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.
Nhận xét
Đăng nhận xét
Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình.