動力實驗臺輔助監測診斷課程教學的建設研究

摘要：監測與故障診斷系列課程需要實踐平臺輔助課堂內容的理解，提高解決工程實際問題的能力，針對聯合動力實驗臺在教學實踐中的不足，提出了改進及建設方案，為培養具有獨立進行科學研究的創新人才提供良好的研發平臺和實驗環境。

關鍵詞：故障診斷;教學改革;實驗教學

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0236-02

0 ?引言

輪機工程是船舶與海洋工程國家一級重點學科所屬的二級學科。隨著造船技術以及船舶現代化技術的發展，提高動力裝置的安全性和可靠性是保證船舶運行安全的重要途徑，故障診斷系類課程的改革為培養船舶行業提供高素質人才有非常重要作用。設備監測與故障診斷技術是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其是否正常，早期發現故障及查明原因，并能預報故障發展趨勢的技術。監測與故障診斷系列課程包括測試技術及機械故障診斷基礎、信號分析與數據處理、模式識別等主要課程。此系列課程學習難度較大，對學生理論基礎知識和實踐能力要求較高，建立實踐教學平臺，對課程的學習和實踐效果提高有良好促進作用，可以提升學生的科學研究能力和水平。

1 ?聯合動力實驗臺組成及運行方式

聯合動力裝置實驗臺由GTD-350燃氣輪機、減速齒輪箱、N6135柴油機、S1A-02燃氣輪機、余熱鍋爐、燃燒器、YOX-560限矩型液力耦合器、并車齒輪箱、分車齒輪箱、SSS離合器、SG880水力測功機、發電機、STF426蒸汽輪機等主要設備組成。[1]如圖1所示各主機聯合運行通過三S離合器切換實現，傳動系統安裝了聯軸器，可以有效避免扭振對實驗臺各儀器造成的影響。STF426蒸汽輪機為單級懸臂式背壓汽輪機，由淄博桑特動力設備有限公司制造，本體由一雙列復速級葉輪和齒輪減速箱組成，功率50kW。GTD-350型燃氣輪機是自由渦輪式航空渦輪發動機，功率為300kW，燃氣發生器壓氣機由七級軸流和一級離心式壓氣機級組成。空氣經過壓氣機進口，流經各級軸流壓氣機后到達離心式壓氣機級，經渦殼通過兩個管道進入燃燒室，氣流在燃燒室內方向改變180度，流入渦輪轉子。這種獨特的布置形式使得GTD350燃氣輪機的軸變得很短[1]。S1A-02 燃氣輪機為日本川崎重工生產，功率224kW，輸出轉速1500r/min，燃氣初溫930℃。柴油機是南通柴油機股份有限公司生產的N6135CZ3增壓中冷式柴油機，直列式四沖程，活塞行程為150mm，壓縮比為14，活塞總排量為9L，燃燒室形式為“？棕”型直接噴射式。柴油機采用電啟動，冷卻方式為水冷，持續功率為145.6kW。實驗臺可以進行多項單機及聯合動力裝置總體性能研究實驗，例如N6135柴油機、GTD350燃氣輪機、S1A-02燃氣輪機分別帶負載單獨運行，還可以構成柴燃、燃燃、燃蒸聯合動力形式運行。

2 ?實驗臺輔助教學存在不足

狀態監測與故障診斷技術兩者是相輔相成、相互促進、相互發展的。一方面診斷是目的，監測是手段。兩者相互聯系，又有各自的側重點。另一方面，狀態監測是故障診斷的基礎和前提，新的狀態監測技術的應用會使故障診斷的準確性提高、能力加強[2]。常規參數的測量儀器無法滿足實驗平臺設備故障診斷的需要;實驗臺的運行參數測量系統簡陋，弊端較多。實驗數據的處理及分析系統是以聯合動力總體性能測量基本參數為指導構建，功能單一。診斷系統沒有對狀態信號進行全面的分析和處理，不能進行定位故障原因，分析故障的嚴重程度。缺乏能夠進行狀態監測和故障診斷教學實驗的完善系統。

3 ?動力裝置實驗平臺建設內容

結合監測與故障診斷系列課程教學需求，根據學科現有的條件，在實驗室已有實驗臺架及測試設備的基礎上，建立動力裝置參數測量、狀態監測及故障診斷技術實驗平臺，形成完整的穩動態參數測量、狀態監測和故障診斷的研究環境，系統的構成如圖2所示。

根據不同的教學任務，動力裝置運行參數監測系統能夠提供有效參數測量途徑和數據記錄處理方法;故障診斷系統可以根據所取得的實驗數據對動力裝置進行狀態分析和趨勢預估。實驗平臺的主要教學功能如下：動力裝置運行參數的獲取及數據分析處理，為測試技術的學習，重點對測試方法、測量分析儀器、測試工藝、數據傳輸技術相關教學內容提供輔助實踐平臺;為船舶動力裝置典型參數相關數據庫、資料庫的建立提供研究教學平臺;為船舶動力裝置故障診斷技術及智能故障診斷系統的教學提供實驗環境和平臺支撐。

進一步完善溫度場、應力場的穩、動態測試技術，流場動態測試技術技術等瞬態參數的測量通用的軟件管理平臺及測量方法和測試規范，學習實踐過程中，指導學生熟練使用紅外成像儀、高速攝影機等。增加測試系統儀器，完善軟件系統構建高水平通用監測平臺，系統應該具有良好的通用性和可移植性，能夠方便準確的完成被測裝置所需的參數測量工作。通過建立測試精度高，技術先進的實驗臺監測系統，使學生學習和體驗到很多傳感器的測試原理，重要的測試環節;使學生在學習時能清晰地理解各個監測模塊的作用及在測試系統中的功能與地位，對于理解測試系統的完整組成及性能分析有比較完整好的促進作用，加深學生對抽象理論概念的理解，另外也可以讓學生確切的體會各種物理量測試技術在具體工程應用方法[3]。

通過建立故障診斷系統，可以發現故障征兆，實現對動力裝置故障的預測維修，從而保證動力裝置正常的運行狀態，避免惡性事故的發生，提高經濟效益。但動力裝置的結構復雜，型號眾多，故障與征兆之間的關系不確定，甚至有時故障類型相同，而測量結果卻相互矛盾。這使故障診斷系統的研究變得異常復雜。將復雜實驗臺系統按照診斷對象劃分為發動機本體，附屬系統，軸系及傳動設備四大模塊，根據學習專業方向靈活選擇診斷對模塊來進行輔助教學。例如柴油機專業方向，可以選擇發動機模塊中的柴油機子模塊進行輔助教學。柴油機專業方向診斷輔助教學對應關系如圖3所示。

實踐中，按照實驗臺模塊采用分組分層的實驗教學方式。部分基礎知識實施課堂教學，不同專業的學生可選擇不同的模塊。把實驗內容分為基礎實驗、系統實驗和創新設計三個部分;同一專業按照學生的知識基礎、學生意愿，分成多個實驗小組，根據不同的培養任務來完成相應的實驗內容[4]。選擇柴油機診斷模塊，分成數據信號處理、柴油機故障特征提取、柴油機故障分析等實驗小組。動力裝置實驗臺清晰的模塊劃融合分組分層的教學模式既有利于基礎好的學生更深入地鉆研，也有利于基礎一般的同學循序漸進、由淺入深地學習，從而提高了學生的學習興趣與積極性。

4 ?結論

根據課程內容和科研項目進展，優化科研與教學各項資源配置，加深同學們對故障診斷系列課程基礎知識的掌握，構建完善的聯合動力裝置監測診斷系統，更好地輔助故障診斷系列課程實踐教學，增強學生的獨立從事科學研究能力，優化教學資源，提高教學效果。

參考文獻：

[1]謝春玲，張曉云，李淑英，孫聿峰.艦船電力推進原動機多模塊配置實驗臺測試系統研制[J].船舶工程，2005（04）：58-61.

[2]陽建宏，黎敏，丁福焰，等.滾動軸承診斷現場實用技術[M].機械工業出版社，2015（5）：8-11.

[3]劉國福，張玘.現代測試技術實驗課程對比研究及教學改革[J].中國現代教育裝備，2009（02）：74-76.

[4]盧建霞，屠大維，趙其杰，許爍.機械工程測試技術實驗教學創新平臺設計[J].實驗室研究與探索，2015，34（04）：182-185.