Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát rung động của động cơ lai bơm để dự báo các hư hỏng

Bài viết Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo và giám sát rung động của động cơ lai bơm để dự báo các hư hỏng tập trung nghiên cứu một mô hình đo rung của bơm. Rung động của bơm sẽ được thu thập qua cảm biến khi bơm làm việc ở các chế độ khác nhau như ốc chân bệ bị lỏng, xâm thực, khớp nối bị lệch.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT RUNG ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ LAI BƠM ĐỂ DỰ BÁO CÁC HƯ HỎNG RESEARCH, DESIGN VIBRATION MEASUREMENT AND SUPERVISION SYSTEM OF PUMP MOTOR TO PREDICT THE TROUBLESHOOTING OCCURRED TRẦN HỒNG HÀ*, ĐỖ THỊ HIỀN Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: tranhongha@vimaru.edu.vn Tóm tắt Các loại bơm sử dụng hệ thống quan trọng công nghiệp Sự làm việc ổn định loại bơm ảnh hưởng đến mức độ an toàn hiệu hoạt động tàu Hiện tượng rung động bơm động lai bơm q trình làm việc khơng thể tránh khỏi truyền từ vỏ tàu hệ thống đường ống rung động mức cho phép nguyên nhân khác làm hư hỏng bơm thời gian ngắn Bài báo tập trung nghiên cứu mô hình đo rung bơm Rung động bơm thu thập qua cảm biến bơm làm việc chế độ khác ốc chân bệ bị lỏng, xâm thực, khớp nối bị lệch Qua phân tích kết số liệu cho thấy biên độ rung bơm trường hợp làm việc lỏng bệ, xâm thực hay lệch khớp nối bị ảnh hưởng rõ rệt Từ đưa cảnh báo dự báo bảo trì để có giải pháp sửa chữa kịp thời tránh hư hỏng nặng cho bơm Từ khóa: Bơm, tàu biển, rung động Abstract Pumps are used in critical systems on ships The stable operation of pumps affects the safety and efficiency of the industry system's operation The phenomenon of vibration of pump and pump motor during working process is inevitable due to excessive vibration from the hull and pipeline system, which can be caused by other causes to damage the pump during operation short time The article focuses on studying a pump vibration measurement model, Pump vibration will be collected through the sensor when the pump works in different modes such as loose foot screws, cavitation, and misaligned couplings The analysis of the results shows that the vibration amplitude of the pump in the case of working due to lose platform, cavitation or coupling deviation is significantly affected From there, give warnings or forecast maintenance to have timely repair solutions to avoid severe damage to the pump Keywords: Pump, vibration, industry SỐ 71 (8-2022) Mở đầu Các loại bơm sử dụng hệ thống công nghiệp thiết bị quan trọng, bơm vận chuyển chất lỏng cung cấp cho máy chính, máy đèn nồi hơi,… ngồi cung cấp nước phục vụ hệ thống khác công nghiệp Tuy nhiên, trình làm việc sau bảo dưỡng lắp ráp bơm không tiêu chuẩn xảy sai hỏng Điều dẫn tới tượng rung động bơm rung động lớn gây hư hỏng nặng cho bơm Do việc giám sát dự báo lỗi chế tạo lắp ráp hư hỏng xảy bơm làm việc cần thiết Có nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô thực nghiệm để nghiên cứu rung động thiết bị khác Yunsong Li cộng [1] mô hình hóa trục sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Các kết phân tích rung động dựa mơ hình thực nghiệm thực trục tích hợp động Trong nghiên cứu [2], nhóm tác giả dùng phần mềm mơ số để tìm tần số tự nhiên trục Phương pháp mơ số ứng dụng nghiên cứu [3] để tìm tần số rung động trục máy mài Kết sau kiểm chứng thông qua kết đo Trong báo này, nhóm nghiên cứu xét nguyên nhân gây độ rung cho bơm lỏng ốc bệ bơm hay bơm bị xâm thực,… Các trường hợp đo độ rung vị trí khác bơm phân tích đánh giá so với độ rung bơm làm việc chế độ bình thường Hệ thống đo giám sát độ rung 2.1 Cơ sở lý thuyết đo rung Trên tàu biển có thiết bị động điện lai bơm, quạt gió, máy nén khí có dạng chuyển động quay Khi làm việc thiết bị tạo rung động với tần số cường độ định tuỳ theo tình trạng làm việc điều kiện tải khác thiết bị Độ rung động truyền qua trục, tới vỏ thiết bị 33 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Thơng số ảnh hưởng đến độ rung động vịng quay thiết bị độ rung động có tỷ lệ với vịng quay thiết bị có chuyển động quay Các đặc tính thơng số biên độ, tần số hay hình dáng biểu đồ rung, thơng số hàm thông số vật lý hệ thống Khi thay đổi tính chất vật lý thay đổi làm đặc tính đồ thị đo rung thay đổi theo mang tính chất đặc trưng cụ thể cho trường hợp Biên độ rung trình hoạt động thiết bị tăng lên hư hỏng số chi tiết truyền động trục, ổ đỡ rotor cân Từng trường hợp hư hỏng cụ thể làm xuất tần số lạ so với tần số thiết bị hoạt động bình thường hiển thị hình giám sát, kết cho thấy có bất thường thiết bị Dựa vào thông số thu với trường hợp cố cụ thể hệ thống đo rung thông minh phân tích dự báo tình trạng thiết bị Đối với dạng sóng khác tổ hợp từ số sóng hài rời rạc thành phần có độ lớn pha, không chứa thành phần rung động sốc ngẫu nhiên đáng kể, sử dụng phân tích Furie để liên kết đại lượng khác (ví dụ độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc, đỉnh, trị hiệu dụng, giá trị trung bình, ) biểu thức tốn học xác xác định Từ vận tốc rung đo theo thời gian ghi được, trị hiệu dụng vận tốc tính sau [4]: 𝑇 𝑣𝑟 = √ ∫0 𝑣2 (𝑡)𝑑𝑡 𝑇 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI (1) đó: v(t) vận tốc rung phụ thuộc thời gian, m/s; vr vận tốc hiệu dụng, m/s; T thời gian lấy mẫu (đo) dài thời gian chu kỳ tần số thành phần tạo nên v(t) Gia tốc, vận tốc và/hoặc độ lớn chuyển dịch (aj, vj, sj; j = 1, 2, …, n) xác định cho tần số khác (f1, f2, …, fn) từ phân tích phổ ghi nhận Nếu giá trị độ dịch chuyển rung động đỉnh s1, s2, …, sn tính mm hay giá trị vận tốc rung v1, v2,…, tính mm/s, a1, a2, …, an tính m/s2 tần số f1, f2,…, fn tính Hz biết trước, vận tốc hiệu dụng liên quan mô tả chuyển động biểu thị [4]: 103 2𝑥 2 √(𝑎1 ) + (𝑎2 ) + ⋯ + (𝑎𝑛 ) 𝑓 𝑓 𝑓 2 (2) 𝑛 Trong hệ thống giám sát độ rung động, biên độ tần số rung hai thông số quan trọng sử dụng để phân tích rung động thiết bị, hai thơng số cung cấp thơng tin xác ngun nhân gây rung động Để phân tích xác nguyên nhân gây rung cần đo hiển thị tần số rung miền tần số theo thời gian với biên độ khác Đồ thị phải có độ phân giải cao để phát tần số với biên độ bất thường Lượng mẫu trường hợp phải lấy nhiều để đưa vào hệ thống huấn luyện phân tích chẩn đốn xác 2.2 Cảm biến đo rung Bảng Các thông số cảm biến đo rung Tham số Nhà sản xuất Cơng suất Tín hiệu Dải đo rung Giá trị Hansford 11 4-20 0-50 Đơn vị kW mA mm/s Hệ thống đo rung thiết bị sử dụng loại cảm biến để đo rung khác đo gia tốc, đo độ dịch chuyển đo vận tốc Cảm biến đo rung công nghiệp thường sử dụng nhiều cảm biến đo gia tốc, cảm biến có độ nhạy cao cho kết xác Cảm biến gắn vào vỏ máy vị trí khác qua nam châm để cố định cảm biến Cảm biến đo rung động từ vỏ máy đưa tín hiệu dịng điện từ 4-20 (mA) Hình Cảm biến HS-4200500108 hãng Hansford có dải đo 0-50 (mm/s), đầu 4-20 (mA) có đặc tính Bảng kết hợp với điều khiển PLC để giám sát độ rung động 𝑣𝑟 = 2 𝑥 10−3 √ [(𝑠1 𝑓1 ) + (𝑠2 𝑓2 ) + ⋯ + (𝑠𝑛 𝑓𝑛 ) ] = √𝑣21 + 𝑣22 + ⋯ + 𝑣2𝑛 = 34 2.3 Cấu hình hệ biến thống giám sát độ rung Hình Cảm đo đo rungvàHS-4200500108 SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Hệ thống giám sát máy nén khí phịng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu hệ động lực Các thành phần hệ thống Hình 2: ▪ Vibration Sensor: Cảm biến đo rung động; ▪ IU converter: Bộ biến đổi dịng điện 4÷20mA sang 0÷10V; ▪ PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị logic lập trình xử lý tín hiệu đo truyền thơng giám sát; ▪ PC: Máy tính cá nhân; Mạch cảm biến rung sử dụng loại HS-4200500108 Hansford có dải đo 0÷50mm/s, trục M8, cáp PUR dài 2m tiêu chuẩn, tần số đáp ứng cảm biến 0,1÷1kHz Cảm biến với đầu 4÷20mA đưa tới biến đổi sang điện áp 0÷10V để tương thích với đầu vào PLC Tín hiệu điện áp từ biến đổi sau đưa tới đầu vào tương tự AI0 PLC S7-1200 Bộ PLC thực đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến rung sau chuyển đổi thành giá trị tương ứng với giá trị vật lý đo Sau tính độ rung, giá trị gửi tới máy tính (PC) qua kết nối ethernet sơ đồ thuật tốn Hình Phần mềm WinCC máy tính liên tục đọc giá trị từ PLC hiển thị lên giao diện giám sát Hình 3 Thực nghiệm đo giám sát rung ▪ WinCC: Phần mềm giám sát giá trị độ rung máy tính Hình Thí nghiệm đo rung phịng thí nghiệm Hình Phần mềm hệ thống đo giám sát độ rung Bảng Các chế độ thí nghiệm Chế độ Bắt đầu Hoạt động bình thường Hoạt động cố với bu lông bệ bị nới lỏng Khởi tạo đầu vào AI Đọc giá trị cảm biến us từ=0÷ 10V Lưu lượng Áp suất 15m3l/h 2,5at 15m3l/h 2,5at sensor=us*5 (mm/s) WinCC đọc liệu? Đ Gửi liệu tới WinCC S Kết thúc Hình Sơ đồ thuật tốn hệ thống đo rung Bảng Thơng số động điện Tham số Nhà sản xuất Công suất Điện áp Vòng Quay Giá trị Toshiba 11 3600 1450 Đơn vị kW m3/h v/ph Hình Sơ đồ điểm đo động SỐ 71 (8-2022) 35 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Độ rung đo vị trí 1, chế độ hoạt động bình thường Hình Độ rung đo vị trí 2, chế độ hoạt động bình thường Hình Độ rung đo vị trí 3, chế độ hoạt động bình thường Hình 10 Độ rung đo vị trí 1, chế độ hoạt động cố Hình 11 Độ rung đo vị trí 2, chế độ hoạt động cố Hệ thống đo giám sát rung sử dụng thí nghiệm để đo độ rung động điện lai bơm nước lắp hệ thống nước làm mát trung tâm nghiên cứu hệ động lực Khoa Máy tàu biển Bơm có thơng số kỹ thuật Bảng Động điện bơm đo rung ba phần thân động cơ: Phần đầu, phần cuối Hình Tại phần đo ba điểm phía hai bên động Tại điểm đo, cảm biến gắn chặt thân động điện nam châm Các chế độ đo sau: Động làm việc bình thường với sản lượng 15m3/h với áp suất 2,5at 36 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Hình 12 Độ rung đo vị trí 3, chế độ hoạt động cố Bơm sử dụng để bơm nước tuần hồn cho máy động diesel Một số cố tạo bơm làm việc Các bu lông bệ bơm nới lỏng phía sau phía trước động Ngồi nhóm nghiên cứu cịn tạo xâm thực cách đóng gần hết van hút bơm làm tăng sức cản đường ống hút tạo tượng xâm thực xảy bơm bơm làm việc Hiện tượng thường xảy bơm làm việc có đường ống hút dài tắc bẩn trình làm việc làm bơm bị rung xâm thực xảy SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Kết thí nghiệm đánh giá Kết thí nghiệm cho thấy hoạt động chế độ bình thường với lưu lượng lớn bơm 15 m3/h Động bơm đo rung điểm thân động Trong Hình cho thấy kết đo rung vị trí biên độ rung trung bình 1,52mm/s Độ rung thấp 1,29mm/s Độ rung cao 1,97mm/s theo thời gian Mỗi lần đo thực khoảng thời gian 10 phút sau bơm hoạt động ổn định Trong Hình cho thấy kết đo rung vị trí biên độ rung trung bình 0,86mm/s Độ rung thấp 0,58mm/s Độ rung cao 1,07mm/s theo thời gian Tại vị trí độ rung trung bình 0,53mm/s Độ rung cực đại 0,68mm/s độ rung cực tiểu 0,36mm/s Hình So sánh ba điểm đo rung vị trí 1, 2, bơm làm việc chế độ bình thường cho thấy vị trí động có độ rung lớn phía sau bệ tương đối yếu Độ rung lớn phía sau động 1,29mm/s Phía đầu động có độ rung nhỏ liên kết chắn với bơm hệ thống đường ống qua khớp nối bích nối nên độ rung lớn có 0,68mm/s Khi nới lỏng bu lơng bệ bên phải, phía sau động điện cho bơm hoạt động lưu lượng 15m3/h Đo rung ba điểm 1, 2, cho thấy độ dao rung động tăng lên mạnh ba điểm đo Trong Hình 10 cho thấy kết đo rung vị trí nới lỏng bu lơng bệ Độ rung trung bình 7,3mm/s Độ rung thấp 4,5mm/s Độ rung cao 11,27mm/s Tại điểm 1, độ rung trung bình tăng lên so với bình thường 5,8mm/s Độ rung cực đại lớn 9,3 mm/s Trong Hình 11 cho thấy kết đo rung vị trí biên độ rung trung bình 1,2mm/s Độ rung thấp 0,7mm/s Độ rung cao 1,28mm/s theo thời gian Tại điểm 2, độ rung trung bình tăng lên so với bình thường 0,34mm/s Độ rung cực đại lớn 0,21mm/s Tại vị trí Hình 12 cho thấy độ rung trung bình 0,54mm/s Độ rung cực đại 0,78mm/s độ rung cực tiểu 0,34mm/s Tại điểm 3, độ rung trung bình tăng lên so với bình thường 0,01mm/s Độ rung cực đại lớn 0,1mm/s hưởng thay đổi 0,1mm/s Do động làm việc với thời gian dài ổ đỡ phía sau động bị hư hỏng dẫn tới hỏng chi tiết truyền động khác động roto, trục động Kết luận Kết nghiên cứu hệ thống đo giám sát rung động điện lai bơm phịng thí nghiệm cho thấy: Độ rung động giám sát liên tục ba điểm thân động Khi có cố bất thường xảy nới lỏng bu lơng bệ phía sau Giá trị đo độ rung tăng lên nhanh điểm gần vùng có bu lơng bị nới lỏng tới 11,27mm/s điểm khác bị ảnh hưởng giá trị độ rung thay đổi nhỏ từ 0,1mm/s đến 0,21mm/s Nếu hoạt động lâu dài chế độ rung thiết bị truyền động động bị hư hỏng Kết đo có độ xác cao giúp người khai thác biết tình trạng làm việc bơm có biện pháp bảo dưỡng ngăn ngừa cố cách kịp thời trình khai thác Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT21-22.18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ISong, Yong Sheng, and You Liang Ding (2013) Fatigue monitoring and analysis of orthotropic steel deck considering traffic volume and ambient temperature Science China Technological Sciences Vol.56 (7), pp.1758-1766 [2] Benjamin, Jack R., and C Allin Cornell (2014), Probability, statistics, and decision for civil engineers, Courier Corporation [3] Ko, Hyoungho (2012), Highly configurable capacitive interface circuit for tri‐axial MEMS micro-accelerometer, International Journal of Electronics Vol.99 (7), pp.945-955 [4] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9229-1:2012 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa lần 01: Ngày nhận sửa lần 02: Ngày duyệt đăng: 03/3/2022 07/4/2022 19/4/2022 25/4/2022 So sánh ba điểm đo rung vị trí 1,2, bơm làm việc chế độ cố cho thấy vị trí động có độ rung lớn bu lông bệ bị lỏng làm động bị rung mạnh Độ rung lớn phía sau động 11,27mm/s cịn phía trước động độ rung bị ảnh SỐ 71 (8-2022) 37 ... Do động làm việc với thời gian dài ổ đỡ phía sau động bị hư hỏng dẫn tới hỏng chi tiết truyền động khác động roto, trục động Kết luận Kết nghiên cứu hệ thống đo giám sát rung động điện lai bơm. .. hoạt động bình thường Hình 10 Độ rung đo vị trí 1, chế độ hoạt động cố Hình 11 Độ rung đo vị trí 2, chế độ hoạt động cố Hệ thống đo giám sát rung sử dụng thí nghiệm để đo độ rung động điện lai bơm. .. Hình 3 Thực nghiệm đo giám sát rung ▪ WinCC: Phần mềm giám sát giá trị độ rung máy tính Hình Thí nghiệm đo rung phịng thí nghiệm Hình Phần mềm hệ thống đo giám sát độ rung Bảng Các chế độ thí nghiệm