动力实验台辅助监测诊断课程教学的建设研究

摘要：监测与故障诊断系列课程需要实践平台辅助课堂内容的理解，提高解决工程实际问题的能力，针对联合动力实验台在教学实践中的不足，提出了改进及建设方案，为培养具有独立进行科学研究的创新人才提供良好的研发平台和实验环境。

关键词：故障诊断;教学改革;实验教学

中图分类号：G642                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）07-0236-02

0  引言

轮机工程是船舶与海洋工程国家一级重点学科所属的二级学科。随着造船技术以及船舶现代化技术的发展，提高动力装置的安全性和可靠性是保证船舶运行安全的重要途径，故障诊断系类课程的改革为培养船舶行业提供高素质人才有非常重要作用。设备监测与故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其是否正常，早期发现故障及查明原因，并能预报故障发展趋势的技术。监测与故障诊断系列课程包括测试技术及机械故障诊断基础、信号分析与数据处理、模式识别等主要课程。此系列课程学习难度较大，对学生理论基础知识和实践能力要求较高，建立实践教学平台，对课程的学习和实践效果提高有良好促进作用，可以提升学生的科学研究能力和水平。

1  联合动力实验台组成及运行方式

联合动力装置实验台由GTD-350燃气轮机、减速齿轮箱、N6135柴油机、S1A-02燃气轮机、余热锅炉、燃烧器、YOX-560限矩型液力耦合器、并车齿轮箱、分车齿轮箱、SSS离合器、SG880水力测功机、发电机、STF426蒸汽轮机等主要设备组成。[1]如图1所示各主机联合运行通过三S离合器切换实现，传动系统安装了联轴器，可以有效避免扭振对实验台各仪器造成的影响。STF426蒸汽轮机为单级悬臂式背压汽轮机，由淄博桑特动力设备有限公司制造，本体由一双列复速级叶轮和齿轮减速箱组成，功率50kW。GTD-350型燃气轮机是自由涡轮式航空涡轮发动机，功率为300kW，燃气发生器压气机由七级轴流和一级离心式压气机级组成。空气经过压气机进口，流经各级轴流压气机后到达离心式压气机级，经涡壳通过两个管道进入燃烧室，气流在燃烧室内方向改变180度，流入涡轮转子。这种独特的布置形式使得GTD350燃气轮机的轴变得很短[1]。S1A-02 燃气轮机为日本川崎重工生产，功率224kW，输出转速1500r/min，燃气初温930℃。柴油机是南通柴油机股份有限公司生产的N6135CZ3增压中冷式柴油机，直列式四冲程，活塞行程为150mm，压缩比为14，活塞总排量为9L，燃烧室形式为“？棕”型直接喷射式。柴油机采用电启动，冷却方式为水冷，持续功率为145.6kW。实验台可以进行多项单机及联合动力装置总体性能研究实验，例如N6135柴油机、GTD350燃气轮机、S1A-02燃气轮机分别带负载单独运行，还可以构成柴燃、燃燃、燃蒸联合动力形式运行。

2  实验台辅助教学存在不足

状态监测与故障诊断技术两者是相辅相成、相互促进、相互发展的。一方面诊断是目的，监测是手段。两者相互联系，又有各自的侧重点。另一方面，状态监测是故障诊断的基础和前提，新的状态监测技术的应用会使故障诊断的准确性提高、能力加强[2]。常规参数的测量仪器无法满足实验平台设备故障诊断的需要;实验台的运行参数测量系统简陋，弊端较多。实验数据的处理及分析系统是以联合动力总体性能测量基本参数为指导构建，功能单一。诊断系统没有对狀态信号进行全面的分析和处理，不能进行定位故障原因，分析故障的严重程度。缺乏能够进行状态监测和故障诊断教学实验的完善系统。

3  动力装置实验平台建设内容

结合监测与故障诊断系列课程教学需求，根据学科现有的条件，在实验室已有实验台架及测试设备的基础上，建立动力装置参数测量、状态监测及故障诊断技术实验平台，形成完整的稳动态参数测量、状态监测和故障诊断的研究环境，系统的构成如图2所示。

根据不同的教学任务，动力装置运行参数监测系统能够提供有效参数测量途径和数据记录处理方法;故障诊断系统可以根据所取得的实验数据对动力装置进行状态分析和趋势预估。实验平台的主要教学功能如下：动力装置运行参数的获取及数据分析处理，为测试技术的学习，重点对测试方法、测量分析仪器、测试工艺、数据传输技术相关教学内容提供辅助实践平台;为船舶动力装置典型参数相关数据库、资料库的建立提供研究教学平台;为船舶动力装置故障诊断技术及智能故障诊断系统的教学提供实验环境和平台支撑。

进一步完善温度场、应力场的稳、动态测试技术，流场动态测试技术技术等瞬态参数的测量通用的软件管理平台及测量方法和测试规范，学习实践过程中，指导学生熟练使用红外成像仪、高速摄影机等。增加测试系统仪器，完善软件系统构建高水平通用监测平台，系统应该具有良好的通用性和可移植性，能够方便准确的完成被测装置所需的参数测量工作。通过建立测试精度高，技术先进的实验台监测系统，使学生学习和体验到很多传感器的测试原理，重要的测试环节;使学生在学习时能清晰地理解各个监测模块的作用及在测试系统中的功能与地位，对于理解测试系统的完整组成及性能分析有比较完整好的促进作用，加深学生对抽象理论概念的理解，另外也可以让学生确切的体会各种物理量测试技术在具体工程应用方法[3]。

通过建立故障诊断系统，可以发现故障征兆，实现对动力装置故障的预测维修，从而保证动力装置正常的运行状态，避免恶性事故的发生，提高经济效益。但动力装置的结构复杂，型号众多，故障与征兆之间的关系不确定，甚至有时故障类型相同，而测量结果却相互矛盾。这使故障诊断系统的研究变得异常复杂。将复杂实验台系统按照诊断对象划分为发动机本体，附属系统，轴系及传动设备四大模块，根据学习专业方向灵活选择诊断对模块来进行辅助教学。例如柴油机专业方向，可以选择发动机模块中的柴油机子模块进行辅助教学。柴油机专业方向诊断辅助教学对应关系如图3所示。

实践中，按照实验台模块采用分组分层的实验教学方式。部分基础知识实施课堂教学，不同专业的学生可选择不同的模块。把实验内容分为基础实验、系统实验和创新设计三个部分;同一专业按照学生的知识基础、学生意愿，分成多个实验小组，根据不同的培养任务来完成相应的实验内容[4]。选择柴油机诊断模块，分成数据信号处理、柴油机故障特征提取、柴油机故障分析等实验小组。动力装置实验台清晰的模块划融合分组分层的教学模式既有利于基础好的学生更深入地钻研，也有利于基础一般的同学循序渐进、由浅入深地学习，从而提高了学生的学习兴趣与积极性。

4  结论

根据课程内容和科研项目进展，优化科研与教学各项资源配置，加深同学们对故障诊断系列课程基础知识的掌握，构建完善的联合动力装置监测诊断系统，更好地辅助故障诊断系列课程实践教学，增强学生的独立从事科学研究能力，优化教学资源，提高教学效果。

参考文献：

[1]谢春玲，张晓云，李淑英，孙聿峰.舰船电力推进原动机多模块配置实验台测试系统研制[J].船舶工程，2005（04）：58-61.

[2]阳建宏，黎敏，丁福焰，等.滚动轴承诊断现场实用技术[M].机械工业出版社，2015（5）：8-11.

[3]刘国福，张玘.现代测试技术实验课程对比研究及教学改革[J].中国现代教育装备，2009（02）：74-76.

[4]卢建霞，屠大维，赵其杰，许烁.机械工程测试技术实验教学创新平台设计[J].实验室研究与探索，2015，34（04）：182-185.