对《状态监测与故障诊断技术》进行教学改革的
作者2019-03-25 11:18未知
一、 课程现状与不足
(一) 课程现状
随着机电产品向大型化、复杂化、自动化和连续化方向快速发展，设备出现故障所带来的财产和人员损失越来越严重，因此，机电产品的状态监测和故障诊断技术得到了众多企业和大专院校的重视，近些年来发展迅速。《状态监测与故障诊断技术》作为一门课程发展于上世纪六七十年代，是一门综合性的技术，涵盖了测试技术、信号分析与处理技术、机械原理、机械振动等多学科的基础知识，对于机电专业学生来说， 《状态监测与故障诊断技术》是其走上工作岗位的必备技能之一，同时也是其树立产品质量意识和人身安全意识的基础课程。因此，该课程是机械工程学科的重要专业课程，在国内众多高校均有开设，在我校为机械工程及自动化专业本科生的重要课程，现开课32学时，其中实验4学时，每年均有200余名本科生选修该课程。该课程的理论性和实践性均较强，需要开展大量实验以促进理论知识的理解，目前可以开设的实验较多，如：温度法故障诊断技术、油液法故障诊断技术、无损法故障诊断技术、振动法故障诊断技术等，但受制于课程学时的限制，现仅开设两个重要实验：(1)振动监测分析实验;(2)油液铁谱监测分析实验。实验目的是让学生更好掌握课堂教学中的振动故障诊断技术和油液分析技术两部分重要内容，并提高学生的动手能力。
(二)存在的问题
但根据现有实验教学效果，上述目的并未完全达到，主要存在如下两个问题：(1)实验教学方法不当。实验前，学生一般是观察教师实验过程，而对于实验机理和实验仪器缺乏深刻认识，仅是机械性的重复实验过程，缺乏积极性;(2)实验内容陈旧，所做实验无法准确反映课堂教学内容。如振动监测分析实验中仅介绍振动测量方法，侧重于振动信号的测取，且为演示性实验，适于机械振动相关课程的实验，与本课程所讲授的齿轮、轴承、轴系等故障诊断技术相关性不强;此外，油液铁谱监测分析实验中只有磨粒定性观察分析实验，缺乏客观定量评价分析内容。致使学生对所做实验缺乏深刻认知，实验积极性不高，动手能力锻炼不足，无法有效促进理论知识的理解。因此，本文针对本课程实验教学中存在的问题，对其改革进行探索，以期提高学生实验的积极性和整体教学效果。二、实验教学改革探索(一)实验教学方法探索针对现有实验教学方法存在的问题，探索先期预实验的方法，即将实验设备和实验机理作为课堂教学和课外作业的一部分，促使学生采用思维风暴，预想实验流程和每步实验可能出现的现象，最后通过现场实验展开验证，通过这种方法可以有效提升实验的目的性，让学生自如掌控整个实验流程。此外，为了解决实验学时限制和实验项目较多难题，可在课堂理论教学中穿插补充教师课外所做的实验图片和视频，提高教学的生动性，促进理论知识的理解，相当于增加了学生的虚拟实验时间，实现“虚拟实验”，以使学生能够更加直观且全面的理解各种故障诊断机理和过程。(二)更新振动监测分析实验内容由于现有的振动监测分析实验仅介绍振动传感器的安装、振动分析软件的应用等内容，未涉及故障诊断等相关知识，与课堂讲授关联性较低，因此，拟将本实验替换为齿轮、轴承、轴系故障模拟及振动分析实验。实验室将采用uT6818机械振动分析及故障模拟试验台实现各种故障模拟，并进行振动测试、诊断、分析。更新后的实验可以实现： (1)滚动轴承故障模拟：可方便的将被测部分的轴承更换成有缺陷的轴承，如轴承内圈损伤、外圈损伤、滚珠损伤。(2)齿轮故障模拟：通过更换有缺陷的齿轮，可模拟各类齿轮故障，如裂纹、断齿、磨损。(3)轴系不平衡、不对中故障模拟：通过调整轴上旋转圆盘上的平衡重量，可以模拟轴不平衡缺陷;通过调整轴座底盘的安装位置可以模拟轴安装不对中缺陷。(4)螺栓松动故障模拟。此外，该实验台不仅可以模拟各种故障，还可采用不同方法对上述故障开展诊断，主要可以实现： (1)滚动轴承故障诊断方法：共振解调谱法、脉冲冲击计法、特征参数诊断法; (2)齿轮故障诊断方法：微角速度波动法、边带法、倒频谱法等;(3)轴系不对中故障诊断方法：相位法、谐次法; (4)轴系不平衡故障诊断方法：绝对无误判的相位法、频谱法等;(5)螺栓预紧故障诊断方法：双通道相位法、单通道谐次法;(6)结构故障诊断方法：模态分析法。更新后的实验可模拟故障种类多、诊断方法丰富，基本涵盖了课堂所授理论内容，可有效加深学生对于课堂知识的理解。
(三)改进油液铁谱监测分析实验内容
实验室现有8台铁谱显微镜可以进行谱片观察，其主要采用目镜进行定性分析，缺乏定量分析手段。而定量分析的效率较高，且对操作者的经验要求较低，在实际工业中应用广泛。本文拟将实验室现有的8台铁谱显微镜中的2台加装光密度传感器进行定量分析改造，以实现铁谱磨粒的定量分析，即在现有铁谱显微镜的第三目上加装光密度传感器和光密度测量仪。其具体实验操作步骤如下：(1)准备：接通光密度测量仪的电源，预热5分钟以上。然后将光密度测量仪的探头装到显微镜第三目上，并将探头的接线插头插入光密度测量仪信号输入接口。(2)调光路：关闭显微镜反射光源，开启透射光源，将光源电压预调到4伏左右。在透射灯室前加毛滤光片，用25×或40×物镜观察谱片，按透射光系统进行调试观测。扳转聚光镜组上的孔径光拦调节扳手，将孔径光拦调至最小。(3)调壹：光路调好后，把视场移至谱片上没有磨损颗粒的干净处。将双目镜筒上的操纵杆推入，使光线不进入测头。调节光密度测量仪面板上的“调壹”旋钮，使数字显示屏上的数字为1.000(±0.002)。(4)调零：将双目筒上的操纵杆拉出，使光线进入测头。调节光密度测量仪面板上的“调零”旋钮，使数字显示屏上的数字为0.000(±0.004)。(5)调半：将无色的滤光片(遮光率为0.5)盖在底座的透射光出光孔上，调节透射光源的电压调节旋钮，使数字显示屏上的数字为0.500(±0.004)。(6)复调：拿出无色的滤光片，若数字显示屏上的数字不为0.000，则继续调整“调零”旋扭，使之为0.000。(7)校准：重复5)、6)使光密度测量仪同时满足4)和5)的要求，则仪器校准完毕。(8)读数：移动显微镜载物台，使观测视场到达谱片上指定位置，对视场内光密度值进行测量，通过光密度计面板进行读数。(9)结果：根据测量谱片内环内圈、中环内圈、外环外圈的磨粒覆盖面积百分数，计算出磨损烈度指数，即可对机械设备磨损状态做出相应评估。改进后的油液分析实验，可实现磨粒的定性和定量分析，实验内容完整丰富，有效促进学生对磨粒铁谱分析的全面认知，提高实验的目的性和积极性，提升实验教学效果。
三、总结
本文针对中国矿业大学机电工程学院《状态监测与故障诊断技术》课程的实验教学实际情况，分析了实验教学中存在的问题和不足，探索改进现有实验教学方法和实验内容，提出了“课堂预实验”使学生全面了解实验机理，以解决实验的盲目性;提出了“虚拟实验”增加理论教学的生动性，并解决实验学时限制问题;更换了振动测试实验内容，使实验更加符合课堂讲授实际;更新了油液分析实验内容，使实验内容更加全面。通过上述改革探索，可有效提升该课程的整体教学效果。
(一) 课程现状
随着机电产品向大型化、复杂化、自动化和连续化方向快速发展，设备出现故障所带来的财产和人员损失越来越严重，因此，机电产品的状态监测和故障诊断技术得到了众多企业和大专院校的重视，近些年来发展迅速。《状态监测与故障诊断技术》作为一门课程发展于上世纪六七十年代，是一门综合性的技术，涵盖了测试技术、信号分析与处理技术、机械原理、机械振动等多学科的基础知识，对于机电专业学生来说， 《状态监测与故障诊断技术》是其走上工作岗位的必备技能之一，同时也是其树立产品质量意识和人身安全意识的基础课程。因此，该课程是机械工程学科的重要专业课程，在国内众多高校均有开设，在我校为机械工程及自动化专业本科生的重要课程，现开课32学时，其中实验4学时，每年均有200余名本科生选修该课程。该课程的理论性和实践性均较强，需要开展大量实验以促进理论知识的理解，目前可以开设的实验较多，如：温度法故障诊断技术、油液法故障诊断技术、无损法故障诊断技术、振动法故障诊断技术等，但受制于课程学时的限制，现仅开设两个重要实验：(1)振动监测分析实验;(2)油液铁谱监测分析实验。实验目的是让学生更好掌握课堂教学中的振动故障诊断技术和油液分析技术两部分重要内容，并提高学生的动手能力。
(二)存在的问题
但根据现有实验教学效果，上述目的并未完全达到，主要存在如下两个问题：(1)实验教学方法不当。实验前，学生一般是观察教师实验过程，而对于实验机理和实验仪器缺乏深刻认识，仅是机械性的重复实验过程，缺乏积极性;(2)实验内容陈旧，所做实验无法准确反映课堂教学内容。如振动监测分析实验中仅介绍振动测量方法，侧重于振动信号的测取，且为演示性实验，适于机械振动相关课程的实验，与本课程所讲授的齿轮、轴承、轴系等故障诊断技术相关性不强;此外，油液铁谱监测分析实验中只有磨粒定性观察分析实验，缺乏客观定量评价分析内容。致使学生对所做实验缺乏深刻认知，实验积极性不高，动手能力锻炼不足，无法有效促进理论知识的理解。因此，本文针对本课程实验教学中存在的问题，对其改革进行探索，以期提高学生实验的积极性和整体教学效果。二、实验教学改革探索(一)实验教学方法探索针对现有实验教学方法存在的问题，探索先期预实验的方法，即将实验设备和实验机理作为课堂教学和课外作业的一部分，促使学生采用思维风暴，预想实验流程和每步实验可能出现的现象，最后通过现场实验展开验证，通过这种方法可以有效提升实验的目的性，让学生自如掌控整个实验流程。此外，为了解决实验学时限制和实验项目较多难题，可在课堂理论教学中穿插补充教师课外所做的实验图片和视频，提高教学的生动性，促进理论知识的理解，相当于增加了学生的虚拟实验时间，实现“虚拟实验”，以使学生能够更加直观且全面的理解各种故障诊断机理和过程。(二)更新振动监测分析实验内容由于现有的振动监测分析实验仅介绍振动传感器的安装、振动分析软件的应用等内容，未涉及故障诊断等相关知识，与课堂讲授关联性较低，因此，拟将本实验替换为齿轮、轴承、轴系故障模拟及振动分析实验。实验室将采用uT6818机械振动分析及故障模拟试验台实现各种故障模拟，并进行振动测试、诊断、分析。更新后的实验可以实现： (1)滚动轴承故障模拟：可方便的将被测部分的轴承更换成有缺陷的轴承，如轴承内圈损伤、外圈损伤、滚珠损伤。(2)齿轮故障模拟：通过更换有缺陷的齿轮，可模拟各类齿轮故障，如裂纹、断齿、磨损。(3)轴系不平衡、不对中故障模拟：通过调整轴上旋转圆盘上的平衡重量，可以模拟轴不平衡缺陷;通过调整轴座底盘的安装位置可以模拟轴安装不对中缺陷。(4)螺栓松动故障模拟。此外，该实验台不仅可以模拟各种故障，还可采用不同方法对上述故障开展诊断，主要可以实现： (1)滚动轴承故障诊断方法：共振解调谱法、脉冲冲击计法、特征参数诊断法; (2)齿轮故障诊断方法：微角速度波动法、边带法、倒频谱法等;(3)轴系不对中故障诊断方法：相位法、谐次法; (4)轴系不平衡故障诊断方法：绝对无误判的相位法、频谱法等;(5)螺栓预紧故障诊断方法：双通道相位法、单通道谐次法;(6)结构故障诊断方法：模态分析法。更新后的实验可模拟故障种类多、诊断方法丰富，基本涵盖了课堂所授理论内容，可有效加深学生对于课堂知识的理解。
(三)改进油液铁谱监测分析实验内容
实验室现有8台铁谱显微镜可以进行谱片观察，其主要采用目镜进行定性分析，缺乏定量分析手段。而定量分析的效率较高，且对操作者的经验要求较低，在实际工业中应用广泛。本文拟将实验室现有的8台铁谱显微镜中的2台加装光密度传感器进行定量分析改造，以实现铁谱磨粒的定量分析，即在现有铁谱显微镜的第三目上加装光密度传感器和光密度测量仪。其具体实验操作步骤如下：(1)准备：接通光密度测量仪的电源，预热5分钟以上。然后将光密度测量仪的探头装到显微镜第三目上，并将探头的接线插头插入光密度测量仪信号输入接口。(2)调光路：关闭显微镜反射光源，开启透射光源，将光源电压预调到4伏左右。在透射灯室前加毛滤光片，用25×或40×物镜观察谱片，按透射光系统进行调试观测。扳转聚光镜组上的孔径光拦调节扳手，将孔径光拦调至最小。(3)调壹：光路调好后，把视场移至谱片上没有磨损颗粒的干净处。将双目镜筒上的操纵杆推入，使光线不进入测头。调节光密度测量仪面板上的“调壹”旋钮，使数字显示屏上的数字为1.000(±0.002)。(4)调零：将双目筒上的操纵杆拉出，使光线进入测头。调节光密度测量仪面板上的“调零”旋钮，使数字显示屏上的数字为0.000(±0.004)。(5)调半：将无色的滤光片(遮光率为0.5)盖在底座的透射光出光孔上，调节透射光源的电压调节旋钮，使数字显示屏上的数字为0.500(±0.004)。(6)复调：拿出无色的滤光片，若数字显示屏上的数字不为0.000，则继续调整“调零”旋扭，使之为0.000。(7)校准：重复5)、6)使光密度测量仪同时满足4)和5)的要求，则仪器校准完毕。(8)读数：移动显微镜载物台，使观测视场到达谱片上指定位置，对视场内光密度值进行测量，通过光密度计面板进行读数。(9)结果：根据测量谱片内环内圈、中环内圈、外环外圈的磨粒覆盖面积百分数，计算出磨损烈度指数，即可对机械设备磨损状态做出相应评估。改进后的油液分析实验，可实现磨粒的定性和定量分析，实验内容完整丰富，有效促进学生对磨粒铁谱分析的全面认知，提高实验的目的性和积极性，提升实验教学效果。
三、总结
本文针对中国矿业大学机电工程学院《状态监测与故障诊断技术》课程的实验教学实际情况，分析了实验教学中存在的问题和不足，探索改进现有实验教学方法和实验内容，提出了“课堂预实验”使学生全面了解实验机理，以解决实验的盲目性;提出了“虚拟实验”增加理论教学的生动性，并解决实验学时限制问题;更换了振动测试实验内容，使实验更加符合课堂讲授实际;更新了油液分析实验内容，使实验内容更加全面。通过上述改革探索，可有效提升该课程的整体教学效果。
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