《状态监测与故障诊断技术》课程实验教学改革浅析

胡而已

摘要：伴随着我国国民经济的快速发展和科技进步，机械行业的企业和相关专家急需掌握当前大型、自动化装备及生产线的状态监测与故障诊断新技术。然而通过大量调研表明，《状态监测与故障诊断技术》虽然在机械工程学科的大学本科教育中占据重要地位，但我国目前的学科体系中对这方面的建设尚存在诸多不足，本文结合所在学校和所在行业的特点，分析了课程建设和教学过程中的主要问题，提出了相应的解决思路。

关键词：机械工程；故障诊断；实验教学；无损检测

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）29-0038-02

一、课程设置及教学效果现状

《状态监测与故障诊断技术》是上世纪六七十年代产生并发展起来的一门综合性学科，在工程实际中故障诊断通过机械设备的运行参数的变化来反映其所处的工作状态。在大学本科的课程教学中，它以培养学生解决实际问题的专业技能为宗旨，在机械工程学科的教学中占据重要地位，是当前很多高校机械专业的必修课程。课程设置一般安排在大学三、四年级，学时32～48学时不等，课堂教学一般需结合相应的实验教学共同完成，实验教学的学识一般为4～6个学时。我校的《状态监测与故障诊断技术》相关课程的安排如下：南湖校区机电工程学院为32学时；徐海学院机械系为48学时，应用学院的机械专业为40学时，各学院针对自身的学科特色和学生特点在课程设置方面略有不同，然而其主要教学内容是相似的。传统教学以课堂的理论教学为主，主要表现为没有很好地与一些实验教学相结合，且效果工程应用软件的教学也存在一定的问题，这些制约着该课程的进一步建设。实际可选实验项目较少，实验内容较陈旧。以我校南湖校区的本科生为例，状态监测与故障诊断的实验安排为4～6个学时，一个较复杂的实验课需要2个学时的时间来完成，一般情况下只能安排2～3个实验的教学。然而随着故障诊断技术的快速进步和该分支学科体系的完善，该课程可以开设的实验很多，如振动法测量转子特性、温度法故障诊断技术、油液分析方法故障诊断、无损检测方法等，且无损检测方法中又包含有光电磁声等多种方法和手段。受制于学时的不断压缩，很多实验内容无法一一开展，不能给学生较全面的展示故障诊断课程的内涵，且不能对学生的实际动手能力起到有益的提高。另外，部分学生由于学习成绩一般，学习积极性不高，不能做到课前充分的预习，因此在实验课程中常常对实验原理没有完全的掌握，导致其动手能力差，单个实验耗费的时间过长，无法在有效的学时内增加新的实验教学的工作量。

二、尝试新增实验教学内容

材料残余应力分布的无损检测在其被加工前必须知道，因为若知道此分布，可以优化此材料的加工工艺，如切割面、刀具、切割速度等的选择，来尽可能地减少此材料因残余应力存在而引起的变形。目前已有X光散射、中子散射、磁探测，光弹法和超声检测等多种非破损检测材料残余应力的方法，而超声是一种很有前景的方法。超声测量仪器携带方便，可实现现场、在役以及自动化检测。因此在故障诊断课程中开设超声残余应力检测实验内容很有意义。本文所介绍的是一种基于PC架构的超声波检测系统，它以PC为基础，以高速数据采集卡的高速实时数据采集、存储、分析技术为核心。系统主要由下列部分组成：工控机平台、超声波脉冲发射器、表面波探头、高速数据采集卡、示波器、基于pc的数据处理和分析软件等。本系统采用了GE Panametrics公司生产的5800超声波脉冲发射接收仪。主要功能：通过GPIB或RS-232接口远端控制，也可以在操作面板上控制；40个存储设置可通过并行口，串行口输出到兼容的打印机上；200MHz宽带接收，高增益，低噪声；脉冲回波，发射接收，及外置脉冲发射模式；在10MHz透射模式下有80dB增益；26dB，40dB和54dB射频波增益；接收器的衰减范围从0到65.5dB，0.5dB可调；可调高，低通滤波；可以与泛美的微调闸门，闸门峰值监测仪，闸门限值报警仪，和5627RPP-1前置放大器兼容。系统采用的示波器为Tektronix公司生产的TDS5000B示波器。此款示波器采用Windows操作系统，示波器内部集成了一台PC，示波器外部有键盘和鼠标接口，由于采用了PC结构，示波器具有自动分析功能。示波器分辨带宽高达1GHz，足以使用与超声波的频率采集。而系统实时采样频率高达5GHz，从而最大限度的维持了信号的真实性。示波器记录长度高达16000000个样品，从而使用与大规模的工程实验。示波器每秒捕获次数达1000000次，从而适合高频声波和高频信号传输。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个输入通道，满足了多点测量的要求。操作系统中还集成了数据库，编程软件，可以用数据库来存储取出的数据，适用于大规模的信号数据产生的场合。示波器系统其他的功能如下：完全可编程性，具有广泛的GPIB命令集合基于界面的消息；高级触发套件；53种波形测量加上直方图；基本的数学及高级方程式编辑器和光谱分析；10.4Inch彩色显示器，即两度分级的波形数据显示取样密度；可自定义的MyScope控制窗口；附带随在线帮助的Windows操作系统。

三、实验教学中关键问题探讨

1.表面耦合技术。为了使换能器有效的向试件中发射和接收超声波，必须保持二者之间良好的声耦合，可以通过填充耦合介质来实现，根据耦合介质和耦合条件的不同，换能器和被检物的藕合方式可分为固态接触法和液态接触法两种。固态接触就是在换能器与被检物之间直接的紧密接触，以实现声能的传递。换能器与被检物表面之间如有较多气隙，必然极大的阻止声能的传递，因此要实现直接接触，换能器接触面及被检物表面均应十分光滑，并需施加较大压力，尽量达到紧配合的程度。这在实验教学过程中往往是不易实现的。更为有效、方便和常用的方法是，借助换能器与被检物表面之间的涂敷的液体，排除空气间隙，以实现声能的传递，这就是液态接触，这层液体就是耦合剂。

2.表面状况选择。在超声检测的实验教学过程中，被检物的表面光洁度对回波信号有相当大的影响，学生操作起来往往重复性较差。被检物表面光洁度愈高，入射到被检物中的超声能量就愈多，检测灵敏度就愈高。但是，在检测中，盲目追求过高的光洁度也是没有必要的。但是，表面粗糙度大于1/10波长时，声耦合显著变坏，出现较大的侧向散射，声束轴线上的声压降低，声束的形状大大改变，使表面波衰减较大，表面很粗糙时，声束在表面上发生漫反射，声束指向性差，使检测灵敏度大大降低。因此在表面处理时须注意以下两点：一是不要使工件或材料表面出现凹面，因为凹面会使祸合变坏或使耦合不稳定；二是一定要把松散附着物与工件之间有空气隙的氧化皮或涂料等清除掉，否则它们会极大的降低声的透射率，甚至完全阻止声波的传递。

参考文献：

[1]魏智，徐蔚，曲云霞，等.表面波声弹性应力检测基础[J].河北工业大学学报，2002，（1）.

[2]魏智，周晓军，等.应力场超声检测中的表面波声弹理论[J].中国学术期刊文摘，1998，（2）：183.

基金项目：中国矿业大学青年教师教学改革资助计划项目（2001216）。endprint