動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)輔助監(jiān)測(cè)診斷課程教學(xué)建設(shè)

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摘要：監(jiān)測(cè)與故障診斷系列課程需要實(shí)踐平臺(tái)輔助課堂內(nèi)容的理解，提高解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，針對(duì)聯(lián)合動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)在教學(xué)實(shí)踐中的不足，提出了改進(jìn)及建設(shè)方案，為培養(yǎng)具有獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的創(chuàng)新人才提供良好的研發(fā)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：故障診斷；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

輪機(jī)工程是船舶與海洋工程國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科所屬的二級(jí)學(xué)科。隨著造船技術(shù)以及船舶現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，提高動(dòng)力裝置的安全性和可靠性是保證船舶運(yùn)行安全的重要途徑，故障診斷系類課程的改革為培養(yǎng)船舶行業(yè)提供高素質(zhì)人才有非常重要作用。設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，確定其是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及查明原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。監(jiān)測(cè)與故障診斷系列課程包括測(cè)試技術(shù)及機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)、信號(hào)分析與數(shù)據(jù)處理、模式識(shí)別等主要課程。此系列課程學(xué)習(xí)難度較大，對(duì)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力要求較高，建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，對(duì)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐效果提高有良好促進(jìn)作用，可以提升學(xué)生的科學(xué)研究能力和水平。

1聯(lián)合動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成及運(yùn)行方式

聯(lián)合動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)由GTD-350燃?xì)廨啓C(jī)、減速齒輪箱、N6135柴油機(jī)、S1A-02燃?xì)廨啓C(jī)、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(cè)功機(jī)、發(fā)電機(jī)、STF426蒸汽輪機(jī)等主要設(shè)備組成。[1]如圖1所示各主機(jī)聯(lián)合運(yùn)行通過(guò)三S離合器切換實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)安裝了聯(lián)軸器，可以有效避免扭振對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各儀器造成的影響。STF426蒸汽輪機(jī)為單級(jí)懸臂式背壓汽輪機(jī)，由淄博桑特動(dòng)力設(shè)備有限公司制造，本體由一雙列復(fù)速級(jí)葉輪和齒輪減速箱組成，功率50kW。GTD-350型燃?xì)廨啓C(jī)是自由渦輪式航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為300kW，燃?xì)獍l(fā)生器壓氣機(jī)由七級(jí)軸流和一級(jí)離心式壓氣機(jī)級(jí)組成?？諝饨?jīng)過(guò)壓氣機(jī)進(jìn)口，流經(jīng)各級(jí)軸流壓氣機(jī)后到達(dá)離心式壓氣機(jī)級(jí)，經(jīng)渦殼通過(guò)兩個(gè)管道進(jìn)入燃燒室，氣流在燃燒室內(nèi)方向改變180度，流入渦輪轉(zhuǎn)子。這種獨(dú)特的布置形式使得GTD350燃?xì)廨啓C(jī)的軸變得很短[1]。S1A-02燃?xì)廨啓C(jī)為日本川崎重工生產(chǎn)，功率224kW，輸出轉(zhuǎn)速1500r/min，燃?xì)獬鯗?30℃。柴油機(jī)是南通柴油機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的N6135CZ3增壓中冷式柴油機(jī)，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(jī)采用電啟動(dòng)，冷卻方式為水冷，持續(xù)功率為145.6kW。實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行多項(xiàng)單機(jī)及聯(lián)合動(dòng)力裝置總體性能研究實(shí)驗(yàn)，例如N6135柴油機(jī)、GTD350燃?xì)廨啓C(jī)、S1A-02燃?xì)廨啓C(jī)分別帶負(fù)載單獨(dú)運(yùn)行，還可以構(gòu)成柴燃、燃燃、燃蒸聯(lián)合動(dòng)力形式運(yùn)行。

2實(shí)驗(yàn)臺(tái)輔助教學(xué)存在不足

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)兩者是相輔相成、相互促進(jìn)、相互發(fā)展的。一方面診斷是目的，監(jiān)測(cè)是手段。兩者相互聯(lián)系，又有各自的側(cè)重點(diǎn)。另一方面，狀態(tài)監(jiān)測(cè)是故障診斷的基礎(chǔ)和前提，新的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使故障診斷的準(zhǔn)確性提高、能力加強(qiáng)[2]。常規(guī)參數(shù)的測(cè)量?jī)x器無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備故障診斷的需要；實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)陋，弊端較多。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析系統(tǒng)是以聯(lián)合動(dòng)力總體性能測(cè)量基本參數(shù)為指導(dǎo)構(gòu)建，功能單一。診斷系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行全面的分析和處理，不能進(jìn)行定位故障原因，分析故障的嚴(yán)重程度。缺乏能夠進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷教學(xué)實(shí)驗(yàn)的完善系統(tǒng)。

3動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

結(jié)合監(jiān)測(cè)與故障診斷系列課程教學(xué)需求，根據(jù)學(xué)科現(xiàn)有的條件，在實(shí)驗(yàn)室已有實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力裝置參數(shù)測(cè)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形成完整的穩(wěn)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的研究環(huán)境，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。根據(jù)不同的教學(xué)任務(wù)，動(dòng)力裝置運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提供有效參數(shù)測(cè)量途徑和數(shù)據(jù)記錄處理方法；故障診斷系統(tǒng)可以根據(jù)所取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行狀態(tài)分析和趨勢(shì)預(yù)估。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要教學(xué)功能如下：動(dòng)力裝置運(yùn)行參數(shù)的獲取及數(shù)據(jù)分析處理，為測(cè)試技術(shù)的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)對(duì)測(cè)試方法、測(cè)量分析儀器、測(cè)試工藝、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容提供輔助實(shí)踐平臺(tái)；為船舶動(dòng)力裝置典型參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、資料庫(kù)的建立提供研究教學(xué)平臺(tái)；為船舶動(dòng)力裝置故障診斷技術(shù)及智能故障診斷系統(tǒng)的教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和平臺(tái)支撐。進(jìn)一步完善溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，流場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)技術(shù)等瞬態(tài)參數(shù)的測(cè)量通用的軟件管理平臺(tái)及測(cè)量方法和測(cè)試規(guī)范，學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生熟練使用紅外成像儀、高速攝影機(jī)等。增加測(cè)試系統(tǒng)儀器，完善軟件系統(tǒng)構(gòu)建高水平通用監(jiān)測(cè)平臺(tái)，系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的通用性和可移植性，能夠方便準(zhǔn)確的完成被測(cè)裝置所需的參數(shù)測(cè)量工作。通過(guò)建立測(cè)試精度高，技術(shù)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使學(xué)生學(xué)習(xí)和體驗(yàn)到很多傳感器的測(cè)試原理，重要的測(cè)試環(huán)節(jié)；使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)能清晰地理解各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊的作用及在測(cè)試系統(tǒng)中的功能與地位，對(duì)于理解測(cè)試系統(tǒng)的完整組成及性能分析有比較完整好的促進(jìn)作用，加深學(xué)生對(duì)抽象理論概念的理解，另外也可以讓學(xué)生確切的體會(huì)各種物理量測(cè)試技術(shù)在具體工程應(yīng)用方法[3]。通過(guò)建立故障診斷系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)故障征兆，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力裝置故障的預(yù)測(cè)維修，從而保證動(dòng)力裝置正常的運(yùn)行狀態(tài)，避免惡性事故的發(fā)生，提高經(jīng)濟(jì)效益。但動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型號(hào)眾多，故障與征兆之間的關(guān)系不確定，甚至有時(shí)故障類型相同，而測(cè)量結(jié)果卻相互矛盾。這使故障診斷系統(tǒng)的研究變得異常復(fù)雜。將復(fù)雜實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)按照診斷對(duì)象劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)本體，附屬系統(tǒng)，軸系及傳動(dòng)設(shè)備四大模塊，根據(jù)學(xué)習(xí)專業(yè)方向靈活選擇診斷對(duì)模塊來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)。例如柴油機(jī)專業(yè)方向，可以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)模塊中的柴油機(jī)子模塊進(jìn)行輔助教學(xué)。柴油機(jī)專業(yè)方向診斷輔助教學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。實(shí)踐中，按照實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊采用分組分層的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。部分基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)施課堂教學(xué)，不同專業(yè)的學(xué)生可選擇不同的模塊。把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)三個(gè)部分；同一專業(yè)按照學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、學(xué)生意愿，分成多個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，根據(jù)不同的培養(yǎng)任務(wù)來(lái)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[4]。選擇柴油機(jī)診斷模塊，分成數(shù)據(jù)信號(hào)處理、柴油機(jī)故障特征提取、柴油機(jī)故障分析等實(shí)驗(yàn)小組。動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)清晰的模塊劃融合分組分層的教學(xué)模式既有利于基礎(chǔ)好的學(xué)生更深入地鉆研，也有利于基礎(chǔ)一般的同學(xué)循序漸進(jìn)、由淺入深地學(xué)習(xí)，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性。

4結(jié)論

根據(jù)課程內(nèi)容和科研項(xiàng)目進(jìn)展，優(yōu)化科研與教學(xué)各項(xiàng)資源配置，加深同學(xué)們對(duì)故障診斷系列課程基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，構(gòu)建完善的聯(lián)合動(dòng)力裝置監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)，更好地輔助故障診斷系列課程實(shí)踐教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立從事科學(xué)研究能力，優(yōu)化教學(xué)資源，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者：謝春玲 單位：煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院