘要：針對專業碩士學位研究生實驗教學的行業性和職業性需求，在分析故障診斷方法與應用理論教學和實驗教學基礎上，建立案例探究式故障診斷綜合實驗體系。該體系以實際工程案例為背景，通過數據采集、不平衡故障、不對中故障、軸承裂紋故障四大模塊進行實驗案例庫設計。數據采集通過傳感器選擇、測點分布、采樣參數設置進行實驗案例設計，不平衡故障通過數據采集、動平衡校正進行實驗案例設計，不對中故障通過數據采集、分析方法進行實驗案例設計，軸承裂紋故障通過數據采集、裂紋尺寸、分析方法進行實驗案例設計。該實驗案例庫設計與理論教學內容密切相關，能夠滿足專業學位研究生的工程訓練需求，并提高解決工程問題和理論創新能力。

關鍵詞：專業學位研究生；故障診斷；探究式；案例故障

診斷實用技術是針對專業碩士開設的機械故障診斷類課程，對企業智能化推進和降耗增效具有重要意義[1-4]。針對實驗設備資源有限、傳統驗證性實驗教學收獲小的現狀，本文探討了案例探究式故障診斷實驗改革措施，圍繞數據采集、不平衡故障、不對中故障、軸承裂紋故障四大模塊進行實驗案例庫設計，引導學生進行探究式實驗，并通過故障診斷綜合實驗，使專業研究生掌握故障診斷基本理論、最新技術和工程實踐能力。

一、故障診斷實踐教學現狀

目前，故障診斷課程的實驗教學形式多樣，但大多是對理論教學的驗證性實驗，按照內容主要分為3個方面：旋轉機械故障診斷平臺結構和原理，主要了解旋轉機械故障診斷平臺動力學結構特性和工作原理；典型故障故障信號采集和信號特征分析，主要了解信號采集原理和不同故障信號特征；常用故障診斷方法應用，主要驗證常用故障診斷方法的有效性[5-7]。傳統實驗教學可以讓學生了解典型故障產生機理和信號特征，以及運用常用故障診斷方法解決故障問題。但是，對于培養具有較強工程實踐能力的專業碩士仍有不足。為此，針對當前企業存在的故障診斷難點，開展案例探究式的故障診斷綜合實驗改革，讓學生能通過方案設計、工程實施和故障排除等流程解決實際工程問題。

二、故障診斷綜合實驗方案設計

故障診斷技術集機械、傳感器技術、信號處理技術、人工智能、計算機技術于一體，綜合性很強，對實驗教學要求較高[8]。傳統的故障診斷實驗教學偏重對理論教學內容的理解，更注重實驗驗證[9]，主要是對旋轉機械結構進行了解，熟悉不同類型故障產生原因，運用常用故障診斷方法進行故障類型驗證等。這就導致專業碩士的故障診斷實用技術課程培養停留在基礎認知和簡單操作上，不利于培養獨立解決實際工程故障問題的能力[10]。因此，需要教師具有豐富的實際工程經驗，深入行業生產，將典型故障診斷案例引入理論教學和實驗教學，引導學生獨立思考并解決實際工程問題[11-12]。針對上述問題，從培養面向行業、面向職業、面向應用和面向實踐的專業碩士出發，對故障診斷實用技術實驗教學進行改進。一是增設多樣化數據采集探究性實驗。該實驗主要培養學生對不同種類傳感器的安裝和使用能力，以及針對實際工程問題，數據采集相關參數配置的綜合能力。針對不同檢測設備、不同工況，數據采集傳輸方式決定數據的可靠性，采集相關參數決定了數據是否保留故障完整信息。為此，根據企業數據檢測需求，設計案例探究式實驗供學生進行探索式實踐。二是增加不平衡、不對中故障的故障解除探究性實驗。該實驗主要培養學生對不平衡、不對中故障的信號采集方式和特征識別能力，以及故障解除實踐能力。不平衡和不對中故障往往是由于安裝未校正或局部脫落等原因造成，大多數可以通過動平衡測試等方法現場解除故障。因此，設計不平衡、不對中案例探究式實驗加強學生故障排除能力。三是優化軸承裂紋故障的故障診斷理論探究實驗。軸承裂紋故障是實際工程中經常遇到的損傷類故障，該類故障信號特征與不對中、不平衡故障特征明顯不同，呈現出微弱性、局部性等特征，如何利用有效的數字信號處理方法進行故障診斷尤為重要。因此，通過設計不同尺寸、不同位置的裂紋故障案例實驗，提高學生利用最新理論解決實際工程問題能力。

三、探究式實驗案例庫設計

（一）數據采集實驗案例數據采集是故障診斷中最重要的步驟，采集的數據是否保留完整設備狀態信息決定了故障診斷的精度。因此，數據采集實驗案例庫主要圍繞不同情況下數據正確采集而展開，依托故障診斷實驗平臺，主要包含不平衡故障模擬及數據采集模塊，不對中故障模擬及數據采集模塊、裂紋故障模擬及數據采集模塊。圖1所示為數據采集實驗案例庫結構。不平衡故障和不對中故障信號是低頻振動信號，裂紋故障信則是高頻振動信號；不平衡故障和裂紋故障從徑向可以采集到故障信號，不對中故障則在徑向和軸向都可以采集到故障信號；不平衡故障和不對中故障需采用加速度振動傳感器采集信號，裂紋故障則可用加速度振動傳感器或聲發射傳感器采集信號，而設備旋轉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，可以引導學生進行傳感器選型、傳感器測點分布、采集頻率設置、采樣點數設置、濾波頻率設置、旋轉機械拆裝等探索性學習，培養進行數據采集的工程應用能力。

（二）不平衡、不對中故障實驗案例引起不平衡、不對中故障的因素有很多種，如安裝不當、磨損、局部腐蝕或固體物堆積等，大多數不平衡、不對中故障發現后都可以通過適當方法進行故障排除，使設備重新進入穩定狀態。因此，不平衡、不對中實驗案例庫圍繞故障的發現和排除而展開，主要包括不平衡故障診斷與排除模塊和不對中故障診斷與排除模塊。圖2所示為不平衡、不對中故障實驗案例庫結構。不平衡故障通過轉盤添加砝碼進行模擬，不對中故障可以通過改變軸的安裝位置進行模擬。兩種故障均是低頻振動信號，信號的特征有所區別，不平衡故障主要表現為徑向振動，振動能量主要集中在工頻的1倍頻，振動幅值與轉速的平方成正比，振動幅值不隨負荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振動相位差90°，軸心軌跡為橢圓形。不對中故障同時表現為徑向振動和軸向振動，徑向振動以工頻的2倍頻為主，軸向振動以工頻的1倍頻為主，振動幅值隨轉速升高而增大，振動幅值隨負荷的增大而增大，同一平面X、Y方向振動相位差180°，軸心軌跡為香蕉形、8字形。因此，可引導學生通過不同診斷分析方法進行故障甄別，再根據動平衡補償進行不平衡故障排除或通過安裝角度調整進行不對中故障排除。

（三）裂紋故障實驗案例裂紋故障在旋轉機械設備故障中十分常見，主要是由于疲勞損傷引起的局部剝落或化學物品腐蝕引起，故障程度會隨著設備運行逐漸惡化，可能導致停機等生產事故。裂紋故障實驗案例庫圍繞故障早期發現展開，主要包括內圈裂紋故障診斷模塊、外圈裂紋故障診斷模塊和滾動體裂紋故障診斷模塊。圖3所示為裂紋故障實驗案例庫結構。裂紋故障產生后，旋轉部件與故障點會發生周期性碰撞從而產生周期性高頻脈沖振動信號。對于這類具有局部特征的故障信號識別，在理論分析上具有很大的探索空間。同時，通過設置不同尺寸、方向、位置的裂紋故障，可以發現故障的發展規律，從而進行壽命預測。該案例庫可以更大程度上培養學生故障診斷方法創新能力和模式識別算法的設計和優化。

四、結語

該實驗體系的建立是以故障診斷方法與應用、故障診斷實用技術、數字信號處理等相關課程為背景，以企業需求為導向，以數據采集實驗案例庫、不平衡和不對中故障實驗案例庫和裂紋故障實驗案例庫為實際工程問題，以培養面向行業、面向職業、面向應用和面向實踐的專業學位碩士為目標，形成了完整的探究式故障診斷綜合實驗體系。經過三屆學生教學檢驗，該實驗體系能有效提高了學生學習興趣、實踐能力和解決工程問題能力。

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作者：嚴保康 周鳳星 盧少武 寧博文 單位：武漢科技大學