Luận văn:Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng bộ truyền bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh docx

- 1 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN KIM PHÚC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG BẰNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ÂM THANH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN KIM PHÚC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG BẰNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ÂM THANH Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ CUNG Đà Nẵng - Năm 2011 - 1 - LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả . Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Kim Phúc - 2 - MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam ñoan Mục lục Danh mục các hình MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG VÀ ÂM THANH 5 1.1. Tổng quan về chẩn ñoán hư hỏng cơ khí 5 1.1.1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và bảo dưỡng thiết bị 5 1.1.1.1. Bảo dưỡng thiết bị 5 1.1.1.2. Theo dõi thiết bị 6 1.1.2. Phát hiện và chẩn ñoán hư hỏng 6 1.1.2.1. Phát hiện và chẩn ñoán hư hỏng 6 1.1.2.2. Các kỹ thuật theo dõi và chẩn ñoán hư hỏng 7 1.2. Các dạng hỏng chủ yếu trong truyền ñộng bánh răng 7 1.2.1. Tróc vì mỏi bề mặt răng 7 1.2.2. Gãy răng 8 1.2.3. Mòn răng 8 1.2.4. Dính răng 9 1.2.5. Biến dạng dẻo 10 1.3. Các phương pháp chẩn ñoán hư hỏng của bánh răng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng và âm thanh 10 1.3.1. Phương pháp chẩn ñoán hư hỏng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng 10 1.3.1.1. Nhận dạng hư hỏng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng 10 1.3.1.2. Kết hợp phân tích rung ñộng và phân tích dầu trong chương trình bảo trì dựa trên tình trạng thiết bị 13 1.3.2. Phương pháp phân tích tín hiệu âm thanh bằng biến ñổi Wavelet 13 1.3.2.1. Lý thuyết về âm thanh phát ra từ máy 13 - 3 - 1.3.2.2. Phân tích gãy răng với tín hiệu âm thanh 14 1.3.2.3. Phân tích nứt răng với tín hiệu âm thanh 15 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 1.4. Nhận xét và kết luận 18 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU RUNG ĐỘNG VÀ ÂM THANH NHẰM CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG THÔNG DỤNG 19 2.1. Lý thuyết về tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu 19 2.1.1. Khái niệm về tín hiệu 19 2.1.2. Khái niệm và phân loại hệ xử lý tín hiệu 19 2.2. Phương pháp phân tích tín hiệu dao ñộng và âm thanh 20 2.2.1. Phương pháp Kurtosis 20 2.2.2. Phép biến ñổi Fourier FFT 21 2.2.2.1. Lý thuyết phép biến ñổi Fourier của tín hiệu liên tục 21 2.2.2.2. Biến ñổi Fourier rời rạc (DFT) 23 2.2.2.3. Ứng dụng biến ñổi Fourier ñể phân tích dao ñộng 24 2.2.3. Phương pháp phân tích hình bao 24 2.2.4. Phương pháp trung bình hoá tín hiệu ñồng bộ 26 2.2.4.1. Trung bình hóa tín hiệu trên miền thời gian 27 2.2.4.2. Trung bình hóa tín hiệu trong miền tần số 28 2.2.5. Phương pháp phân tích Wavelet 28 CHƯƠNG 3: PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG 30 3.1. Giới thiệu phép biến ñổi Wavelet 30 3.2. Cơ sở toán học của phép biến ñổi Wavelet 32 3.2.1. Phép biến ñổi Wavelet liên tục 32 3.2.2. Ý nghĩa của phép biến ñổi Wavelet liên tục 35 3.2.3. Biến ñổi Wavelet rời rạc 35 3.2.4. Giới thiệu một số họ Wavelet 36 3.3. Tính chất của biến ñổi Wavelet 38 3.3.1. Tính chất sóng 38 - 4 - 3.3.2. Đặc trưng về năng lượng 38 3.4. So sánh biến ñổi Wavelet và Fourier 39 3.5. Một số ứng dụng nổi bật của biến ñổi Wavelet 42 3.6. Nhận xét và kết luận 43 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ SƠ ĐỒ GHI ĐO TÍN HIỆU ÂM THANH, RUNG ĐỘNG PHÁT RA TỪ HƯ HỎNG TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG 44 4.1. Nghiên cứu hệ thống thiết bị ñể theo dõi và chẩn ñoán hư hỏng 44 4.1.1. Sơ ñồ nguyên lý hệ thống theo dõi và chẩn ñoán tình trạng thiết bị 44 4.1.2. Mô hình thiết bị thu nhận, phân tích tín hiệu âm thanh và rung ñộng 45 4.2. Các thiết bị và phần mềm thu nhận tín hiệu dùng trong ñề tài 46 4.2.1. NI compact DAQ 9172 46 4.2.1.1. Giới thiệu 46 4.2.1.2. Chức năng 47 4.2.1.3. Môñun ñược hỗ trợ 47 4.2.1.4. Phần mềm hỗ trợ 47 4.2.2. Thiết bị thu nhận tín hiệu NI 9233 48 4.2.3. Các loại cảm biến 48 4.2.3.1. Cảm biến quang 48 4.2.3.2. Cảm biến dao ñộng 49 4.2.3.3. Micro 50 4.2.4. Phần mềm thu nhận tín hiệu 50 4.2.5. Phần mềm Matlab 50 4.2.6. Mô hình thực tế 51 4.3. Phương pháp thu nhận tín hiệu 52 4.3.1. Thu tín hiệu rung ñộng 53 4.3.1.1. Quy tắc chung khi gắn cảm biến gia tốc 53 4.3.1.2. Cách thu tín hiệu rung ñộng 53 4.3.2. Thu tín hiệu âm thanh 55 4.4. Thuật toán và phần mềm xử lý tín hiệu 56 - 5 - 4.4.1. Thuật toán xử lý 57 4.4.1.1. Thuật toán Fourier nhanh- FFT 57 4.4.1.2. Thuật toán Wavelet liên tục 57 4.4.2. Phần mềm xử lý tín hiệu 58 4.4.2.1. Xây dựng phần mềm xử lý 58 4.4.2.2. Khối “Tải file” 58 4.4.2.3. Khối biến ñổi Fourier “Fourier Transform” 60 4.4.2.4. Khối biến ñổi Wavelet liên tục “Wavelet Continuous Transform”61 4.5. Mô phỏng hư hỏng bánh răng 63 4.6. Phân tích tín hiệu âm thanh dùng Wavelet 64 4.7. Phân tích tín hiệu rung ñộng dùng Wavelet 69 4.9. Nhận xét và kết luận 78 KẾT LUẬN 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) - 6 - DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Tối ưu hóa chính sách bảo dưỡng 5 1.2 Tróc rỗ bề mặt răng 8 1.3 Gãy răng 8 1.4 Mòn răng 9 1.5 Dính răng 9 1.6 Răng bị biến dạng chảy dẻo 10 1.7 Phổ của bánh răng bình thường (ñối xứng) 11 1.8 Dấu hiệu của ăn khớp bánh răng có khuyết tật 11 1.9 Một răng bị gãy sẽ gây nên phổ có dải bên không ñối xứng 12 1.10 Phổ dao ñộng của một bộ truyền trục vít bị dao ñộng quá mức 12 1.11 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp gãy răng. 15 1.12 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp nứt răng 16 1.13 Thiết bị Microlog GX Series, Potable Data Collector/ FFT Analyzer 17 1.14 Thiết bị chẩn ñoán của hãng Machine eX 18 2.1 Kỹ thuật phân tích hình bao 25 2.2 Phổ của ổ lăn bị hư hỏng vòng trong và phổ hình bao của tín hiệu ñược lọc xung quanh tần số cộng hưởng 1600Hz 26 2.3 Tín hiệu dao ñộng ño ñược từ hộp số 27 2.4 (a) Tín hiệu ñã ñược trung bình hoá (b) Các thành phần ñiều hoà chính của tần số ăn khớp bánh răng tách từ tín hiệu ñã ñược trung bình hóa (c)Thành phần tín hiệu còn lại 28 3.1 Biến ñổi Fourier 30 3.2 Sóng sin và Wavelet 31 - 7 - 3.3 Đồ thị một số hàm Morlet với các hệ số Morlet thông dụng 33 3.4 Sơ ñồ thuật toán biến ñổi Wavelet cho tín hiệu số x(n) 35 3.5 Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 36 3.6 Hàm ψ(t) của biến ñổi Haar 36 3.7 Hàm ψ(t) của biến ñổi Meyer 37 3.8 Hàm ψ(t) của họ biến ñổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 37 3.9 Hàm ψ(t) của biến ñổi Morlet 38 3.10 Biểu diễn biến ñổi Fourier dạng ảnh 39 3.11 Biểu diễn biến ñổi Wavelet dạng ảnh 40 4.1 Mô hình hệ thống theo dõi và chẩn ñoán tình trạng thiết bị 44 4.2 Sơ ñồ thiết bị thu nhận tín hiệu âm thanh và rung ñộng 46 4.3 cDAQ9172 46 4.4 NI cDAQ-9172 Chassis 47 4.5 NI9233 48 4.6 Đầu kết nối của NI 9233 48 4.7 Cảm biến quang photo Keyence sensor 49 4.8 Mô hình cơ học cảm biến dao ñộng 49 4.9 Mô hình thực nghiệm. 51 4.10 Sơ ñồ khối thu nhận tín hiệu 52 4.11 Thu tín hiệu rung ñộng 52 4.12 Add step 53 4.13 Chọn loại cảm biến cần ño 54 4.14 Chọn kênh cần ño 54 4.15 Thiết lập thông số ño ñộ rung 55 4.16 Lắp cảm biến gia tốc trên hộp giảm tốc ñể ño tín hiệu rung ñộng 55 4.17 Đặt micro ñể thu tín hiệu âm thanh 56 4.18 Thu một tín hiệu âm thanh 56 - 8 - 4.19 Thuật toán FFT 57 4.20 Thuật toán Wavelet liên tục 57 4.21 Phần mềm xây dựng ñược 58 4.22 Khối tải file 58 4.23 Khối biến ñổi Fourier 60 4.24 Khối Wavelet liên tục 61 4.25 Mô phỏng các dạng hỏng của bánh răng trục ra 63 4.26 Các bánh răng mô phỏng hư hỏng.(a) Răng g ãy 20%. (b)Răng gãy 40%. (c)Tróc rỗ 63 4.27 Tín hiệu âm thanh x(t), (a) bình thường, (b) gãy 20%, (c)gãy 40%, ( d) tróc rỗ 64 4.28 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh bình thường 65 4.29 Biểu ñổi ñộ lớn biên ñộ tín hiệu âm thanh bình thường 65 4.30 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 20% 66 4.31 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu âm thanh gãy 20% 66 4.32 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 40% 67 4.33 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu âm thanh gãy 40% 67 4.34 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh tróc rỗ 68 4.35 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu âm thanh tróc rỗ 68 4.36 Tín hiệu rung ñộng x(t), (a) bình thường, (b) gãy 20%, (c)gãy 40%, (d) tróc rỗ 70 4.37 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu rung ñộng bình thường 70 4.38 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu rung ñộng bình thường 71 4.39 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu rung ñộng gãy 20% 71 4.40 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu rung ñộng gãy 20% 72 4.41 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu rung ñộng gãy 40% 72 4.42 Biểu ñồ ñộ lớn biên ñộ tín hiệu rung ñộng gãy 40% 73 4.43 Biến ñổi Wavelet cho tín hiệu rung ñộng tróc rỗ 73 [...]... vòng/phút Phân tích dao ñ ng là công c h u ích cho b o trì d ñoán, ch n ñoán hư h ng và nhi u tác d ng khác M t s phương pháp phân tích tín hi u dao ñ ng thư ng dùng nh t là: - Phương pháp Kurotsis - Phương pháp FFT - Phương pháp phân tích hình bao 2.2.1 Phương pháp Kurtosis Phương pháp Kurtosis là phương pháp ch n ñoán xác xu t, s d ng ñ i v i gia t c c a tín hi u dao ñ ng Trong phương pháp này, ngư... hư h ng b ng phân tích tín hi u dao ñ ng và âm thanh Chương 2: Phương pháp x lý tín hi u dao ñ ng và âm thanh nh m ch n ñoán hư h ng thông d ng Chương 3: Phép bi n ñ i Wavelet và ng d ng Chương 4 : Mô hình và sơ ñ ghi ño tín hi u âm thanh, rung ñ ng phát ra t hư h ng truy n ñ ng bánh răng -4- 5 Chương 1 T NG QUAN V V N Đ CH N ĐOÁN HƯ H NG B NG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HI U DAO Đ NG VÀ ÂM THANH 1.1 T... ñoán hư h ng truy n ñ ng bánh răng b ng phân tích tín hi u âm thanh II M c ñích nghiên c u - Xây d ng phương pháp ch n ñoán hư h ng b ng cách trích xu t thông tin ch n ñoán t âm thanh b ô nhi m t ñó xây d ng ph n m m phân tích và x lý tín hi u âm thanh - Xây d ng sơ ñ thi t b thí nghi m thu nh n tín hi u âm thanh sinh ra t b truy n bánh răng - So sánh ưu và như c ñi m c a phương pháp ch n ñoán hư h... cho tín hi u âm thanh trư ng h p gãy răng (a)Không có hư h ng; (b) 10% gãy răng; (c) 20% gãy răng; (d) 30% gãy răng; (e) 40% gãy răng 1.3.2.3 Phân tích n t răng v i tín hi u âm thanh Bi n ñ i Wavelet c a bánh răng mô ph ng b n t ñư c bi u di n trên hình sau: - 15 - 16 Hình 1.12 Bi n ñ i Wavelet cho tín hi u âm thanh trư ng h p n t răng: bánh răng bình thư ng; (b) bánh răng n t sâu 1mm; (c) bánh răng. .. phía gi a răng Hình 1.6 Răng b bi n d ng ch y d o 1.3 Các phương pháp ch n ñoán hư h ng c a bánh răng b ng phân tích tín hi u rung ñ ng và âm thanh 1.3.1 Phương pháp ch n ñoán hư h ng b ng phân tích tín hi u rung ñ ng 1.3.1.1 Nh n d ng hư h ng b ng phân tích tín hi u rung ñ ng Các chuy n ñ ng v t lý ho c chuy n ñ ng c a máy ñang quay thư ng ñư c g i là rung ñ ng Rung ñ ng máy thư ng có th c ý ñư c t... trong các thi t b cơ khí - Nghiên c u các phương pháp x lý tín hi u âm thanh thu nh n ñư c, phân tích tín hi u nói trên, t ñó ñưa ra các ch n ñoán v tình tr ng hư h ng bánh răng -2- 3 IV Phương pháp nghiên c u - Nghiên c u lý thuy t v các d ng h ng cơ b n trong truy n ñ ng bánh răng; t ng quan v các phương pháp cơ b n s d ng trong ch n ñoán hư h ng truy n ñ ng bánh răng - Nghiên c u lý thuy t v phép bi... a nó vào vi c phân tích tín hi u âm thanh và tín hi u dao ñ ng nh m phát hi n tình tr ng gãy răng và n t răng trong truy n ñ ng bánh răng - Nghiên c u so sánh vi c theo dõi tín hi u âm thanh và rung ñ ng c a h p s nhi u c p, ho t ñ ng dư i m t lo t tr ng thái thư ng và tr ng thái hư h ng Nh m ch ng minh môi trư ng âm thanh ch c ch n nh hư ng ñ n quá trình ño lư ng tr ng thái âm thanh nhưng không làm... ng âm thanh v i phương pháp ch n ñoán hư h ng b ng phân tích rung ñ ng III Ph m vi nghiên c u - Nghiên c u s phát tri n hư h ng c c b trong m t h p t c ñ , s d ng tín hi u âm thanh và tín hi u rung ñ ng T t c các nghiên c u này ñ u s d ng tín hi u rung ñ ng như là m t thông s giám sát - Nghiên c u xây d ng sơ ñ thi t b ghi ño tín hi u âm thanh xu t ra t các d ng h ng khác nhau c a truy n ñ ng bánh răng. .. các máy t c ñ th p (dư i 5 vòng/phút), mà thư ng cho khó ho c không th áp d ng k thu t phân tích rung ñ ng 1.3.2 Phương pháp phân tích tín hi u âm thanh b ng bi n ñ i Wavelet 1.3.2.1 Lý thuy t v âm thanh phát ra t máy Âm thanh là các dao ñ ng cơ h c c a các phân t , nguyên t hay các h t làm nên v t ch t và lan truy n trong v t ch t như các sóng Âm thanh, gi ng như nhi u sóng, ñư c ñ c trưng b i t n s... ng thái âm thanh có th có hi u qu trong vi c xác ñ nh hư h ng c a h p s - Nghiên c u xây d ng sơ ñ mô hình thí nghi m ti p nh n các tín hi u âm thanh và dao ñ ng sinh ra t các hư h ng trong truy n ñ ng bánh răng thông qua gia t c k và micro - Xây d ng ho c ng d ng ph n m m có s n nh m phân tích tín hi u dao ñ ng và âm thanh ph c v ch n ñoán hư h ng - Nghiên c u th c nghi m s d ng phân tích tín hi u . Các phương pháp chẩn ñoán hư hỏng của bánh răng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng và âm thanh 10 1.3.1. Phương pháp chẩn ñoán hư hỏng bằng phân tích tín. Chương 1: Tổng quan về phương pháp chẩn ñoán hư hỏng bằng phân tích tín hiệu dao ñộng và âm thanh. Chương 2: Phương pháp xử lý tín hiệu dao ñộng và âm