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課題認(rèn)識(shí)振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)（1）課時(shí)2課時(shí)（90min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）熟悉故障診斷的基本概念（2）掌握振動(dòng)監(jiān)測與診斷技術(shù)素質(zhì)目標(biāo)：能夠意識(shí)到故障診斷的重要性，感受故障診斷技術(shù)的實(shí)用性，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考的習(xí)慣，幫助學(xué)生樹立創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：故障診斷的實(shí)施過程，振動(dòng)信號(hào)的幅域、時(shí)域、頻域分析教學(xué)難點(diǎn)：振動(dòng)故障判斷教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計(jì)第1節(jié)課：→→→傳授新知（35min）第2節(jié)課：→傳授新知（32min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計(jì)意圖第一節(jié)課課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，讓其提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，完成課前任務(wù)請大家了解故障診斷的實(shí)施過程。【學(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，使學(xué)生了解本次課的主要內(nèi)容，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】班干部報(bào)請假人員及原因培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（8min）【教師】提出以下問題：如何利用故障診斷技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行故障診斷？通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（35min）【教師】通過學(xué)生的回答引入新知，講解故障診斷技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)、故障診斷的意義、故障診斷的實(shí)施過程、故障診斷的工作內(nèi)容和的故障診斷技術(shù)的分類等相關(guān)內(nèi)容一、故障診斷概述1．故障診斷技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)故障診斷技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)是工況監(jiān)測，工況監(jiān)測的任務(wù)是判別動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是否偏離正常功能，并監(jiān)視其發(fā)展趨勢，預(yù)防突發(fā)性故障的發(fā)生。工況監(jiān)視的對象是機(jī)電設(shè)備外部信息參數(shù)（如力、速度、加速度、位移、溫度、噪聲等）的變化。故障診斷技術(shù)具有很強(qiáng)的綜合性，它涉及了力學(xué)、傳感器與檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)、自動(dòng)控制、人工智能、振動(dòng)工程和機(jī)械工程等多個(gè)領(lǐng)域。2．故障診斷的意義?【多媒體】教師展示因機(jī)電設(shè)備故障造成的停產(chǎn)紀(jì)錄片?【學(xué)生】觀看、思考故障診斷的意義主要有以下幾點(diǎn)。①預(yù)防事故，保證人身和設(shè)備安全。通過故障診斷，可以減少或避免由于零部件失效導(dǎo)致的設(shè)備突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)或其他突發(fā)惡性事件的發(fā)生。②推動(dòng)設(shè)備維修制度的改革。故障診斷技術(shù)能夠幫助維修人員在故障早期發(fā)現(xiàn)異常，迅速查明原因，預(yù)測故障影響，實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃、有針對性的按狀態(tài)檢修或視情檢修。從而做到在最有利的時(shí)間內(nèi)對設(shè)備進(jìn)行維修，提高檢修質(zhì)量，縮短檢修時(shí)間，減少備件儲(chǔ)備，將檢修次數(shù)減到最少，使設(shè)備的維修管理水平得到提高，改變以預(yù)防維修為主體的維修體制。③提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于故障診斷技術(shù)的實(shí)施可以有效地降低發(fā)生故障時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失，因此可為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。3．故障診斷的實(shí)施過程故障診斷的實(shí)施過程可以歸納為以下4個(gè)方面。?【多媒體】教師展示“故障診斷的實(shí)施過程”圖片（詳見教材），并講解各過程的具體內(nèi)容1）信號(hào)采集機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中必然會(huì)有力、熱、振動(dòng)及能量等各種量的變化，由此會(huì)產(chǎn)生各種不同的信號(hào)。根據(jù)不同的診斷需要，選擇能表征機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)的不同信號(hào)（如振動(dòng)、壓力、溫度等）是十分必要的。這些信號(hào)可用不同的傳感器來拾取。2）信號(hào)處理信號(hào)處理是將采集到的信號(hào)進(jìn)行分類處理、加工，獲得能表征機(jī)電設(shè)備特征的信號(hào)的過程，又稱特征提取過程，如對振動(dòng)信號(hào)從時(shí)域變換到頻域進(jìn)行頻譜分析即是這個(gè)過程。3）狀態(tài)識(shí)別將經(jīng)過信號(hào)處理后獲得的機(jī)電設(shè)備特征參數(shù)與規(guī)定的允許參數(shù)或判別參數(shù)進(jìn)行比較、對比，以確定機(jī)電設(shè)備所處的狀態(tài)，即確定是否存在故障及故障的類型和性質(zhì)等。為此應(yīng)正確制訂相應(yīng)的判別準(zhǔn)則和診斷策略。4）診斷決策根據(jù)對機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的判斷，決定應(yīng)采取的對策和措施，同時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)前信號(hào)預(yù)測機(jī)電設(shè)備狀態(tài)可能發(fā)展的趨勢，進(jìn)行趨勢分析。4．故障診斷的工作內(nèi)容?【教師】開展“你問我答”互動(dòng)式講授故障診斷內(nèi)容?【學(xué)生】聆聽、結(jié)合教材積極回答故障診斷的工作內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)：①保證機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。監(jiān)測振動(dòng)位移可以對旋轉(zhuǎn)零件和靜止零件之間臨近接觸狀態(tài)發(fā)出警報(bào)；監(jiān)測振動(dòng)速度和加速度可以保證受力不至于超過極限；監(jiān)測溫度可以防止強(qiáng)度喪失和過熱損傷等。②隨時(shí)報(bào)告機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況和惡化趨勢。雖然振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)不能避免故障的發(fā)生，但是能在故障還處于初期和局部范圍時(shí)就發(fā)現(xiàn)并報(bào)告它的存在，從而防止惡性事故發(fā)生和繼發(fā)性損傷。③提供機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。機(jī)電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是決定機(jī)電設(shè)備維修周期和內(nèi)容的依據(jù)，準(zhǔn)確地描述機(jī)電設(shè)備狀態(tài)可以減少對機(jī)電設(shè)備不必要的拆卸而破壞其完整性。④故障報(bào)警。報(bào)警某種故障的臨近，特別是報(bào)警危及人身安全和設(shè)備安全的惡性事故。實(shí)施故障診斷的目的是：盡量避免機(jī)電設(shè)備發(fā)生事故，減少機(jī)電設(shè)備事故性停機(jī)，降低維修成本，保證操作及生產(chǎn)安全，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源。5．故障診斷技術(shù)的分類?【多媒體】教師展示“不同故障技術(shù)的應(yīng)用場合”的表格（詳見教材），并講解具體應(yīng)用故障診斷技術(shù)按診斷參數(shù)的不同，可分為振動(dòng)診斷、溫度診斷、聲學(xué)診斷、光學(xué)診斷、油液分析與污染診斷、壓力診斷、強(qiáng)度診斷、電參數(shù)診斷等?！举Y料卡】振動(dòng)診斷是目前所有故障診斷技術(shù)中應(yīng)用最廣也是最成功的診斷方法，這是因?yàn)檎駝?dòng)引起機(jī)械損壞的比例較大，約為60%。但在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備故障診斷時(shí)，僅僅進(jìn)行振動(dòng)診斷是不夠的，有時(shí)還需要幾種方法同時(shí)應(yīng)用才能更加科學(xué)地、準(zhǔn)確地、全方位地獲得機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)信息，以降低誤診率。?【教師】開展主題討論：振動(dòng)是所有機(jī)電設(shè)備無法避免的，振動(dòng)是如何產(chǎn)生的？我們該如何進(jìn)行振動(dòng)診斷？?【學(xué)生】結(jié)合教材及課程資源，分組討論?【教師】巡回指導(dǎo)，查看各小組討論情況【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄通過紀(jì)錄片向?qū)W生展示設(shè)備故障造成的危害，進(jìn)而講解故障診斷的意義，便于學(xué)生理解圖文結(jié)合講授，直觀易懂，便于學(xué)生理解掌握通過“你問我答”趣味活動(dòng)，學(xué)生容易掌握，活躍課堂氣氛第二節(jié)課分組匯報(bào)（8min）【教師】主持各組匯報(bào)次序【學(xué)生】分組匯報(bào)關(guān)于振動(dòng)的產(chǎn)生及診斷的討論結(jié)果【教師】總結(jié)各組發(fā)言，并講解振動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)在機(jī)電設(shè)備、零部件及基礎(chǔ)等表面能感覺到或能測量到的振動(dòng)，往往是某一振動(dòng)源在固體中的傳播。而振動(dòng)源的存在，又是由機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)、材料本身或使用方法存在缺陷而引起的。隨著零部件的磨損，零部件表面將發(fā)生剝落、裂紋等現(xiàn)象，振動(dòng)將相應(yīng)產(chǎn)生。同時(shí)，機(jī)電設(shè)備還可能因?yàn)槟硞€(gè)微小的振動(dòng)，引起其結(jié)構(gòu)或部件的共振響應(yīng)，從而導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備狀態(tài)的迅速惡化。研究機(jī)械振動(dòng)的目的就是為了了解各種機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理，破譯機(jī)械振動(dòng)所包含的大量信息，進(jìn)而對機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，分析機(jī)電設(shè)備的潛在故障。因此，根據(jù)對機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的測量和分析，便可在不停機(jī)和不解體的情況下對其劣化程度和故障性質(zhì)有所了解?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄分組匯報(bào)，提高學(xué)生參與度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性傳授新知（32min）【教師】講解振動(dòng)原理及信號(hào)分析的相關(guān)知識(shí)一、振動(dòng)原理及信號(hào)分析1.振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)振動(dòng)是指物體或質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近所做的有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。?【多媒體】教師展示“振動(dòng)分類”的圖片（詳見教材），并講解振動(dòng)分類的相關(guān)內(nèi)容【教師】板書+PPT講解振動(dòng)分類【學(xué)生】觀看、聆聽、思考振動(dòng)的強(qiáng)弱用振動(dòng)量來衡量，振動(dòng)量可以是振動(dòng)體的位移、速度或加速度。機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中最常遇到的振動(dòng)屬于簡諧周期振動(dòng)。?【多媒體+板書】PPT展示，板書公式【教師】板書公式【學(xué)生】觀看、聆聽、思考簡諧周期振動(dòng)是最基本、最簡單的振動(dòng)形式，其振動(dòng)位移x與時(shí)間t的關(guān)系可用正弦曲線表示，表達(dá)式為（1-1）式中D——振幅，單位為mm；T——周期，即再現(xiàn)相同振動(dòng)狀態(tài)的最小時(shí)間間隔，單位為s；——初相位，單位為rad。每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為振動(dòng)頻率，它是振動(dòng)周期的倒數(shù)，即（1-2）式中f——頻率，單位為Hz。頻率f又可以用角頻率來表示，即（1-3）因此，式（1-1）還可以表示為（1-4）2．振動(dòng)信號(hào)的分析振動(dòng)信號(hào)的分析是將測量獲得的振動(dòng)信號(hào)中含有的與機(jī)電設(shè)備狀態(tài)有關(guān)的特征參數(shù)提取出來。振動(dòng)信號(hào)的分析按信號(hào)處理方式的不同，可分為幅域分析、時(shí)域分析和頻域分析。不同的振動(dòng)信號(hào)分析方法可從不同的角度觀察、分析信號(hào)，從而可根據(jù)不同需要得出各種信號(hào)處理結(jié)果。1）振動(dòng)信號(hào)的幅域分析?【多媒體】圖文展示振動(dòng)信號(hào)的幅域的相關(guān)內(nèi)容，詳情見教材，并結(jié)合板書進(jìn)行公式推導(dǎo)【教師】講授知識(shí)，板書公式【學(xué)生】觀看、聆聽、思考振動(dòng)信號(hào)的幅域分析是在波形的幅值上進(jìn)行的，如計(jì)算波形的最大值、最小值、平均值、有效值等，它也研究波形幅值的概率分布問題。信號(hào)的幅值是從總體上反映信號(hào)強(qiáng)弱的特征參數(shù)。在幅域分析中，對波形幅值的研究一般通過以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行。①峰值（）表示振幅的單峰值，在實(shí)際振動(dòng)波形中，單峰值表示振動(dòng)瞬時(shí)沖擊的最大幅值。除此之外還有振幅的雙峰值（），它反映了振動(dòng)波形的最大偏移量。②平均值（）是指在時(shí)間T范圍內(nèi)，機(jī)電設(shè)備振動(dòng)的平均水平，表達(dá)式為（1-5）③有效值（）是衡量振動(dòng)能量大小的量，作為衡量振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，表達(dá)式為（1-6）?【多媒體】圖文展示概率密度函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，詳情見教材，并結(jié)合板書進(jìn)行公式推導(dǎo)【教師】播放PPT，板書【學(xué)生】觀看、聆聽、思考在幅域分析中，可通過概率密度函數(shù)進(jìn)行波形幅值概率分布的研究。概率密度函數(shù)是表示信號(hào)幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率，它提供了關(guān)于振動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)信息，一是信號(hào)幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率，二是信號(hào)沿幅值域分布的信息。的值落在區(qū)間內(nèi)的時(shí)間為，即當(dāng)樣本記錄的觀察時(shí)間T趨于無窮大時(shí)，的值便是幅值落在區(qū)間內(nèi)的概率，即定義幅值概率密度函數(shù)為（1-7）信號(hào)沿幅值域分布，坐標(biāo)x表示信號(hào)值的大小，而陰軸所包圍的面積為1。不同信號(hào)有不同的概率密度函數(shù)圖形，可以借此識(shí)別信號(hào)的性質(zhì)。?【多媒體】圖文展示，并舉例說明概率密度函數(shù)故障診斷機(jī)電設(shè)備概率密度函數(shù)可以直接用于機(jī)電設(shè)備的故障診斷。從新、舊車床變速箱噪聲的概率密度函數(shù)圖形的分布規(guī)律可以看出，新舊兩臺(tái)變速箱的分布規(guī)律有明顯的差異。新車床的概率密度函數(shù)圖形呈“窄而高”的形態(tài)，而舊車床的概率密度函數(shù)圖形呈“寬而矮”的形態(tài)。顯然舊機(jī)床噪聲的幅值大于新車床的幅值。2）振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析振動(dòng)信號(hào)的波形表示某種物理量隨時(shí)間變化的關(guān)系，因此通過時(shí)域分析可以研究信號(hào)在時(shí)間域內(nèi)的變化或分布，描述信號(hào)在不同時(shí)刻的相互依賴關(guān)系，它是提取信號(hào)中周期成分的常用手段。?【多媒體】圖文展示振動(dòng)信號(hào)自相關(guān)分析時(shí)域以及自相關(guān)函數(shù)圖，詳情見教材，并結(jié)合板書進(jìn)行公式推導(dǎo)【教師】播放PPT【學(xué)生】觀看、聆聽、思考自相關(guān)分析是十分常用的時(shí)域分析方法，它是通過自相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對信號(hào)分析的，設(shè)是信號(hào)的一個(gè)樣板函數(shù)，是前移后的樣本，則可定義自相關(guān)函數(shù)為（1-8）自相關(guān)函數(shù)用以表示信號(hào)幅值變化的程度。如果時(shí)間間隔很小，幅值之間的差異便大，信號(hào)的變化便劇烈，自相關(guān)函數(shù)的值便??；反之，自相關(guān)函數(shù)的值便大。當(dāng)用振動(dòng)或噪聲來診斷機(jī)電設(shè)備狀態(tài)時(shí)，正常運(yùn)行下的機(jī)電設(shè)備，其振動(dòng)或噪聲是大量的、無序的、大小接近相等的隨機(jī)信號(hào)；當(dāng)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)不正常時(shí)，在隨機(jī)信號(hào)中反而會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的周期性脈沖，其大小要比隨機(jī)成分大很多。因此采用自相關(guān)分析不僅可以判斷出信號(hào)中有無隱藏的周期成分，而且通過對自相關(guān)函數(shù)的幅值和波動(dòng)頻率的進(jìn)一步分析，可以查出機(jī)電設(shè)備缺陷之所在。?【案例分析】圖文展示兩臺(tái)C6163型臥式車床變速箱噪聲的自相關(guān)函數(shù)圖形，試確定其缺陷位置，詳情見教材【教師】提示：將變速箱各軸的轉(zhuǎn)速與的波動(dòng)頻率進(jìn)行比較【學(xué)生】討論、回答【教師】評(píng)價(jià)、總結(jié)3）振動(dòng)信號(hào)的頻域分析振動(dòng)信號(hào)的頻域分析即通過研究信號(hào)中包含的頻率成分來確定信號(hào)頻域結(jié)構(gòu)，其分析結(jié)果是以頻率為自變量的各種物理量的曲線。進(jìn)行頻域分析時(shí)，是將以時(shí)間為橫坐標(biāo)的時(shí)域信號(hào)通過傅立葉變換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號(hào)，從而求得關(guān)于原時(shí)域信號(hào)頻率成分的幅值和相位信息。通過對各頻率成分的分析，并比較機(jī)電設(shè)備零部件運(yùn)行時(shí)的特征頻率，即可查找出故障源。其中，通過自功率頻譜密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)診斷分析是最常用的頻域分析方法。?【多媒體】圖文展示自功率頻譜密度函數(shù)曲線圖，詳情見教材【教師】結(jié)合PPT講授自功率頻譜密度函數(shù)【學(xué)生】聆聽、思考自功率頻譜密度函數(shù)和自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)傅立葉變換對，其關(guān)系可用公式表示為（1-9）（1-10）自功率頻譜密度函數(shù)的物理意義可理解為曲線下和頻率軸所包圍的面積是信號(hào)的平均功率。在多頻振動(dòng)信號(hào)與噪聲干擾疊加的情況下，自功率頻譜信號(hào)能有效地去除噪聲干擾，并清晰地反映何種頻率成分的功率最強(qiáng)，為查出關(guān)鍵的振動(dòng)提供依據(jù)?！窘處煛颗e例講解正常運(yùn)行與非正常運(yùn)行機(jī)電設(shè)備齒輪副的自功率頻譜密度函數(shù)【學(xué)生】聆聽、思考正常運(yùn)行的齒輪副，在其振動(dòng)譜上會(huì)出現(xiàn)嚙合頻率及其高次諧波的頻率成分。當(dāng)齒輪齒面均勻磨