機械類專業機械故障診斷綜合實驗設計與教學探索

樊紅衛 萬翔 張旭輝 毛清華 李曼

[摘 要] 綜合實驗有助于學生應用創新能力培養，是工科專業重要的實踐教學環節。文章從機械故障診斷技術概念出發，介紹了旋轉機械典型故障、檢測手段、工況模擬及信號處理方法、如何構建故障診斷綜合實驗等內容。以轉子不平衡故障診斷為例，設計了實驗臺，提出了一種基于軸心軌跡的診斷方法，設計了對比實驗方案，為機械類專業故障診斷綜合實驗設計與教學實踐提供了參考。

[關鍵詞] 機械專業;故障診斷;實驗設計

[課題項目] 西安科技大學新工科教學改革研究項目（XGK1816，XGK1808）;西安科技大學學位與研究生教育教學改革與研究項目（西科辦發〔2018〕111號）

[作者簡介] 樊紅衛（1984—），男，陜西寶雞人，博士，講師，主要從事機械動力學與故障診斷研究。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0381-02? ? [收稿日期] 2019-12-09

目前，我國高等教育正在經歷新一輪變革，“新工科”[1]浪潮正席卷高校工科教育。“新工科”背景下，高校工科專業綜合改革勢在必行。長期以來，工科院校十分重視實踐教學環節建設。工科專業特別是機械類專業實踐教學環節普遍包括金工實習、電子實習、認識實習、生產實習、畢業實習和課程設計、強化訓練及綜合實驗。尤其是綜合實驗在學生應用創新能力培養中的作用，越發得到重視。綜合實驗通常是指面向某專業綜合知識應用能力訓練的獨立設課的實踐環節，一般安排在大學四年級，占2學分。綜合實驗[2]具有創新性、復雜性和開放性的特征，要求教師能設計出滿足學生綜合能力訓練的專業實驗。大型機械故障復雜多樣，診斷手段也很靈活，因此機械故障診斷實驗是一項可以訓練學生機械動力學、測試技術和計算機編程能力的綜合性實驗。

一、機械故障診斷實驗設計

機械故障診斷技術[3]是通過測取機械設備在運行中的狀態信息并結合診斷對象的歷史狀態對所測信號進行分析處理和定量識別機械設備及其零部件的實時運行參數及工作狀況，推斷設備已經發生或將要發生的故障，從而確定必要對策的一門綜合性技術。從定義可以看出，機械故障診斷技術涉及傳感器、信號處理、故障診斷或趨勢預測等多方面知識，通常需要借助計算機程序實現診斷或預測。

就目前應用來看，故障診斷技術在各類旋轉機械中應用最為廣泛。設計機械故障診斷實驗時，可以旋轉機械為對象，針對功能部件如軸承、齒輪、軸等設置故障，典型故障有：（1）軸承故障：內圈、外圈、滾動體的劃傷、磨損、點蝕、裂紋等;（2）齒輪故障：斷齒、齒根裂紋、齒面點蝕、磨損等;（3）軸故障：不平衡、不對中、彎曲、碰摩、軸上零件松脫等。

在設計故障檢測手段時，可通過振動、溫度、電流和油液等信息的分析處理，獲得可以反映故障的有效特征，如振動特征頻率等，由此診斷故障發生的部件及故障的類型。

實驗設計時，對載荷、速度等可以進行多樣化模擬，從而實現系統的定載、變載、恒速、變速等，不同的工況作用于故障機械系統，可激發出包含診斷特征的有效信息。

以基于振動信號的故障診斷實驗為例，振動信號處理方法有時間域、頻率域和時間-頻率域。時間域分析有基本波形分析和相關分析，頻率域分析有快速傅里葉變換、功率譜、包絡解調譜等，時間-頻率域分析有短時傅里葉分析、小波分析等。頻率域分析主要用于平穩信號的處理，時間-頻率域分析主要用于非平穩信號處理。

通過不同部件不同故障類型的組合，及不同運行工況的模擬，采用不同的信號分析手段可實現旋轉機械的故障診斷，實現由單一故障到復合故障、由恒定工況到時變工況、由簡單分析到復雜分析的不同程度故障診斷綜合能力訓練。

二、機械故障診斷實驗教學實踐

自2016年以來面向機械類專業開設了“旋轉機械故障診斷綜合實驗”，以電機-轉子系統為對象，以振動信號分析為主要手段，對轉子不平衡故障診斷實驗進行了系統設計與教學實踐。在實驗中，將學生分為若干組，每組完成不同實驗任務，包括故障模擬、信號測試、數據處理和診斷分析等，要求學生采用LabView程序完成一部分程序自主開發，如快速傅里葉算法、傳感器輸出信號轉化、分析結果可視化等。學生根據實驗任務，查閱資料并設計實驗方案，完成實驗工況和故障模擬，選用振動傳感器并與上位機關聯，實現信號采集，進而設計分析算法和可視化程序，對分析結果進行分析論證，據此修改實驗方案完成下一輪實驗，如此獲得對實驗中理論知識和應用技能的熟練掌握。下面以“轉子不平衡故障診斷實驗[4]”為例，介紹筆者近年實驗設計及教學過程。

1.實驗臺。設計了一種旋轉機械故障模擬與診斷實驗臺，如圖所示，由電機驅動一根細長軸，軸上裝有一個圓盤，在圓盤上通過施加偏心塊來模擬軸偏心故障（質量不平衡）。通過光電、渦流、編碼器等測量軸的轉速，通過壓電、磁電和渦流傳感器測量軸振動。通過PWM原理對電機進行無級調速，通過軸左端加載螺栓進行軸承預緊，從而改變軸運行工況。

2.實驗數據分析。對渦流傳感器測得的水平和豎直方向振動位移，可合成軸心軌跡，根據軸心軌跡是否為橢圓及橢圓度大小可判定是否發生了轉子不平衡及不平衡的嚴重程度。數據處理時，注意對原始信號需進行濾波，以消除噪聲影響。

3.實驗對比研究。通過反復多次實驗，探究實驗所反映的物理規律。可設計如下實驗對比方案。

實驗1：在轉軸上擰1個偏心塊，轉速設置為500r/min;

實驗2：在轉軸上擰1個偏心塊，轉速設置為1000r/min;

實驗3：在轉軸上擰3個偏心塊，轉速設置為500r/min;

實驗4：在轉軸上擰3個偏心塊，轉速設置為1000r/min。

通過上述四個實驗，可研究不同偏心量和不同轉速對軸振動信號的影響，進而從信號表現上反映設備發生了什么樣的故障狀況。

結語

全文介紹了機械故障診斷實驗設計方案和教學案例。首先，介紹了機械故障診斷技術的內涵，提出了故障診斷實驗中的故障類型、診斷信號和實驗模擬方案。結合筆者近年教學實踐，設計了一個轉子不平衡故障診斷實驗，介紹了基于軸心軌跡進行不平衡故障診斷的原理和如何進行不同實驗工況下的診斷實驗。介紹了從實驗方案設計到教學實踐全過程，對此類實驗設計及教學具有參考價值。

參考文獻

[1]羅忠.新工科背景下機械工程專業培養體系改革探析[J].中國現代教育裝備，2019（19）：109-111.

[2]段朋云，姚勝衛，丁曉紅，等.機械基礎綜合實驗教學改革初探[J].科教文匯（上旬刊），2019（09）：62-63+72.

[3]竇東陽，王艷飛，何敏，等.面向工程教育認證的旋轉機械狀態監控與故障診斷實驗系統研發[J].實驗技術與管理，2019，36（07）：29-32+39.

[4]樊紅衛，楊一晴，馬宏偉，等.一種轉子振動故障診斷及預警的虛擬儀器系統開發與驗證[J].機械設計與制造，2019（06）：77-79+83.