姚峰林 趙 婕 高有山 孫曉霞 王全偉

1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024

2.太原學(xué)院，山西 太原 030032

機(jī)械故障診斷理論是20 世紀(jì)60 年代以來(lái)由相關(guān)新興理論、新興檢測(cè)技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合而發(fā)展形成的一門(mén)新興學(xué)科。它是監(jiān)控、檢測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)機(jī)械的各種狀態(tài)和故障，保障機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。隨著傳感檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)等的不斷發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)械故障診斷理論課程的研究?jī)?nèi)容、研究方法和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。機(jī)械故障診斷是“中國(guó)制造2025”背景下的新工科建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，也是實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)制造業(yè)向現(xiàn)代制造業(yè)轉(zhuǎn)型所必備的核心技術(shù)。機(jī)械故障診斷理論課程是多學(xué)科專(zhuān)業(yè)交叉融合形成新工科專(zhuān)業(yè)中最有發(fā)展機(jī)遇的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程。

隨著我國(guó)在核電裝備、航空航天裝備、海洋裝備、交通裝備、風(fēng)電裝備、智能制造裝備等高端裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)完成，更多的高新技術(shù)產(chǎn)品、優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品的技術(shù)將會(huì)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這些大型設(shè)備的故障診斷對(duì)于減少、避免重大或?yàn)?zāi)難性事故具有非常重要的意義。

一、機(jī)械故障診斷理論課程發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械故障診斷是現(xiàn)在比較熱門(mén)的研究領(lǐng)域，隨著深度學(xué)習(xí)和人工智能的快速發(fā)展，十年或二十年前出版的教材和參考書(shū)已經(jīng)明顯跟不上時(shí)代和技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)高校的機(jī)械故障診斷理論課程中的教學(xué)內(nèi)容顯得陳舊落后，教學(xué)方法也不夠科學(xué)有效，內(nèi)容多是理論，這就會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課程的效果。

機(jī)械故障診斷理論是太原科技大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)針對(duì)碩士研究生、博士研究生開(kāi)設(shè)的一門(mén)選修課程，自開(kāi)設(shè)以來(lái)受到研究生的喜愛(ài)，每年選修此課程的研究生人數(shù)屢創(chuàng)新高。機(jī)械故障診斷理論課程的先修課程包括控制工程基礎(chǔ)、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械測(cè)試技術(shù)、理論力學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理等課程。這門(mén)課程與機(jī)械相關(guān)科學(xué)研究、工廠技術(shù)實(shí)踐和日常生活緊密相關(guān)。這門(mén)課程內(nèi)容涉及理論模型、信號(hào)處理、知識(shí)處理和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，具有很強(qiáng)的理論性、應(yīng)用性、實(shí)踐性。課程知識(shí)點(diǎn)很多而且更新速度還快，但學(xué)時(shí)卻很少，這一矛盾使得課程教學(xué)效果不理想。傳統(tǒng)的教學(xué)方法在各高校還在廣泛地被使用，這種方法有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，有利于教師系統(tǒng)地講授知識(shí)，有利于師生之間開(kāi)展情感交流。但是，這種教學(xué)方法不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和開(kāi)拓創(chuàng)新的積極主動(dòng)性。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，社會(huì)各領(lǐng)域的跨界融合將成為必然，教育也受到“互聯(lián)網(wǎng)+”深刻而長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

筆者經(jīng)過(guò)對(duì)太原科技大學(xué)研究生課程學(xué)習(xí)的跟蹤調(diào)查與研究發(fā)現(xiàn)：研究生對(duì)機(jī)械故障診斷理論這門(mén)新興學(xué)科具有強(qiáng)烈的求知欲望，但是其傳統(tǒng)的教材、教學(xué)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前研究生對(duì)新理論、新技術(shù)、新方法的學(xué)習(xí)需求，必須著手進(jìn)行課程的改革和優(yōu)化，跟上學(xué)科理論發(fā)展的新動(dòng)態(tài)、新方向、新水平。

二、機(jī)械故障診斷理論課程內(nèi)容模塊化

機(jī)械故障診斷理論課程內(nèi)容豐富，用三十二學(xué)時(shí)完成教學(xué)大綱的任務(wù)有困難，所以必須進(jìn)行課程內(nèi)容的模塊化處理，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

由于MATLAB 在工程和科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域具有豐富的工具箱與功能模塊，而且其數(shù)值和符號(hào)計(jì)算功能強(qiáng)大、程序環(huán)境簡(jiǎn)潔，還有數(shù)量龐大的開(kāi)放性源程序，因此筆者選擇用MATLAB 來(lái)進(jìn)行機(jī)械故障診斷理論課程的模塊化。十二個(gè)課程模塊包括MATLAB 基礎(chǔ)與實(shí)踐，信號(hào)處理分析基礎(chǔ)與MATLAB 實(shí)現(xiàn)，時(shí)頻分析方法的MAT‐LAB 實(shí)現(xiàn)，小波分析的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，Hilbert-Huang 變換的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，分?jǐn)?shù)階Fourier 變換的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，圖像處理技術(shù)的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，模糊理論的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，遺傳算法的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，粒子群算法的MATLAB 實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，支持向量機(jī)的MATLAB實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。

機(jī)械故障診斷理論課程由于學(xué)時(shí)較少，對(duì)于理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)較多、概念比較抽象的內(nèi)容采用課下學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合的辦法。教師在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)把這些理論和公式推導(dǎo)進(jìn)行詳細(xì)闡述并輔以教學(xué)視頻作為學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，學(xué)生不完成該任務(wù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)就不能進(jìn)行作業(yè)上報(bào)。筆者根據(jù)超星學(xué)習(xí)通上學(xué)生學(xué)習(xí)課程次數(shù)的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，每次新課上課前后的兩天是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的高峰，但是隨著時(shí)間的推移，他們學(xué)習(xí)的次數(shù)和積極性逐步減少，到課程下一次任務(wù)點(diǎn)發(fā)放，學(xué)生又興起新一輪的學(xué)習(xí)高峰，如此循環(huán)往復(fù)，學(xué)生不僅僅能完成學(xué)習(xí)任務(wù)，而且還能取得較好的學(xué)習(xí)效果。另外，教師在超星學(xué)習(xí)通上可以看出學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以給學(xué)生一個(gè)非常公正的平時(shí)成績(jī)，再結(jié)合學(xué)生的作業(yè)情況可以對(duì)學(xué)生在整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)等級(jí)和分?jǐn)?shù)進(jìn)行評(píng)定。

三、機(jī)械故障診斷理論課程案例教學(xué)探索

如果能將機(jī)械故障診斷理論與實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，形成獨(dú)到的見(jiàn)解，提高自學(xué)的能力與效率，促進(jìn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相融合，促進(jìn)科研與教學(xué)有機(jī)融合，這才是最佳教學(xué)方案。實(shí)施機(jī)械故障診斷理論課程案例教學(xué)，就是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一種大膽嘗試與探索。

借助超星學(xué)習(xí)通可以增加學(xué)時(shí)數(shù)，彌補(bǔ)學(xué)時(shí)不足的缺陷，就可以有更充足的時(shí)間進(jìn)行案例教學(xué)。太原科技大學(xué)是一所傳統(tǒng)的機(jī)械本科院校，是重大技術(shù)裝備領(lǐng)域重要的人才培養(yǎng)和科技研發(fā)基地。其機(jī)械故障診斷理論課程關(guān)注行業(yè)發(fā)展，注重實(shí)用性和啟發(fā)性，并且與研究生課題研究緊密結(jié)合。這門(mén)課程所包含的案例包括柴油機(jī)漏油故障診斷，滾動(dòng)軸承故障診斷，汽車(chē)變速器軸承振動(dòng)，柴油機(jī)活塞、活塞銷(xiāo)故障診斷，發(fā)動(dòng)機(jī)異響故障診斷等。機(jī)械故障診斷案例學(xué)習(xí)具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。這門(mén)課程的教學(xué)不僅致力于能讓學(xué)生掌握機(jī)械故障診斷的理論、方法和應(yīng)用的前沿知識(shí)，還可以借助MATLAB 提供的虛擬平臺(tái)開(kāi)展相關(guān)實(shí)踐，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題解決能力以及優(yōu)化了課程教學(xué)效果。

（一）軸承故障診斷技術(shù)

軸承是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的一種重要的零部件，現(xiàn)代工業(yè)通用機(jī)械都配備了相當(dāng)數(shù)量的軸承。當(dāng)軸承發(fā)生故障時(shí)，往往直接影響整臺(tái)機(jī)器的性能（包括精度、可靠性及壽命等），可能導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至可能會(huì)危及工人生命安全。因此對(duì)軸承的故障診斷進(jìn)行研究可以幫助避免機(jī)械設(shè)備意外事故發(fā)生，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

張?zhí)m芳等人提出了基于核主元分析和極端學(xué)習(xí)機(jī)的軸承故障診斷方法，能較好地獲取故障響應(yīng)信號(hào)的本質(zhì)特征，有效提高軸承故障的診斷正確率。周向等人利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）法將固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hil‐bert 變換得到Hilbert 譜，通過(guò)譜分析識(shí)別軸承的故障部位和類(lèi)型，在實(shí)際的故障診斷中更有效地得到故障原因。Gan Meng 等人將小波包多尺度變換與深信度網(wǎng)絡(luò)（DBN）相結(jié)合，提出了一種分層故障診斷網(wǎng)絡(luò)（HDN），利用小波包能量作為深信度網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過(guò)支持向量機(jī)和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有效識(shí)別軸承故障的位置和嚴(yán)重程度。童水光等人以時(shí)頻分析為基礎(chǔ)，結(jié)合信息熵理論，提出一種頻帶多尺度復(fù)合模糊熵的故障診斷方法，解決滾動(dòng)軸承故障的早期受環(huán)境噪聲影響、故障特征輕微時(shí)有效提取滾動(dòng)軸承的故障信號(hào)沖擊特征難的問(wèn)題，引入頻帶多尺度復(fù)合模糊熵基于時(shí)頻聯(lián)合分析的思想，通過(guò)對(duì)共振頻帶向量的重構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障特征的提取。顧鑫等人提出了一種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）相結(jié)合的滾動(dòng)軸承自適應(yīng)故障診斷模型，通過(guò)卷積層和池化層提取低階特征，然后在全連接層合成高層次特征，進(jìn)而將提取出來(lái)的特征通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)進(jìn)行軸承故障類(lèi)別的準(zhǔn)確快速分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)“端到端”的故障診斷，具有良好的魯棒性和實(shí)時(shí)性。

極限學(xué)習(xí)機(jī)是黃廣斌等人提出來(lái)的求解單隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法（如BP 算法）不僅需要人為設(shè)置大量的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，而且很容易產(chǎn)生局部最優(yōu)解。極限學(xué)習(xí)機(jī)只需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，在算法執(zhí)行過(guò)程中不僅不需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的輸入權(quán)值以及隱元的偏置，而且能產(chǎn)生唯一的最優(yōu)解，因此具有學(xué)習(xí)速度快且泛化性能好的優(yōu)點(diǎn)。在本課程結(jié)課時(shí)，學(xué)生基于小波包變換并結(jié)合極限學(xué)習(xí)機(jī)方法提出了滾動(dòng)軸承故障診斷方法。通過(guò)小波包變換對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，這里采用Symlet 小波函數(shù)作為小波包變換的基函數(shù)，并通過(guò)均方根差、平滑度法篩選小波基函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行消噪處理，隨后提取消噪后信號(hào)的特征值，將特征值作為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本，通過(guò)極限學(xué)習(xí)機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到了較高的分類(lèi)精度。該方法能夠準(zhǔn)確地對(duì)軸承故障類(lèi)別進(jìn)行診斷，有著較為精確的診斷精度。

（二）齒輪故障診斷技術(shù)

齒輪傳動(dòng)是通過(guò)兩齒輪的輪齒相互嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種機(jī)械傳動(dòng)方式，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之一。自身結(jié)構(gòu)和工作原理的特點(diǎn)使齒輪的振動(dòng)信號(hào)較為復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行故障診斷時(shí)需要從時(shí)域和頻域上進(jìn)行分析。齒輪的故障信號(hào)具有非線(xiàn)性和非平穩(wěn)性的特點(diǎn)，其振動(dòng)信號(hào)存在多分量中心頻率相近、頻帶相互重疊的情況。從信號(hào)中提取有效的故障特征，抑制并減少諧波及噪聲的干擾是故障診斷的關(guān)鍵。

而對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)而言，由于其頻譜隨時(shí)間有較大的變化，要求分析方法能夠準(zhǔn)確地反映出信號(hào)的局部時(shí)變頻譜特性，因此只了解信號(hào)在時(shí)域或頻域的全局特性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，或者說(shuō)是不適合的。加窗的傅里葉變換可以對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)-頻域的分析，但是它的時(shí)頻窗口大小是固定的，只適用于對(duì)緩變的非平穩(wěn)信號(hào)的分析。小波變換采用變尺度的小波基對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，可以得到不同尺度上的能量分布，而且尺度越小能量越分散，但是小波譜在不同的尺度上表現(xiàn)出不同的分辨率，即其時(shí)間分辨率和頻率分辨率是相互制約的。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是根據(jù)自身的時(shí)間尺度特征將非平穩(wěn)信號(hào)分解為若干個(gè)瞬時(shí)頻率和幅值具有物理意義的本征模態(tài)函數(shù)（IMF）之和，解決了希爾伯特變換的限制。但是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法仍然存在著諸多問(wèn)題，如模式混淆和端點(diǎn)效應(yīng)。Dragomiretskiy 和Zosso 提出了變分模態(tài)分解（VMD）方法，Cicone等人提出了自適應(yīng)局部迭代濾波（ALIF）方法來(lái)確保模態(tài)分解的收斂性。這兩種新的時(shí)頻分析方法雖然解決了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法模式混淆和端點(diǎn)效應(yīng)問(wèn)題，但是無(wú)法達(dá)到最優(yōu)分解。

針對(duì)以上自適應(yīng)時(shí)頻分解方法中出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)譜峰度理論，學(xué)生還提出了一種基于最大重疊離散小波包變換（MODWPT）和故障能量比（FER）的齒輪故障診斷方法。通過(guò)平穩(wěn)仿真信號(hào)和非平穩(wěn)仿真信號(hào)的對(duì)比分析，驗(yàn)證了基于最大重疊離散小波包變換方法在抗混疊和端點(diǎn)效應(yīng)以及希爾伯特譜特征提取準(zhǔn)確性方面都要優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法；同時(shí)選擇基于Teager 能譜計(jì)算的故障能量比作為新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，代替峰度指數(shù)。由于此方法具有良好的頻帶分解性能和故障能量比的頻率跟蹤特性，因此可以有效地對(duì)齒輪故障類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別。

四、課程考核方式的改革

高校學(xué)生的課程考核方式通常由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)只占20%，期末成績(jī)占80%。這種考核的方式注重學(xué)習(xí)結(jié)果，忽略了對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的考核，對(duì)付出努力并取得成功的學(xué)生是一種肯定，但對(duì)于付出努力還沒(méi)有取得成功的學(xué)生卻是一種否定。這是導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該課程內(nèi)驅(qū)力不足的一個(gè)原因。對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)，機(jī)械故障診斷理論實(shí)際上是一門(mén)理論性和實(shí)用性都非常強(qiáng)的課程，因此應(yīng)該對(duì)學(xué)生運(yùn)用所掌握的相關(guān)理論與方法解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力進(jìn)行考核。

在課程考核方面，依托超星學(xué)習(xí)通的統(tǒng)計(jì)功能包括任務(wù)點(diǎn)、章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、課堂活動(dòng)、作業(yè)統(tǒng)計(jì)等，可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行全方位、全過(guò)程的跟蹤和評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上給出科學(xué)合理的平時(shí)成績(jī)。對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)，完成相關(guān)理論的學(xué)習(xí)并不是課程學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，學(xué)生可以從中選擇與自己課題相近的研究進(jìn)行機(jī)械故障診斷，并寫(xiě)出符合期刊發(fā)表規(guī)范要求的論文，向全班同學(xué)作匯報(bào)，此作業(yè)在最終成績(jī)中占比達(dá)60%。用學(xué)術(shù)論文寫(xiě)作這種方法全方位地對(duì)學(xué)生的基本理論掌握情況以及知識(shí)應(yīng)用、學(xué)術(shù)寫(xiě)作等能力進(jìn)行考核，對(duì)研究生來(lái)說(shuō)這是一種專(zhuān)業(yè)能力的綜合考核。

通過(guò)機(jī)械故障診斷理論課程考核方式改革，不但可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，還可以鍛煉學(xué)生的科研能力和實(shí)際問(wèn)題解決能力，全方位、全過(guò)程、多元化、能力化地考查學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)掌握和應(yīng)用的真實(shí)情況。

五、結(jié)語(yǔ)

在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生只有成為學(xué)習(xí)的主人，才能有真學(xué)習(xí)、真教育、真發(fā)展。教師不能滿(mǎn)足于“授人以魚(yú)”，更要做到“授人以漁”。教師的教學(xué)方式只有與現(xiàn)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)方式相匹配，才有可能讓教師成為教學(xué)的組織者、指導(dǎo)者、幫助者、促進(jìn)者。機(jī)械故障診斷理論還遠(yuǎn)沒(méi)有形成一門(mén)完備的學(xué)科，隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，它還在不斷與時(shí)俱進(jìn)。這門(mén)課程的性質(zhì)決定了教師必須遵循學(xué)科發(fā)展規(guī)律和當(dāng)前社會(huì)對(duì)機(jī)械故障理論人才的需求，將工程實(shí)踐和理論教學(xué)二者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)行課程的模塊化和案例化教學(xué)，才能達(dá)到最佳的教學(xué)效果和專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)效果。