机械类专业机械故障诊断实验设计与教学

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［摘要］综合实验有助于学生应用创新能力培养，是工科专业重要的实践教学环节。文章从机械故障诊断技术概念出发，介绍了旋转机械典型故障、检测手段、工况模拟及信号处理方法、如何构建故障诊断综合实验等内容。以转子不平衡故障诊断为例，设计了实验台，提出了一种基于轴心轨迹的诊断方法，设计了对比实验方案，为机械类专业故障诊断综合实验设计与教学实践提供了参考。

［关键词］机械专业；故障诊断；实验设计

目前，我国高等教育正在经历新一轮变革，“新工科”[1]浪潮正席卷高校工科教育。“新工科”背景下，高校工科专业综合改革势在必行。长期以来，工科院校十分重视实践教学环节建设。工科专业特别是机械类专业实践教学环节普遍包括金工实习、电子实习、认识实习、生产实习、毕业实习和课程设计、强化训练及综合实验。尤其是综合实验在学生应用创新能力培养中的作用，越发得到重视。综合实验通常是指面向某专业综合知识应用能力训练的独立设课的实践环节，一般安排在大学四年级，占2学分。综合实验[2]具有创新性、复杂性和开放性的特征，要求教师能设计出满足学生综合能力训练的专业实验。大型机械故障复杂多样，诊断手段也很灵活，因此机械故障诊断实验是一项可以训练学生机械动力学、测试技术和计算机编程能力的综合性实验。

一、机械故障诊断实验设计

机械故障诊断技术[3]是通过测取机械设备在运行中的状态信息并结合诊断对象的历史状态对所测信号进行分析处理和定量识别机械设备及其零部件的实时运行参数及工作状况，推断设备已经发生或将要发生的故障，从而确定必要对策的一门综合性技术。从定义可以看出，机械故障诊断技术涉及传感器、信号处理、故障诊断或趋势预测等多方面知识，通常需要借助计算机程序实现诊断或预测。就目前应用来看，故障诊断技术在各类旋转机械中应用最为广泛。设计机械故障诊断实验时，可以旋转机械为对象，针对功能部件如轴承、齿轮、轴等设置故障，典型故障有：（1）轴承故障：内圈、外圈、滚动体的划伤、磨损、点蚀、裂纹等；（2）齿轮故障：断齿、齿根裂纹、齿面点蚀、磨损等；（3）轴故障：不平衡、不对中、弯曲、碰摩、轴上零件松脱等。在设计故障检测手段时，可通过振动、温度、电流和油液等信息的分析处理，获得可以反映故障的有效特征，如振动特征频率等，由此诊断故障发生的部件及故障的类型。实验设计时，对载荷、速度等可以进行多样化模拟，从而实现系统的定载、变载、恒速、变速等，不同的工况作用于故障机械系统，可激发出包含诊断特征的有效信息。以基于振动信号的故障诊断实验为例，振动信号处理方法有时间域、频率域和时间-频率域。时间域分析有基本波形分析和相关分析，频率域分析有快速傅里叶变换、功率谱、包络解调谱等，时间-频率域分析有短时傅里叶分析、小波分析等。频率域分析主要用于平稳信号的处理，时间-频率域分析主要用于非平稳信号处理。通过不同部件不同故障类型的组合，及不同运行工况的模拟，采用不同的信号分析手段可实现旋转机械的故障诊断，实现由单一故障到复合故障、由恒定工况到时变工况、由简单分析到复杂分析的不同程度故障诊断综合能力训练。

二、机械故障诊断实验教学实践

自2016年以来面向机械类专业开设了“旋转机械故障诊断综合实验”，以电机-转子系统为对象，以振动信号分析为主要手段，对转子不平衡故障诊断实验进行了系统设计与教学实践。在实验中，将学生分为若干组，每组完成不同实验任务，包括故障模拟、信号测试、数据处理和诊断分析等，要求学生采用LabView程序完成一部分程序自主开发，如快速傅里叶算法、传感器输出信号转化、分析结果可视化等。学生根据实验任务，查阅资料并设计实验方案，完成实验工况和故障模拟，选用振动传感器并与上位机关联，实现信号采集，进而设计分析算法和可视化程序，对分析结果进行分析论证，据此修改实验方案完成下一轮实验，如此获得对实验中理论知识和应用技能的熟练掌握。下面以“转子不平衡故障诊断实验[4]”为例，介绍笔者近年实验设计及教学过程。

1.实验台

设计了一种旋转机械故障模拟与诊断实验台，如图所示，由电机驱动一根细长轴，轴上装有一个圆盘，在圆盘上通过施加偏心块来模拟轴偏心故障（质量不平衡）。通过光电、涡流、编码器等测量轴的转速，通过压电、磁电和涡流传感器测量轴振动。通过PWM原理对电机进行无级调速，通过轴左端加载螺栓进行轴承预紧，从而改变轴运行工况。

2.实验数据分析

对涡流传感器测得的水平和竖直方向振动位移，可合成轴心轨迹，根据轴心轨迹是否为椭圆及椭圆度大小可判定是否发生了转子不平衡及不平衡的严重程度。数据处理时，注意对原始信号需进行滤波，以消除噪声影响。

3.实验对比研究

通过反复多次实验，探究实验所反映的物理规律。可设计如下实验对比方案。实验1：在转轴上拧1个偏心块，转速设置为通过上述四个实验，可研究不同偏心量和不同转速对轴振动信号的影响，进而从信号表现上反映设备发生了什么样的故障状况。结语全文介绍了机械故障诊断实验设计方案和教学案例。首先，介绍了机械故障诊断技术的内涵，提出了故障诊断实验中的故障类型、诊断信号和实验模拟方案。结合笔者近年教学实践，设计了一个转子不平衡故障诊断实验，介绍了基于轴心轨迹进行不平衡故障诊断的原理和如何进行不同实验工况下的诊断实验。介绍了从实验方案设计到教学实践全过程，对此类实验设计及教学具有参考价值。

参考文献

［1］罗忠.新工科背景下机械工程专业培养体系改革探析［J］.中国现代教育装备,2019(19):109-111.

［2］段朋云,姚胜卫,丁晓红,等.机械基础综合实验教学改革初探［J］.科教文汇(上旬刊),2019(09):62-63+72.

［3］窦东阳,王艳飞,何敏,等.面向工程教育认证的旋转机械状态监控与故障诊断实验系统研发［J］.实验技术与管理,2019,36(07):29-32+39.

［4］樊红卫,杨一晴,马宏伟,等.一种转子振动故障诊断及预警的虚拟仪器系统开发与验证［J］.机械设计与制造,2019(06):77-79+83.

作者：樊红卫 万翔 张旭辉 毛清华 李曼 单位：西安科技大学机械工程学院