Chẩn đoán hư hỏng của bánh răng và ổ lăn bằng phương pháp phân tích phổ đường bao

Kết cấu và cỏc dạng hỏng thường gặp của bỏnh răng và ổ lăn

Kết cấu và cỏc dạng hỏng thường gặp của bỏnh răng

1.1.1 Kết cấu của bỏnh răng a) Cỏc đặc điểm

Trong cỏc kết cấu cơ khớ, bộ truyền bỏnh răng thường được sử dụng để truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của cỏc răng trờn bỏnh răng (hoặc thanh răng) Cỏc loại bộ truyền bỏnh răng thụng dụng được thể hiện trong hỡnh 1.1a - g.

(a) Bộ truyền bỏnh trụ răng thẳng (b) Bộ truyền bỏnh trụ răng nghiờng

(c) Bộ truyền bỏnh trụ răng chữ V

(d) Bộ truyền bỏnh cụn răng thẳng (e) Bộ truyền bỏnh cụn răng nghiờng

(f) Bộ truyền bỏnh răng - thanh răng (g) Bộ truyền bỏnh răng hành tinh

Hỡnh 1.1: Cỏc loại bộ truyền bỏnh răng thụng dụng Ưu điểm của bộ truyền bỏnh răng là cú kớch thước nhỏ, khả năng tải lớn, hiệu suất cao (97 - 99%), tuổi thọ cao, làm việc ổn định Tuy nhiờn, truyền động bỏnh răng cũng cú cỏc nhược điểm là chế tạo tương đối phức tạp do yờu cầu về độ chớnh xỏc cao, gõy ra ồn khi làm việc ở vận tốc lớn.

Hiện nay, trong cỏc bộ truyền bỏnh răng người ta thường hay sử dụng loại bỏnh răng cú biờn dạng là đường thõn thõn khai Đõy là yếu tố bảo đảm cho tỉ số truyền giữa hai bỏnh răng tham gia ăn khớp khụng thay đổi trong suốt quỏ trỡnh vận hành, thỏa món điều kiện ăn khớp đều và ăn khớp khớt của bộ truyền Cỏc thụng số hỡnh học cơ bản của bỏnh răng thõn khai được thể hiện trong hỡnh 1.2.

Bộ truyền bỏnh răng được sử dụng rất rộng rói trong cỏc mỏy múc từ nhỏ (đồng hồ cơ) đến cỏc mỏy hạng nặng, cú thể truyền cụng suất từ nhỏ đến lớn (300 MW), vận tốc từ thấp đến rất cao

Hỡnh1.2: Cỏc thụng số hỡnh học cơ bản của bỏnh răng thõn khai

Thụng số Kớ hiệu Cụng thức tớnh Ghi chỳ

Số răng Z Do nhà sản xuất qui định

Mụđun m Đó được tiờu chuẩn húa

Bước răng p p =  m bước trờn vũng chia Đường kớnh vũng chia d d Z m Đường kớnh vũng đỉnh d a d a = d + 2m Đường kớnh vũng đỏy d f d f = d - 2,5m

Chiều cao răng h h = h a + h c Đường kớnh vũng cơ sở d b d b d.cos  là gúc ỏp lực, (hỡnh

Bảng 1.3: Cỏc thụng số chế tạo cơ bản của bỏnh răng thõn khai

Hỡnh1.4: Sơ đồ nguyờn lý bộ truyền bỏnh răng trụ b) Kết cấu

Do hỡnh dạng của bỏnh răng tương đối phức tạp, như hỡnh 1.4, nờn trong cỏc bản vẽ kĩ thuật,người ta khụng vẽ chi tiết từng chiếc răng một mà thay vào đú, ta chỉ thể hiện một cỏch đơn giản nhất những thụng số cơ bản của một bỏnh răng, xem hỡnh 1.5.

The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location.

Hỡnh 1.5: Bản vẽ chi tiết bỏnh răng

Tựy theo kớch thước và tớnh chất của truyền động mà bỏnh răng cú thể được thiết kế theo nhiều khuụn dạng khỏc nhau.

Bỏnh răng thẳng thường được dựng trong cỏc bộ truyền cú vận tốc trung bỡnh hoặc thấp, trong cỏc bộ truyền để hở, trong cỏc bộ truyền cú yờu cầu chuyển động dọc trục (vớ dụ như trong cỏc hộp tốc độ, hộp số ) Bỏnh răng nghiờng thường được dựng trong cỏc bộ truyền cú vận tốc cao. Bỏnh răng chữ V thường được dựng trong cỏc bộ truyền chịu tải rất lớn và khụng gõy ra lực dọc trục tỏc động lờn cỏc ổ lăn.

Kết cấu bỏnh răng phụ thuộc nhiều vào kớch thước (chủ yếu là đường kớnh bỏnh răng), qui mụ sản xuất và cỏch lắp ghộp với trục Nếu đường kớnh bỏnh răng khụng lớn (dưới 150mm) bỏnh răng thường được chế tạo liền một khối, khụng khoột lừm như hỡnh 1.6a Nếu đường kớnh vũng đỏy răng ớt chờnh lệch với đường kớnh trục hoặc cần tăng độ đồng tõm giữa bỏnh răng đối với trục, bỏnh răng thường được làm liền với trục Thường thỡ bỏnh răng được làm liền trục khi đường kớnh khoảng cỏch từ đỏy răng đến rónh then nhỏ hơn 2,5m đối với bỏnh răng trụ và 1,6m đối với bỏnh răng cụn, trong đú m là mụđun, xem hỡnh 1.6b Bỏnh răng cú đường kớnh nhỏ hơn 500mm được chế tạo bằng phụi rốn hoặc phụi dập (nếu sản xuất số lượng lớn), được khoột lừm và làm lỗ để giảm bớt khối lượng, những bỏnh răng khụng quan trọng cú thể được đỳc hoặc chế tạo bằng thộp cỏn Nhờ cú cỏc lỗ trờn thõn bỏnh mà việc thỏo lắp, gỏ đặt trờn mỏy gia cụng và chuyờn chở được thuận tiện như hỡnh 1.6c Bỏnh răng cú đường kớnh lớn trờn 500mm được chế tạo bằng hàn như hỡnh 1.6d nếu sản xuất đơn chiếc hay loạt nhỏ và chế tạo bằng đỳc như hỡnh 1.6e nếu sản xuất loạt lớn Đối với cỏc bỏnh răng kớch thước lớn đặt trong hộp giảm tốc cú khoảng cỏch trục trờn 400mm, để tiết kiệm vật liệu, người ta thường chế tạo riờng vành răng

Vũng đỏy răngVũng chia

1 bằng thộp tốt, lừi bằng gang hoặc thộp thường Vành răng được lắp với lừi bằng độ dụi và cú bắt vớt.

The linked image cannot b e displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location.

(a) Bỏnh răng được làm liền một khối (b) Bỏnh răng liền trục khụng khoột lừm

Th e linked image cannot be displayed The file may h ave been moved, renamed, or deleted Ver ify that the link points to the corr ect file an d location The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location.

(c) Bỏnh răng được khoột lừm và làm lỗ (d) Bỏnh răng được chế tạo bằng hàn

(e) Bỏnh răng được chế tạo bằng phương phỏp đỳc

Hỡnh 1.6: Cỏc dạng kết cấu thường gặp ở bỏnh răng

1.1.2 Cỏc dạng hỏng thường gặp ở bỏnh răng a) Mũn

Cơ chế chủ yếu gõy ra mũn là sự thiếu hụt độ dầy cho phộp của lớp dầu bụi trơn giữa cỏc bề mặt tiếp xỳc của cỏc răng Ngoài ra, cỏc nhõn tố khỏc cú thể gõy ra hoặc làm mũn trầm trọng hơn là cỏc hạt mài mũn lẫn trong dầu bụi trơn, sự khụng đồng đều của bề mặt răng làm dầu ngấm vào.

Mũn vừa phải thường được gõy ra bởi sự thiếu hụt độ dầy lớp dầu bụi trơn, hỡnh 1.7a Độ mũn tỉ lệ với vận tốc trượt, vận tốc trượt biến đổi từ 0 tại vũng chia và lờn tới cực đại tại điểm tiếp xỳc, theo lý thuyết cỏc răng sẽ thể hiện độ mũn lớn nhất tại vũng chia và chõn nhưng trờn thực tế khụng cú mũn tại vũng chia Mũn vừa phải thường khụng được coi là lỗi tuy nhiờn nú là khỳc dạo đầu cho mũn nghiờm trọng và cuối cựng là hỏng răng hoàn toàn Độ mũn cú thể được giảm bằng cỏch tăng độ nhớt của dầu, sử dụng loại dầu cao ỏp (loại dầu chịu được lực ăn khớp lớn), cải thiện chất lượng bề mặt răng hoặc thay đổi cỏc thụng số hỡnh học răng để giảm vận tốc trượt.

Nếu khụng được khắc phục, mũn vừa phải sẽ tiến triển thành mũn nghiờm trọng như hỡnh 1.7b trong đú, biờn dạng gốc của răng bị hủy hoại và cuối cựng là lỗi gẫy răng do cỏc nguyờn nhõn sau:

- răng bị mũn mỏng tới mức giới hạn bền uốn của răng bị vượt quỏ.

- cỏc vết nứt phỏt triển từ chỗ hỏng trờn bề mặt răng.

- tải trọng lớn phỏ hỏng biờn dạng răng.

Mũn bởi hạt mài được gõy ra bởi cỏc hạt nhỏ lẫn trong dầu bụi trơn, hỡnh 1.7c, độ rắn của cỏc hạt này gần bằng hoặc lớn hơn độ rắn của bề mặt răng và cú đường kớnh lớn hơn hoặc bằng độ dầy của màng dầu Để trỏnh dạng mũn này, việc cần thiết là phải bảo đảm cho dầu được sạch cặn bẩn trong mọi thời điểm bằng cỏch sử dụng bộ lọc hay là thường xuyờn thay dầu Cỏc hạt mài cũng cú thể là kết quả của một lỗi hỏng khỏc nào đú chẳng hạn như lỗi ở ổ lăn.

(a) Mũn vừa phải (b) Mũn nghiờm trọng (c) Mũn bởi hạt mài

Hỡnh 1.7: Cỏc dạng mũn thường gặp ở bỏnh răng b) Dớnh, rỗ, trúc

Dớnh, rỗ và trúc được gõy ra bởi sự gắn kết tức thời và phỏ hỏng gắn kết của những chỗ nhấp nhụ trờn bề mặt răng trong quỏ trỡnh ăn khớp Điều này xảy ra bởi sự kết hợp của tải trọng, vận tốc trượt và nhiệt độ dầu bụi trơn đạt đến một giỏ trị giới hạn làm phỏ hỏng lớp dầu ngăn cỏch cỏc bề mặt răng dẫn tới kim loại tiếp xỳc trực tiếp kim loại, nếu ứng suất bề mặt và vận tốc trượt đủ lớn thỡ sự kết dớnh sẽ xảy ra Sự khỏc nhau giữa dớnh và rỗ là ở phạm vi của sự gắn kết và hậu quả của việc phỏ hủy gắn kết Rỗ thường được thấy trong cỏc hộp số cao tốc, chịu tải lớn vận hành với dầu tổng hợp cú độ nhớt thấp.

Xảy ra khi đỉnh của cỏc bề mặt nhấp nhụ bị gắn kết rồi phỏ hủy một phần nhỏ hoặc khụng bị phỏ hủy thờm nữa Trờn bề mặt răng xuất hiện một lớp dớnh tinh thể gõy ra bởi bề mặt bị rỗ nhỏ mà khụng cú vết nứt trờn hướng trượt, hỡnh 1.8a Dớnh giai đoạn đầu cú thể làm tăng diện tớch tiếp xỳc dẫn đến giảm ỏp suất bề mặt, làm cho bỏnh răng cú thể chạy dài hạn mà khụng bị hỏng thờm Nếu cần thiết, cú thể khử dớnh bằng cỏch đỏnh búng dựng giấy rỏp và bỏnh răng lại làm việc như khụng cú vấn đề gỡ.

Cỏc điều kiện sinh ra tải trọng phõn bố khụng đều trờn bề mặt răng như là lệch và biờn dạng địa phương cú lỗi cú thể gõy ra rỗ cục bộ, hỡnh 1.8b Bỏnh răng bị rỗ cục bộ ở mức độ nhỏ cú thể tiếp tục vận hành mà khụng bị hỏng thờm nếu rỗ xúa bỏ được nguyờn nhõn tải trọng phõn bố khụng đều (như là điểm nhụ trờn biờn dạng) và làm cho bề mặt tiếp xỳc cú khả năng chịu tải hoàn toàn Trong một vài tỡnh huống, rỗ cục bộ giai đoạn đầu cú thể biểu hiện vấn đề, như là lệch, mà cũng cú thể đưa tới lỗi nguy hiểm hơn nếu khụng được khắc phục.

Hỡnh 1.8: Dớnh và Rỗ cục bộ c) Trúc mỏi bề mặt

Kết cấu và cỏc dạng hỏng thường gặp của ổ lăn

1.2.1 Kết cấu của ổ lăn a) Cấu tạo và phõn loại ổ lăn

Trong ổ lăn, tải trọng từ trục trước khi truyền đến gối trục phải qua cỏc con lăn (bi hoặc đũa) Nhờ cú con lăn cho nờn ma sỏt sinh ra trong ổ là ma sỏt lăn ổ lăn thường gồm bốn bộ phận.

Vũng trong và vũng ngoài thường cú rónh, vũng trong lắp với ngừng trục, vũng ngoài lắp với gối trục (vỏ mỏy, thõn mỏy) Thường chỉ vũng trong cựng quay với trục, cũn vũng ngoài đứng yờn, nhưng cũng cú khi vũng ngoài cựng quay với gối trục cũn vũng trong đứng yờn cựng với trục (như ổ lăn của bỏnh ụtụ ).

Con lăn cú thể là bi hoặc đũa, lăn trờn rónh lăn Rónh cú tỏc dụng giảm bớt ứng suất tiếp xỳc của bi, hạn chế bị di động dọc trục và do đú ổ cú thể chịu được một vài tải trọng dọc trục Để trỏnh ma sỏt trượt, bỏn kớnh cong của rónh phải lớn hơn bỏn kớnh của bi.

Vũng cỏch giữ cho hai con lăn kề nhau cỏch nhau một khoảng nhất định, nếu khụng, chỳng cú thể tiếp xỳc nhau và ở điểm tiếp xỳc chuyển động của hai con lăn ngược chiều nhau, do đú vận tốc ma sỏt gấp hai lần vận tốc vũng của con lăn bị mũn rấ nhanh, mặt khỏc ổ làm việc sẽ ồn nhiều Để giảm bớt mài mũn con lăn, vũng cỏch nờn làm bằng vật liệu tương đối mềm.

Thụng thường con lăn cú cỏc loại sau : bi (hỡnh 1.12a), đũa trụ ngắn (hỡnh 1.12b), đũa trụ dài (hỡnh 1.12c), đũa cụn (hỡnh 1.12d), đũa hỡnh trống đối xứng (hỡnh 1.12đ) hoặc khụng đối xứng (hỡnh 1.12e), đũa hỡnh kim (hỡnh1.12g), đũa xoắn (hỡnh1.12h).

Vũng cỏchVũng trongVũng ngoàiCon lăn

Hỡnh 1.12: Cỏc loại con lăn thụng dụng b) Ưu nhược điểm của ổ lăn

So sỏnh với ổ trượt , ổ lăn cú cỏc ưu điểm sau:

- Hệ số ma sỏt nhỏ (vào khoảng 0,0012  0.0035 đối với ổ bi và 0.002  0.006 đối với ổ đũa), mụmen cản sinh ra khi mở mỏy cũng ớt hơn so với ổ trượt; do đú dựng ổ lăn hiệu suất của mỏy tăng lờn và nhiệt sinh ra tương đối ớt Ngoài ra hệ số ma sỏt tương đối ổn định ( ớ chịu ảnh hưởng của vận tốc ) cho nờn cú thể dựng ổ lăn làm việc với vận tốc rất thấp.

- Chăm súc và bụi trơn đơn giản, ớt tồn vật liệu bụi trơn, cú thể dựng mỡ bụi trơn.

- Kớch thước chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rrộng ổ trượt cú cựng đường kớnh ngừng trục.

- Mức độ tiờu chuẩn hoỏ và tớnh lắp lẫn cao, do đú thay thế thuận tiện, giỏ thành chế tạo tương đối thấp khi sản xuất loạt lớn.

Tuy nhiờn, ổ lăn cú một số nhược điểm sau:

- Kớch thước hướng kớnh lớn

- Lắp ghộp tương đối khú khăn.

- Làm việc cú nhiều tiếng ồn, khả năng giảm chấn kộm.

- Lực quỏn tớnh tỏc dụng lờn cỏc con lăn khỏ lớn khi làm việc với vận tốc cao.

- Giỏ thành tương đối cao nếu sản xuất với số lượng ớt.

1 8 Ổ lăn được dựng rất phổ biến trong nhiều loại mỏy: mỏy cắt kim loại, mỏy điện, ụtụ, mỏy bay, mỏy kộo, mỏy nụng nghiệp, cần trục, mỏy xõy dựng, mỏy mỏ, trong cỏc hộp giảm tốc, trong cỏc cơ cấu v.v

1.2.2 Cỏc dạng hỏng thường gặp của ổ lăn

Trong quỏ trỡnh làm việc,thụng thường trờn cỏc bề mặt làm việc của ổ lăn xuất hiện một số dạng hư hỏng chớnh sau: a) Mài mũn

Quỏ trỡnh mài mũn xuất hiện do ma sỏt của cỏc bề mặt trượt Nguyờn nhõn chủ yếu ở đõy là do bụi trơn khụng đầy đủ và đỳng quy cỏch Độ mũn tăng lờn tỷ lệ với thời gian vận hành Hậu quả của dạng hỏng này là tăng khe hở hướng kớnh của ổ và làm tiền đề cho cỏc dạng hỏng tiếp theo nguy hiểm hơn Độ mũn cú thể giảm bằng cỏch cải thiện quỏ trỡnh bụi trơn và tăng chất lượng bề mặt tiếp xỳc của cỏc chi tiết trong quỏ trỡnh gia cụng. b) Rỗ và trúc

Hiện tượng rỗ và trúc thường gặp phải trờn bề mặt làm việc của cỏc chi tiết như: vũng trong, vũng ngoài, viờn bi Nguyờn nhõn sinh ra của hiện tượng này là do mũn nghiờm trọng, ứng suất tiếp xỳc vượt quỏ giới hạn cho phộp Dạng hỏng này thường tập trung cục bộ ở một số điểm trờn bề mặt trượt, hậu quả của chỳng là khi cỏc vết trúc và rỗ phỏt triển trờn diện tớch lớn sẽ dón đến gẫy hỏng đột ngột cỏc chi tiết làm việc và làm đỡnh trệ sự hoạt động của toàn bộ thiết bị, xem hỡnh 1.13 Do đú việc chuẩn đoỏn và phỏt hiện sớm dạng hỏng này đúng vai trũ hết sức quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động thiết bị.

Hỡnh 1.13: Rỗ và trúc c) Nứt và gẫy cỏc chi tiết

Quỏ trỡnh hỡnh thành cỏc vết nứt trờn bề mặt cỏc chi tiết của ổ cú nguyờn nhõn từ trúc và rỗ bề mặt do ứng suất mỏi sinh ra vượt quỏ giới hạn cho phộp Cỏc vết nứt hỡnh thành ban đầu thường

Phõn tớch cỏc nguồn gõy rung tại bỏnh răng và ổ lăn

Cỏc nguồn gõy rung tại bỏnh răng

2.1.1 Cơ chế kớch động dao động Để đơn giản, xột mụ hỡnh hộp số bỏnh răng một cấp như hỡnh 2.1, mụmen xoắn được truyền từ trục chớnh của động cơ qua bộ li hợp rồi đến trục vào của hộp số Tại trục ra của hộp, nhờ cú bộ truyền bỏnh răng, mụmen xoắn được tăng lờn và tốc độ quay giảm đi để đỏp ứng yờu cầu của mỏy sản xuất.

LI HợP Vỏ HộP ĐầU đO

Hỡnh 2.1: Mụ hỡnh hộp số bỏnh răng một cấp.

Trong quỏ trỡnh làm việc của hộp, rung động và tiếng ồn là hai yếu tố cơ bản phỏt sinh Tuy nhiờn, trong khuụn khổ của đồ ỏn này, ta chỉ xột đến cỏc rung động vỡ đú là cơ sở để chẩn đoỏn hư hỏng của cỏc bỏnh răng Việc nghiờn cứu cỏc hiệu ứng động lực và dao động của bộ truyền bỏnh răng đó được bắt đầu từ những năm 50 của thế kỉ trước và vẫn cũn là vấn đề đỏng quan tõm cho tới ngày nay Bài toỏn xõy dựng mụ hỡnh dao động của bộ truyền trong quỏ trỡnh ăn khớp vẫn cũn là vấn đề thời sự Trong nhiều tài liệu chuyờn khảo, cỏc tỏc giả đó đề ra một số dạng kớch động dao động tại quỏ trỡnh ăn khớp răng như sau: a) Cỏc nguồn kớch động do ngoại lực

Chỳng được sinh ra do sự biến đổi theo thời gian của ngẫu lực cản, ngẫu lực phỏt động và do sự thay đổi số vũng quay của trục dẫn và trục bị dẫn Những thay đổi này là do cỏc yếu tố cụng nghệ, kĩ thuật gõy ra. b) Cỏc nguồn kớch động bờn trong chủ yếu do cỏc nguyờn nhõn sau

- Do sự thay đổi độ cứng ăn khớp c z (t ) theo thời gian: nguyờn nhõn này là do số răng tham gia ăn khớp trong từng thời điểm cú sự khỏc nhau Vớ dụ như cặp bỏnh răng thẳng cú thể cú 2 hay 1 cặp răng ăn khớp tại một thời điểm Điều này xảy ra ngay cả khi bỏnh răng được chế tạo rất chớnh xỏc và khụng bị hư hại.

- Do lỗi hỏng cú thể là lỗi chế tạo (vớ dụ như sai lệch bước răng, sai lệch biờn dạng răng, lệch tõm bỏnh răng), lỗi lắp đặt (vớ dụ như lệch trục), lỗi vận hành (vớ dụ như dớnh, rỗ, mũn, trúc mỏi bề mặt răng, gẫy nứt chõn và đỉnh răng).

- Va chạm giữa cỏc bề mặt răng do thõn răng bị biến dạng uốn dưới tỏc dụng của tải trọng.

- Do ma sỏt xuất hiện trờn cỏc bề mặt trượt. ĐộNG Cơ

Trong số cỏc nguồn kớch động bờn trong, ba nguyờn nhõn đầu tiờn là đỏng kể và là đối tượng nghiờn cứu của một số tài liệu chuyờn khảo phục vụ cho chẩn đoỏn rung, cũn nguyờn nhõn do ma sỏt cú thể được khắc phục bằng cỏch nõng cao chất lượng bụi trơn.

Giữa cỏc cặp răng tham gia vào quỏ trỡnh ăn khớp xuất hiện cỏc lực (lực ăn khớp) Về bản chất, lực ăn khớp hỡnh thành do ngẫu lực phỏt động và tải trọng cụng nghệ đặt lờn hệ Trong thực tế, lực ăn khớp sinh ra do một số nguyờn nhõn kớch động trờn lớn hơn nhiều so với lực ăn khớp tĩnh Lực ăn khớp động được truyền dẫn đến ổ đỡ tạo ra cỏc phản lực ở gối đỡ và dao động của vỏ hộp số Do đú, ta cú thể đo được cỏc dao động này bằng cỏc đầu đo dao động.

Trước hết, ta cần phõn biệt hai khỏi niệm: "Lỗi" và "Hư hỏng" "Lỗi" ăn khớp được hiểu là cỏc độ lệch ăn khớp, được sinh ra do chế tạo, lắp đặt và thường phõn bố đều trờn khắp cỏc răng (Vớ dụ như sai lệch bước răng, sai lệch biờn dạng răng) "Hư hỏng" (được gọi tắt là "hỏng") là sự thay đổi của chi tiết do quỏ trỡnh làm việc và yếu tố mụi trường gõy ra Theo tiờu chuẩn CHLB Đức DIN 3979, cú tất cả 27 dạng hỏng khỏc nhau của bỏnh răng Xột về phương diện nghiờn cứu dao động, ta cú thể chia cỏc dạng hỏng làm 2 nhúm chớnh:

- Hỏng phõn bố: mài mũn bề mặt răng, trúc mỏi nhiều bề mặt răng Nhúm này sinh ra do bộ truyền làm việc trong một thời gian dài Dạng hỏng phõn bố làm thay đổi bước răng, phỏ hỏng biờn dạng răng và là một nguồn kớch động dao động trong quỏ trỡnh ăn khớp răng.

- Hỏng cục bộ: cỏc hư hỏng xảy ra trờn một vài răng như nứt gẫy chõn răng, mẻ đỉnh răng, Nguyờn nhõn chớnh là do bộ truyền làm việc quỏ tải, khuyết tật trong vật liệu và khụng đủ dầu bụi trơn Dạng hỏng cục bộ làm thay đổi đột ngột độ cứng ăn khớp và cú thể gõy ra cỏc va chạm ăn khớp Cỏc xung va chạm sẽ kớch động dao động riờng của cỏc chi tiết xung quanh như thõn bỏnh răng, trục và vỏ hộp số Như vậy bằng cỏch đo dao động rung trờn vỏ hộp số, ta cú thể xỏc định được nguyờn nhõn sinh ra dao động trong quỏ trỡnh ăn khớp răng Đú là mục tiờu quan trọng của chẩn đoỏn rung cho thiết bị này.

2.1.2 Dao động tham số do độ cứng ăn khớp thay đổi và do dạng hỏng phõn bố

Như đó phõn tớch ở trờn, cỏc dao động sinh ra do va chạm ăn khớp từ nguyờn nhõn hư hỏng cục bộ cú thể được nhận dạng bởi cỏc thành phần dao động riờng tắt dần trong tớn hiệu dao động đo được Tuy nhiờn, cơ chế kớch động do cỏc hư hởng phõn bố tương đối phức tạp, mụ hỡnh dao động đơn giản cho quỏ trỡnh ăn khớp răng được mụ tả trong hỡnh 2.2 dưới đõy nhằm giải thớch điều này.

Hỡnh 2.2: Mụ hỡnh dao động đơn giản của quỏ trỡnh ăn khớp răng

Khảo sỏt một cặp bỏnh răng ăn khớp dưới tải trọng M 1(t ) và M 2(t ) Chọn tọa độ 1 và 2 là hai gúc quay của hai bỏnh r b1 và r b2 là bỏn kớnh vũng lăn của hai bỏnh Cỏc cặp răng tham gia vào quỏ trỡnh ăn khớp được mụ hỡnh bởi lũ xo cú độ cứng thay đổi c z (t ) theo đường ăn khớp Mụ hỡnh này được sử dụng khỏ nhiều trong cỏc tài liệu nghiờn cứu Ảnh hưởng của hư hỏng và lỗi phõn bố đối với dao động trong quỏ trỡnh ăn khớp được đặc trưng bởi hàm kớch động e(t ) (kớch động động học) theo phương của đường ăn khớp

Tỉ số giữa lực ăn khớp và lượng biến dạng tổng cộng của cỏc cặp răng ăn khớp theo phương của đường ăn khớp gọi là độ cứng ăn khớp Như vậy, khi số cặp răng tham gia ăn khớp biến đổi thỡ độ cứng ăn khớp cũng biến đổi theo Đối với cặp bỏnh răng thẳng, số cặp răng ăn khớp thay đổi từ 1 cặp thành 2 cặp rồi lại trở về 1 cặp , với cặp bỏnh răng nghiờng thỡ sự thay đổi đú là 2 -

3 - 2 hay 3 - 4 - 3 tựy theo gúc nghiờng của răng Do đú, ở răng nghiờng, sự thay đổi của c z (t ) ớt hơn so với răng thẳng, xem hỡnh 2.3a-b.

(a) bỏnh trụ răng thẳng (b) bỏnh trụ răng nghiờng

Bỏnh bị dẫn Đường ăn khớp

2 Độ cứng ăn khớp trung bỡnh c 0 cú thể xỏc định được bằng thực nghiệm trong đú hai bỏnh răng chịu tỏc dụng của ngẫu lực là hằng số Từ biến dạng đo được theo phương của đường ăn khớp ta cú thể tớnh được c 0. Độ cứng ăn khớp c z (t ) cú thể tớnh toỏn được nhờ một số cụng cụ phần mềm sử dụng phương phỏp phần tử hữu hạn, trong đú cỏc kớch thước hỡnh học và tham số vật liệu của cặp bỏnh răng phải được khai bỏo một cỏch chớnh xỏc Từ mụ hỡnh phần tử hữu hạn, cỏc ma trận độ mềm được xỏc định dựa trờn ba yếu tố: biến dạng uốn của thõn răng, biến dạng do tiếp xỳc và biến dạng xoắn của toàn bộ bỏnh răng Việc tớnh toỏn được thực hiện với từng điều kiện ăn khớp trờn đường ăn khớp và cho ta kết quả cỏc giỏ trị của c z theo thời gian.

Nếu vận tốc gúc của bỏnh răng khụng đổi thỡ độ cứng ăn khớp c z (t ) là hàm tuần hoàn cú chu kỡ T z = 1/f z với f z là tần số ăn khớp. f z = Z 1 f n1 = Z 2 f n2 Trong đú: f n1 và f n2 là tần số quay của 2 trục

Như vậy, cú thể khai triển c z (t ) theo chuỗi Fourier, kết quả cho ta :

Cỏc nguồn gõy rung tại ổ lăn

Trong một số tài liệu chuyờn nghành, cỏc dao động tại ổ lăn được chia thành 2 dạng: dao động ngẫu nhiờn và dao động riờng

- Dao động ngẫu nhiờn: khi ổ lăn ở trạng thỏi hoạt động tốt dưới tải trọng do lực hỡnh thành giữa cỏc bề mặt tiếp xỳc bằng hoàn toàn nhẵn

- Dao động riờng của cỏc chi tiết của ổ lăn sinh ra do cỏc hư hỏng cục bộ trờn cỏc bề mặt làm việc.

Khi mụ tả một cỏch định tớnh cỏc dao động này thụng qua cỏc đo đạc trờn vỏ ổ, ta thấy rằng khi ổ lăn bắt đầu bị mài mũn với cường độ trung bỡnh cỏc dao động ngẫu nhiờn cú biờn độ lớn hơn cỏc trạng thỏi ban đầu Đặc biệt khi trờn cỏc bề mặt làm việc của vũng trong, vũng ngoài,

Vũng cỏch: f c =( 1− D d cosβ ) f 2 n viờn bi xuất hiện cỏc hư hỏng cục bộ sẽ xuất hiện cỏc kớch động va chạm khi viờn bi tiếp xỳc tại cỏc vị trớ hư hỏng này Tớn hiệu đo được chỉ rừ sự hỡnh thành, vị trớ và cường độ hư hại nhờ cỏc phương phỏp phõn tớch tớn hiệu được trỡnh bày trong cỏc mục sau.

Về phương diện kỹ thuật chuẩn đoỏn ổ lăn, Trong tài liệu  2 đó đưa ra một đại lượng hết sức quan trọng để nhận dạng và định vị cỏc hư hại trong ổ lăn Đú là cỏc tần số liờn quan dến hư hại. Nếu ta xột trong trường hợp một chi tiết của ổ lăn xuất hiện một vết trúc (vớ dụ như tại vũng ngoài) thỡ kớch động va chạm núi trờn sẽ lặp lại theo một tần số xỏc định nếu vận tốc quay của trục bằng một hằng số (điều đú cú nghĩa là nếu ta biết được tần số này từ tớn hiệu dao đụng) ta sẽ xỏc định được vũng ngoài cú hư hại hay khụng.

Tham khảo cỏc tài liệu chuyờn khảo mụ tả cỏc tần số liờn quan đến hư hại này, việc tớnh toỏn dựa trờn cơ sở phõn tớch động học quỏ trỡnh chuyển động của cỏc chi tiết trong ổ khi làm việc và giả thiết viờn bi là lăn khụng trượt trờn bề mặt của vũng trong và vũng ngoài.

Bảng 2.6: Cỏc tần số đặc trưng cho hư hại tại cỏc vũng của ổ lăn

Cỏc phương phỏp cơ bản phõn tớch tớn hiệu dao động mỏy

Sơ đồ tổng quan một hệ thống đo

3.1.1 Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo

Hỡnh 3.1 mụ tả sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo, đối tượng đo là nguồn rung động như vỏ mỏy, đế mỏy, trục Cỏc tớn hiệu rung được đầu đo ghi nhận, thụng qua cỏp truyền tớn hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc Cỏp truyền tớn hiệu cú thể là vụ tuyến, hữu tuyến, cỏp quang Mạch khuếch đại cú tỏc dụng làm tăng biờn độ của tớn hiệu cũn mạch lọc cú tỏc dụng loại bỏ những thành phần khụng cần thiết như là nhiễu, Sau đú, nhờ bộ chuyển đổi số - tương tự, tớn hiệu được rời rạc húa thành tớn hiệu số rồi đưa vào lưu trữ và xử lý.

Hỡnh 3.1: Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo

Dưới đõy ta sẽ xột tới một số thành phần chớnh trong một hệ thống đo là:

- Đầu đo. Đõy là hai đối tượng sinh ra và ghi nhận tớn hiệu Cỏp truyền tớn hiệu và cỏc mạch khuếch đại đó được nghiờn cứu rất kĩ trong cỏc tài liệu chuyờn ngành kĩ thuật đo lường nờn ta khụng xột tới ở đõy.

Bộ chuyển đổi "số - tương tự" và cỏc bộ lọc số đang ngày càng được ứng dụng rộng rói trong phõn tớch và xử lý tớn hiệu số Do đú, chỳng sẽ được xem xột tới trong mục "Tớn hiệu số".

3.1.2 Đối tượng đo Đối tượng đo là những vật gõy ra dao động trong quỏ trỡnh làm việc Trong nội dung chẩn đoỏn rung, đối tượng đo là cỏc mỏy múc, thiết bị sản xuất, tớn hiệu rung từ cỏc bộ phận bờn trong mỏy được truyền ra vỏ mỏy, đế mỏy Do đú, bằng cỏc đầu đo đặt trờn vỏ và đế mỏy, ta cú thể thu được cỏc tớn hiệu này Tuy nhiờn, vị trớ đặt cỏc đầu đo cú ảnh hưởng rất lớn đến độ chớnh xỏc của tớn hiệu.

Hỡnh 3.2 Cỏc vị trớ đặt đỳng của đầu đo trờn đối tượng đo

Trong hỡnh 3.2, đầu đo 1 được đặt trờn nắp ổ và dựng để đo cỏc tớn hiệu dao động theo phương dọc trục cũn đầu đo 2 được đặt phớa dưới cốc lút và dựng để đo cỏc tớn hiệu dao động theo phương hướng kớnh Vị trớ đặt cỏc đầu đo 1 và 2 như trờn hỡnh là đỳng cỏch, bảo đảm cho độ tin cậy của tớn hiệu đo được.

3.1.3 Đầu đo Đầu đo cú nhiều loại với nhiều chức năng đo khỏc nhau như:

- Đầu đo dịch chuyển khụng tiếp xỳc

- Đầu đo vận tốc dao động

- Đầu đo dao động xoắn của trục

Tuy nhiờn, được sử dụng rộng rói nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sử dụng cảm biến piezo (cũn gọi là gia tốc kế - accelerometer) Loại đầu đo này cú độ nhạy cao, ổn định, chịu được nhiệt độ lớn, khối lượng nhỏ và đặc biệt nú là dụng cụ tự phỏt, tức là khụng cần tới bất kỡ ĐầU đO 1 nắp ổ Đầu đo 2 trục phương dao động dọc trục phương dao động hướng kớnh ổ LăN cốc lút

3 0 một nguồn cung cấp năng lượng nào để hoạt động Cỏc tớn hiệu mẫu vớ dụ được sử dụng trong đồ ỏn này đều được thu từ đầu đo gia tốc, hỡnh 3.3.

The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correc t file and location.

Hỡnh 3.3: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo

Tõm của đầu đo gia tốc là cỏc miếng ỏp điện, chỳng được làm từ một loại hợp kim sắt từ đó được phõn cực nhõn tạo Những miếng ỏp điện này cú đặc tớnh là điện tớch của chỳng tỉ lệ thuận với độ biến dạng Trong sơ đồ thiết kế của đầu đo gia tốc, hỡnh 3.4, khi toàn bộ đầu đo rung động thỡ lũ xo cựng với trọng vật sẽ tạo ra lực tỏc động lờn cỏc miếng ỏp điện Khi đo những rung động cú tần số thấp hơn tần số cộng hưởng của đầu đo, gia tốc của cỏc miếng ỏp điện sẽ tương đương với gia tốc của đế đầu đo Do đú, tớn hiệu tại đầu ra sẽ tỉ lệ với gia tốc điểm đo.

Hỡnh 3.4: Sơ đồ cấu tạo đầu đo gia tốc

Việc chọn và sử dụng đầu đo gia tốc phải căn cứ vào khoảng tần số, độ nhạy, khối lượng và phạm vi động lực Hỡnh 3.5 là đồ thị đặc tớnh của một đầu đo gia tốc kiểu ỏp điện f 0 là tần số cộng hưởng của hệ trọng vật - lũ xo. Đầu ra Đế

Trọng vật m Miếng ỏp điện

Hỡnh 3.5: Đường đặc tớnh tần số của đầu đo gia tốc

Việc đo lường thường được diễn ra trong vựng tần số cú ớch (vựng tuyến tớnh của đường đặc tớnh), giới hạn trờn là 1/3 tần số cộng hưởng Quy tắc chung là sai số của thành phần dao động được đo tại tần số này phải bộ hơn 12% Những đầu đo gia tốc cú khối lượng nhỏ, tần số cộng hưởng của chỳng ở vào khoảng 180 kHz cũn đối với những đầu đo gia tốc cú độ nhạy cao thỡ tần số cộng hưởng lại ở mức 20 - 30 kHz Với cựng một loại vật liệu ỏp điện, độ nhạy của đầu đo gia tốc là hàm đồng biến của khối lượng, do đú, tăng độ nhạy của đầu đo đồng nghĩa với tăng khối lượng của nú Nhưng điều này lại làm cho tần số cộng hưởng giảm xuống, giảm giới hạn đo của đầu đo Cỏc đầu đo gia tốc cú giới hạn đo lớn thường cú kớch thước nhỏ gọn, khối lượng bộ nhưng lại cú độ nhạy kộm Thụng thường, khối lượng của đầu đo khụng được vượt quỏ 10% khối lượng của vật mà nú được gắn lờn.

Phạm vi động lực của đầu đo gia tốc cũng cần phải được quan tõm khi muốn đo những giỏ trị quỏ thấp hoặc quỏ cao so với mức bỡnh thường Giới hạn trờn của phạm vi động lực là sức bền kết cấu của đầu đo Một đầu đo gia tốc bỡnh thường cú thể đạt bước nhảy từ 0 đến 50 hay 100 km/s 2 cũn với những đầu đo gia tốc được thiết kế đặc biệt, chuyờn dụng để đo sốc thỡ bước nhảy cú thể là 1000 km/s 2

Ngoài ra, yếu tố mụi trường cũng cú ảnh hưởng rất lớn tới cỏc loại đầu đo gia tốc, đặc biệt là yếu tố nhiệt độ Cỏc loại đầu đo gia tốc bỡnh thường cú thể chịu được nhiệt độ đến 250 0 C. Nhưng nếu nhiệt độ cao hơn, cỏc miếng ỏp điện sẽ bắt đầu mất độ phõn cực, làm giảm độ nhạy. Tuy nhiờn, cũng cú những đầu đo gia tốc được chế tạo đặc biệt để làm việc trong điều kiện nhiệt độ lờn tới 400 0 C Đ ộ n h ạ y t ư ơ n g đố i (d B ) lg (f/f 0 ) f 0 : tần số cộng hưởng

Vựng tần số cú ớch f 0 /3

Cơ sở lý thuyết chung

3.2.1 Cấu trỳc của tớn hiệu dao động

Tớn hiệu dao động đo được núi chung gồm nhiều thành phần khỏc nhau Khỏi niệm “thành phần” ở đõy được hiểu trờn một sự phõn loại nào đú:

- Theo tần số (VD: Thành phần tần số quay, thành phần tần số riờng )

- Theo đặc điểm của tớn hiệu (VD: Tớn hiệu ngắn ngủi, thành phần tớn hiệu ngẫu nhiờn, thành phần tớn hiệu điều biến )

- Theo nguồn gõy rung: (VD: Thành phần tớn hiệu do mất cõn bằng, thành phần tớn hiệu do xung va chạm, )

Một cỏch tổng quỏt, cỏc thành phần tớn hiệu “liờn kết” với nhau theo cỏc cấu trỳc sau: a) Chồng chất: x(t)=x1(t) + x2(t) (superposition) b) Nhõn: x(t) = x1(t) x2(t) (Điều biến – Modulation) c) Chập: x(t) = x1(t)* x2(t) −∞∫ t x 1 (τ ) x 2 ( t− τ ) dτ

Trong đú phổ biến nhất là cấu trỳc "chồng chất" Dạng này là tuyến tớnh và cú thể phõn tớch bằng cỏc phương phỏp giản đơn như phõn tớch phổ và lọc số Cấu trỳc điều biến thường gặp trong cỏc tớn hiệu đo tại mỏy quay, hộp số bỏnh răng và cú thể ỏp dụng kỹ thuật tỏch tớn hiệu mang (theo lý thuyết truyền tin) – Demodulation Cấu trỳc chập mụ tả mối quan hệ giữa lực kớch động - đường truyền - phản hồi và cú thể phõn tớch bằng một số phương phỏp đặc biệt: phương phỏp Cepstrum.

3.2.2 Biến đổi Fourier (Fourier_ Transform) Được phỏt triển trờn nền tảng lý thuyết chuỗi Fourier do nhà vật lý học người Phỏp là Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) tỡm ra Theo lý thuyết này, bất kỡ một tớn hiệu tuần hoàn nào đều cú thể được khia triển thành tổng của cỏc tớn hiệu dao động điều hũa đơn giản theo chuỗi Fourier. a) Chuỗi Fourier

Cho một tớn hiệu tuần hoàn chu kỡ T cú dạng x(t ) = x(t + T ), như vậy ta cú thể phõn tớch x(t ) theo chuỗi Fourier như sau:

T (3.2) Nếu biểu diễn (3.1) dưới dạng phức: e i2  fkt = cos(2fkt) + i.sin(2fkt)

Như vậy, so sỏnh (3.3) và (3.4) ta thấy:

(3.6) (*): là số phức liờn hợp Đồ thị biểu diễn Ak(fk) gọi là phổ biờn độ

k(fk) gọi là phổ pha (pha ban đầu)

(3.1)gọi là chuỗi Fourier thực 1 phớa

(3.3)gọi là chuỗi Fourier phức 1 phớa

(3.4)gọi là chuỗi Fourier phức 2 phớa b Biến đổi Fourier liờn tục

- Biến đổi Fourier biểu diễn dưới dạng phức:

Như vậy phộp biến đổi F biến đổi tớn hiệu x(t) từ miền thời gian (time domain) sang X(f) trong miền tần số (frequency domain) Biến đổi này cú tớnh hai chiều: F -1 biến đổi X(f) từ miền tần số sang x(t) trong miền thời gian.

Một số tớnh chất của biến đổi Fourier

- Biến đổi Fourier là tuyến tớnh

- Cỏc giỏ trị của X tại tần số f và (-f) là phức liờn hợp:

- Đối với phộp nhõn và phộp chập

F x t g t F x t F g t (3.14) c) Biến đổi Fourier rời rạc (discrete fourier transform:DFT) và Biến đổi Fourier nhanh (Fast fourier transform:FFT)

3 Đối với tớn hiệu số x(n), n = 1 N, Δtt= 1

F s (F s: tần số lấy mẫu và Δtt: độ phõn giải thời gian), ta cú thuật toỏn biến đổi Fourier rời rạc:

(3.16) -Từ cỏc giỏ trị đú của số điểm lấy mẫu N và Δtt: ta tớnh được T=Δtt(N−1), khi đú cỏc điểm tần số được xỏc định : f k =k 1

T: độ phõn giải tần số.

Như vậy đối với 1 tớn hiệu thực trong miền thời gian, bằng biến đổi Fourier ta sẽ thu được 1 phổ phức với cỏc điểm tần số rời rạc fk Biờn độ của hệ số Ak trong cụng thức (3.1) cú quan hệ với X(k) theo hệ thức:

Khi N=2 m với m nguyờn (vớ dụ: N = 512, 1024 ) thỡ tồn tại một thuật toỏn biến đổi Fourier nhanh (FFT) Cỏc bộ FFT - Analyer hiện nay được ứng dụng rộng rói để phõn tớch dao động.

3.2.3 Biến đổi Hilbert (Hilbert Transform) và tớn hiệu giải tớch

- Biến đổi Hilbert của tớn hiệu x(t) được biểu diễn dưới dạng:

(3.20) Như vậy biến đổi H được thực hiện từ miền thời gian miền thời gian và miền tần số  miền tần số

- Tớn hiệu giải tớch: tớn hiệu giải tớch của tớn hiệu thực x(t) được định nghĩa:

,trong đú j là đơn vị ảo (3.22)

H { x(t)}=Asin(tω)  ^x(t)=A [ cos( tω )+ iϕk sin( tω ) ] = Ae iϕkt ω =Ae iϕkϕk

- Tớn hiệu giải tớch cú một số tớnh chất đặc bệt:

Phổ tần số của ^ x (t ) chỉ cú thành phần tần số dương.

Và |^ x(t )| là đường bao của tớn hiệu x(t)

3.2.4 Cỏc chỉ số thống kờ của tớn hiệu dao động

Giỏ trị Tớn hiệu liờn tục Tớn hiệu rời rạc

Cực đại và cực tiểu

Trung bỡnh chia (peak) 1( max min )

Bảng 3.6: Cỏc chỉ số thống kờ của tớn hiệu dao động

Một số phương phỏp phõn tớch tớn hiệu dao động mỏy

Phổ tần số của tớn hiệu x(t) cho phộp ta xỏc định được cỏc thành phần tần số của x(t) Bằng phộp biến đổi Fourier, ta cú thể biểu diờn X(f) dưới dạng phổ hai phớa (tần số dương và tần số õm) Trong thực tế ta chỉ giữ lại cỏc thành phần tần số dương trờn phổ để mụ tả trờn đồ thị. Một số tham số quan trọng của 1 phổ tần số gồm:

- Độ phõn giải tần số Δt f =1

T= 1 Δtt(N−1) (3.23) trong đú Δtt : độ phõn giải thời gian

( f s :tần số lấy mẫu) N: số điểm lấy mẫu

- Tần số biờn (tần số Nyquist) 2

: phổ tần số chỉ nằm trong khoảng 0  f N là cú ý nghĩa (phần cũn lại đối xứng)

- Cỏc điểm tần số f k =kΔtf=k 1

Biểu diễn Ak theo fk ta thu được phổ biờn độ của x(n), xem (3.17)

Biểu diễn k theo fk ta thu được 1 phổ pha của x(n), xem (3.18)

2 theo fk ta thu được phổ cụng suất của x(t)

- Vớ dụ 1: Phõn tớch phổ tần số tớn hiệu dao động tắt dần cú phương trỡnh:

2 cos(2 0) x e    f t A  ft (*) với:  = 0,02; A = 2; f = 200 (Hz); 0 = 0; fs = 5000 (Hz); N = 4096.

Hỡnh 3.7: Tớn hiệu dao động tắt dần (*) trờn miền thời gian

Hỡnh 3.8: Phổ biờn độ của tớn hiệu dao động tắt dần (*)

Hỡnh 3.9: Phổ cụng suất của tớn hiệu dao động tắt dần (*) Tần số

Tần số(Hz)Thời gian(s)

Hỡnh 3.10: Phổ pha của tớn hiệu dao động tắt dần (*)

- Vớ dụ 2: Phõn tớch phổ tần số tớn hiệu rung động lấy từ vỏ hộp số bỏnh răng.

Tần số lấy mẫu: fs = 5000 (Hz); số điểm lấy mẫu: 1024.

Hỡnh 3.11: Tớn hiệu trờn miền thời gian

Hỡnh 3.12: Phổ biờn độ của tớn hiệu Tần số

Thời gian(Hz)Tần số(Hz)

Hỡnh 3.13: Phổ cụng suất của tớn hiệu thực

HỠNH 3.14: PHổ PHA CủA TỚN HIệU THựC

3.3.2 Phõn tớch Cepstrum a) Cepstrum phức

Ceprtrum phức được định nghĩa là biến đổi Fourier ngược của lụgarit cỏc phổ phức:

- Theo phương trỡnh (3.25) C() là một hàm theo thời gian (T cú thứ nguyờn là thời gian) và T được gọi là Quefrency.

- í nghĩa của hàm C(): khảo sỏt mối quan hệ giữa lực tỏc dụng – hàm truyền - đỏp ứng như sau: Đầu vào Hệ thống Đầu ra

Tần số (Hz)Tần số(Hz)

(Lực:x(t) ) (Hàm truyền h(t)) (Dao động y(t)) ta cú : y t ( )  x t ( )* ( ) h t theo tớnh chất của phộp biến đổi Fourier:

( ) ( ) ( ) y f x f H f với H f ( ) :hàm đỏp ứng tần số

Như vậy thụng qua phõn tớch Cepstrum tớn hiệu dao động cú cấu trỳc chập sẽ được phõn tớch thành 2 Ceprtrum phức

Một số ứng dụng của Cepstrum:

- Phỏt hiện ra cỏc cấu trỳc tuần hoàn trong phổ tần số (thường được sử dụng để phõn tớch tớn hiệu dao động tại mỏy quay)

- Chia tỏch cỏc ảnh hưởng của nguồn kớch động và đường truyền dao động (sử dụng trong việc nhõn dạng cỏc nguồn kớch động dao động) b) Cepstrum cụng suất (Power cepstrum)

- Cepstrum cụng suất được định nghĩa:

(3.27) trong đú S X ( f )=|X ( f )| 2 là phổ cụng suất của tớn hiệu x(t)

- Cepstrum cụng suất khỏc với Cepstrum phức ở chỗ khụng tồn tại biến đổi ngược từ

C P (τ)→X(f ) do cấu trỳc bỡnh phương |X ( f )| 2 đó làm mất thụng tin về pha.

- Cepstrum cụng suất cũng đựoc sử dụng rộng rói trong 2 ứng dụng nờu trờn, đặc biệt là để phỏt hiện ra cỏc cấu trỳc tuần hoàn trong phổ.

Vớ dụ: Phõn tớch Cepstrum phức tớn hiệu rung động lấy từ vỏ hộp số bỏnh răng.

Tần số lấy mẫu: fs = 5000 (Hz); số điểm lấy mẫu: 1024.

Hỡnh 3.15: Tớn hiệu thực trờn miền thời gian

Hỡnh 3.16: Phõn tớch Cepstrum phức tớn hiệu thực

Hỡnh 3.17: Phõn tớch Cepstrum cụng suất tớn hiệu thực

Tớn hiệu đo được thụng thường chứa rất nhiều cỏc thành phần cú tần số khỏc nhau Mỗi một thành phần tần số sẽ đặc trưng cho một nguồn rung nhất định 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 hiệu trong một dải tần mong muốn.

Vớ dụ trong hỡnh 3.18, 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 ăn khớp Muốn vậy, ta phải dựng đến cỏc bộ lọc số (digital filter).

Hỡnh 3.18 Phổ tần số của một dạng tớn hiệu dao động trong bỏnh răng Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ thống dựng để làm biến đổi sự phõn bố tần số của tớn hiệu theo cỏc chỉ tiờu cho trước. dao động tự do sinh ra do hư hại dao động do ăn khớp

4 4 Định nghĩa quỏ trỡnh lọc số: là cỏc thao tỏc xử lý nhằm thay đổi sự phõn bố tần số của tớn hiệu nhờ một bộ lọc số.

Cỏc bộ lọc số là đang là đối tượng được nghiờn cứu nhiều nhất hiện nay trong cỏc phương phỏp phõn tớch tớn hiệu số Trong khuụn khổ của đồ ỏn này, ta chỉ quan tõm tới cỏc đặc tớnh của một số bộ lọc số thụng dụng và cỏch sử dụng chỳng cho phõn tớch tớn hiệu dao động. a) Cỏc loại bộ lọc số chớnh

- Bộ lọc số thụng thấp, (digital low-pass filter), (hỡnh 3.19a) Bộ lọc này sẽ loại bỏ cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số lớn hơn f max

- Bộ lọc số thụng cao, (digital high-pass filter), (hỡnh 3.19b), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số nhỏ hơn f min sẽ bị loại bỏ.

- Bộ lọc số thụng dải, (digital band pass filter), (hỡnh 3.20a), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số lớn hơn f max hay nhỏ hơn f min sẽ bị loại bỏ.

- Bộ lọc số chắn dải, (digital band stop filter), (hỡnh 3.20b), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số nhỏ hơn f max và lớn hơn f min sẽ bị loại bỏ.

Hỡnh 3.19: Cỏc đường đặc tớnh của cỏc bộ lọc số thụng thấp (a) và thụng cao (b)

The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location.

Hỡnh 3.20: Cỏc đường đặc tớnh của cỏc bộ lọc số thụng dải (a) và chắn dải (b) đườNG đặCTỚNH LÝTưởNG đường đặc tớnh thực

X(N) H(N) lọc số tớn hiệu vào tớn hiệu được lọc Y(N)

Một đại lượng khụng thứ nguyờn thường hay được sử dụng cú tờn là Octave, đú là quóng giữa hai tần số f 1 và f 2 với f 2 = 2f 1 Hai tần số f min và f max được gọi là cỏch nhau p Octave nếu log2(f max / f min ) = p Do đú, Octave được dựng để đỏnh giỏ tỉ số của hai tần số biờn của bộ lọc. b) Cỏc tham số chớnh của một bộ lọc số

Hỡnh 3.21 mụ tả hàm phản hồi xung (hàm đỏp ứng tần số) của một bộ lọc số thụng thấp Cỏc tham số chớnh gồm cú:

1: độ gợn súng của dải thụng.

2: độ gợn súng của dải chắn. fmax: tần số giới hạn dải thụng. f p : tần số giới hạn dải chắn.

Hỡnh 3.21: Hàm phản hồi xung của bộ lọc số thụng thấp c) Mụ tả quỏ trỡnh lọc số

Hỡnh 3.22: Sơ đồ quỏ trỡnh lọc số

Sơ đồ trờn thể hiện rằng tớn hiệu được lọc là phộp chập của tớn hiệu vào và hàm phản hồi xung:

(3.28) dải dải chắn dải quỏ độ

4 6 d) Cỏc bộ lọc số thụng dụng

- Lọc số cú đỏp ứng xung chiều dài hữu hạn (Finite Impulse Response filter - FIR filter): h(n) chỉ khỏc 0 trong một khoảng hữu hạn n = 1 N Ưu điểm của loại lọc này là cú pha tuyến tớnh, ổn định, kết hợp cú hiệu quả với phần cứng, thiết kế đơn giản Cỏc loại lọc FIR gồm cú: lọc FIR pha tuyến tớnh, lọc FIR nội suy, lọc FIR với cửa sổ Kaiser

- Lọc số cú đỏp ứng xung chiều dài vụ hạn (Infinite Impulse Response filter - IIR filter): h(n) khỏc 0 với mọi n Cỏc bộ lọc loại này đó được nghiờn cứu và phỏt triển rất lõu Một số loại lọc IIR thụng dụng hiện nay gồm cú: Butterworth, Chebyshev loại I và II, Elliptic

Hệ chương trỡnh MATLAB cú một hộp cụng cụ "signal processing" cung cấp rất nhiều chức năng chuyờn dựng để lọc và xử lý tớn hiệu số rất hiệu quả Cỏc bộ lọc IIR được đề cập ở trờn cú thể lần lượt được gọi thụng qua cỏc lệnh: butter, cheby1, cheby2, ellip.

Vớ dụ: Lọc số Butterworth đối với tớn hiệu thực thu được từ rung động của vỏ hộp số.

Tần số lấy mẫu: 5000 Hz; số điểm lấy mẫu: 1024.

Hỡnh 3.23: Tớn hiệu thực trờn miền thời gian

Tớn hiệu lọc y(t ) ˆ ( ) y t ĐườNG BAO tớn hiệu lọc

Hỡnh 3.24: Lọc thụng thấp với fmax = 500 Hz.

Hỡnh 3.25: Lọc thụng cao với fmin = 1000 Hz

Hỡnh 3.26: Lọc thụng dải với fmin = 1200Hz và fmax = 1500Hz

Phương phỏp phõn tớch phổ đường bao

Phương phỏp này được sử dụng rất rộng rói cho chẩn đoỏn mỏy quay đặc biệt là phõn tớch dao động của bộ truyền bỏnh răng và ổ lăn Cỏc bước thực hiện được thể hiện trờn sơ đồ hỡnh 3.27:

Hỡnh 3.27: Cỏc bước thực hiện phõn tớch phổ đường bao

- Việc sử dụng bộ lọc thụng dải cho phộp ta cú được tớn hiệu lọc y(t ) chứa cỏc tần số xỏc định, cỏc tần số được chọn này quyết định kết quả của phương phỏp Yờu cầu của phương phỏp này là tớn hiệu mang chỉ được phộp cú một thành phần tần số.

- Phổ đường bao biểu diễn cỏc thành phần tần số của tớn hiệu điều biến và là cơ sở để nhận dạng cỏc nguồn rung.

- Vớ dụ 1: phõn tớch phổ đường bao tớn hiệu dao động tắt dần (*)

Hỡnh 3.28: Đường bao của tớn hiệu dao động tắt dần (*)

Hỡnh 3.29: Phổ đường bao của tớn hiệu dao động tắt dần (*)

Tần số (Hz) đường bao tớn hiệu

ứng dụng phương phỏp phổ đường bao trong chuẩn đoỏn bỏnh răng và ổ lăn

Vớ dụ ỏp dụng cho chuẩn đoỏn bỏnh răng

Hỡnh 4.1 mụ tả sơ đồ thiết bị thớ nghiệm khả năng chẩn đoỏn hư hỏng của bộ truyền bỏnh răng.

Mụ hỡnh thớ nghiệm này gồm hai bộ truyền bỏnh răng một cấp cú kớch thước giống hệt nhau. Bỏnh răng nhỏ (bỏnh dẫn) cú 14 răng, bỏnh bị dẫn cú 39 răng Hệ thống được truyền dẫn bởi một động cơ điện cú thể điều khiển được tốc độ quay Một khớp nối thủy lực được dựng để tạo ra tải trọng trong quỏ trỡnh thớ nghiệm Tớn hiệu dao động được đo trờn vỏ cơ cấu cần kiểm tra (chẩn đoỏn) bằng bốn đầu đo gia tốc theo phương hướng kớnh (số 1 và 4) và dọc trục (số 2 và 3) Cỏc tớn hiệu đo được số húa tại tần số lấy mẫu f s = 10000 Hz Thời gian đo kộo dài trong 3,2 giõy sẽ cho ta 2 15 điểm lấy mẫu (N = 2 15 ) Để phục vụ cho việc trung bỡnh húa tớn hiệu đồng bộ, ta bố trớ hai đầu đo khụng tiếp xỳc (khúa pha) nhằm tạo ra một xung tương ứng với một số vũng quay của trục Cỏc kết quả đo được lưu giữ trong bộ nhớ mỏy tớnh để xử lý Thớ nghiệm này nghiờn cứu hai dạng hỏng khỏc nhau của bỏnh răng trờn cơ cấu cần kiểm tra:

- Rỗ bề mặt của bỏnh răng nhỏ trờn một số răng

Cỏc lỗi này được gõy ra cú chủ ý tại một số răng và mục tiờu của nghiờn cứu là tỡm ra cỏc hư hỏng này.

Hỡnh 4.1: Sơ đồ thớ nghiệm lấy mẫu tớn hiệu rung động từ vỏ hộp số bỏnh răng

Trong quỏ trỡnh thớ nghiệm, trục dẫn của bỏnh nhỏ quay với vận tốc n 1 = 1500 (vũng/phỳt), do đú tần số vũng quay của bỏnh dẫn là

Hz Như vậy, tần số ăn khớp răng

4.1.2 Kết quả chuẩn đoỏn sử dụng phương phỏp phõn tớch phổ đường bao

Trước khi phõn tớch phổ đường bao, tớn hiệu được lọc thụng dải để loại ra những thành phần khụng giỳp ớch cho chẩn đoỏn Trong trường hợp này, ta sẽ lọc tớn hiệu bằng bộ lọc ButterWorth với f1 = 700 Hz , f2 = 1200 Hz.

TỚN HIệU đO MỎY TỚNH

Li hợp Đầu đo 1 Đầu đo 2 Đầu đo 3

Cơ cấu truyền Khớp nối thủy lực

Cơ cấu cần kiểm tra Động cơ

Hỡnh 4.2: Tớn hiệu dao động của vỏ hộp số trong miền thời gian

Hỡnh 4.3: Đường bao tớn hiệu dao động đó được lọc thụng dải của vỏ hộp số (màu đỏ)

The linked image cannot be displayed The file may have been moved, renamed, or deleted Verify that the link points to the correct file and location. f

Thời gian (s)Thời gian (s)G ia t ố c (m /s 2 )

Hỡnh 4.4: Phổ đường bao tớn hiệu dao động của vỏ hộp số. f là tần số của thành phần tớn hiệu gõy ra hư hỏng

Nhỡn trờn hỡnh 4.4, ta nhận thấy rằng, tần số của thành phần tớn hiệu gõy ra hư hỏng là 25 Hz,trựng khớp với tần số quay của bỏnh răng nhỏ Biờn độ của thành phần này là khỏ lớn so với mức bỡnh thường Như vậy, cú thể kết luận rằng bỏnh răng nhỏ đó xuất hiện hư hại.

Vớ dụ ỏp dụng cho chuẩn đoỏn ổ lăn

Cú một cỏch nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc lỗi hỏng khỏc nhau ở ổ lăn đối với tớn hiệu gia tốc dao động đo được của vũng ngoài ổ Tất cả cỏc thớ nghiệm được thực hiện trờn một mụ hỡnh Rụtor-gối đỡ thụng thường Tần số quay được giữ nguyờn ở mức f n = 50 Hz.

Cỏc lỗi hỏng được cố ý gõy ra tại vũng ngoài của ổ bi SKF 6211 , xem bảng 4.5 Cỏc vết rỗ bởi mỏi xuất hiện và phỏt triển trong suốt một thời gian dài hoạt động

Thụng số vũng bi SKF 6211

 = 0 f vn = f n 4,1 = 205 (Hz) f vt = f n 5,9 = 295 (Hz) f b = f n 5,6 = 260 (Hz) f c = f n 0,4 = 20 (Hz)

Bảng 4.5: Cỏc thụng số chế tạo và tần số hỏng tương ứng với từng bộ phận của ổ lăn

Hỡnh 4.6 là sơ đồ thớ nghiệm chẩn đoỏn hư hỏng của ổ lăn Tớn hiệu gia tốc được đo tại tần số lấy mẫu 35 kHz với hệ thống đo đa kờnh Do đú, tớn hiệu đo được tại vị trớ gần nhất của ổ theo phương hướng kớnh được dựng cho cỏc phõn tớch dưới đõy.

Hỡnh 4.7 thể hiện tớn hiệu dao động được đo bởi đầu đo gia tốc trong suốt quỏ trỡnh kiểm tra. Xung dao động tắt dần được định ra từ tớn hiệu tại vũng ngoài cú tần số lặp lại f vn Tuy nhiờn, thành phần dao động này khụng được nhỡn thấy rừ trờn miền thời gian.

Hỡnh 4.6: Sơ đồ thớ nghiệm chuẩn đoỏn hư hỏng ổ lăn

Hỡnh 4.7: Tớn hiệu dao động của ổ lăn trờn miền thời gian

Thời gian (s) G ia t ố c (m /s 2 ) Đầu đo ổ lăn

MỎY TỚNH TỚN HIệU đO

Hỡnh 4.8: Tớn hiệu dao động của ổ lăn trong miền thời gian

Hỡnh 4.9: Phổ đường bao của tớn hiệu dao động của ổ lăn

Trờn hỡnh 4.9, ta nhận thấy rằng tần số của thành phần tớn hiệu gõy ra hư hỏng là 205 Hz, biờn độ của thành phần này cũng khỏ lớn so với mức bỡnh thường Đối chiếu với bảng 4.5, ta cú thể kết luận rằng vũng ngoài của ổ đó cú dấu hiệu hư hại.

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	1,16 MB