高职纺织机电技术专业大圆机故障诊断与排除进阶教案

高职纺织机电技术专业大圆机故障诊断与排除进阶教案

一、课程基本信息解读与设计理念

本教学设计面向高职院校纺织机电技术专业二年级学生，该阶段学生已完成《针织工艺学》、《纺织机械基础》、《机电设备电气控制》等前置课程的学习，具备了针织原理、机械传动、电气控制及PLC编程的初步知识。学生正处于从理论认知向综合实践能力转化的关键期，但对复杂纺织设备系统性故障的成因关联分析与工程化解决能力尚显薄弱。

“大圆机常见问题诊断”这一主题，在本设计中将被升维至“系统性故障诊断与工程化排除”的高度。当前纺织产业正处于智能化转型升级的关键阶段，大圆机作为针织工厂的核心设备，其运行状态直接关系到生产效率、面料品质与企业效益。传统的、基于经验主义的“问题-解决”模式已难以适应高速、高密、多功能大圆机及全车间数字化管理的需求。因此，本教案的顶层设计理念是：以真实生产场景中的复杂故障现象为驱动，融合机械工程、电气自动化、针织工艺与数据分析等多学科知识，培养学生建立系统化的诊断思维、规范化的操作流程以及数据驱动的决策能力，使其具备初步的“纺织设备医师”素养。

本教案严格遵循“岗课赛证”融通原则，教学内容对接纺织设备保全工、车间技术员等岗位核心技能要求，融合“全国纺织服装职业院校学生技能大赛”相关赛项标准，并为学生考取“纺织设备维修工”高级职业技能等级证书奠定坚实基础。整个教学设计贯穿“产教融合、虚实结合、理实一体”的原则，强调在高度仿真的情境中提升学生解决实际工程问题的综合职业能力。

二、教学目标体系构建

本教案旨在通过一个紧密围绕大圆机系统性故障的项目式学习单元，达成以下三位一体的教学目标：

1.知识与技能目标

1.2.能系统阐述大圆机（以单面圆纬机为例）针筒、三角座、输纱器、牵拉卷取、传动及主控系统的基本构造、工作原理与核心精度要求。

2.3.能准确辨识与描述布面常见疵点（如横条、竖条、破洞、漏针、撞痕、云斑等）的形态特征，并建立疵点现象与潜在设备故障点、工艺参数失配之间的关联图谱。

3.4.能规范使用百分表、塞尺、张力仪、工业内窥镜、振动传感器、红外测温仪等专业检测工具，对机械配合精度、纱线张力、设备运行状态进行量化检测。

4.5.能熟练查阅设备电气原理图、气路图与PLC梯形图，运用万用表、示波器等工具进行电路与信号测量，定位电气元件故障。

5.6.能按照标准作业流程（SOP），安全、规范地进行三角位置调整、针筒水平度校正、齿轮啮合间隙调整等典型机械维修作业。

6.7.能基于设备人机界面（HMI）参数、传感器数据及布面实时质量检测系统反馈，进行初步的数据分析与运行状态评估。

8.过程与方法目标

1.9.掌握并应用“从现象到本质”的系统化故障诊断逻辑：即“布面观察/异常声响判断→初步原因归类（机械/电气/工艺/原料）→分段隔离排查→量化检测验证→锁定故障根源→制定并实施排除方案→效果验证与预防措施制定”。

2.10.学会运用“鱼骨图”、“故障树分析（FTA）”等工程方法，对复杂故障进行结构化要因分析，打破单一线性思维。

3.11.培养团队协作能力，在模拟的“技术攻关小组”角色（主操作手、数据记录员、工具管理员、安全监督员）中有效沟通、协同作业。

4.12.发展基于证据（数据、波形、图像）进行技术判断与决策的能力，减少对主观经验的依赖。

13.情感、态度与价值观目标

1.14.树立严谨细致、精益求精的“工匠精神”和强烈的设备维护责任心，深刻理解“预防性维护”对于保障生产安全与质量稳定的重要意义。

2.15.培养在面对复杂技术问题时的耐心、恒心与解决问题的自信心，形成不畏难、不蛮干的科学工作态度。

3.16.增强安全生产与规范操作的意识，严格遵守设备维修安全操作规程（如挂牌上锁制度）。

4.17.激发对纺织智能制造技术的兴趣，认识到跨学科知识融合在解决现代产业问题中的价值。

三、教学重点与难点剖析

1.教学重点

1.2.布面疵点特征图谱与多维故障原因的关联性分析。这是诊断的起点和核心，必须使学生建立起现象与系统内部状态的精准映射。

2.3.系统化、规范化的故障诊断流程与思维方法的建立与固化。这是培养学生可持续技术能力的关键，超越对单一故障点的记忆。

3.4.关键机械部件（如针筒与三角的配合、齿轮传动链）精度检测与调整的标准化作业技能。这是决定维修质量的基础。

5.教学难点

1.6.复合型故障的剥离与诊断：当机械磨损、电气干扰、工艺参数不当、原料波动等多种因素交织时，如何抽丝剥茧，定位首要根源。

2.7.动态运行中的间接故障判断：例如，因主传动轴轻微弯曲导致的多处齿轮异常磨损和周期性布面横条，现象与根源在空间上分离。

3.8.电气控制系统（尤其是PLC与伺服驱动）软故障的诊断：如因电磁干扰导致的偶发性信号跳变，或参数设置不当引起的柔性故障。

4.9.将量化检测数据（如振动频谱、张力曲线）转化为对设备健康状态的准确评估与预测性维护决策。

四、教学资源与环境创设

1.硬件资源

1.2.主流品牌单面大圆机（实训用）2-3台，配置有伺服驱动、电子选针、在线疵点检测接口等现代化功能。

2.3.高精度机械检测工具套装：百分表及磁力表座、数显千分尺、不同厚度的塞尺、水平仪、带扭矩显示的扳手套装。

3.4.高级电气诊断工具：四通道数字示波器、真有效值万用表、绝缘电阻测试仪、逻辑分析仪（可选）、工业内窥镜。

4.5.动态检测仪器：便携式振动分析仪、红外热成像仪、纱线张力动态测试仪。

5.6.安全防护用品：全套工装、安全鞋、防护眼镜、挂牌上锁装置。

6.7.信息化终端：每组配备平板电脑，用于查阅电子技术文档、记录数据和接入仿真平台。

8.软件与数字化资源

1.9.大圆机3D虚拟拆装与故障仿真软件：可模拟各种故障现象，允许学生进行无风险拆解、测量和调整。

2.10.大圆机故障案例数据库：包含上百个来自合作企业的真实故障案例，涵盖现象描述、诊断过程、检测数据、解决方法和现场图片/视频。

3.11.设备数字孪生监控平台（简化教学版）：可实时显示实训设备的模拟运行数据（速度、产量、停机次数）及各主要监测点（主轴振动、主电机电流）的历史趋势。

4.12.交互式电气原理图与PLC程序仿真软件：学生可在图上进行虚拟测量，跟踪信号流向，模拟修改参数并观察结果。

13.环境创设

1.14.理实一体化专业教室：划分为理论研讨区、虚拟仿真实训区、真实设备实操区。实操区地面进行安全区域标识，工具墙实行定置管理。

2.15.构建“微型针织工厂”情境：在实操区配备简易的原料架、在机验布灯、坯布车、工艺单看板，营造真实生产氛围。

3.16.设立“技术会诊区”：配备多屏显示系统，用于小组汇报、案例分析和集体“会诊”复杂故障。

五、教学实施过程详细设计（总计12课时，分三次完成）

第一次课（4课时）：理论奠基与虚拟诊断入门

（一）情境导入与任务发布（30分钟）

教师播放一段来自合作企业的短视频：车间主任指着大圆机生产的布卷上一道明显的周期性横条，要求设备保全团队迅速解决，以免造成大批量疵布损失。视频结尾，车间主任提出：“我们需要的不只是会换零件的维修工，而是能快速找到病根的设备医生。”

随后，教师发布本单元核心项目任务：“成立设备诊断小组，在两周内，针对所提供的真实故障大圆机（或高保真故障模拟系统），完成一项系统性故障的诊断与排除报告，并进行公开答辩。”教师展示项目任务书，明确最终交付物（详尽的诊断报告、调整过程记录、修复后布样对比）与评价标准。

（二）核心知识结构化精讲（90分钟）

本环节摒弃平铺直叙，采用“问题链”牵引。

1.问题一：“大圆机如何将一根纱线变成一片布？”引导学生以小组竞赛形式，在黑板上画出最简化的成圈机件（织针、沉降片、三角）协同工作时序图，教师随后用3D动画进行精讲与纠偏，重点强调“针钩-针舌-沉降片片喉”相对运动的精准配合是编织的“心脏”。

2.问题二：“这颗‘心脏’的‘心律失常’会在布面上留下什么痕迹？”教师展示一系列高清布面疵点实物样本（横条、竖条、破洞等），让学生先凭直觉猜测原因。随后，系统讲解“横条”的成因谱系：从周期性的（传动齿轮磨损、主轴跳动、送纱轮不圆）到随机性的（纱线条干不匀、车间温湿度波动）。在此过程中，引入“故障树”概念，以“布面横条”为顶事件，引导学生共同构建第一层分支（机械、电气、工艺、原料、环境）。

3.问题三：“如何为这台复杂设备做‘体检’？”教师化身“设备医师”，介绍“望闻问切”现代版。

1.4.“望”：在线验布系统图像、红外热成像图、磨损零件的宏观形貌。

2.5.“闻”：听设备异响（播放不同故障声音音频，如轴承损坏的规律敲击声、齿轮啮合不良的连续尖啸声）。

3.6.“问”：查阅设备运行日志、工艺变更记录、近期维修档案。

4.7.“切”：使用各类检测工具进行量化“把脉”。重点演示百分表测量针筒径向跳动的步骤与读数分析，张力仪测量纱线动态张力的波形解读。

（三）虚拟仿真诊断训练（60分钟）

学生以小组为单位，登录虚拟仿真平台。平台随机为各小组分配一个初始故障现象（如“布面出现无规律小破洞”）。学生需在虚拟场景中：

1.选择并使用正确的工具进行虚拟检测（如用内窥镜检查针槽是否积垢，用塞尺检查三角与针踵间隙）。

2.查阅虚拟的电气图纸，在关键点进行虚拟电压测量。

3.根据发现的线索，在平台的故障知识库中检索、比对可能原因。

4.尝试进行虚拟维修操作（如更换一枚弯针，调整一个三角的位置）。

5.提交虚拟诊断报告，系统会给出评分和关键步骤回放。此环节允许试错，旨在无风险环境中熟悉流程与工具。

第二次课（4课时）：实操演练与深度诊断

（一）真实设备标准化检测实操（120分钟）

各小组进入实操区，面对已预先设置好简单故障（但学生不知情）的大圆机。任务一：对指定设备完成一份全面的“健康体检报告”。

1.机械精度检测模块：每组需独立完成（1）针筒口水平度校正；（2）针筒径向跳动检测；（3）关键传动齿轮侧隙测量；（4）三角座安装面平整度检查。教师巡回指导，严格规范操作手法，强调数据记录的客观性。学生需判断测量值是否在设备说明书允许的公差范围内。

2.电气基础检测模块：在断电安全前提下，测量主电路绝缘电阻；在通电状态下，使用万用表测量指定传感器的供电电压与输出信号；使用示波器捕捉一个伺服电机编码器的波形。重点训练识图与对应测量能力。

3.工艺参数核查模块：核对HMI上设定的纱长、速度、牵拉张力等参数与工艺单要求是否一致；使用张力仪实测入线张力，与设定值对比。

（二）复合故障案例分析与协同诊断（60分钟）

各小组完成“体检”后，教师公布设备预设的初始故障（可能是一个简单的三角位置偏差）。在解决此故障后，教师引入一个来自案例库的复合故障高级案例，例如：“设备运行半小时后，开始出现不规则横条，且伴随间歇性‘咔哒’异响，电气柜内某驱动器偶尔报警过热。”

各小组在技术会诊区进行“头脑风暴”，运用鱼骨图分析法，从“人、机、料、法、环、测”多个维度罗列所有可能原因。教师引导各小组聚焦“运行半小时后”这一时间条件，以及“异响”与“过热”的关联性。小组间展开辩论，形成初步诊断假设。此环节不要求立即实操，重点训练系统化分析思维。

第三次课（4课时）：综合排除、数据决策与答辩

（一）故障排除实施与数据验证（120分钟）

基于上一节课的讨论，教师将引导各小组将故障可能性聚焦到“主传动系统”和“纱线输送系统”。各小组领取任务：

1.A、B组：重点排查传动系统。使用振动分析仪，在设备不同转速下，采集主轴、齿轮箱轴承座处的振动频谱。学习识别频谱图中与转速频率相关的峰值，判断是否存在不平衡、不对中或轴承故障特征频率。结合红外热成像检查轴承温升。

2.C、D组：重点排查输纱系统。检查所有输纱轮（储纱器）的转动是否灵活、有无偏心；检查各路纱线的张力是否均匀、稳定；使用动态张力仪记录出现横条时张力曲线的异常波动。

各组将采集到的数据上传至数字孪生平台，进行共享与分析。通过比对，最终可能发现是“某一传动齿轮的轻微磨损”与“一个输纱轮轻微变形”共同作用，在特定速度下产生共振，导致了周期性张力波动和异响。教师指导学生制定分步排除方案：先更换磨损齿轮，再校正或更换变形输纱轮，每一步完成后都运行测试并采集布面和数据进行对比验证。

（二）项目总结、报告撰写与答辩（60分钟）

故障排除后，各小组整理全过程资料，撰写一份专业的《大圆机故障诊断与排除技术报告》。报告需包含：故障现象描述、诊断思路与流程图、检测数据与分析、故障原因结论、排除步骤记录、效果验证（附修复前后布样照片及数据对比）、预防性维护建议。

随后举行模拟技术答辩会。每组选派代表进行8分钟汇报，其他小组和教师扮演“企业技术委员会”进行提问（如“为什么首先排除工艺参数问题？”“振动频谱中的这个边频带说明了什么？”）。答辩过程考察学生的技术表达、逻辑思维和临场应变能力。最后，教师展示企业专家对同类故障处理的真实报告，进行对标讲评，升华“规范、数据、系统”的现代维修理念。

六、教学评估与反馈机制设计

1.过程性评估（占总评60%）

1.2.虚拟仿真任务完成度与报告（15%）：考察对诊断流程的熟悉程度和工具使用的规范性。

2.3.实操检测技能考核清单（25%）：教师使用检核表，现场评估学生在机械精度检测、电气测量等操作中的步骤规范性、数据准确性和安全意识。

3.4.小组协作与案例分析表现（10%）：观察记录学生在小组讨论、故障树与鱼骨图绘制中的参与度、贡献度及思维逻辑。

4.5.过程性学习笔记/日志（10%）：检查学生记录的检测数据、分析思路、遇到的问题及解决方案，反映其学习轨迹。

6.终结性评估（占总评40%）

1.7.《大圆机故障诊断与排除技术报告》（25%）：从报告的结构完整性、诊断逻辑的严密性、数据分析的科学性、结论的准确性、文档的专业性等多个维度进行评分。

2.8.最终答辩表现（15%）：从汇报内容、表达清晰度、问题回答的准确性与深度进行评价。

9.反馈机制

1.10.即