Lý thuyết cơ bản về rung động máy (P1)

Lý thuyết rung động và phân tích tín hiệu dữ liệu rung động là chủ đề phức tạp và là những chủ đề của nhiều sách giáo khoa. Mục đích của phần này là cung cấp lý thuyết đủ để cho phép các khái niệm về dữ liệu rung động và các phân tích của chúng được hiểu rõ trước khi khi bắt đầu các cuộc thảo luận sâu hơn trong phần sau của mô-đun này.

LÝ THUYẾT RUNG ĐỘNG

Một dao động là một chuyển động định kỳ hay tự lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định. Khoảng thời gian này được gọi là chu kỳ dao động T. Một biểu đồ hay biên dạng rung động được thể hiện trong hình 3.1 cho thấy chu kỳ T và khoảng dịch chuyển cực đại hay biên độ X₀. Nghịch đảo của chu kỳ này, được gọi là tần số f của rung động mà có thể được biểu diễn trong đơn vị của chu kỳ trong một giây (cps) hay Hertz (Hz). Một hàm điều hòa là hàm đơn giản của chuyển động định kỳ và được thể hiện trong hình 3.2 là hàm điều hòa cho các dao động nhỏ của con lắc đơn giản. Một mối quan hệ có thể thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

X = X₀ sin(ωt)

Trong đó:

X = lượng dịch chuyển của dao động (phần nghìn của một inch, hay mils)

X₀ = lượng dịch chuyển cực đại hay biên độ (mils)

ω =  tần số góc (radians/giây)

t = thời gian (giây).

ĐỊNH DẠNG RUNG ĐỘNG THỰC TẾ

Quá trình phân tích rung động đòi hỏi việc thu thập dữ liệu máy phức tạp và sau đó phải được giải mã. Trái ngược với các đường cong dao động lý thuyết đơn giản thể hiện trong hình 3.1 và 3.2 trên đây, dữ liệu cho một phần của thiết bị là vô cùng phức tạp. Điều này là đúng bởi vì có nhiều nguồn thông thường của rung động. Mỗi nguồn tạo ra đường cong của riêng mình, nhưng đây là những đường cong cơ bản thêm vào và hiển thị dạng tổng hợp. Các đường cong này có thể được hiển thị trong hai định dạng: miền thời gian và miền tần số.

MIỀN THỜI GIAN

Dữ liệu rung động được vẽ theo biên độ so với thời gian được gọi là dữ liệu miền thời gian (time domain). Một số ví dụ đơn giản được thể hiện trong hình 3.1 và 3.2. Một ví dụ về sự phức tạp của các loại dữ liệu cho một phần thực tế của máy móc công nghiệp được thể hiện vào trong hình 3.3.

Các biểu đồ miền thời gian phải được sử dụng cho tất cả các máy móc chuyển động thẳng và chuyển động qua lại. Chúng có ích trong phân tích tổng thể của chuỗi máy  để nghiên cứu những thay đổi trong điều kiện hoạt động. Tuy nhiên, dữ liệu miền thời gian gặp khó khăn khi sử dụng. Bởi vì tất cả các dữ liệu rung động được thêm vào để thể hiện dịch chuyển tổng tại bất kỳ thời điểm nhất định, rất khó để xác định riêng của bất kỳ nguồn rung động xác định.

Nhà vật lý và nhà toán học Pháp Jean Fourier đã xác định rằng các hàm dữ liệu không phải điều hòa như dữ liệu rung động miền thời gian, nó là những tổng hợp toán học của các hàm dao động điều hòa đơn. Các đường cong nét đứt trong hình 3.4 thể hiện cho thành phần riêng điều hòa, đường cong tổng không phải dao động điều hòa được biểu diễn bởi đường nét liền.

Những loại dữ liệu thường xuyên được lấy trong thời gian sống của một máy, so sánh trực tiếp với dữ liệu lịch sử ở cùng một tốc độ chạy và tải. Tuy nhiên, điều này là không thực tế vì sự khác biệt trong hoạt động nhà máy thay đổi từng ngày và cả sự thay đổi trong tốc độ chạy. Điều này ảnh hưởng đáng kể đến dữ liệu và làm cho không thể thể so sánh với dữ liệu lịch sử.

MIỀN TẦN SỐ

Từ một quan điểm thực tế, các hàm số rung động điều hòa đơn giản có liên quan đến tần số quay của các thành phần quay hoặc di chuyển. Do đó, các tần số này là bội số của tốc độ quay cơ bản của chuỗi máy, mà được thể hiện bằng số vòng mỗi phút (rpm) hoặc chu kỳ mỗi phút (cpm). Xác định các tần số này là bước cơ bản đầu tiên trong phân tích các điều kiện hoạt động của máy.

Dữ liệu miền tần số thu được bằng cách chuyển đổi dữ liệu miền thời gian bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học gọi là biến đổi Fast Fourier (FFT). FFT cho phép mỗi thành phần rung động của một phổ tần phức tạp của máy được hiển thị như là một đỉnh  tần số rời rạc. Biên độ miền tần số có thể được di chuyển trên một đơn vị thời gian so với một tần số cụ thể, được vẽ như trục-Y so với tần số là trục-X. Điều này là trái ngược với phổ miền thời gian, tổng các vận tốc của tất cả các tần số và vẽ tổng theo trục-Y so với thời gian là trục-X. Một ví dụ của một biểu đồ miền tần số hay tín hiệu rung động được hiển thị trong hình 3.5.

Dữ liệu miền tần số được yêu cầu cho thiết bị hoạt động ở tốc độ chạy nhiều hơn một và tất cả các ứng dụng quay. Bởi vì các trục X của phổ tần số bình thường hóa tốc độ quay, một sự thay đổi trong tốc độ chạy sẽ không ảnh hưởng đến biểu đồ. Một thành phần rung động đó là hiện diện ở tốc độ vẫn sẽ được tìm thấy trong cùng một vị trí trên biểu đồ  cho một tốc độ quay sau khi bình thường hóa, mặc dù biên độ có thể khác nhau.

GIẢI THÍCH DỮ LIỆU RUNG ĐỘNG

Yếu tố để sử dụng phân tích tín hiệu rung động cho việc bảo trì dự đoán, chẩn đoán hư hỏng và các ứng dụng khác là khả năng để phân biệt giữa các dạng rung động bình thường và bất thường. Rung động là bình thường cho một phần máy quay hoặc di chuyển. Ví dụ trong số này là sự quay bình thường của trục và rô to, sự tiếp xúc của vòng bi, bánh răng, v.v... Tuy nhiên, vấn đề cụ thể với máy móc thiết bị tạo ra các rung động bất thường chưa được nhận dạng. Ví dụ trong số này là lỏng bu lông, lệch tâm trục, mòn vòng bi, rò rỉ, dấu hiệu của mỏi kim loại.

Bảo dưỡng dự đoán sử dụng phân tích tín hiệu rung động dựa trên các sự kiện sau đây, mà hình thành cơ sở cho các phương pháp được sử dụng để xác định và định lượng các nguyên nhân gốc rễ của sự hư hỏng:

1.      Tất cả các vấn đề máy móc thông thường và các dạng hư hỏng có thành phần tần số rung động khác nhau có thể được phân lập và xác định.

2.      Một tín hiệu rung động miền tần số thường được sử dụng để phân tích bởi vì nó bao gồm các đỉnh rời rạc, mỗi cái đại diện một nguồn rung động cụ thể.

3.      Có một nguyên nhân, được gọi là một hàm về lực, cho tất cả các thành phần tần số trong tín hiệu rung động chuỗi máy.

4.      Khi tín hiệu của một máy được so sánh theo thời gian, nó sẽ lặp lại cho đến khi một số sự kiện thay đổi các mô hình rung động (tức là, biên độ của mỗi thành phần rung động riêng biệt sẽ vẫn không đổi cho đến khi có một sự thay đổi trong các hoạt động của chuỗi máy).

Trong khi một sự tăng hay giảm về biên độ có thể chỉ ra sự xuống cấp của chuỗi máy, điều này không phải là luôn luôn như vậy. Những biến đổi về tải, thực tế vận hành và một loạt các thay đổi bình thường khác cũng tạo ra một sự thay đổi về biên độ của một hay nhiều thành phần tần số tín hiệu rung động. Ngoài ra, một điều quan trọng là cần lưu ý rằng một biên độ thấp hơn không cần thiết phải chỉ ra một sự cải thiện về tình trạng cơ khí của chuỗi máy.

Vì vậy, điều quan trọng là phải hiểu rõ nguồn gốc của các thay đổi biên độ.

THIẾT BỊ ĐO ĐỘ RUNG

Dữ liệu rung động được thu bởi các bước sau đây:

(1) Gắn một đầu dò vào máy tại các vị trí khác nhau, thường là vỏ máy và gối đỡ

(2) sử dụng một thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay, được gọi là thiết bị giám sát rung động hay thiết bị phân tích, để kết nối với các đầu dò lấy số đo rung động.

ĐẦU ĐO

Các đầu dò phổ biến nhất được sử dụng để có được các phép đo rung động là một gia tốc kế. Nó được tích hợp các màng áp điện (thường nhạy cảm về áp lực) để chuyển đổi năng lượng cơ học sang tín hiệu điện. Thiết bị này thường tích hợp một khối nặng treo giữa hai màng áp điện. Khối nặng này sẽ di chuyển để đáp ứng với các rung động và ép vào các màng áp điện mà sẽ gửi một tín hiệu điện mỗi lần khối nặng ép nó.

MÁY PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG CẦM TAY

Các máy phân tích rung động cầm tay tích hợp một bộ vi xử lý cho phép nó chuyển đổi tín hiệu điện về mặt toán học tính theo gia tốc trên một đơn vị thời gian, thực hiện một FFT và lưu trữ dữ liệu. Nó có thể được lập trình để tạo ra các cảnh báo và hiển thị dữ liệu. Các dữ liệu được lưu trữ bởi máy phân tích có thể được tải về một máy tính cá nhân hay một máy tính mạnh mẽ hơn thực hiện hiện các phân tích phức tạp hơn, lưu trữ, phục hồi dữ liệu và tạo báo cáo.

Mời xem tiếp phần tiếp theo

Tác giả: Kỹ sư Nguyễn Thanh Sơn - chuyên gia bảo dưỡng máy quay. 

Related Posts by Categories