đồ án kỹ thuật cơ khí Chẩn đoán kỹ thuật, chẩn đoán kỹ bằng biện pháp đo dao động.

Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị là một hệ thống tích hợp phần cứng – máy đo, đầu đo; phần mềm và giải pháp thực hiện giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống máy mó

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáoPhạm Minh Hải, người đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ

án này và đã cung cấp cho em những tài liệu để nghiên cứu đề tài và những

ý kiến đóng góp quý báu cho việc hoàn thành đồ án

Em cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung và khoa Cơ Khí nói riêng đã dìu dắt

em trong những năm học vừa qua Bộ môm Cơ Sở Thiết Kế Máy & Robot trường Đai Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện để em thực tập và hoàn

thành đề tài

Cuối cùng, một lần nữa em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn vàkhoa cơ khí, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ em về mọi mặt để em hoànthành nhiệm vụ được giao

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, dưới áp lực cạnh tranh gay gắt của thị trường, việc cần thiếtphải giảm tối đa giá thành sản phẩm cũng nh các chi phí quản lý nhà máyđang là một vấn đề rất bức xúc và cần phải giải quyết một cách triệt để Hàng năm các công ty phải bỏ ra một khoản chi phí rất lớn để bảo dưỡng

và sửa chữa máy móc Để giảm được tối thiểu chi phí cho bảo dưỡng và sửachữa thì ta cần phải chủ động trong công tác lập kế hoạch sửa chữa Nhằmthoả mãn tăng năng suất thiết bị, giảm giá thành sản phẩm tăng khả năng

cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường đòi hỏi các nhà Quản Lý sản xuất

phải đổi mới công nghệ sản xuất cũng như việc ứng dụng các thành tựu củakhoa học vào các dây chuyền sản xuất một trong những phương pháp đượcthực hiện chủ yếu tại các nhà máy là nâng cao công tác tổ chức, quản lý bảodưỡng thiết bị tận dụng tối đa năng lực sản suất của hệ thống thiết bị vàgiảm tối thiếu các hư hỏng trên hệ thống thiết bị

Từ những năm 50 của thế kỷ 20 các kỹ thuật tiên tiến đã liên tục đượcphát triển và ứng dụng tại các dây chuyền sản xuất của các nước côngnghiệp phát triển Hàng loạt các phương pháp bảo dưỡng liên tục ra đời thaythế cho các phương pháp cũ lạc hậu trong các dây chuyền sản xuất nh bảo d-ưỡng khi hư hỏng Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị là một

hệ thống tích hợp ( phần cứng – máy đo, đầu đo; phần mềm và giải pháp )thực hiện giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống máy móc thiết bị, phântích các yếu tố tác động lên thiết bị qua đó có thể dự báo chính xác được tuổithọ của thiết bị, chẩn đoán các hư hỏng sẽ suất hiện trên hệ thống, xác địnhđược vị trí nguyên nhân và mức độ hư háng Cung cấp đầy đủ các thông tincần thiết giúp các nhà quản lý và các kỹ sù bảo dưỡng hoàn toàn chủ độngtrong việc tổ chức sản xuất, chuẩn bị vật tư thay thế và lên lịch sửa chữa bảo

2

dưỡng thiết bị Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đotrở lên nhỏ gọn, có khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cao.

Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị hiện đại còn cho phéptích hợp với các hệ thống điều khiển trung tâm như từ đơn giản ( PLC ) đếncác hệ thống phức tạp ( SCADA, DCS ) tạo thành hệ thống tác động toàndiện cho phép vừa giám sát, điều kiển công nghệ, vừa giám sát được tìnhtrạng làm việc của từng chi tiết thiết bị của dây chuyền sản xuất Vì vậytrong những năm gần đây, hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bịtrở thành một bộ phận không thể thiếu trong bất kỳ một dây chuyền sản xuấtnào của các nước có nền công nghiệp tiên tiến

Phương pháp bảo dưỡng phòng ngừa theo tình trạng thiết bị đầu tiên ược đa vào áp dụng chủ yếu trong các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử,các nhà máy hoá chất… Từ những năm 90 trở lại đây phương pháp này được

đ-áp dụng cho các nhà máy giấy, dây chuyền cán thép, nhà máy ximăng…vànhanh chóng thể hiện được những ưu điểm nổi bật của nó trong công tác bảodưỡng phòng ngừa ở các nhà máy này

Chương I

TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT, CHẨN ĐOÁN

KỸ BẰNG BIỆN PHÁP ĐO DAO ĐỘNG.

1.1 Khái niệm cơ bản về kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị

Các máy móc và thiết bị đựơc trang bị trong các nhà máy, xí nghiệp ngàynay càng tăng về kích cỡ, tốc độ, tính liên tục và độ phức tạp Do đó, sự ảnhhưởng xấu bở các điều kiện bất thường của máy móc thiết bị lên các dâychuyền sản xuất rất khó xác định, chi phí cho việc bảo dưỡng máy móc sẽngày càng tăng trong chi phí quản lý của nhà máy

Để việc bảo dưỡng máy móc thiết bị trở lên chính xác có hiệu quả, cầnphải biết chính xác tình trạng hư hỏng cũng như nguyên nhân gây ra hưhỏng trên hệ thống máy thiết bị cần bảo dưỡng Sau khi đã nắm rõ thực trạngcủa máy móc thiết bị, các bước thao tác quan trọng sau đây phải được thựchiện theo đúng các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị:

- Xác định thời gian và khối lượng chi tiết cần sửa chữa, thay thế

- Đảm bảo độ tin cậycủa công tác sửa chữa, thay thế

- Xác định thời gian đặt hàng của các chi tiết thay thế

- Xác địng các phương pháp bảo dưỡng chính xác

Do đó, có thể thực hiện tất cả các thao tác bảo dưỡng máy một cách chínhxác và có hiệu quả, việc áp dụng kỹ thuật chẩn đoán tình trạng của thiết bị( Machine Condition Diagnosis Technique – CDT ) là đặc biệt cần thiết Với

kỹ thuật này, các hư hỏng, độ sai lệch, độ bền và hiệu suất…của máy sẽđược đo đạc để phục vụ cho các công tác chuẩn đoán sau này

Kỹ thuật chuẩn đoán tình trạng của thiết bị có thể được định nghĩa là: kỹthuật mà trong đó tình trạng của máy như các ngoại lực tác động lên máy, độ

4

bền hiệu suất của mỏy, cỏc hư hỏng và cỏc thiếu sút của hệ thống mỏy múc được định lượng nhằm phõn tớch và dự bỏo độ tin cậy và cỏc tớnh năng của

hệ thống, trong đú nếu bất cứ tỡnh trạng bất thường nào được phỏt hiện,nguyờn nhõn, vị trớ, mức độ nguy hiểm… sẽ được xỏc định và được phõntớch nhằm đưa ra cỏc phương phỏp xử lý chớnh xỏc

Do đú, cần phải chỳ ý rằng: kỹ thuật chuẩn đoỏn tỡnh trạng thiết bị là mộtkhỏi niệm rộng hơn nhiều so với kỹ thuật khảo sỏt và tỡm hiểu hư hỏng củathiết bị ( tất nhiờn kỹ thuật này cũng bao hàm trong kỹ thuật chuẩn đoỏn tỡnhtrạng)

- Phỏt hiện mức độ hư hỏng.

- Phõn tớch và tớnh toỏn mức độ hư hỏng.

Xỏc định và tớnh toỏn độ bền và hiệu suất thiết bị

- Kỹ thuật xỏc định độ bền và hiệu suất.

- Phõn tớch và tớnh toỏn hiệu suất và độ bền.

Chẩn đoỏn toàn diện

- Nguyờn nhõn và mức độ hư hỏng.

- Dự đoỏn độ tin cậy và tuổi thọ.

- Lựa chọn cỏc phương phỏp cải tiến, sửa chữa

Các h hỏng cơ khí

Hỏng hóc

Fm

Truyền

động cơ khí

Độ bền và hiệu suất

Thiết bị Tác động

Kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị

Bình th ờng

Kỹ thuật chẩn đoán ban đầu cho

thiết bị, đ ợc thực hiện bởi công

nhân ngoài hiện tr ờng

Kỹ thuật phân tích tình trạng thiết bị

đ ợc thực hiện bởi các chuyên gia gọi

là đội phân tích tình trạng.

Hình 1.2 Hệ thống cơ bản của kỹ thuật chẩn đoán

tình trạng thiết bị

1.2 Các thành phần cơ bản của chẩn đoán tình trạng thiết bị

Kỹ thuật giám sát tình trạng ( Condition Monitoring Technique – CMT)được thực hiện chủ yếu bởi công nhân ngoài hiện trường và đưa ra các chẩnđoán ban đầu về tình trạng của thiết bị

Kỹ thuật phân tích tình trạng ( Condition analysis Technique - CAT) được thực hiện bởi các chuyên gia nhằm đưa ra các quyết định cuối cùng vềtình trạng của các thiết bị

Mối liên hệ giữa hai kỹ thuật này ( CMT & CAT ) tương tù nh mối liên

hệ giữa y tá và bác sĩ trong y học Có nghĩa là hệ thống phát hiện sớm cácbệnh để điều trị và bảo vệ sức khoẻ không chỉ áp dụng cho người mà còn ápdụng cho cả thiết bị và máy móc

CMT tương tù nh việc kiểm tra sức khoẻ ban đầu của bệnh nhân nhằmgiám sát tình trạng của thiết bị một cách nhanh chóng và có hiệu quả, kỹthuật này bao gồm các chức năng cơ bản sau:

- Định hướng tác động lên máy và phát hiện các tác động bất bìnhthường

- Xác định xu hướng phát triển của sai xót, hư hỏng nhằm phát hiệnchúng ở các giai đoạn sớm nhất

6

- Xác định các đặc tính, hiệu suất … của máy móc nhằm phát hiện cáctrạng thái bất thường.

- Giám sát và bảo vệ máy móc

- Tìm kiếm các máy móc hư hỏng ( tìm bệnh nhân )

CAT là kỹ thuật phân tích chính xác các “ hiện tượng bất thường “ củathiết bị được phát hiện bởi CMT, nhằm đa ra các quyết định về việc sửachữa, bảo dưỡng Do đó, nó bao gồm các chức năng sau:

- Xác định kiểu, dạng của bất thường

- Xác định nguyên nhân gây ra bất thường

- Xác định mức độ nguy hiểm và dự báo cả quá trình phát triển

- Đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp

Ngoài ra, CAT còn bao gồm một số các kỹ thuật đo và phân tích cơ bảnnhư:

- Kỹ thuật định lượng các tác động

- Kỹ thuật tìm kiếm và phân tích lỗi

- Kỹ thuật định lượng độ bền và hiệu suất của thiết bị

Hình 1.3 bao gồm các nội dung chính của CAT Ngoài ra, nó còn baogồm rất nhiều chương trình tính toán và phân tích các hư hỏng vật lý

Bảng1.1 chỉ ra chi tiết việc áp dụng CAT cho các thiết bị cụ thể Từ bảngnày ta có thể chọn các phương án thích ứng với các loại thiết bị và mức độứng dụng của chúng trong thực tế

Phân

loại

Thiết bị chính Phương pháp

chẩn đoán

Hớng dẫn khai triển

- Phương pháp đodao động của âm.

- Phương phápcách điện

- Phương phápbiến đổi vận tốc

- Phương phápphân tích dấu

Các phương pháp xungcủa SKF, phương phápvòng của MTL, phươngpháp sóng dao động vớitần số cao của NipponSteel được sử dụng trongthực tế khi chẩn đoán các

ổ lăn Với hệ thống bánhrăng của máy móc các lýthuyết chẩn đoán củaĐHTH Southampton và(NASA) hay được sửdụng nhất Với các ổ trượtngười ta hay dùng cácphương pháp đo độ ổnđịnh và cách điện

- Phương pháp đoồn

- Phương pháprung

Để dò vết nứt của trụccác phương pháp đo rung

và ồn thường được ápdụng Khi chẩn đoán cácdao động bất thường củacác chi tiết quay với tốc

độ cao, người ta hay dùngkết quả của GE (Mỹ) vàhiện nay là Đức và ThuỵĐiển

8

- Phương phápxung áp suất.

- Phương phápsiêu âm khí

- Phương phápthay đổi nhiệt độ

- Phương pháp đohiệu quả

Để chẩn đoán các tuabin thuỷ, bơm…Người tathường dùng phương phápxung áp suất Phươngpháp siêu âm khí, phươngpháp nhiệt độ thường đư-

ợc dùng để dò tìm kẽ hởvan… Các kỹ thuật chẩnđoán cho các máy dùng ápsuất dầu…Được nghiêncứu từ những năm 50Các

- Phương phápxung áp suất

- Phương phápphân tích khí thải

Các kỹ thuật chẩn đoáncác máy móc dạng nàyđược chủ yếu nghiên cứucho động cơ của máy bay,tàu biển…và cũng được

áp dụng rất nhiều trongnhà máy điện

- Phương phápdòng điện

- Phương pháp tialửa điện

Các phương pháp chẩnđoán cho máy công cụ đãđược thực hiên khoảng 20năm trước đây và đã được

hệ thống hoá Việc chẩnđoán các máy hàn điện ra

không thường xuyên, tuynhiên hiện nay đã xuấthiện máy hàn có tính năng

- Phương phápdùng camarahồng ngoại

- Phương phápsiêu âm

- Phương pháp đo

độ mòn

- Phương pháp dựbáo cơ khí

Với các hệ buồng áp suấthoặc cấu trúc dàn tĩnh đặcbiệt là các dạng dànkhoan, người ta hay dùngphương pháp đo độ ồn Đểchẩn đoán độ dày của vỏ,

độ ăn mòn của tháp vàthùng chứa người tathường áp dụng cácphương pháp siêu âm,phương pháp cơ khí…

- Phương phápphân tích dòngđiện

- Phương phápchẩn đoán dòngđiện

Các phương pháp nhưchẩn đoán cách điện, định

vị điểm lồi… đã được ápdụng từ khá lâu Hiện tạicác phương pháp đo daođộng âm, phương phápphân tích dòng, bước đầuđược nghiên cứu và ápdụng nằm nâng cao hiệu

10

- Phương phápđịnh điểm lỗi.

quả của việc chẩn đoántrong lĩnh vực này

- Lý thuyết thốngkê

- Lý thuyết phântích nhiều biến

Phương pháp chuyển đổichức năng được áp dụngtrong hầu hết các hệ điềukhiển Hiện nay người tađang cố gắng áp dụng cụcác phương pháp chẩnđoán hiện đại nh phươngpháp lọc Kalman, nhằmđạt độ chính xác chẩnđoán cao hơn

Bảng 1.1 Các kỹ thuật áp dụng cho chẩn đoán tình trạng thiết bị

1.3 Hệ thống bảo dưỡng phòng ngừa (bảo dưỡng theo tình trạng)

Trong hầu hết công tác bảo dưỡng hiện nay, bảo dưỡng phòng ngừa

đư-ợc áp dụng hầu hết các nghành công nghiệp Ví dụ trong nghành côngnghiệp gang thép, cứ 10 ngày một lần nhà máy sẽ dừng 10 giờ để thực hiện

sử chữa nhỏ và 10 ngày trong một năm để sử chữa lớn Khi công tác sử chữađược thực hiện định kỳ theo một khoảng thời gian, thì công tác bảo dưỡng đ-ược gọi là bảo dưỡng theo thời gian ( Time Based Maintenance – TBM) Ngược lại công tác bảo dưỡng thực hiện theo các tình trạng hư hỏng củathiết bị được xác định bởi kỹ thuật chẩn đoán tình trạng gọi là bảo dưỡngtheo tình trạng gọi là bảo dưỡng theo tình trạng (Condition Based

Maintenane –CMB ) hoặc bảo dưỡng theo phòng ngừa (PredictiveMaintenance – PRM).

Bảo dưỡng theo thời gian thường được thực hiện theo các chu kỳ thờigian ngắn hơn so với tuổi thọ của thiết bị Khoảng thời gian này được xácđịnh dựa theo sự phân bố các hư háng trong quá trình làm việc của từng thiết

bị cụ thể Nếu khoảng thời gian được đặt quá dài, các hư hỏng có thể xuấthiện do sự phân bố hư háng của máy, vì vậy khoảng thời gian giữa các kỳbảo dưỡng phải đủ ngắn và khối lượng bảo dưỡng tăng lên

Mặc dù các thiết bị được sử chữa tất cả các hư háng nhưng sau mỗi lầnsửa chữa, độ tin cậy của hệ thống vẫn không được nâng cao nh muốn Vìvậy, phương pháp bảo dưỡng theo thời gian không đảm bảo độ tin cậy làmviệc của máy cũng nh tiết kiệm chi phí bảo dưỡng

Mặt khác, đối với phương pháp bảo dưỡng đường theo tình trạng Chu kỳsửa chữa trong phương pháp bảo dưỡng theo thời gian được thay thế bằngchu kỳ chẩn đoán trong phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng, không phảisửa chữa mà chỉ có chẩn đoán và giám sát được thực hiện theo chu kỳ sửachữa theo tình trạng

12

Thêi ®iÓm söa ch÷a theo lÞch

HÖ thèng b¶o d­ìng theo thêi gian ìng theo thêi gian

Thêi gian

-Khi khụng cần thực hiện cỏc chu kỳ sửa chữa, cỏc chi phớ vật tư cũng nhưnhõn cụng cho cụng cho cụng tỏc bảo dưỡng giảm đi đỏng kể, cỏc sai sót củacụng nhõn trong quỏ trỡnh sửa chữa cũng cú thể trỏnh được

Hỡnh 1.2 chỉ ra mối liờn hệ giữa chi phớ bảo dưỡng và thời gian dừng mỏycủa cỏc phương phỏp bảo dưỡng khi hỏng (Break down Maintenance), bảo

Điểm giám sát mức dưỡng theo thời gianao động theo chu kỳ

Hệ thống bảo dưỡng theo thời gian ỡng theo tình trạng

Thời điểm các kỹ s CDT yêu câù sửa chữa

Thực hiện sửa chữa

H hỏng

Thời gian

dưỡng theo thời gian (Time Based Maintenance ) và bảo dưỡng theo tìnhtrạng (Condition Based Maintenance).

Trong sơ đồ, độ rộng của hình chữ nhật chỉ ra chu kỳ dừng máy và chiềucao là khối lượng cần bảo dưỡng Diện tích của hình chữ nhật là tổng chi phíbảo dưỡng Sơ đồ này đợc dựa trên các cơ sở dữ liệu có thật tại nhà máygiấy Anh

Qua sơ đồ này ta thấy rằng, nếu phương pháp bảo dưỡng theo tình trạngđược áp dụng chi phí bảo dưỡng được giảm đi đáng kể

14

Th¸ngB¶o d­ìng theo thêi gian ìng háng hãc

Th¸ng

B¶o d­ìng theo thêi gian ìng theo t×nh tr¹ng (CMB )

Th¸ngB¶o d­ìng theo thêi gian ìng theo thêi gian (TBM )

Söa ch÷a nhá khi d­ìng theo thêi gianõng m¸y

Hình 1.4 So sánh giữa các phương pháp bảo dưỡng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ CỦA CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT

BẰNG ĐO DAO ĐỘNG

2.1 ý nghĩa và các dạng dao động của máy

Khi máy móc xuất hiện các hiện tượng bất thường, trong phần lớn cáctrường hợp, chúng sẽ làm thay đổi biên độ và tần số dao động của máy Do

đó nếu dao động được đo và phân tích ta có thể xác định được các hư hỏngcủa máy mà không cần dừng hoặc tháo máy Đây chính là lý do tại sao màdao động được coi là đại lượng chỉ thị tình trạng của máy

Dao động của máy được định nghĩa là “ sù thay đổi theo các khoảng thờigian, trong đó độ lớn của đại lượng chỉ thị sự chuyển động hoặc chuyển vịcủa một hệ thống máy móc trở lên rất lớn hơn giá trị trung bình hoặc giá trịquy ước tại một thời điểm nào đó mà trở nên nhỏ hơn thời điểm tiếp theo,sau đó liên tục lặp lại hai trạng thái này”.

Theo quan điểm chẩn đoán tình trạng máy đặc biệt là các máy quay, các

dạng dao động của máy như ở hình 2.1

Dao động của máy có thể chia làm hai loại chính:

- Dao động có quy tắc: Là loại dao động mà dạng sóng được xác định

- Dao động bất quy tắc: Là dao động mà dạng sóng của nó chỉ có thể xác định bởi các chỉ số thống kê như giá trị trung bình  và hệ số phân

bè  tại một thời điểm nào đó

Biên độ dao động có quy tắc d là một hàm của thời gian t :

d = D(t) (2.1)

Công thức này áp dụng cho dao động có chu kỳ và không có chu kỳ Mặt khác, với các dao động bất quy tắc, sóng dao động thay đổi khôngtheo quy luật thời gian và không thể mô tả chúng như là một hàm thời gianngược lại với biểu thức (2.1) Quá trình xử lý các sóng dao động bất quy tắcnày gọi là quá trình thống kê và trong trường hợp này sự phân tích sẽ dựatrên thuyết xác suất Để mô tả mản chất dao động, người ta dùng các chỉ sốthống kê như các hàm xác suất P(d), giá trị trung bình d và hệ số phân bố 

Để phục vụ cho việc chuẩn đoán, cần phải nhận biết các dạng dao động như

ở hình 2.1 tương ứng với dạng dao động của máy cần chẩn đoán và qua đó ta

xác định phương pháp đo và phân tích Dạng dao động thường gặp trong

16

chẩn đoán các máy quay là các dao động có chu kỳ, dao động giả chu kỳ,dao động bất quy tắc có dải hẹp, dao động bất quy tắc có dải rộng ….

18

2.2 Dao động điều hoà và đặc tính cơ bản

Hình 2.2 mô tả hệ thống bao gồm lò xo với hệ số độ cứng K nối với mộtvật nặng có khối lượng M nếu vật nặng được kéo đi với một khoảng cách D

so với chiều dài ban đầu sau đó thả ra, vật nặng sẽ di chuyển theo chu kỳtheo phương thẳng đứng Trong trường hợp này, vị trí của vật nặng tại thờiđiểm nào đó tạo nên dạng sóng hình sin

Dao động mà chuyển vị của nó là hình sin theo thời gian được gọi là daođộng điều hoà hay dao động điều hoà đơn

Chuyển vị d theo thời gian t được mô tả bởi công thức:

d = Dsin( 2 t/T +  )Trong đó : Chu kỳ T là khoảng thời gian ngắn nhất mà các trạng tháitương tự lặp lại và là dẫn xuất của tần số f = 1/T [ Hz] và  = 2f [rad/s] Trong các thông số của dao động điều hoà, giá trị trung bình dav và giá trịbình phương trung bình drms là hai thông số quan trọng Giá trị dav là giá trịtrung bình của 1 nửa chu kỳ Hệ số hình dạng Ff dùng để thể hiện dạng sóngcủa dao động: Ff = drms/dav

Hệ số Crest Fc chỉ ra các thuộc tính ảnh hưởng của dạng sóng :

Fc = D/drms

Các giá trị dav, drms, Ff và Fc thường được sử dụng để chẩn đoán tình trạngmáy như các chỉ thị số thể hiện đặc tính không chỉ dao động điều hoà màcòn cho các dạng dao động nói chung

2.3 Dao động có chu kỳ và các đặc tính cơ bản

Khi sóng dao động và được lặp lại sau mỗi chu kỳ T và biểu thức D(t)

=D(t +nT) với ( n = 0, 1, 2…) được xác lập thì dao động được gọi là daođộng có chu kỳ, Khi thực hiện chuyển động quay quanh nó tạo nên cácchuyển động có chu kỳ và giả chu kỳ Dao động giả chu kỳ không thực sự làmột dao động có chu kỳ, tuy nhiên ta có thể biến đổi thành dạng dao động cóchu kỳ thông qua phép biến đổi envelop…

Dao động có chu kỳ cũng được gọi là dao động có dạng sóng méo trong

kỹ thuật điện và cũng được coi là tổng của các dao động diều hoà

Dao động với các thành phần tần số là giống nhau nhưng dạng sóng sẽ rấtkhác nhau và các sóng này hoàn toàn phụ thuộc vào mối liên hệ giữa các phaban đầu

Nếu các sóng dao động điều hoà có tần số khác nhau kết hợp với nhau sẽtạo ra các dao động có chu kỳ, tính chất điều hoà không còn nữa

2.4 Các dao động giả chu kỳ và các đặc tính cơ bản

Dạng dao động bất quy tắc với tần số cao fs theo chu kỳ Ts(1/fs) tại tâmdao động xét một cách chính xác thì không phải là dao động có chu kỳ Do

đó, việc phân tích tần số được thực hiện, các giá trị cực đại cũng không thểchỉ ra chính xác trên đồ thị Đặc biệt khi chuẩn đoán tình trạng máy, thường

ta phải xác định chu kỳ Ts nhưng nó không xuất hiện trên phổ tần số

20

Trong trường hợp này, nếu ta lật phần âm của sóng dao động lên phầndương của nó và thực hiện xử lý các giá trị dương.

Nếu như việc xử lý tín hiệu qua các giá trị tuyệt đối là một nội dung củaphương pháp lọc dải tần số thấp thì phương pháp xử lý envelop các tín hiệu

xử lý thường có dạng d(t) = d(t + nTs) Như vậy với các dao động có chu kỳcác phổ đường sẽ đạt cực đại Các dạng dao động giả chu kỳ thường gặp khichuẩn đoán ổ lăn, bánh răng, động cơ…

CHƯƠNG III ĐẦU ĐO, MÁY ĐO VÀ BỘ LỌC

3.1 Gới thiệu về các loại cảm biến

3.1.1 Cảm biến gia tốc.

 khái niệm về cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc là dựa trên một hiện tượng vật lý nào đó và sử dụng mốiquan hệ giữa lực và khối lượng để nhận được đại lượng điện hoặc thông tin

về đo gia tốc Cảm biến gia tốc được phân chia thành nhiều loại khác nhauphụ thuộc vào hiện tượng vật lý mà nó áp dụng và việc cho chúng đo trựctiếp một lực hoặc đo giám tiếp thông qua sự biến dạng hay dịch chuyển củavật trung gian

Ta cũng có thể phân chia cảm biến gia tốc theo các hiện tượng mà cảmbiến được sử dụng để phân tích và dải tần số có Ých của các hiện tượng nàyxác định dạng cảm biến thích hợp để nâng cao độ chính xác Cảm biến đogia tốc là cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc

 Nguyên lý cảm biến rung động

Tuỳ theo dải tần số, cảm biến rung động được cấu tạo từ một loại cảmbiến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lí cảm biến địa chấn (mass – spring)

Cấu tạo cảm biến gồm một bộ phân cơ khí (Tinh thể điện áp hoặc lò xo)nối với khối lượng rung và tất cả được đặt trong một cái hộp Chuyển độngrung của khối lượng m được chuyển thành tín hiệu điện là đại lượng thứ cấp

m2 cần đo

Như trên hình vẽ:

h0 tương ứng với tung độ điểm trên hộp

h tương ứng với tung độ điểm trên khối lượng rung

Khi không có tác động của gia tốc lên vỏ hộp thì ta có Z = h- h0

Và phương trình cân bằng giữa phản lực Cz, lực ma sát nhớt F dz dt và lực m

= - F dz dt - Cz hay là m 20

2

dt

h d

= -m 20

2

dt

h d

+ F dz dt + Cz

22

m c

k

h

h 0Hép

§Õ

Từ phương trình này ta thấy cấu tạo của loại cảm biến để đo đại lượng sơcấp m1(độ dịch chyển, vận tốc hoặc gia tốc) phụ thuộc vào cấc đại lượngđược chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2và dải tần số làm việc Dải tần nàyquyết định số hạng nào trong vế phải của phương trình chiếm ưu thế

 Cảm biến rung đo tốc độ

Cấu tạo như hình vẽ:

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến rung đo tốc độ

Để đo tốc độ rung của một cấu trúc dh0/dt là kí hiệu ph0 thông qua dịchchuyển tương đối z như là đại lượng đo thứ cấp, độ nhạy sơ cấp S1 được biểudiễn bằng biểu thức:

Trong đó m1 = h0 và m2=z , để tiện lợi ta thường sử dụng đại lượng đo thứcấp m2 là tốc độ tương đối dz/dt Khi đó độ nhạy S1 có dạng giống như cảmbiến khối lượng rung đo theo dịch chuyển Việc chuyển tốc độ tương đối củakhối lượng so với hợp thành tín hiệu điện thực hiện nhờ một cuộn dây gắnvới khối lượng rung Bên trong cuộn dây là một lõi từ gắn với vỏ của cảmbiến Bằng cách đo suất điện động của cuộn dây có thể đánh giá được tốc độrung cần đo.

3.1.2 Cảm biến lực

Cảm biến lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo

và bị biến dạng, biến dạng này là nguyên nhân của lực biến dạng tỉ lệ với lựcđối kháng (theo định luật hooke)

Biến dạng và lực gây lên biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các đầu đo hoặc

đo gián tiếp nếu một trong các tính chất điện của vật liệu trung gian phụthuộc vào biến dạng

+ Cảm biến lực dựa trên phép đo độ dịch chuyển

Trong loại cảm biến này lực đặt lên vật trung gian và gây lên sự thay đổikích thước   của nó Sự thay đổi kích thước có thể đo bằng cảm biến dịchchuyển Tỷ lệ giữa tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn bằng biểuthức :

m

m m

V

V F

3.1.3 Cảm biến nhiệt độ

Trong tất cả các loại đại lượng vật lí, thì nhiệt độ là một trong các đạilượng được quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết địnhtrong nhiều tÝnh chất của vật chất Để đo được trị số chính xác của mộtnhiệt độ là một vấn đề không đơn giản Thực ra phần lớn các đại lượng vật líđều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúng với một đạilượng cùng bản chất được coi là đại lượng so sánh Những đại lượng nhưvậy gọi là đại lượng mở rộng bởi vì chúng có thể xác định bằng bội số hoặcước số của đại lượng chuẩn Ngược lại, nhiệt độ là đại lượng gia tăng: việcnhân hoặc chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lí rõ ràng Bởi vậy nghiêncứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt độ là một điều cần làm trước khinói đến việc đo nhiệt độ

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chínhsau đây

- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ đo daođộng nhiệt ( hiệu ứng Doppler)

- Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn: của chất lỏng hoặcchất khí (với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm

- Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ,hiệu ứng seebeck, hoặc dựa trên sự thay đổi tầm số dao động củathạch anh

 Đo nhiệt độ bằng điện trở

+ Độ nhạy của nhiệt

- Sù thay đổi nhiệt độ của một điện trở phụ thuộc đồng thời vào điện trởsuất  và kích thước hình học của nó Đới với một dây điện trở chiều dài 

và tiết diện s

+ Chế tạo nhiệt kế

Thông thường các điện trở chế tạo từ nikel làm việc ở thấp hơn 2500C.Tuy vậy nikel có những nhược điểm là chất có hoạt tính hoá học cao, nó dễ

bị oxy hoá khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn định của

nó và hạn chế dải nhiệt độ làm việc của điện trở Ngoài ra ta có thể làm điệntrở bằng Pt, Ni, đôi khi còn làm bằng đồng ,W để chế tạo điện trở

Để có độ nhạy cao phải sử dụng các điện trở tương đối lớn Muốn vậy phải:

- Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế bởi vì tiết diện dây càng nhỏthì dây căng dễ đứt

- Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị giới hạn bởi vì tăng chiều dàidây làm tăng kích thước của điện kế

3.1.4 Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển

Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển được ứng dụng rất rộng dãi Đó

là việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng một vai trò rất quan trọng đối vớihoạt động của nhiều máy móc, công cụ Hơn nữa, một số lượng vật lý có thể

đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác độngcủa đại lượng vật lý đó Có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí vàdịch chuyển Trong phương pháp thứ nhất (được sử dụng nhiều hơn cả).Cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trongnhững phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó có liên quan với vật diđộng mà ta cần đo sự dịch chuyển Sự thay đổi của tín hiệu sẽ cho biết độdịch chuyển của vật thể Một số cảm biến loại này có cấu tạo bao gồm mộttrở kháng có một trong những đặc trưng hình học hoặc kích thước thay đổitheo vị trí của phần tử động như: điện kế, cuộn cảm lõi động vv

26

Trong phương pháp thứ hai Ýt sử dụng hơn ứng với các dịch chuyển cơbản (một đơn vị dịch chuyển), cảm biến sẽ phát ra mét xung Khi đó vị trí vàdịch chuyển được xác định bằng cách đếm số xung pháp ra.

Một số loại cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vậtcần đo khoảng cách và dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch với cảm biếnthực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, điện từ trường hoặcđiện trường tĩnh điện Độ lớn của đại lượng trung gian là hàm của khoảngcách giữa vật thể và cảm biến và được xác định bằng phải hồi điện của cảmbiến

Điện kế gồm một điện trở cố định Ra trên đó có một tiếp xúc điểm có thể

di chuyển gọi là con chạy Con chạy này được gắn cơ học với vật chuyểnđộng cần nghiên cứu.Giá trị của điện trở R gữa con chạy và một đầu củađiện trở Ra là hàm phụ thuộc vào vị trí của con chạy( cũng chính là vị trí củachuyển động) Mặt khác nó cũng phụ thuộc vào bản thân điện trở Ra Nếuđiện trở Ra được chế tạo đồng đều thì điện kế sẽ tuyến tính và R tỷ lệ với vịtrí con chạy

Phụ thuộc vào dạng hình học của Ra và dạng chuyển động của con chạy,người ta phân biệt hai loại điện kế thế:

- Điện thế kế dịch chuyển thẳng hình

R() L Ra

Hình 3.3 Cấu tạo cảm biến dịch chuyển

Các điện trở có thể tồn tại ở dạng cuộn dây hoặc băng dẫn Các điện trởđược chế tạo với giá trị Rn nằm trong khoảng từ 1K đến 100K Tuy theotừng trường hợp cụ thể độ chính xác của điện trở có thể là 20%, 10% và đôikhi tới 5% Trên thực tế không đòi hỏi độ chính xác cao vì tín hiệu đo chỉphụ thuộc vào tỉ số R(x)/Rn

Con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, nghĩa là không gây lên suấtđiện động tiếp xúc, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định Ngoài ra phải đảmbảo các tiêu chuẩn trên trong điều kiện có dao động và tốc độ dịch chuyểnlớn

 Cảm biến cảm ứng

 Nguyên lý và tính chất

Trong các loại cảm biến cảm ứng đo vị trí và dịch chuyển, vật cần đo vịtrí được gắn vào một phần tử của mạch gây nên sự biến thiên từ thông trongcuộn đo Nếu phần tử động là một lõi sắt từ và dịch chuyển tịnh tiến hoặcquay thì sự dịch chuyển có thể nhận biết dễ dàng thông qua sù thay đổi hệ số

tự cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của một biến thế

Nếu phần tử động là cuộn dây quay tương đối với một cuộn khác cốđịnh.Thì sự dịch chuyển dạng quay có thể nhận biết thông qua điện áp củacuộn ứng, điện áp này thay đổi theo góc quay

Thụng thường sự thay đổi của hệ số tự cảm L và hệ số cảm ứng M phụthuộc vào sự dịch chuyển của lừi sắt từ Sự phụ thuộc này khụng phải làtuyến tớnh Để khắc phục người ta kết hợp hai cuộn dõy đối với nhau để saocho với cựng một dịch chuyển thỡ hệ số L hoặc M biến thiờn theo chiềungược nhau Nh vậy sự khụng tuyến tớnh của hai cuộn dõy sẽ triệt tiờu.

Cỏc cảm biến cảm ứng được mắc trong mạch cú điện ỏp dạng hỡnh sin.Điện ỏp đo Vm do biến điệu biờn độ điện ỏp nuụi gõy nờn bởi sự dịch chuyểnx(t) được biểu diễn bằng biểu thức:

Vm = k x(t) Escos(st + )

Như vậy độ dịch chuyển x(t) phụ thuộc vào sự thay đổi của biờn độ Cỏccảm biến cảm ứng nhạy với từ trường ký sinh cho nờn phải đặt chỳng trong

vỏ bọc chắn từ trường

3.2 Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo

(hỡnh 3.4) Mụ tả sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo, đối tượng đo là nguồn

rung động như vỏ mỏy, đế mỏy, trục Cỏc tớn hiệu rung đợt đầu đo ghinhận, thụng qua cỏp truyền tớn hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạchlọc Cỏp truyền tớn hiệu cú thể là vụ tuyến, hữu tuyến, cỏp quang Mạchkhuếch đại cú tỏc dụng làm tăng biờn độ của tớn hiệu cũn mạch lọc cú tỏcdụng loại bỏ những thành phần khụng cần thiết như là nhiễu, Sau đú, nhờ

bộ chuyển đổi tương tự – số, tớn hiệu được rời rạc húa thành tớn hiệu số rồi

đ-ưa vào lưu trữ và xử lớ

Bộ chuyển đổi “t

ơng t – số”

DAC

Phân tích và l u trữ

Hình 3.4: Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo

Dưới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính của một chuỗi đo gồm:

- Đối tượng đo

- Đầu đo

Đây là hai đối tượng sinh ra và ghi nhận tín hiệu Cáp truyền tín hiệu vàcác mạch khuếch đại đã được nghiên cứu rất kĩ trong các tài liệu chuyênngành kĩ thuật đo lường nên ta tạm không xét tới ở đây

Bộ chuyển đổi "số – tương tự" và các bộ lọc số đang ngày càng được ứngdụng rộng rãi trong phân tích và xử lí tín hiệu số Do đó, chúng sẽ được xemxét tới trong mục sau

Hình 3.5 Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tượng đo

Trong (hình 3.5), đầu đo 1 được đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệudao động theo phương dọc trục còn đầu đo 2 được đặt phía dưới cốc lót vàdùng để đo các tín hiệu dao động theo phương hướng kính Vị trí đặt các đầu

đo 1 và 2 như trên hình là đúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đođược

3.2.2 Đầu đo

Đầu đo có nhiều loại với nhiều chức năng đo khác nhau như:

- Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc

- Đầu đo vận tốc dao động

- Đầu đo dao động xoắn của trục

Tuy nhiên, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc daođộng sử dụng cảm biến piezo Loại đầu đo này có độ nhạy cao, ổn định, chịuđược nhiệt độ lớn, khối lượng nhá

32

Hỡnh 3.6: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo

3.3 Bộ lọc số

3.3.1 Cơ sở lý thuyết bộ lọc số

Tớn hiệu đo được thụng thường chứa rất nhiều cỏc thành phần cú tần sốkhỏc nhau Mỗi một thành phần tần số sẽ đặc trưng cho một nguồn rung nhấtđịnh

VD: thành phần tần số quay đặc trưng cho dạng hỏng mất cõn bằng

Trong nhiều trường hợp, ta chỉ quan tõm tới một dải tần nhỏ nào đú Do

đú, việc lọc bỏ những tớn hiệu khụng cần thiết cho phộp ta khảo sỏt tớn hiệutrong một dải tần mong muốn

Trong (hỡnh 3.7), ta chỉ cần quan tõm tới vựng tần số của cỏc dao động tự

do sinh ra do hư hại Vỡ thế, cần phải lọc bỏ cỏc vựng tần số dao động do ănkhớp Muốn vậy, ta phải dựng đến cỏc bộ lọc số (digital filter)

dưỡng theo thời gianao động tự dưỡng theo thời gianosinh ra dưỡng theo thời giano h hại

Hình 3.7 Phổ tần số của một dạng tín hiệu dao động trong bánh răng

Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ thống dùng để làm biến đổi sựphân bố tần số của tín hiệu theo các chỉ tiêu cho trước

Định nghĩa quá trình lọc số: là các thao tác xử lí nhằm thay đổi sự phân bốtần số của tín hiệu nhờ một bộ lọc số

Các bộ lọc số là đang là đối tượng được nghiên cứu nhiều nhất hiện naytrong các phương pháp phân tích tín hiệu số Trong khuôn khổ của đồ ánnày, ta chỉ quan tâm tới các đặc tính của một số bộ lọc số thông dụng vàcách sử dụng chúng cho phân tích tín hiệu dao động

đờng đặc tính thực

dưỡng theo thời gianải thông

dưỡng theo thời gianải quá độ

dưỡng theo thời gianải chắn

Mạch lọc số là những hệ thống có khả năng chọn lọc tần số, vì có hai loạimạch lọc tương ứng với hai loại hệ thống số là mạch lọc FIR và mạch lọcIIR Mạch lọc FIR có hàm truyền tổng quát dạng:

0

Hệ số hàm truyền bm chính là giá trị của đáp ứng xung của mạch lọc.Mạch lọc FIR đơn giản nhất là mạch lọc thông thấp bậc nhất mà hàm truyền

ta thường gọi là hệ thống trung bình

 Mạch lọc FIR thông cao

Mạc lọc FIR thông cao đơn giản nhất thu được bằng cách thay thế z = -z

và trong biểu thức của hàm truyền của mạch lọc FIR thông thấp H1(z) Nhvậy hàm truyền của mạch lọc FIR thông cao bậc nhất có dạng:

370.001

0 Dap wng pha cua m/l FIR

Hình 3.12 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc

FIR thông thấp bậc nhất có hàm truyền 3.1

Khi  =0 thì H j0 =1, còn khi  =  thì H j = 0 Do đó hàm đáp ứng biên

độ giảm đơn điệu trong khoản từ  = 0 đến  =  Đáp ứng biên độ và đápứng pha của mạch lọc IIR thông thấp bậc nhất này với các giá trị khác nhaucủa  cho trên hình 3.13

Hình 3.13 Đáp ứng biên độ và pha của mạch lọc IIR thông

2

cos 1 1

2 2

2

cos 1 1

2 2

là thoả mãn điều kiện ổn định của hàm truyền

Hình 3.13 vẽ đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc IIR thông thấpbậc nhất với các giá trị khác nhau của thông số 

 Mạch lọc số IIR thông cao.

Hàm truyền của mạch lọc số IIR thông cao bậc nhất cho bởi

Hình3.14 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc