胡而已

摘要：伴隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技進(jìn)步，機(jī)械行業(yè)的企業(yè)和相關(guān)專(zhuān)家急需掌握當(dāng)前大型、自動(dòng)化裝備及生產(chǎn)線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷新技術(shù)。然而通過(guò)大量調(diào)研表明，《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》雖然在機(jī)械工程學(xué)科的大學(xué)本科教育中占據(jù)重要地位，但我國(guó)目前的學(xué)科體系中對(duì)這方面的建設(shè)尚存在諸多不足，本文結(jié)合所在學(xué)校和所在行業(yè)的特點(diǎn)，分析了課程建設(shè)和教學(xué)過(guò)程中的主要問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；故障診斷；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）29-0038-02

一、課程設(shè)置及教學(xué)效果現(xiàn)狀

《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》是上世紀(jì)六七十年代產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性學(xué)科，在工程實(shí)際中故障診斷通過(guò)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)的變化來(lái)反映其所處的工作狀態(tài)。在大學(xué)本科的課程教學(xué)中，它以培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)技能為宗旨，在機(jī)械工程學(xué)科的教學(xué)中占據(jù)重要地位，是當(dāng)前很多高校機(jī)械專(zhuān)業(yè)的必修課程。課程設(shè)置一般安排在大學(xué)三、四年級(jí)，學(xué)時(shí)32～48學(xué)時(shí)不等，課堂教學(xué)一般需結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)共同完成，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)識(shí)一般為4～6個(gè)學(xué)時(shí)。我校的《狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)》相關(guān)課程的安排如下：南湖校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院為32學(xué)時(shí)；徐海學(xué)院機(jī)械系為48學(xué)時(shí)，應(yīng)用學(xué)院的機(jī)械專(zhuān)業(yè)為40學(xué)時(shí)，各學(xué)院針對(duì)自身的學(xué)科特色和學(xué)生特點(diǎn)在課程設(shè)置方面略有不同，然而其主要教學(xué)內(nèi)容是相似的。傳統(tǒng)教學(xué)以課堂的理論教學(xué)為主，主要表現(xiàn)為沒(méi)有很好地與一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，且效果工程應(yīng)用軟件的教學(xué)也存在一定的問(wèn)題，這些制約著該課程的進(jìn)一步建設(shè)。實(shí)際可選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較陳舊。以我校南湖校區(qū)的本科生為例，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的實(shí)驗(yàn)安排為4～6個(gè)學(xué)時(shí)，一個(gè)較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)課需要2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間來(lái)完成，一般情況下只能安排2～3個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。然而隨著故障診斷技術(shù)的快速進(jìn)步和該分支學(xué)科體系的完善，該課程可以開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)很多，如振動(dòng)法測(cè)量轉(zhuǎn)子特性、溫度法故障診斷技術(shù)、油液分析方法故障診斷、無(wú)損檢測(cè)方法等，且無(wú)損檢測(cè)方法中又包含有光電磁聲等多種方法和手段。受制于學(xué)時(shí)的不斷壓縮，很多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法一一開(kāi)展，不能給學(xué)生較全面的展示故障診斷課程的內(nèi)涵，且不能對(duì)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力起到有益的提高。另外，部分學(xué)生由于學(xué)習(xí)成績(jī)一般，學(xué)習(xí)積極性不高，不能做到課前充分的預(yù)習(xí)，因此在實(shí)驗(yàn)課程中常常對(duì)實(shí)驗(yàn)原理沒(méi)有完全的掌握，導(dǎo)致其動(dòng)手能力差，單個(gè)實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法在有效的學(xué)時(shí)內(nèi)增加新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作量。

二、嘗試新增實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

材料殘余應(yīng)力分布的無(wú)損檢測(cè)在其被加工前必須知道，因?yàn)槿糁来朔植?，可以?yōu)化此材料的加工工藝，如切割面、刀具、切割速度等的選擇，來(lái)盡可能地減少此材料因殘余應(yīng)力存在而引起的變形。目前已有X光散射、中子散射、磁探測(cè)，光彈法和超聲檢測(cè)等多種非破損檢測(cè)材料殘余應(yīng)力的方法，而超聲是一種很有前景的方法。超聲測(cè)量?jī)x器攜帶方便，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、在役以及自動(dòng)化檢測(cè)。因此在故障診斷課程中開(kāi)設(shè)超聲殘余應(yīng)力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很有意義。本文所介紹的是一種基于PC架構(gòu)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，它以PC為基礎(chǔ)，以高速數(shù)據(jù)采集卡的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析技術(shù)為核心。系統(tǒng)主要由下列部分組成：工控機(jī)平臺(tái)、超聲波脈沖發(fā)射器、表面波探頭、高速數(shù)據(jù)采集卡、示波器、基于pc的數(shù)據(jù)處理和分析軟件等。本系統(tǒng)采用了GE Panametrics公司生產(chǎn)的5800超聲波脈沖發(fā)射接收儀。主要功能：通過(guò)GPIB或RS-232接口遠(yuǎn)端控制，也可以在操作面板上控制；40個(gè)存儲(chǔ)設(shè)置可通過(guò)并行口，串行口輸出到兼容的打印機(jī)上；200MHz寬帶接收，高增益，低噪聲；脈沖回波，發(fā)射接收，及外置脈沖發(fā)射模式；在10MHz透射模式下有80dB增益；26dB，40dB和54dB射頻波增益；接收器的衰減范圍從0到65.5dB，0.5dB可調(diào)；可調(diào)高，低通濾波；可以與泛美的微調(diào)閘門(mén)，閘門(mén)峰值監(jiān)測(cè)儀，閘門(mén)限值報(bào)警儀，和5627RPP-1前置放大器兼容。系統(tǒng)采用的示波器為T(mén)ektronix公司生產(chǎn)的TDS5000B示波器。此款示波器采用Windows操作系統(tǒng)，示波器內(nèi)部集成了一臺(tái)PC，示波器外部有鍵盤(pán)和鼠標(biāo)接口，由于采用了PC結(jié)構(gòu)，示波器具有自動(dòng)分析功能。示波器分辨帶寬高達(dá)1GHz，足以使用與超聲波的頻率采集。而系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣頻率高達(dá)5GHz，從而最大限度的維持了信號(hào)的真實(shí)性。示波器記錄長(zhǎng)度高達(dá)16000000個(gè)樣品，從而使用與大規(guī)模的工程實(shí)驗(yàn)。示波器每秒捕獲次數(shù)達(dá)1000000次，從而適合高頻聲波和高頻信號(hào)傳輸。示波器有1.25%DC的垂直增益精度，可以高精度的放大波形。示波器提供了最大四個(gè)輸入通道，滿足了多點(diǎn)測(cè)量的要求。操作系統(tǒng)中還集成了數(shù)據(jù)庫(kù)，編程軟件，可以用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)取出的數(shù)據(jù)，適用于大規(guī)模的信號(hào)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的場(chǎng)合。示波器系統(tǒng)其他的功能如下：完全可編程性，具有廣泛的GPIB命令集合基于界面的消息；高級(jí)觸發(fā)套件；53種波形測(cè)量加上直方圖；基本的數(shù)學(xué)及高級(jí)方程式編輯器和光譜分析；10.4Inch彩色顯示器，即兩度分級(jí)的波形數(shù)據(jù)顯示取樣密度；可自定義的MyScope控制窗口；附帶隨在線幫助的Windows操作系統(tǒng)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中關(guān)鍵問(wèn)題探討

1.表面耦合技術(shù)。為了使換能器有效的向試件中發(fā)射和接收超聲波，必須保持二者之間良好的聲耦合，可以通過(guò)填充耦合介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)耦合介質(zhì)和耦合條件的不同，換能器和被檢物的藕合方式可分為固態(tài)接觸法和液態(tài)接觸法兩種。固態(tài)接觸就是在換能器與被檢物之間直接的緊密接觸，以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞。換能器與被檢物表面之間如有較多氣隙，必然極大的阻止聲能的傳遞，因此要實(shí)現(xiàn)直接接觸，換能器接觸面及被檢物表面均應(yīng)十分光滑，并需施加較大壓力，盡量達(dá)到緊配合的程度。這在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中往往是不易實(shí)現(xiàn)的。更為有效、方便和常用的方法是，借助換能器與被檢物表面之間的涂敷的液體，排除空氣間隙，以實(shí)現(xiàn)聲能的傳遞，這就是液態(tài)接觸，這層液體就是耦合劑。

2.表面狀況選擇。在超聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，被檢物的表面光潔度對(duì)回波信號(hào)有相當(dāng)大的影響，學(xué)生操作起來(lái)往往重復(fù)性較差。被檢物表面光潔度愈高，入射到被檢物中的超聲能量就愈多，檢測(cè)靈敏度就愈高。但是，在檢測(cè)中，盲目追求過(guò)高的光潔度也是沒(méi)有必要的。但是，表面粗糙度大于1/10波長(zhǎng)時(shí)，聲耦合顯著變壞，出現(xiàn)較大的側(cè)向散射，聲束軸線上的聲壓降低，聲束的形狀大大改變，使表面波衰減較大，表面很粗糙時(shí)，聲束在表面上發(fā)生漫反射，聲束指向性差，使檢測(cè)靈敏度大大降低。因此在表面處理時(shí)須注意以下兩點(diǎn)：一是不要使工件或材料表面出現(xiàn)凹面，因?yàn)榘济鏁?huì)使禍合變壞或使耦合不穩(wěn)定；二是一定要把松散附著物與工件之間有空氣隙的氧化皮或涂料等清除掉，否則它們會(huì)極大的降低聲的透射率，甚至完全阻止聲波的傳遞。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏智，徐蔚，曲云霞，等.表面波聲彈性應(yīng)力檢測(cè)基礎(chǔ)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，（1）.

[2]魏智，周曉軍，等.應(yīng)力場(chǎng)超聲檢測(cè)中的表面波聲彈理論[J].中國(guó)學(xué)術(shù)期刊文摘，1998，（2）：183.

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年教師教學(xué)改革資助計(jì)劃項(xiàng)目（2001216）。endprint