機(jī)械故障診斷教學(xué)課程改革的探討

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摘要：故障診斷技術(shù)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。《機(jī)械故障診斷》這門(mén)課程主要講解故障診斷中所涉及的理論與方法。本文闡述了該門(mén)課程的主要特點(diǎn)，剖析了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題提出了一些探討性的解決思路。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)機(jī)械；故障診斷；實(shí)踐教學(xué)；研究生教學(xué)

一、前言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備正朝著大型化、復(fù)雜化、精密化的方向發(fā)展，同時(shí)要求機(jī)械設(shè)備能夠在比較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地運(yùn)行，比如大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在工業(yè)實(shí)踐中，一方面不容許這些機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，另一方面這些機(jī)械設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。故障診斷就是尋找故障原因的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是了解和掌握設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)，評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)設(shè)備的可靠性，減少企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。目前，故障診斷技術(shù)已被大量地應(yīng)用于石油化工、水利發(fā)電、礦產(chǎn)開(kāi)采等多個(gè)關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域。此外，故障診斷技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025計(jì)劃”，完成以加工為主導(dǎo)的傳統(tǒng)制造業(yè)向以服務(wù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型所必備的核心技術(shù)。在這樣的背景下，將《機(jī)械故障診斷》這門(mén)課程作為研究生的基礎(chǔ)理論課程。該門(mén)課程所涉及的內(nèi)容比較廣泛，包括信號(hào)分析與處理、機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析、人工智能方法等。同時(shí)，這門(mén)課程又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，理論和實(shí)踐結(jié)合十分緊密。此外，該門(mén)課程所涉及的內(nèi)容學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值很高，可以作為學(xué)生在研究生學(xué)習(xí)階段的研究方向。傳統(tǒng)的教學(xué)模式極大地限制了該門(mén)課程的教學(xué)。

二、課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.教學(xué)內(nèi)容多而泛?！稒C(jī)械故障診斷》是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的課程，課程中不僅涉及到大量的公式推理，如傅里葉變換的推理公式，還包括許多新理論和新方法，如：人工智能算法、專家系統(tǒng)等。而該門(mén)課程的授課學(xué)時(shí)一般都設(shè)置為32個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)數(shù)比較少，難以對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行展開(kāi)授課。同時(shí)該門(mén)課程各個(gè)章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)性也不夠強(qiáng)，各知識(shí)點(diǎn)之間具有一定的獨(dú)立性，造成學(xué)生學(xué)習(xí)和理解困難。2.教學(xué)與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。《機(jī)械故障診斷》這門(mén)課程與工業(yè)實(shí)踐結(jié)合十分緊密，所涉及到的內(nèi)容實(shí)用性極強(qiáng)。該門(mén)課程作為研究生的理論基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是使學(xué)生全面、真實(shí)地掌握故障診斷的核心思想以及相關(guān)的理論方法，增加學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和工程實(shí)踐能力。然而，現(xiàn)有的教學(xué)模式大多以書(shū)本為主導(dǎo)進(jìn)行展開(kāi)，嚴(yán)重缺少實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。3.教學(xué)過(guò)程中“教”與“學(xué)”脫鉤。傳統(tǒng)教學(xué)模式采用“老師授課———學(xué)生聽(tīng)課”的方式展開(kāi)，“教”與“學(xué)”缺少良性互動(dòng)的環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致老師授課時(shí)不清楚學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際掌握情況，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)理解不透徹，進(jìn)而喪失學(xué)習(xí)興趣，使得教學(xué)過(guò)程形式化、教學(xué)結(jié)果低效化的問(wèn)題。

三、探索性的教學(xué)改革

1.課程內(nèi)容設(shè)置的改革?！稒C(jī)械故障診斷》這門(mén)課程所涉及的內(nèi)容比較豐富，同時(shí)又是一門(mén)理論性很強(qiáng)的課程，如果不結(jié)合工程應(yīng)用案例，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講解將會(huì)十分的空洞。因此，在教學(xué)過(guò)程中可以引入工程實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行分析，如可以對(duì)齒輪箱不同故障情況（如缺齒、斷齒、齒輪裂紋、軸承故障、軸不對(duì)中、軸偏心等）下的振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，講解不同故障的特點(diǎn)以及應(yīng)當(dāng)采用的信號(hào)分析方法。此外，還需要額外講解Matlab等計(jì)算軟件使用方面的知識(shí)。Matlab是一種交互式的程序語(yǔ)言，計(jì)算功能強(qiáng)大，算法實(shí)現(xiàn)容易、結(jié)果顯示直觀，在教學(xué)過(guò)程中采用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法，并將算法運(yùn)行結(jié)果直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的直觀理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。2.實(shí)踐教學(xué)的改革?！稒C(jī)械故障診斷》這門(mén)課程所涉及到的內(nèi)容實(shí)用性非常強(qiáng)，學(xué)生要學(xué)好本門(mén)課程就必須要培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力。在實(shí)踐教學(xué)改革中，擬從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：（1）熟悉和掌握采集相關(guān)知識(shí)。機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)及其特征信息是分析機(jī)械及其運(yùn)行狀態(tài)的主要手段，而對(duì)這些信號(hào)的有效采集是進(jìn)行故障診斷的前提。實(shí)驗(yàn)室采用VC++語(yǔ)言搭建了信號(hào)采集的軟件部分，硬件部分采用了NI9234采集卡和PCB加速振動(dòng)傳感器。NI9234采集卡擁有4個(gè)采集通道，最大采樣率為51.2KS/s，分辨率為24位，已經(jīng)完全滿足教學(xué)需求。PCB加速度傳感器具有工作穩(wěn)定、無(wú)需增加額外的放大電路的優(yōu)點(diǎn)，使用十分方便，非常適合教學(xué)。（2）齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障診斷實(shí)驗(yàn)。齒輪箱的故障診斷在故障診斷中具有一定的代表性，實(shí)驗(yàn)室的齒輪箱故障診斷試驗(yàn)臺(tái)能夠有效模擬缺齒、斷齒等常見(jiàn)的齒輪箱故障，并且拆卸和安裝方便，使用成本低廉，非常適合教學(xué)。（3）機(jī)床狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)例應(yīng)用。我校實(shí)訓(xùn)加工中心有多臺(tái)老式機(jī)床，包括車(chē)床、銑床和磨床，采集相應(yīng)部件的運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行故障診斷的實(shí)例分析。3.教學(xué)方式方法的改革。研究生的教學(xué)目的與本科階段的教學(xué)目的有較大的區(qū)別，本課程研究生階段的教學(xué)目的是使學(xué)生掌握故障診斷的基本理論和知識(shí)，增加學(xué)生的自學(xué)能力以及搜集資料和分析資料的能力。因此，在教學(xué)過(guò)程中可以采用學(xué)生自主授課的方式進(jìn)行。學(xué)生要完成老師布置的授課內(nèi)容，必須要對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)的梳理和剖析，在遇到理解困難的知識(shí)點(diǎn)時(shí)需要通過(guò)各種途徑查找大量文獻(xiàn)資料，同時(shí)需要對(duì)文獻(xiàn)資料進(jìn)行消化和總結(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生不僅深刻地掌握了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，學(xué)生需要將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)在自己理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行授課，需要將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)深入淺出地表述出來(lái)，可以極大地鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言組織能力，在參與教學(xué)的過(guò)程中也可以極大地拓展學(xué)生的視野，突破以往學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的學(xué)習(xí)模式。4.考核方式的改革。以往的考核方式只以期末考試成績(jī)作為考核指標(biāo)，這種方式的考核存在諸多問(wèn)題，如：對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的監(jiān)督性不夠強(qiáng)，容易引起學(xué)生功利性的學(xué)習(xí)態(tài)度，學(xué)生只關(guān)心考試過(guò)關(guān)與否，而不是真正用心學(xué)習(xí)課程知識(shí)，難以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全面、綜合的考察。因此，在課程考核方面，可以采用實(shí)踐考核、平時(shí)小論文撰寫(xiě)、期末考試相結(jié)合的方式進(jìn)行考核。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，需要自己完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)臺(tái)故障診斷實(shí)驗(yàn)和機(jī)床故障診斷實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告能夠體現(xiàn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，以及學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握情況。在自主授課環(huán)節(jié)，學(xué)生需要收集和分析大量的文獻(xiàn)資料，在這個(gè)過(guò)程中需要學(xué)生根據(jù)自己收集到的資料文獻(xiàn)，撰寫(xiě)一篇小論文。小論文的撰寫(xiě)情況不僅能夠體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，也能鍛煉學(xué)生的學(xué)術(shù)技能，為以后的研究工作打下基礎(chǔ)。期末考試采用閉卷的方式進(jìn)行。期末考試可以有效考察學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。結(jié)合實(shí)踐考核、平時(shí)小論文撰寫(xiě)、期末考試對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，可以全面、綜合地考察學(xué)生對(duì)《機(jī)械故障診斷》課程知識(shí)掌握的真實(shí)情況。

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作者:蘇祖強(qiáng) 熊英 羅久飛 張毅 單位:重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院