Phân tích cộng hưởng để giải quyết các vấn đề về rung động ở động cơ điện

Hiểu các vấn đề về cộng hưởng và thiết kế hệ thống truyền động có thể là nguyên nhân của các vấn đề về rung như thế nào.

Tác giả Blake Bailey, Designmotors.net

Biên dịch: Thanh Sơn

Trong lĩnh vực bảo trì công nghiệp, rung động của động cơ là một chủ đề được nghiên cứu kỹ lưỡng và thảo luận nhiều. Thông thường, các vấn đề rung động xuất phát từ lỗi lắp đặt, hư hỏng hoặc phát sinh trong quá trình vận hành động cơ theo thời gian. Những vấn đề này thường có thể khắc phục mà không cần thay đổi thiết kế hệ thống. Nhưng điều gì xảy ra khi rung động xuất hiện ngay từ lúc khởi động mà không có bộ phận nào bị hỏng? Khi việc điều chỉnh, căn chỉnh hay sửa chữa thông thường không giải quyết được vấn đề, người dùng có thể cần phân tích cấu trúc của hệ truyền động. Bài viết này sẽ giải thích đơn giản về các phương pháp phân tích ứng dụng động cơ phổ biến nhất trong ngành, tập trung vào các vấn đề cộng hưởng liên quan đến thiết kế của động cơ hoặc thiết bị được dẫn động.

Ba chủ đề dưới đây đều liên quan đến cộng hưởng cơ học và được phân tích bằng cách chia hệ thống thành các phần nhỏ để xác định các tần số dao động tự nhiên khác nhau của nó.

Hình ảnh 1: Uốn cong theo phương ngang của rôto động cơ (theo phương vuông góc với trục quay)

Cộng hưởng là gì?

Cộng hưởng xảy ra khi một lực kích thích định kỳ (lặp đi lặp lại) tác động lên một vật thể có tần số tự nhiên gần với tần số của lực đó. Hãy tưởng tượng bạn đẩy con mình nhảy trên bạt nhún lò xo trampoline: nếu bạn đẩy đúng nhịp, bé sẽ nhảy cao hơn; nếu đẩy sai nhịp, bé sẽ không nhảy tốt. Trong động cơ, các lực kích thích có thể đến từ sóng hài điện từ, lực cơ học từ tải hoặc mất cân bằng trong hệ thống rô-to. Một khái niệm quan trọng khác là hằng số lò xo, dùng để đo khả năng chống lại lực của một vật thể (ví dụ: lực trên mỗi inch hoặc lực trên mỗi radian).

Khi giải quyết rung động, người ta thường nói đến cứng hóa (stiffening) và giảm chấn (damping). Cứng hóa là tăng khả năng chống biến dạng của vật thể (như dùng thép thay vì nhựa để làm lò xo). Giảm chấn là hấp thụ năng lượng rung động (như dùng lò xo dưới nước thay vì trên không khí). Điều thú vị là một động cơ có thể được thiết kế hoàn hảo, hoạt động tốt trong nhà máy nhưng vẫn gặp vấn đề cộng hưởng khi vận hành thực tế, do các lực kích thích không lường trước tác động lên tần số tự nhiên của hệ truyền động.

1. Phân Tích Xoắn (Torsional Analysis)

Phân tích xoắn là một phương pháp đánh giá các dao động xoắn trong hệ truyền động, đặc biệt phổ biến trong máy bơm và máy nén pittông. Mục tiêu chính của phân tích này là xác định và tránh cộng hưởng xoắn, vì nếu không kiểm soát tốt, nó có thể gây rung động mạnh và ảnh hưởng đến dòng điện của động cơ.

Hãy tưởng tượng một chiếc lò xo bị vặn xoắn và sau đó thả ra – trục truyền động trong hệ thống cũng phản ứng tương tự khi chịu mô-men xoắn thay đổi. Trong phân tích này, người ta xem xét các phản ứng động của trục khi chịu mô-men xoắn dao động từ tải pittông.

Phân tích được thực hiện trên mặt cắt ngang trục (radial view), nhìn từ đầu trục xuống. Nhà phân tích sẽ:

Xác định mô-men xoắn thay đổi trong suốt một vòng quay trục khuỷu (Hình 2).
Tính toán độ cứng xoắn của các thành phần quay như trục, bánh đà và động cơ.
Dự đoán cách trục phản ứng khi chịu tải xoắn, dựa trên đường kính, chiều dài và hình dạng của nó.

Thông Tin Cần Thiết Để Phân Tích

Để thực hiện phân tích xoắn, cần có các dữ liệu sau:

Kích thước và vật liệu trục động cơ
Quán tính và trọng lượng của rô-to động cơ
Hằng số lò xo xoắn của trục (NSX cung cấp)
Tốc độ vận hành dự kiến

Kết Quả Phân Tích

Báo cáo phân tích sẽ xác định:

Tần số tự nhiên xoắn của hệ truyền động.
Tần số kích thích do động cơ hoặc thiết bị tải sinh ra.
Các nguy cơ cộng hưởng xoắn và phương pháp giảm thiểu rủi ro.

Giải Pháp Khi Xảy Ra Cộng Hưởng Xoắn

Nếu hệ thống có nguy cơ bị cộng hưởng xoắn, có thể áp dụng các giải pháp sau:

Tăng độ cứng của hệ truyền động bằng cách thay đổi vật liệu hoặc thiết kế trục.
Giảm chấn rung động bằng cách thay đổi thiết kế thiết bị tải.
Điều chỉnh quán tính hệ truyền động bằng cách thêm hoặc điều chỉnh bánh đà.

Liên Quan Đến Dòng Điện Động Cơ

Ngoài dao động xoắn, cộng hưởng xoắn còn có thể gây ảnh hưởng đến dòng điện động cơ. Một nghiên cứu liên quan sẽ đánh giá sự tương tác giữa độ cứng điện từ của động cơ (đặc biệt là động cơ đồng bộ) và mô-men xoắn dao động do pittông gây ra.

Để hạn chế dao động dòng điện, người ta thường giới hạn dòng điện stato ở mức ±66% giá trị định mức bằng cách tăng quán tính hệ truyền động, thường bằng cách thêm bánh đà.

Tóm lại:

Phân tích xoắn giúp phát hiện và giảm thiểu rủi ro cộng hưởng xoắn trong hệ truyền động.
Dữ liệu quan trọng bao gồm mô-men xoắn, độ cứng xoắn, tốc độ vận hành và quán tính hệ thống.
Nếu có cộng hưởng xoắn, có thể khắc phục bằng cách thay đổi thiết kế trục, tăng cứng hệ thống hoặc sử dụng bánh đà.
Dao động xoắn cũng ảnh hưởng đến dòng điện động cơ, và có thể kiểm soát bằng cách điều chỉnh quán tính hệ thống.

Hình ảnh 2: Ví dụ về đường cong trục khuỷu (Crank effort curve)

HÌNH ẢNH 3: Động cơ điện thẳng đứng trên đế máy bơm

2. Phân Tích Tốc Độ Tới Hạn Ngang (Lateral Critical Speed Analysis)

Phân tích này dùng để làm gì?

Phân tích tốc độ tới hạn ngang giúp xác định dao động uốn (ngang) của trục quay trong hệ truyền động. Nó đặc biệt quan trọng đối với động cơ tốc độ cao (thường trên 1.800 vòng/phút), nơi mà rung động không kiểm soát có thể dẫn đến hư hỏng cơ khí.

Phân tích này tương tự như phân tích xoắn, nhưng thay vì tập trung vào dao động xoắn của trục, nó tập trung vào dao động ngang (uốn cong) khi trục quay.

Hiểu đơn giản

Hãy tưởng tượng bạn cầm một thanh thép dài theo phương ngang, sau đó kéo xuống ở giữa rồi thả ra – thanh thép sẽ rung lên xuống trước khi dừng lại. Trục quay trong động cơ cũng có thể rung như vậy khi vận hành, và nếu tốc độ quay trùng với tần số dao động tự nhiên, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra.

Nếu cộng hưởng xảy ra, rung động tăng cao bất thường, có thể gây:

Hỏng trục do ứng suất mỏi.
Mòn nhanh ổ đỡ do tải trọng dao động lớn.
Hư hỏng kết cấu khung máy do rung động lan truyền.

Mục tiêu của phân tích

Mục tiêu chính của phân tích này là xác định tốc độ tới hạn ngang – tức là tốc độ quay mà tại đó trục bị cộng hưởng cơ học. Nếu tốc độ làm việc của động cơ nằm gần tốc độ này, rung động có thể vượt quá mức an toàn, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống.

Dữ liệu cần thiết để phân tích

Để thực hiện phân tích tốc độ tới hạn ngang, cần có các thông tin sau:

Kích thước và vật liệu của trục.
Thông số của cụm rô-to (trọng lượng, quán tính, độ cứng ổ trục).
Dải tốc độ vận hành của động cơ.
Lực hút từ tính không cân bằng và sự mất cân bằng còn lại.
Hằng số lò xo ổ trục.

Kết quả phân tích sẽ bao gồm:

Tốc độ tới hạn ngang của hệ thống, thường thể hiện dưới dạng một giá trị (rpm) hoặc biểu đồ tốc độ.
Mức độ tách biệt giữa tốc độ vận hành và tốc độ tới hạn, giúp đánh giá nguy cơ cộng hưởng.
Kiểm tra thực tế bằng búa tác động (impact test) để xác minh phổ tần số dao động tự nhiên của rô-to.

Giải pháp nếu có nguy cơ cộng hưởng

Nếu phát hiện hệ thống có nguy cơ bị cộng hưởng tại tốc độ vận hành, có thể áp dụng các biện pháp sau:

Tăng độ cứng của trục bằng cách thay đổi kích thước hoặc vật liệu.
Điều chỉnh khối lượng rô-to để thay đổi tần số dao động tự nhiên.
Sửa đổi khung động cơ hoặc giá đỡ ổ trục để giảm rung động.
Giới hạn tốc độ vận hành, tránh vận hành trong phạm vi 15% - 25% của tốc độ tới hạn để đảm bảo an toàn.

Tóm tắt

Phân tích tốc độ tới hạn ngang giúp xác định xem trục có bị cộng hưởng do dao động ngang hay không.
Quan trọng đối với động cơ tốc độ cao, đặc biệt là máy bơm, máy nén.
Nếu tốc độ làm việc gần tốc độ tới hạn, cần điều chỉnh thiết kế trục hoặc khung đỡ để tránh hỏng hóc.
Thử nghiệm búa tác động giúp xác nhận kết quả phân tích.

Mục tiêu cuối cùng là đảm bảo hệ truyền động hoạt động ổn định, ít rung động và có tuổi thọ cao hơn.

3. Phân Tích Tần Số Tới Hạn Reed hay Phân tích tần số cộng hưởng uốn của trục quay (Reed Critical Frequency Analysis – RCF)

Reed Critical Frequency là Tần số cộng hưởng của trục khi bị kích thích theo phương ngang hoặc dọc trong hệ thống quay.

Phân tích tần số tới hạn Reed (RCF) là phương pháp đánh giá dao động tự nhiên của một động cơ gắn mặt bích để xác định xem hệ thống có gặp cộng hưởng trong quá trình vận hành hay không.

Hiểu Đơn Giản

Hãy tưởng tượng bạn cầm một chiếc lò xo thẳng đứng, giữ chặt ở đầu dưới và búng đầu trên. Lò xo sẽ rung lắc trước khi ổn định. Một động cơ gắn mặt bích cũng có thể dao động theo cách tương tự khi bị tác động. Nếu tần số dao động này trùng với tần số kích thích từ tốc độ vận hành, nó có thể gây rung động quá mức, làm hỏng thiết bị hoặc giảm tuổi thọ máy.

Mục Tiêu Của Phân Tích

Phân tích này giúp tìm ra tần số tự nhiên của động cơ khi gắn mặt bích, từ đó xác định xem có nguy cơ cộng hưởng với tốc độ vận hành hay không. Nếu có, cần có biện pháp điều chỉnh để tránh hư hỏng.

Cách Thực Hiện Phân Tích

Tính toán độ lệch tĩnh:
- Khi động cơ gắn mặt bích theo phương ngang, trọng lượng của nó sẽ tạo ra một độ lệch nhỏ.
- Dựa vào độ lệch này và độ cứng của bích và thân động cơ, có thể ước tính tần số tự nhiên của hệ thống.
Áp dụng công thức tiêu chuẩn:
- Dựa vào công thức từ tiêu chuẩn NEMA MG-1, Phần 20.23, có thể tính toán RCF của động cơ.
Thu thập dữ liệu thực tế:
- Kích thước, vật liệu, khối lượng tổng thể của động cơ.
- Vị trí trọng tâm và độ cứng của các bộ phận.
- Độ lệch tĩnh được đo đạc hoặc tính toán.
Kiểm tra thực nghiệm:
- Dùng búa va đập (Impact Hammer Test) để đo tần số tự nhiên của động cơ và xác nhận kết quả tính toán.

Giải Pháp Nếu Có Cộng Hưởng

Nếu tần số vận hành quá gần với RCF, có thể áp dụng các biện pháp sau:

Cứng hóa kết cấu giá đỡ động cơ để tăng độ ổn định.
Điều chỉnh tần số tự nhiên bằng cách thêm khối lượng hoặc thay đổi thiết kế mặt bích.
Sử dụng giá đỡ đàn hồi để giảm chấn rung động.

Tóm lại: Phân tích RCF giúp xác định và ngăn chặn cộng hưởng nguy hiểm ở động cơ gắn mặt bích, giảm rung động và tăng độ tin cậy của hệ thống.

Kết Luận chung

Với 3 phân tích ở trên, các vấn đề rung động cộng hưởng vốn có trong thiết kế hệ truyền động có thể được giải quyết.

---

Xin chào bạn!

Nếu bạn đang thích trang web của chúng tôi và thấy các bài viết của chúng tôi hữu ích, chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của bạn. Với sự giúp đỡ của bạn, chúng tôi có thể tiếp tục phát triển tài nguyên và cung cấp cho bạn nội dung có giá trị hơn nữa.

Cảm ơn bạn đã ủng hộ chúng tôi.

Nguyễn Thanh Sơn

Tìm kiếm Blog này