《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)》課程實驗教學(xué)改革淺析

胡而已

摘要：伴隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技進步，機械行業(yè)的企業(yè)和相關(guān)專家急需掌握當(dāng)前大型、自動化裝備及生產(chǎn)線的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷新技術(shù)。然而通過大量調(diào)研表明，《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)》雖然在機械工程學(xué)科的大學(xué)本科教育中占據(jù)重要地位，但我國目前的學(xué)科體系中對這方面的建設(shè)尚存在諸多不足，本文結(jié)合所在學(xué)校和所在行業(yè)的特點，分析了課程建設(shè)和教學(xué)過程中的主要問題，提出了相應(yīng)的解決思路。

關(guān)鍵詞：機械工程；故障診斷；實驗教學(xué)；無損檢測

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）29-0038-02

一、課程設(shè)置及教學(xué)效果現(xiàn)狀

《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)》是上世紀六七十年代產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門綜合性學(xué)科，在工程實際中故障診斷通過機械設(shè)備的運行參數(shù)的變化來反映其所處的工作狀態(tài)。在大學(xué)本科的課程教學(xué)中，它以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的專業(yè)技能為宗旨，在機械工程學(xué)科的教學(xué)中占據(jù)重要地位，是當(dāng)前很多高校機械專業(yè)的必修課程。課程設(shè)置一般安排在大學(xué)三、四年級，學(xué)時32～48學(xué)時不等，課堂教學(xué)一般需結(jié)合相應(yīng)的實驗教學(xué)共同完成，實驗教學(xué)的學(xué)識一般為4～6個學(xué)時。我校的《狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)》相關(guān)課程的安排如下：南湖校區(qū)機電工程學(xué)院為32學(xué)時；徐海學(xué)院機械系為48學(xué)時，應(yīng)用學(xué)院的機械專業(yè)為40學(xué)時，各學(xué)院針對自身的學(xué)科特色和學(xué)生特點在課程設(shè)置方面略有不同，然而其主要教學(xué)內(nèi)容是相似的。傳統(tǒng)教學(xué)以課堂的理論教學(xué)為主，主要表現(xiàn)為沒有很好地與一些實驗教學(xué)相結(jié)合，且效果工程應(yīng)用軟件的教學(xué)也存在一定的問題，這些制約著該課程的進一步建設(shè)。實際可選實驗項目較少，實驗內(nèi)容較陳舊。以我校南湖校區(qū)的本科生為例，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的實驗安排為4～6個學(xué)時，一個較復(fù)雜的實驗課需要2個學(xué)時的時間來完成，一般情況下只能安排2～3個實驗的教學(xué)。然而隨著故障診斷技術(shù)的快速進步和該分支學(xué)科體系的完善，該課程可以開設(shè)的實驗很多，如振動法測量轉(zhuǎn)子特性、溫度法故障診斷技術(shù)、油液分析方法故障診斷、無損檢測方法等，且無損檢測方法中又包含有光電磁聲等多種方法和手段。受制于學(xué)時的不斷壓縮，很多實驗內(nèi)容無法一一開展，不能給學(xué)生較全面的展示故障診斷課程的內(nèi)涵，且不能對學(xué)生的實際動手能力起到有益的提高。另外，部分學(xué)生由于學(xué)習(xí)成績一般，學(xué)習(xí)積極性不高，不能做到課前充分的預(yù)習(xí)，因此在實驗課程中常常對實驗原理沒有完全的掌握，導(dǎo)致其動手能力差，單個實驗耗費的時間過長，無法在有效的學(xué)時內(nèi)增加新的實驗教學(xué)的工作量。

二、嘗試新增實驗教學(xué)內(nèi)容

材料殘余應(yīng)力分布的無損檢測在其被加工前必須知道，因為若知道此分布，可以優(yōu)化此材料的加工工藝，如切割面、刀具、切割速度等的選擇，來盡可能地減少此材料因殘余應(yīng)力存在而引起的變形。目前已有X光散射、中子散射、磁探測，光彈法和超聲檢測等多種非破損檢測材料殘余應(yīng)力的方法，而超聲是一種很有前景的方法。超聲測量儀器攜帶方便，可實現(xiàn)現(xiàn)場、在役以及自動化檢測。因此在故障診斷課程中開設(shè)超聲殘余應(yīng)力檢測實驗內(nèi)容很有意義。本文所介紹的是一種基于PC架構(gòu)的超聲波檢測系統(tǒng)，它以PC為基礎(chǔ)，以高速數(shù)據(jù)采集卡的高速實時數(shù)據(jù)采集、存儲、分析技術(shù)為核心。系統(tǒng)主要由下列部分組成：工控機平臺、超聲波脈沖發(fā)射器、表面波探頭、高速數(shù)據(jù)采集卡、示波器、基于pc的數(shù)據(jù)處理和分析軟件等。本系統(tǒng)采用了GE Panametrics公司生產(chǎn)的5800超聲波脈沖發(fā)射接收儀。主要功能：通過GPIB或RS-232接口遠端控制，也可以在操作面板上控制；40個存儲設(shè)置可通過并行口，串行口輸出到兼容的打印機上；200MHz寬帶接收，高增益，低噪聲；脈沖回波，發(fā)射接收，及外置脈沖發(fā)射模式；在10MHz透射模式下有80dB增益；26dB，40dB和54dB射頻波增益；接收器的衰減范圍從0到65.5dB，0.5dB可調(diào)；可調(diào)高，低通濾波；可以與泛美的微調(diào)閘門，閘門峰值監(jiān)測儀，閘門限值報警儀，和5627RPP-1前置放大器兼容。系統(tǒng)采用的示波器為Tektronix公司生產(chǎn)的TDS5000B示波器。此款示波器采用Windows操作系統(tǒng)，示波器內(nèi)部集成了一臺PC，示波器外部有鍵盤和鼠標(biāo)接口，由于采用了PC結(jié)構(gòu)，示波器具有自動分析功能。示波器分辨帶寬高達1GHz，足以使用與超聲波的頻率采集。而系統(tǒng)實時采樣頻率高達5GHz，從而最大限度的維持了信號的真實性。示波器記錄長度高達16000000個樣品，從而使用與大規(guī)模的工程實驗。示波器每秒捕獲次數(shù)達1000000次，從而適合高頻聲波和高頻信號傳輸。示波器有1.25%DC的垂直增益精度，可以高精度的放大波形。示波器提供了最大四個輸入通道，滿足了多點測量的要求。操作系統(tǒng)中還集成了數(shù)據(jù)庫，編程軟件，可以用數(shù)據(jù)庫來存儲取出的數(shù)據(jù)，適用于大規(guī)模的信號數(shù)據(jù)產(chǎn)生的場合。示波器系統(tǒng)其他的功能如下：完全可編程性，具有廣泛的GPIB命令集合基于界面的消息；高級觸發(fā)套件；53種波形測量加上直方圖；基本的數(shù)學(xué)及高級方程式編輯器和光譜分析；10.4Inch彩色顯示器，即兩度分級的波形數(shù)據(jù)顯示取樣密度；可自定義的MyScope控制窗口；附帶隨在線幫助的Windows操作系統(tǒng)。

三、實驗教學(xué)中關(guān)鍵問題探討

1.表面耦合技術(shù)。為了使換能器有效的向試件中發(fā)射和接收超聲波，必須保持二者之間良好的聲耦合，可以通過填充耦合介質(zhì)來實現(xiàn)，根據(jù)耦合介質(zhì)和耦合條件的不同，換能器和被檢物的藕合方式可分為固態(tài)接觸法和液態(tài)接觸法兩種。固態(tài)接觸就是在換能器與被檢物之間直接的緊密接觸，以實現(xiàn)聲能的傳遞。換能器與被檢物表面之間如有較多氣隙，必然極大的阻止聲能的傳遞，因此要實現(xiàn)直接接觸，換能器接觸面及被檢物表面均應(yīng)十分光滑，并需施加較大壓力，盡量達到緊配合的程度。這在實驗教學(xué)過程中往往是不易實現(xiàn)的。更為有效、方便和常用的方法是，借助換能器與被檢物表面之間的涂敷的液體，排除空氣間隙，以實現(xiàn)聲能的傳遞，這就是液態(tài)接觸，這層液體就是耦合劑。

2.表面狀況選擇。在超聲檢測的實驗教學(xué)過程中，被檢物的表面光潔度對回波信號有相當(dāng)大的影響，學(xué)生操作起來往往重復(fù)性較差。被檢物表面光潔度愈高，入射到被檢物中的超聲能量就愈多，檢測靈敏度就愈高。但是，在檢測中，盲目追求過高的光潔度也是沒有必要的。但是，表面粗糙度大于1/10波長時，聲耦合顯著變壞，出現(xiàn)較大的側(cè)向散射，聲束軸線上的聲壓降低，聲束的形狀大大改變，使表面波衰減較大，表面很粗糙時，聲束在表面上發(fā)生漫反射，聲束指向性差，使檢測靈敏度大大降低。因此在表面處理時須注意以下兩點：一是不要使工件或材料表面出現(xiàn)凹面，因為凹面會使禍合變壞或使耦合不穩(wěn)定；二是一定要把松散附著物與工件之間有空氣隙的氧化皮或涂料等清除掉，否則它們會極大的降低聲的透射率，甚至完全阻止聲波的傳遞。

參考文獻：

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基金項目：中國礦業(yè)大學(xué)青年教師教學(xué)改革資助計劃項目（2001216）。endprint