Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của bánh răng và ổ lăn
Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của bánh răng
1.1.1 Kết cấu của bánh răng a) Các đặc điểm
Trong các kết cấu cơ khí, bộ truyền bánh răng thờng đợc sử dụng để truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng (hoặc thanh răng) Các loại bộ truyền bánh răng thông dụng đợc thể hiện trong hình 1.1a - g.
(a) Bộ truyền bánh trụ răng thẳng (b) Bộ truyền bánh trụ răng nghiêng
(c) Bộ truyền bánh trụ răng chữ V
(d) Bộ truyền bánh côn răng thẳng (e) Bộ truyền bánh côn răng nghiêng
(f) Bộ truyền bánh răng - thanh răng (g) Bộ truyền bánh răng hành tinh
Hình 1.1: Các loại bộ truyền bánh răng thông dụng Ưu điểm của bộ truyền bánh răng là có kích thớc nhỏ, khả năng tải lớn, hiệu suất cao (97 - 99%), tuổi thọ cao, làm việc ổn định Tuy nhiên, truyền động bánh răng cũng có các nhợc điểm là chế tạo tơng đối phức tạp do yêu cầu về độ chính xác cao, gây ra ồn khi làm việc ở vận tốc lớn.
Hiện nay, trong các bộ truyền bánh răng ngời ta thờng hay sử dụng loại bánh răng có biên dạng là đờng thân thân khai Đây là yếu tố bảo đảm cho tỉ số truyền giữa hai bánh răng tham gia ăn khớp không thay đổi trong suốt quá trình vận hành, thỏa mãn điều kiện ăn khớp đều và ăn khớp khít của bộ truyền Các thông số hình học cơ bản của bánh răng thân khai đợc thể hiện trong h×nh 1.2.
Bộ truyền bánh răng đợc sử dụng rất rộng rãi trong các máy móc từ nhỏ (đồng hồ cơ) đến các máy hạng nặng, có thể truyền công suất từ nhỏ đến lớn (300 MW), vận tốc từ thấp đến rất cao
Hình1.2: Các thông số hình học cơ bản của bánh răng thân khai
Thông số Kí hiệu Công thức tính Ghi chú
Số răng Z Do nhà sản xuất qui định
Môđun m Đã đợc tiêu chuẩn hóa
Bớc răng p p = m bớc trên vòng chia Đờng kính vòng chia d d Z m. Đờng kính vòng đỉnh d a d a = d + 2m Đờng kính vòng đáy d f d f = d - 2,5m
ChiÒu cao r¨ng h h = h a + h c Đờng kính vòng cơ sở d b d b d.cos là góc áp lực, (hình 1.4)
Bảng 1.3: Các thông số chế tạo cơ bản của bánh răng thân khai
Hình1.4: Sơ đồ nguyên lý bộ truyền bánh răng trụ b) KÕt cÊu
Do hình dạng của bánh răng tơng đối phức tạp, nh hình 1.4, nên trong các bản vẽ kĩ thuật, ngời ta không vẽ chi tiết từng chiếc răng một mà thay vào đó, ta chỉ thể hiện một cách đơn giản nhất những thông số cơ bản của một bánh răng, xem hình 1.5.
Hình 1.5: Bản vẽ chi tiết bánh răng
Tùy theo kích thớc và tính chất của truyền động mà bánh răng có thể đợc thiết kế theo nhiều khuôn dạng khác nhau.
Bánh răng thẳng thờng đợc dùng trong các bộ truyền có vận tốc trung bình hoặc thấp, trong các bộ truyền để hở, trong các bộ truyền có yêu cầu chuyển động dọc trục (ví dụ nh trong các hộp tốc độ, hộp số ) Bánh răng nghiêng thờng đợc dùng trong các bộ truyền có vận tốc cao Bánh răng chữ V thờng đợc dùng trong các bộ truyền chịu tải rất lớn và không gây ra lực dọc trục tác động lên các ổ lăn.
Kết cấu bánh răng phụ thuộc nhiều vào kích thớc (chủ yếu là đờng kính bánh răng), qui mô sản xuất và cách lắp ghép với trục Nếu đờng kính bánh răng không lớn (dới 150mm) bánh răng thờng đợc chế tạo liền một khối, không khoét lõm nh hình 1.6a Nếu đờng kính vòng đáy răng ít chênh lệch với đờng kính trục hoặc cần tăng độ đồng tâm giữa bánh răng đối với trục, bánh răng thờng đợc làm liền với trục Thờng thì bánh răng đợc làm liền trục khi đờng kính khoảng cách từ đáy răng đến rãnh then nhỏ hơn 2,5m đối với bánh răng trụ và 1,6m đối với bánh răng côn, trong đó m là môđun, xem hình 1.6b Bánh răng có đờng kính nhỏ hơn 500mm đợc chế tạo bằng phôi rèn hoặc phôi dập (nếu sản xuất số lợng lớn), đợc khoét lõm và làm lỗ để giảm bớt khối lợng, những bánh răng không quan trọng có thể đợc đúc hoặc chế tạo bằng thép cán Nhờ có các lỗ trên thân bánh mà việc tháo lắp, gá đặt trên máy gia công và chuyên chở đợc thuận tiện nh hình 1.6c Bánh răng có đờng kính lớn trên 500mm đợc chế tạo bằng hàn nh hình 1.6d nếu sản xuất đơn chiếc hay loạt nhỏ và chế tạo bằng đúc nh hình 1.6e nếu sản xuất loạt lớn Đối với các bánh răng kích thớc lớn đặt trong hộp giảm tốc có khoảng cách trục trên 400mm, để tiết kiệm vật liệu, ngời ta thờng chế tạo riêng vành răng bằng thép tốt, lõi bằng gang hoặc thép thờng Vành răng đợc lắp với lõi bằng độ dôi và có bắt vít.
Vòng đỉnh răng Vòng chia
Vòng đáy răngRãnh then
(a) Bánh răng đợc làm liền một khối (b) Bánh răng liền trục không khoét lõm
(c) Bánh răng đợc khoét lõm và làm lỗ (d) Bánh răng đợc chế tạo bằng hàn
(e) Bánh răng đợc chế tạo bằng phơng pháp đúc Hình 1.6: Các dạng kết cấu thờng gặp ở bánh răng
1.1.2 Các dạng hỏng thờng gặp ở bánh răng a) Mòn
Cơ chế chủ yếu gây ra mòn là sự thiếu hụt độ dầy cho phép của lớp dầu bôi trơn giữa các bề mặt tiếp xúc của các răng Ngoài ra, các nhân tố khác có thể gây ra hoặc làm mòn trầm trọng hơn là các hạt mài mòn lẫn trong dầu bôi trơn, sự không đồng đều của bề mặt răng làm dầu ngấm vào.
Mòn vừa phải thờng đợc gây ra bởi sự thiếu hụt độ dầy lớp dầu bôi trơn, hình 1.7a Độ mòn tỉ lệ với vận tốc trợt, vận tốc trợt biến đổi từ 0 tại vòng chia và lên tới cực đại tại điểm tiếp xúc, theo lý thuyết các răng sẽ thể hiện độ mòn lớn nhất tại vòng chia và chân nhng trên thực tế không có mòn tại vòng chia Mòn vừa phải thờng không đợc coi là lỗi tuy nhiên nó là khúc dạo đầu cho mòn nghiêm trọng và cuối cùng là hỏng răng hoàn toàn Độ mòn có thể đợc giảm bằng cách tăng độ nhớt của dầu, sử dụng loại dầu cao áp (loại dầu chịu đợc lực ăn khớp lớn), cải thiện chất lợng bề mặt răng hoặc thay đổi các thông số hình học răng để giảm vận tốc trợt.
Nếu không đợc khắc phục, mòn vừa phải sẽ tiến triển thành mòn nghiêm trọng nh hình 1.7b trong đó, biên dạng gốc của răng bị hủy hoại và cuối cùng là lỗi gẫy răng do các nguyên nhân sau:
- răng bị mòn mỏng tới mức giới hạn bền uốn của răng bị vợt quá.
- các vết nứt phát triển từ chỗ hỏng trên bề mặt răng.
- tải trọng lớn phá hỏng biên dạng răng.
Mòn bởi hạt mài đợc gây ra bởi các hạt nhỏ lẫn trong dầu bôi trơn,hình 1.7c, độ rắn của các hạt này gần bằng hoặc lớn hơn độ rắn của bề mặt răng và có đờng kính lớn hơn hoặc bằng độ dầy của màng dầu Để tránh dạng mòn này, việc cần thiết là phải bảo đảm cho dầu đợc sạch cặn bẩn trong mọi thời điểm bằng cách sử dụng bộ lọc hay là thờng xuyên thay dầu Các hạt mài cũng có thể là kết quả của một lỗi hỏng khác nào đó chẳng hạn nh lỗi ở ổ lăn.
(a) Mòn vừa phải (b) Mòn nghiêm trọng (c) Mòn bởi hạt mài
Hình 1.7: Các dạng mòn thờng gặp ở bánh răng b) Dính, rỗ, tróc
Dính, rỗ và tróc đợc gây ra bởi sự gắn kết tức thời và phá hỏng gắn kết của những chỗ nhấp nhô trên bề mặt răng trong quá trình ăn khớp Điều này xảy ra bởi sự kết hợp của tải trọng, vận tốc tr- ợt và nhiệt độ dầu bôi trơn đạt đến một giá trị giới hạn làm phá hỏng lớp dầu ngăn cách các bề mặt răng dẫn tới kim loại tiếp xúc trực tiếp kim loại, nếu ứng suất bề mặt và vận tốc trợt đủ lớn thì sự kết dính sẽ xảy ra Sự khác nhau giữa dính và rỗ là ở phạm vi của sự gắn kết và hậu quả của việc phá hủy gắn kết Rỗ thờng đợc thấy trong các hộp số cao tốc, chịu tải lớn vận hành với dầu tổng hợp có độ nhớt thấp.
Xảy ra khi đỉnh của các bề mặt nhấp nhô bị gắn kết rồi phá hủy một phần nhỏ hoặc không bị phá hủy thêm nữa Trên bề mặt răng xuất hiện một lớp dính tinh thể gây ra bởi bề mặt bị rỗ nhỏ mà không có vết nứt trên hớng trợt, hình 1.8a Dính giai đoạn đầu có thể làm tăng diện tích tiếp xúc dẫn đến giảm áp suất bề mặt, làm cho bánh răng có thể chạy dài hạn mà không bị hỏng thêm. Nếu cần thiết, có thể khử dính bằng cách đánh bóng dùng giấy ráp và bánh răng lại làm việc nh không có vấn đề gì.
Các điều kiện sinh ra tải trọng phân bố không đều trên bề mặt răng nh là lệch và biên dạng địa phơng có lỗi có thể gây ra rỗ cục bộ, hình 1.8b Bánh răng bị rỗ cục bộ ở mức độ nhỏ có thể tiếp tục vận hành mà không bị hỏng thêm nếu rỗ xóa bỏ đợc nguyên nhân tải trọng phân bố không đều (nh là điểm nhô trên biên dạng) và làm cho bề mặt tiếp xúc có khả năng chịu tải hoàn toàn. Trong một vài tình huống, rỗ cục bộ giai đoạn đầu có thể biểu hiện vấn đề, nh là lệch, mà cũng có thể đa tới lỗi nguy hiểm hơn nếu không đợc khắc phục.
Hình 1.8: Dính và Rỗ cục bộ c) Tróc mỏi bề mặt
Tróc mỏi bề mặt sinh ra bởi tác dụng lặp đi lặp lại và sự di chuyển của tải trọng trên bề mặt răng mà có thể dẫn tới lỗi khi sức bền mỏi của vật liệu bị vợt quá Các lỗi khác kết hợp với tróc mỏi bề mặt là rỗ và nứt Khả năng chịu mỏi của bánh răng phụ thuộc vào tải trọng và số chu kỳ chịu tải của vật liệu Bánh răng có tuổi thọ đợc thiết kế ngắn thì phải chịu tải trọng bề mặt lớn hơn nhiều so với loại tơng đơng đợc thiết kế cho tuổi thọ lâu dài Hầu hết các lỗi tróc mỏi bề mặt đều bắt nguồn từ các độ sâu khác nhau bên dới lớp bề mặt răng nhng lại đợc gọi là tróc mỏi bề mặt răng vì bề mặt răng bị phá hỏng bởi quá trình lỗi.
Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của ổ lăn
1.2.1 Kết cấu của ổ lăn a) Cấu tạo và phân loại ổ lăn
Trong ổ lăn, tải trọng từ trục trớc khi truyền đến gối trục phải qua các con lăn (bi hoặc đũa) Nhờ có con lăn cho nên ma sát sinh ra trong ổ là ma sát lăn ổ lăn thờng gồm bốn bộ phận.
Vòng trong và vòng ngoài thờng có rãnh, vòng trong lắp với ngõng trục, vòng ngoài lắp với gối trục (vỏ máy, thân máy) Thờng chỉ vòng trong cùng quay với trục, còn vòng ngoài đứng yên, nh- ng cũng có khi vòng ngoài cùng quay với gối trục còn vòng trong đứng yên cùng với trục (nh ổ lăn của bánh ôtô ).
Con lăn có thể là bi hoặc đũa, lăn trên rãnh lăn Rãnh có tác dụng giảm bớt ứng suất tiếp xúc của bi, hạn chế bị di động dọc trục và do đó ổ có thể chịu đợc một vài tải trọng dọc trục Để tránh ma sát trợt, bán kính cong của rãnh phải lớn hơn bán kính của bi.
Vòng cách giữ cho hai con lăn kề nhau cách nhau một khoảng nhất định, nếu không, chúng có thể tiếp xúc nhau và ở điểm tiếp xúc chuyển động của hai con lăn ngợc chiều nhau, do đó vận tốc ma sát gấp hai lần vận tốc vòng của con lăn bị mòn rấ nhanh, mặt khác ổ làm việc sẽ ồn nhiều. Để giảm bớt mài mòn con lăn, vòng cách nên làm bằng vật liệu tơng đối mềm.
Thông thờng con lăn có các loại sau : bi (hình 1.12a), đũa trụ ngắn (hình 1.12b), đũa trụ dài (hình 1.12c), đũa côn (hình 1.12d), đũa hình trống đối xứng (hình 1.12đ) hoặc không đối xứng (hình 1.12e), đũa hình kim (hình1.12g), đũa xoắn (hình1.12h).
Vòng ngoàiVòng trongVòng cách
Hình 1.12: Các loại con lăn thông dụng b) Ưu nhợc điểm của ổ lăn
So sánh với ổ trợt , ổ lăn có các u điểm sau:
- Hệ số ma sát nhỏ (vào khoảng 0,0012 0.0035 đối với ổ bi và 0.002 0.006 đối với ổ đũa), mômen cản sinh ra khi mở máy cũng ít hơn so với ổ trợt; do đó dùng ổ lăn hiệu suất của máy tăng lên và nhiệt sinh ra tơng đối ít Ngoài ra hệ số ma sát tơng đối ổn định ( í chịu ảnh hởng của vận tốc ) cho nên có thể dùng ổ lăn làm việc với vận tốc rất thấp.
- Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tồn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ bôi trơn.
- Kích thớc chiều rộng ổ lăn nhỏ hơn chiều rrộng ổ trợt có cùng đờng kính ngõng trục.
- Mức độ tiêu chuẩn hoá và tính lắp lẫn cao, do đó thay thế thuận tiện, giá thành chế tạo t ơng đối thấp khi sản xuất loạt lớn.
Tuy nhiên, ổ lăn có một số nhợc điểm sau:
- KÝch thíc híng kÝnh lín
- Lắp ghép tơng đối khó khăn.
- Làm việc có nhiều tiếng ồn, khả năng giảm chấn kém.
- Lực quán tính tác dụng lên các con lăn khá lớn khi làm việc với vận tốc cao.
- Giá thành tơng đối cao nếu sản xuất với số lợng ít. ổ lăn đợc dùng rất phổ biến trong nhiều loại máy: máy cắt kim loại, máy điện, ôtô, máy bay, máy kéo, máy nông nghiệp, cần trục, máy xây dựng, máy mỏ, trong các hộp giảm tốc, trong các cơ cấu v.v
1.2.2 Các dạng hỏng thờng gặp của ổ lăn
Trong quá trình làm việc,thông thờng trên các bề mặt làm việc của ổ lăn xuất hiện một số dạng h háng chÝnh sau: a) Mài mòn
Quá trình mài mòn xuất hiện do ma sát của các bề mặt trợt Nguyên nhân chủ yếu ở đây là do bôi trơn không đầy đủ và đúng quy cách Độ mòn tăng lên tỷ lệ với thời gian vận hành Hậu quả của dạng hỏng này là tăng khe hở hớng kính của ổ và làm tiền đề cho các dạng hỏng tiếp theo nguy hiểm hơn Độ mòn có thể giảm bằng cách cải thiện quá trình bôi trơn và tăng chất lợng bề mặt tiếp xúc của các chi tiết trong quá trình gia công. b) Rỗ và tróc
Hiện tợng rỗ và tróc thờng gặp phải trên bề mặt làm việc của các chi tiết nh: vòng trong, vòng ngoài, viên bi Nguyên nhân sinh ra của hiện tợng này là do mòn nghiêm trọng, ứng suất tiếp xúc vợt quá giới hạn cho phép Dạng hỏng này thờng tập trung cục bộ ở một số điểm trên bề mặt trợt, hậu quả của chúng là khi các vết tróc và rỗ phát triển trên diện tích lớn sẽ dãn đến gẫy hỏng đột ngột các chi tiết làm việc và làm đình trệ sự hoạt động của toàn bộ thiết bị, xem hình 1.13 Do đó việc chuẩn đoán và phát hiện sớm dạng hỏng này đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động thiết bị.
Hình 1.13: Rỗ và tróc c) Nứt và gẫy các chi tiết
Quá trình hình thành các vết nứt trên bề mặt các chi tiết của ổ có nguyên nhân từ tróc và rỗ bề mặt do ứng suất mỏi sinh ra vợt quá giới hạn cho phép Các vết nứt hình thành ban đầu thờng rất nhỏ(cỡ vài m) và sau thời gian hoạt động tơng đối ngắn vết nứt này sẽ phát triển rất nhanh và gây nên gẫy hỏng chi tiết, hình 1.14 Dạng hỏng này là h hỏng cục bộ và cũng đóng vai trò hết sức quan trọng, nh là một đối tợng cần phát hiện của chuẩn đoán.
Hình 1.14: Gẫy nứt vòng ngoài
Phân tích các nguồn gây rung tại bánh răng và ổ lăn
Các nguồn gây rung tại bánh răng
2.1.1 Cơ chế kích động dao động Để đơn giản, xét mô hình hộp số bánh răng một cấp nh hình 2.1, mômen xoắn đợc truyền từ trục chính của động cơ qua bộ li hợp rồi đến trục vào của hộp số Tại trục ra của hộp, nhờ có bộ truyền bánh răng, mômen xoắn đợc tăng lên và tốc độ quay giảm đi để đáp ứng yêu cầu của máy sản xuÊt.
Hình 2.1: Mô hình hộp số bánh răng một cấp.
Trong quá trình làm việc của hộp, rung động và tiếng ồn là hai yếu tố cơ bản phát sinh Tuy nhiên, trong khuôn khổ của đồ án này, ta chỉ xét đến các rung động vì đó là cơ sở để chẩn đoán h hỏng của các bánh răng Việc nghiên cứu các hiệu ứng động lực và dao động của bộ truyền bánh răng đã đợc bắt đầu từ những năm 50 của thế kỉ trớc và vẫn còn là vấn đề đáng quan tâm cho tới ngày nay Bài toán xây dựng mô hình dao động của bộ truyền trong quá trình ăn khớp vẫn còn là vấn đề thời sự Trong nhiều tài liệu chuyên khảo, các tác giả đã đề ra một số dạng kích động dao động tại quá trình ăn khớp răng nh sau: a) Các nguồn kích động do ngoại lực Động cơ
Vá hép §Çu ®o §êng truyÒn tiếng ồn
Li hợp §êng truyÒn rung động chính.
Chúng đợc sinh ra do sự biến đổi theo thời gian của ngẫu lực cản, ngẫu lực phát động và do sự thay đổi số vòng quay của trục dẫn và trục bị dẫn Những thay đổi này là do các yếu tố công nghệ, kĩ thuật gây ra. b) Các nguồn kích động bên trong chủ yếu do các nguyên nhân sau
- Do sự thay đổi độ cứng ăn khớp c z (t ) theo thời gian: nguyên nhân này là do số răng tham gia ăn khớp trong từng thời điểm có sự khác nhau Ví dụ nh cặp bánh răng thẳng có thể có 2 hay 1 cặp răng ăn khớp tại một thời điểm Điều này xảy ra ngay cả khi bánh răng đợc chế tạo rất chính xác và không bị h hại.
- Do lỗi hỏng có thể là lỗi chế tạo (ví dụ nh sai lệch bớc răng, sai lệch biên dạng răng, lệch tâm bánh răng), lỗi lắp đặt (ví dụ nh lệch trục), lỗi vận hành (ví dụ nh dính, rỗ, mòn, tróc mỏi bề mặt răng, gẫy nứt chân và đỉnh răng).
- Va chạm giữa các bề mặt răng do thân răng bị biến dạng uốn dới tác dụng của tải trọng.
- Do ma sát xuất hiện trên các bề mặt trợt.
Trong số các nguồn kích động bên trong, ba nguyên nhân đầu tiên là đáng kể và là đối tợng nghiên cứu của một số tài liệu chuyên khảo phục vụ cho chẩn đoán rung, còn nguyên nhân do ma sát có thể đợc khắc phục bằng cách nâng cao chất lợng bôi trơn.
Giữa các cặp răng tham gia vào quá trình ăn khớp xuất hiện các lực (lực ăn khớp) Về bản chất, lực ăn khớp hình thành do ngẫu lực phát động và tải trọng công nghệ đặt lên hệ Trong thực tế, lực ăn khớp sinh ra do một số nguyên nhân kích động trên lớn hơn nhiều so với lực ăn khớp tĩnh. Lực ăn khớp động đợc truyền dẫn đến ổ đỡ tạo ra các phản lực ở gối đỡ và dao động của vỏ hộp số Do đó, ta có thể đo đợc các dao động này bằng các đầu đo dao động.
Trớc hết, ta cần phân biệt hai khái niệm: "Lỗi" và "H hỏng" "Lỗi" ăn khớp đợc hiểu là các độ lệch ăn khớp, đợc sinh ra do chế tạo, lắp đặt và thờng phân bố đều trên khắp các răng (Ví dụ nh sai lệch bớc răng, sai lệch biên dạng răng) "H hỏng" (đợc gọi tắt là "hỏng") là sự thay đổi của chi tiết do quá trình làm việc và yếu tố môi trờng gây ra Theo tiêu chuẩn CHLB Đức DIN 3979, có tất cả 27 dạng hỏng khác nhau của bánh răng Xét về phơng diện nghiên cứu dao động, ta có thể chia các dạng hỏng làm 2 nhóm chính:
- Hỏng phân bố: mài mòn bề mặt răng, tróc mỏi nhiều bề mặt răng Nhóm này sinh ra do bộ truyền làm việc trong một thời gian dài Dạng hỏng phân bố làm thay đổi bớc răng, phá hỏng biên dạng răng và là một nguồn kích động dao động trong quá trình ăn khớp răng.
- Hỏng cục bộ: các h hỏng xảy ra trên một vài răng nh nứt gẫy chân răng, mẻ đỉnh răng, Nguyên nhân chính là do bộ truyền làm việc quá tải, khuyết tật trong vật liệu và không đủ dầu bôi trơn Dạng hỏng cục bộ làm thay đổi đột ngột độ cứng ăn khớp và có thể gây ra các va chạm ăn khớp Các xung va chạm sẽ kích động dao động riêng của các chi tiết xung quanh nh thân bánh răng, trục và vỏ hộp số Nh vậy bằng cách đo dao động rung trên vỏ hộp số, ta có thể xác định đ - ợc nguyên nhân sinh ra dao động trong quá trình ăn khớp răng Đó là mục tiêu quan trọng của chẩn đoán rung cho thiết bị này.
2.1.2 Dao động tham số do độ cứng ăn khớp thay đổi và do dạng hỏng phân bố
Nh đã phân tích ở trên, các dao động sinh ra do va chạm ăn khớp từ nguyên nhân h hỏng cục bộ có thể đợc nhận dạng bởi các thành phần dao động riêng tắt dần trong tín hiệu dao động đo đ ợc. Tuy nhiên, cơ chế kích động do các h hởng phân bố tơng đối phức tạp, mô hình dao động đơn giản cho quá trình ăn khớp răng đợc mô tả trong hình 2.2 dới đây nhằm giải thích điều này.
Hình 2.2: Mô hình dao động đơn giản của quá trình ăn khớp răng
Khảo sát một cặp bánh răng ăn khớp dới tải trọng M 1(t ) và M 2(t ) Chọn tọa độ 1 và 2 là hai góc quay của hai bánh r b1 và r b2 là bán kính vòng lăn của hai bánh Các cặp răng tham gia vào quá trình ăn khớp đợc mô hình bởi lò xo có độ cứng thay đổi c z (t ) theo đờng ăn khớp Mô hình này đợc sử dụng khá nhiều trong các tài liệu nghiên cứu ảnh hởng của h hỏng và lỗi phân bố đối với dao động trong quá trình ăn khớp đợc đặc trng bởi hàm kích động e(t ) (kích động động học) theo phơng của đờng ăn khớp
Tỉ số giữa lực ăn khớp và lợng biến dạng tổng cộng của các cặp răng ăn khớp theo phơng của đờng ăn khớp gọi là độ cứng ăn khớp Nh vậy, khi số cặp răng tham gia ăn khớp biến đổi thì độ cứng ăn khớp cũng biến đổi theo Đối với cặp bánh răng thẳng, số cặp răng ăn khớp thay đổi từ 1 cặp thành 2 cặp rồi lại trở về 1 cặp , với cặp bánh răng nghiêng thì sự thay đổi đó là 2 - 3 - 2 hay 3
- 4 - 3 tùy theo góc nghiêng của răng Do đó, ở răng nghiêng, sự thay đổi của c z (t ) ít hơn so với răng thẳng, xem hình 2.3a-b.
(a) bánh trụ răng thẳng (b) bánh trụ răng nghiêng
Bánh dẫn Đờng ăn khớp Bánh bị dẫn
1 1 Độ cứng ăn khớp trung bình c 0 có thể xác định đợc bằng thực nghiệm trong đó hai bánh răng chịu tác dụng của ngẫu lực là hằng số Từ biến dạng đo đợc theo phơng của đờng ăn khớp ta có thể tính đợc c 0. Độ cứng ăn khớp c z (t ) có thể tính toán đợc nhờ một số công cụ phần mềm sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn, trong đó các kích thớc hình học và tham số vật liệu của cặp bánh răng phải đợc khai báo một cách chính xác Từ mô hình phần tử hữu hạn, các ma trận độ mềm đợc xác định dựa trên ba yếu tố: biến dạng uốn của thân răng, biến dạng do tiếp xúc và biến dạng xoắn của toàn bộ bánh răng Việc tính toán đợc thực hiện với từng điều kiện ăn khớp trên đờng ăn khớp và cho ta kết quả các giá trị của c z theo thời gian.
Nếu vận tốc góc của bánh răng không đổi thì độ cứng ăn khớp c z (t ) là hàm tuần hoàn có chu kì
T z = 1/f z với f z là tần số ăn khớp. f z = Z 1 f n1 = Z 2 f n2 Trong đó: f n1 và f n2 là tần số quay của 2 trục
Nh vậy, có thể khai triển c z (t ) theo chuỗi Fourier, kết quả cho ta :
Kích động tham số do sự thay đổi của độ cứng ăn khớp có ảnh hởng lớn nhất tới ứng xử động lực học của bộ truyền Do đó, dao động ăn khớp ở răng nghiêng yếu hơn ở răng thẳng.
Phơng trình vi phân mô tả dao động tham số của bộ truyền có dạng [1]:
Trong đó: J 1 và J 2 là mômen quán tính của hai bánh răng đối với trục quay
(2.4) thì (2.2) và (2.3) sẽ trở thành:
(2.7) m tg là khối lợng thu gọn của hệ
F(t ) là lực kích động h(t ) là hàm kích động
Các nguồn gây rung tại ổ lăn
Trong một số tài liệu chuyên nghành, các dao động tại ổ lăn đợc chia thành 2 dạng: dao động ngẫu nhiên và dao động riêng
- Dao động ngẫu nhiên: khi ổ lăn ở trạng thái hoạt động tốt dới tải trọng do lực hình thành giữa các bề mặt tiếp xúc bằng hoàn toàn nhẵn
- Dao động riêng của các chi tiết của ổ lăn sinh ra do các h hỏng cục bộ trên các bề mặt làm việc.
Khi mô tả một cách định tính các dao động này thông qua các đo đạc trên vỏ ổ, ta thấy rằng khi ổ lăn bắt đầu bị mài mòn với cờng độ trung bình các dao động ngẫu nhiên có biên độ lớn hơn các trạng thái ban đầu Đặc biệt khi trên các bề mặt làm việc của vòng trong, vòng ngoài, viên bi xuất hiện các h hỏng cục bộ sẽ xuất hiện các kích động va chạm khi viên bi tiếp xúc tại các vị trí h hỏng này Tín hiệu đo đợc chỉ rõ sự hình thành, vị trí và cờng độ h hại nhờ các phơng pháp phân tích tín hiệu đợc trình bày trong các mục sau.
Về phơng diện kỹ thuật chuẩn đoán ổ lăn, Trong tài liệu 2 đã đa ra một đại lợng hết sức quan trọng để nhận dạng và định vị các h hại trong ổ lăn Đó là các tần số liên quan dến h hại Nếu ta xét trong trờng hợp một chi tiết của ổ lăn xuất hiện một vết tróc (ví dụ nh tại vòng ngoài) thì kích động va chạm nói trên sẽ lặp lại theo một tần số xác định nếu vận tốc quay của trục bằng một hằng số (điều đó có nghĩa là nếu ta biết đợc tần số này từ tín hiệu dao đông) ta sẽ xác định đợc vòng ngoài có h hại hay không.
Tham khảo các tài liệu chuyên khảo mô tả các tần số liên quan đến h hại này, việc tính toán dựa trên cơ sở phân tích động học quá trình chuyển động của các chi tiết trong ổ khi làm việc và giả thiết viên bi là lăn không trợt trên bề mặt của vòng trong và vòng ngoài.
Bảng 2.6: Các tần số đặc trng cho h hại tại các vòng của ổ lăn
Các phơng pháp cơ bản phân tích tín hiệu dao động máy
Sơ đồ tổng quan một hệ thống đo
3.1.1 Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo
Hình 3.1 mô tả sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo, đối tợng đo là nguồn rung động nh vỏ máy, đế máy, trục Các tín hiệu rung đợc đầu đo ghi nhận, thông qua cáp truyền tín hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc Cáp truyền tín hiệu có thể là vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang Mạch khuếch đại có tác dụng làm tăng biên độ của tín hiệu còn mạch lọc có tác dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết nh là nhiễu, Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi số - tơng tự, tín hiệu đợc rời rạc hóa thành tín hiệu số rồi đa vào lu trữ và xử lý.
Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo
Dới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính trong một hệ thống đo là:
- §Çu ®o. Đây là hai đối tợng sinh ra và ghi nhận tín hiệu Cáp truyền tín hiệu và các mạch khuếch đại đã đợc nghiên cứu rất kĩ trong các tài liệu chuyên ngành kĩ thuật đo lờng nên ta không xét tới ở đây.
Bộ chuyển đổi "số - tơng tự" và các bộ lọc số đang ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trong phân tích và xử lý tín hiệu số Do đó, chúng sẽ đợc xem xét tới trong mục "Tín hiệu số".
3.1.2 Đối tợng đo Đối tợng đo là những vật gây ra dao động trong quá trình làm việc Trong nội dung chẩn đoán rung, đối tợng đo là các máy móc, thiết bị sản xuất, tín hiệu rung từ các bộ phận bên trong máy đ- ợc truyền ra vỏ máy, đế máy Do đó, bằng các đầu đo đặt trên vỏ và đế máy, ta có thể thu đợc các tín hiệu này Tuy nhiên, vị trí đặt các đầu đo có ảnh hởng rất lớn đến độ chính xác của tín hiệu. ổ lăn cốc lót
Hình 3.2 Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tợng đo
Trong hình 3.2, đầu đo 1 đợc đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phơng dọc trục còn đầu đo 2 đợc đặt phía dới cốc lót và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phơng hớng kính Vị trí đặt các đầu đo 1 và 2 nh trên hình là đúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đo đợc.
3.1.3 §Çu ®o Đầu đo có nhiều loại với nhiều chức năng đo khác nhau nh:
- Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc
- Đầu đo vận tốc dao động
- Đầu đo dao động xoắn của trục
Tuy nhiên, đợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sử dụng cảm biến piezo (còn gọi là gia tốc kế - accelerometer) Loại đầu đo này có độ nhạy cao, ổn định, chịu đ ợc nhiệt độ lớn, khối lợng nhỏ và đặc biệt nó là dụng cụ tự phát, tức là không cần tới bất kì một nguồn cung cấp năng lợng nào để hoạt động Các tín hiệu mẫu ví dụ đợc sử dụng trong đồ án này đều đợc thu từ đầu đo gia tốc, hình 3.3. §Çu ®o 1 phơng dao động dọc trục nắp ổ phơng dao động h- íng kÝnh §Çu ®o 2 trôc
Hình 3.3: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo
Tâm của đầu đo gia tốc là các miếng áp điện, chúng đợc làm từ một loại hợp kim sắt từ đã đợc phân cực nhân tạo Những miếng áp điện này có đặc tính là điện tích của chúng tỉ lệ thuận với độ biến dạng Trong sơ đồ thiết kế của đầu đo gia tốc, hình 3.4, khi toàn bộ đầu đo rung động thì lò xo cùng với trọng vật sẽ tạo ra lực tác động lên các miếng áp điện Khi đo những rung động có tần số thấp hơn tần số cộng hởng của đầu đo, gia tốc của các miếng áp điện sẽ tơng đơng với gia tốc của đế đầu đo Do đó, tín hiệu tại đầu ra sẽ tỉ lệ với gia tốc điểm đo.
Hình 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 lợng và phạm vi động lực Hình 3.5 là đồ thị đặc tính của một đầu đo gia tốc kiểu áp điện f 0 là tần số cộng hởng của hệ trọng vật - lò xo.
Miếng áp điện §Õ §Çu ra
Hình 3.5: Đờng đặc tính tần số của đầu đo gia tốc
Việc đo lờng thờng đợc diễn ra trong vùng tần số có ích (vùng tuyến tính của đờng đặc tính), giới hạn trên là 1/3 tần số cộng hởng Quy tắc chung là sai số của thành phần dao động đợc đo tại tần số này phải bé hơn 12% Những đầu đo gia tốc có khối lợng nhỏ, tần số cộng hởng của chúng ở vào khoảng 180 kHz còn đối với những đầu đo gia tốc có độ nhạy cao thì tần số cộng hởng lại ở mức 20 - 30 kHz Với cùng một loại vật liệu áp điện, độ nhạy của đầu đo gia tốc là hàm đồng biến của khối lợng, do đó, tăng độ nhạy của đầu đo đồng nghĩa với tăng khối lợng của nó Nhng điều này lại làm cho tần số cộng hởng giảm xuống, giảm giới hạn đo của đầu đo Các đầu đo gia tốc có giới hạn đo lớn thờng có kích thớc nhỏ gọn, khối lợng bé nhng lại có độ nhạy kém Thông thờng, khối lợng của đầu đo không đợc vợt quá 10% khối lợng của vật mà nó đợc gắn lên.
Phạm vi động lực của đầu đo gia tốc cũng cần phải đợc quan tâm khi muốn đo những giá trị quá thấp hoặc quá cao so với mức bình thờng Giới hạn trên của phạm vi động lực là sức bền kết cấu của đầu đo Một đầu đo gia tốc bình thờng có thể đạt bớc nhảy từ 0 đến 50 hay 100 km/s 2 còn với những đầu đo gia tốc đợc thiết kế đặc biệt, chuyên dụng để đo sốc thì bớc nhảy có thể là 1000 km/s 2
Ngoài ra, yếu tố môi trờng cũng có ảnh hởng rất lớn tới các loại đầu đo gia tốc, đặc biệt là yếu tố nhiệt độ Các loại đầu đo gia tốc bình thờng có thể chịu đợc nhiệt độ đến 250 0 C Nhng nếu nhiệt độ cao hơn, các miếng áp điện sẽ bắt đầu mất độ phân cực, làm giảm độ nhạy Tuy nhiên, cũng có những đầu đo gia tốc đợc chế tạo đặc biệt để làm việc trong điều kiện nhiệt độ lên tới 400 0 C.
Cơ sở lý thuyết chung
3.2.1 Cấu trúc của tín hiệu dao động
Tín hiệu dao động đo đợc nói chung gồm nhiều thành phần khác nhau Khái niệm “thành phần” ở đây đợc hiểu trên một sự phân loại nào đó:
- Theo tần số (VD: Thành phần tần số quay, thành phần tần số riêng )
- Theo đặc điểm của tín hiệu (VD: Tín hiệu ngắn ngủi, thành phần tín hiệu ngẫu nhiên, thành phần tín hiệu điều biến )
- Theo nguồn gây rung: (VD: Thành phần tín hiệu do mất cân bằng, thành phần tín hiệu do xung va chạm, ) Đ ộ n h ạ y t ơ n g đ ố i (d B ) lg (f/f 0 ) f 0 : tần số cộng hởng
Vùng tần số có ích f 0 /3
Một cách tổng quát, các thành phần tín hiệu “liên kết” với nhau theo các cấu trúc sau: a) Chồng chất: x(t)=x1(t) + x2(t) (superposition) b) Nh©n: x(t) = x1(t) x2(t) (§iÒu biÕn – Modulation) c) ChËp: x(t) = x1(t)* x2(t) −∞∫ t x 1 ( τ ) x 2 ( t − τ ) dτ
Trong đó phổ biến nhất là cấu trúc "chồng chất" Dạng này là tuyến tính và có thể phân tích bằng các phơng pháp giản đơn nh phân tích phổ và lọc số Cấu trúc điều biến thờng gặp trong các tín hiệu đo tại máy quay, hộp số bánh răng và có thể áp dụng kỹ thuật tách tín hiệu mang (theo lý thuyết truyền tin) – Demodulation Cấu trúc chập mô tả mối quan hệ giữa lực kích động - đờng truyền - phản hồi và có thể phân tích bằng một số phơng pháp đặc biệt: phơng pháp Cepstrum.
3.2.2 Biến đổi Fourier (Fourier_ Transform) Đợc phát triển trên nền tảng lý thuyết chuỗi Fourier do nhà vật lý học ngời Pháp là Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 - 1830) tìm ra Theo lý thuyết này, bất kì một tín hiệu tuần hoàn nào đều có thể đợc khia triển thành tổng của các tín hiệu dao động điều hòa đơn giản theo chuỗi Fourier. a) Chuỗi Fourier
Cho một tín hiệu tuần hoàn chu kì T có dạng x(t ) = x(t + T ), nh vậy ta có thể phân tích x(t ) theo chuỗi Fourier nh sau:
T (3.2) Nếu biểu diễn (3.1) dới dạng phức: e i2 fkt = cos(2fkt) + i.sin(2fkt)
Nh vậy, so sánh (3.3) và (3.4) ta thấy:
(3.6) (*): là số phức liên hợp Đồ thị biểu diễn Ak(fk) gọi là phổ biên độ
k(fk) gọi là phổ pha (pha ban đầu)
(3.1)gọi là chuỗi Fourier thực 1 phía
(3.3)gọi là chuỗi Fourier phức 1 phía
(3.4)gọi là chuỗi Fourier phức 2 phía b Biến đổi Fourier liên tục
- Biến đổi Fourier biểu diễn dới dạng phức:
Nh vậy phép biến đổi F biến đổi tín hiệu x(t) từ miền thời gian (time domain) sang X(f) trong miền tần số (frequency domain) Biến đổi này có tính hai chiều: F -1 biến đổi X(f) từ miền tần số sang x(t) trong miÒn thêi gian.
Một số tính chất của biến đổi Fourier
- Biến đổi Fourier là tuyến tính
- Các giá trị của X tại tần số f và (-f) là phức liên hợp:
- Đối với phép nhân và phép chập
(3.14) c) Biến đổi Fourier rời rạc (discrete fourier transform:DFT) và Biến đổi Fourier nhanh (Fast fourier transform:FFT) Đối với tín hiệu số x(n), n = 1 N, Δtt= 1
F s (F s: tần số lấy mẫu và Δtt: độ phân giải thời gian), ta có thuật toán biến đổi Fourier rời rạc:
(3.16) -Từ các giá trị đó của số điểm lấy mẫu N và Δtt: ta tính đợc T=Δtt(N−1), khi đó các điểm tần số đợc xác định : f k =k 1
T: độ phân giải tần số.
Nh vậy đối với 1 tín hiệu thực trong miền thời gian, bằng biến đổi Fourier ta sẽ thu đ ợc 1 phổ phức với các điểm tần số rời rạc fk Biên độ của hệ số Ak trong công thức (3.1) có quan hệ với X(k) theo hệ thức:
Khi N=2 m với m nguyên (ví dụ: N = 512, 1024 ) thì tồn tại một thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) Các bộ FFT - Analyer hiện nay đợc ứng dụng rộng rãi để phân tích dao động.
3.2.3 Biến đổi Hilbert (Hilbert Transform) và tín hiệu giải tích
- Biến đổi Hilbert của tín hiệu x(t) đợc biểu diễn dới dạng:
Nh vậy biến đổi H đợc thực hiện từ miền thời gian miền thời gian và miền tần số miền tần số
- Tín hiệu giải tích: tín hiệu giải tích của tín hiệu thực x(t) đợc định nghĩa:
,trong đó j là đơn vị ảo (3.22)
H { x(t)}=Asin(tω) ^x(t)=A [ cos( tω )+ iϕksin (tω ) ] = Ae iϕkt ω = Ae iϕkϕk
- Tín hiệu giải tích có một số tính chất đặc bệt:
Phổ tần số của ^ x(t ) chỉ có thành phần tần số dơng.
Và |^ x( t)| là đờng bao của tín hiệu x(t)
3.2.4 Các chỉ số thống kê của tín hiệu dao động
Giá trị Tín hiệu liên tục Tín hiệu rời rạc
Cực đại và cực tiểu
Trung b×nh chia (peak) 1 max min
Bảng 3.6: Các chỉ số thống kê của tín hiệu dao động
Một số phơng pháp phân tích tín hiệu dao động máy
Phổ tần số của tín hiệu x(t) cho phép ta xác định đợc các thành phần tần số của x(t) Bằng phép biến đổi Fourier, ta có thể biểu diên X(f) dới dạng phổ hai phía (tần số dơng và tần số âm) Trong thực tế ta chỉ giữ lại các thành phần tần số dơng trên phổ để mô tả trên đồ thị.
Một số tham số quan trọng của 1 phổ tần số gồm:
- Độ phân giải tần số Δt f =1
T= 1 Δtt(N−1) (3.23) trong đó Δtt : độ phân giải thời gian
:tÇn sè lÊy mÉu) N: sè ®iÓm lÊy mÉu
- Tần số biên (tần số Nyquist) 2
: phổ tần số chỉ nằm trong khoảng 0 f N là có ý nghĩa (phần còn lại đối xứng)
- Các điểm tần số f k =kΔtf=k 1
Biểu diễn Ak theo fk ta thu đợc phổ biên độ của x(n), xem (3.17)
Biểu diễn k theo fk ta thu đợc 1 phổ pha của x(n), xem (3.18)
2 theo fk ta thu đợc phổ công suất của x(t)
- Ví dụ 1: Phân tích phổ tần số tín hiệu dao động tắt dần có phơng trình:
Hình 3.7: Tín hiệu dao động tắt dần (*) trên miền thời gian
Hình 3.8: Phổ biên độ của tín hiệu dao động tắt dần (*)
Hình 3.9: Phổ công suất của tín hiệu dao động tắt dần (*)
TÇn sè (Hz)Thêi gian (s)
Hình 3.10: Phổ pha của tín hiệu dao động tắt dần (*)
- Ví dụ 2: Phân tích phổ tần số tín hiệu rung động lấy từ vỏ hộp số bánh răng.
TÇn sè lÊy mÉu: fs = 5000 (Hz); sè ®iÓm lÊy mÉu: 1024.
Hình 3.11: Tín hiệu trên miền thời gian
Hình 3.12: Phổ biên độ của tín hiệu
Hình 3.13: Phổ công suất của tín hiệu thực
Hình 3.14: Phổ pha của tín hiệu thực
3.3.2 Ph©n tÝch Cepstrum a) Cepstrum phức
Ceprtrum phức đợc định nghĩa là biến đổi Fourier ngợc của lôgarit các phổ phức:
- Theo phơng trình (3.25) C() là một hàm theo thời gian (T có thứ nguyên là thời gian) và T đợc gọi là Quefrency.
- ý nghĩa của hàm C(): khảo sát mối quan hệ giữa lực tác dụng – hàm truyền - đáp ứng nh sau: Đầu vào Hệ thống Đầu ra
(Lực:x(t) ) (Hàm truyền h(t)) (Dao động y(t)) ta cã : y t( )x t h t( )* ( ) theo tính chất của phép biến đổi Fourier:
( ) ( ) ( ) y f x f H f với H f( ) :hàm đáp ứng tần số
Nh vậy thông qua phân tích Cepstrum tín hiệu dao động có cấu trúc chập sẽ đợc phân tích thành
Một số ứng dụng của Cepstrum:
- Phát hiện ra các cấu trúc tuần hoàn trong phổ tần số (thờng đợc sử dụng để phân tích tín hiệu dao động tại máy quay)
- Chia tách các ảnh hởng của nguồn kích động và đờng truyền dao động (sử dụng trong việc nhân dạng các nguồn kích động dao động) b) Cepstrum công suất (Power cepstrum)
- Cepstrum công suất đợc định nghĩa:
(3.27) trong đó S X ( f )=|X ( f )| 2 là phổ công suất của tín hiệu x(t)
- Cepstrum công suất khác với Cepstrum phức ở chỗ không tồn tại biến đổi ng ợc từ
C P (τ)→X(f) do cấu trúc bình phơng |X ( f )| 2 đã làm mất thông tin về pha.
- Cepstrum công suất cũng đựoc sử dụng rộng rãi trong 2 ứng dụng nêu trên, đặc biệt là để phát hiện ra các cấu trúc tuần hoàn trong phổ.
Ví dụ: Phân tích Cepstrum phức tín hiệu rung động lấy từ vỏ hộp số bánh răng.
TÇn sè lÊy mÉu: fs = 5000 (Hz); sè ®iÓm lÊy mÉu: 1024.
Hình 3.15: Tín hiệu thực trên miền thời gian Thời gian (s)
Hình 3.16: Phân tích Cepstrum phức tín hiệu thực
Hình 3.17: Phân tích Cepstrum công suất tín hiệu thực
Tín hiệu đo đợc thông thờng chứa rất nhiều các thành phần có tần số khác nhau Mỗi một thành phần tần số sẽ đặc trng cho một nguồn rung nhất định Trong nhiều trờng hợp, ta chỉ quan tâm tới một dải tần nhỏ nào đó Do đó, việc lọc bỏ những tín hiệu không cần thiết cho phép ta khảo sát tín hiệu trong một dải tần mong muốn.
Ví dụ trong hình 3.18, ta chỉ cần quan tâm tới vùng tần số của các dao động tự do sinh ra do h hại Vì thế, cần phải lọc bỏ các vùng tần số dao động do ăn khớp Muốn vậy, ta phải dùng đến các bộ lọc số (digital filter).
Hình 3.18 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 sự phân bố tần số của tín hiệu theo các chỉ tiêu cho trớc. Định nghĩa quá trình lọc số: là các thao tác xử lý nhằm thay đổi sự phân bố tần số của tín hiệu nhờ một bộ lọc số.
Các bộ lọc số là đang là đối tợng đợc nghiên cứu nhiều nhất hiện nay trong các phơng pháp phân tích tín hiệu số Trong khuôn khổ của đồ án này, ta chỉ quan tâm tới các đặc tính của một số bộ lọc số thông dụng và cách sử dụng chúng cho phân tích tín hiệu dao động. a) Các loại bộ lọc số chính
- Bộ lọc số thông thấp, (digital low-pass filter), (hình 3.19a) Bộ lọc này sẽ loại bỏ các thành phần tín hiệu có tần số lớn hơn f max
- Bộ lọc số thông cao, (digital high-pass filter), (hình 3.19b), các thành phần tín hiệu có tần số nhỏ hơn f min sẽ bị loại bỏ.
- Bộ lọc số thông dải, (digital band pass filter), (hình 3.20a), các thành phần tín hiệu có tần số lớn hơn f max hay nhỏ hơn f min sẽ bị loại bỏ.
- Bộ lọc số chắn dải, (digital band stop filter), (hình 3.20b), các thành phần tín hiệu có tần số nhỏ hơn f max và lớn hơn f min sẽ bị loại bỏ.
Hình 3.19: Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông thấp (a) và thông cao (b) dao động do ăn khớp dao động tự do sinh ra do h hại đờng đặc tính lý tởng đờng đặc tính thùc
4 0 x(n) h(n) lọc số tín hiệu vào tín hiệu đ ợc lọc y(n)
Hình 3.20: Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông dải (a) và chắn dải (b)
Một đại lợng không thứ nguyên thờng hay đợc sử dụng có tên là Octave, đó là quãng giữa hai tần số f 1 và f 2 với f 2 = 2f 1 Hai tần số f min và f max đợc gọi là cách nhau p Octave nếu log2(f max / f min ) = p Do đó, Octave đợc dùng để đánh giá tỉ số của hai tần số biên của bộ lọc. b) Các tham số chính của một bộ lọc số
Hình 3.21 mô tả hàm phản hồi xung (hàm đáp ứng tần số) của một bộ lọc số thông thấp Các tham số chính gồm có:
1: độ gợn sóng của dải thông.
2: độ gợn sóng của dải chắn. fmax: tần số giới hạn dải thông. f p
: tần số giới hạn dải chắn.
Hình 3.21: Hàm phản hồi xung của bộ lọc số thông thấp c) Mô tả quá trình lọc số dải thông dải quá độ dải chắn
Hình 3.22: Sơ đồ quá trình lọc số
Sơ đồ trên thể hiện rằng tín hiệu đợc lọc là phép chập của tín hiệu vào và hàm phản hồi xung:
(3.28) d) Các bộ lọc số thông dụng
- Lọc số có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn (Finite Impulse Response filter - FIR filter): h(n) chỉ khác 0 trong một khoảng hữu hạn n = 1 N Ưu điểm của loại lọc này là có pha tuyến tính, ổn định, kết hợp có hiệu quả với phần cứng, thiết kế đơn giản Các loại lọc FIR gồm có: lọc FIR pha tuyến tính, lọc FIR nội suy, lọc FIR với cửa sổ Kaiser
- Lọc số có đáp ứng xung chiều dài vô hạn (Infinite Impulse Response filter - IIR filter): h(n) khác 0 với mọi n Các bộ lọc loại này đã đợc nghiên cứu và phát triển rất lâu Một số loại lọc IIR thông dụng hiện nay gồm có: Butterworth, Chebyshev loại I và II, Elliptic
Hệ chơng trình MATLAB có một hộp công cụ "signal processing" cung cấp rất nhiều chức năng chuyên dùng để lọc và xử lý tín hiệu số rất hiệu quả Các bộ lọc IIR đợc đề cập ở trên có thể lần lợt đợc gọi thông qua các lệnh: butter, cheby1, cheby2, ellip.
Ví dụ: Lọc số Butterworth đối với tín hiệu thực thu đợc từ rung động của vỏ hộp số.
TÇn sè lÊy mÉu: 5000 Hz; sè ®iÓm lÊy mÉu: 1024.
Hình 3.23: Tín hiệu thực trên miền thời gian Thời gian (s)
Hình 3.24: Lọc thông thấp với fmax = 500 Hz.
Hình 3.25: Lọc thông cao với fmin = 1000 Hz
Hình 3.26: Lọc thông dải với fmin = 1200Hz và fmax = 1500Hz
Phơng pháp phân tích phổ đờng bao
Phơng pháp này đợc sử dụng rất rộng rãi cho chẩn đoán máy quay đặc biệt là phân tích dao động của bộ truyền bánh răng và ổ lăn Các bớc thực hiện đợc thể hiện trên sơ đồ hình 3.27:
(thông dải) Tín hiệu lọc y(t ) ˆ ( ) y t § êng bao tín hiệu lọc
Hình 3.27: Các bớc thực hiện phân tích phổ đờng bao
- Việc sử dụng bộ lọc thông dải cho phép ta có đợc tín hiệu lọc y(t ) chứa các tần số xác định, các tần số đợc chọn này quyết định kết quả của phơng pháp Yêu cầu của phơng pháp này là tín hiệu mang chỉ đợc phép có một thành phần tần số.
- Phổ đờng bao biểu diễn các thành phần tần số của tín hiệu điều biến và là cơ sở để nhận dạng các nguồn rung.
- Ví dụ 1: phân tích phổ đờng bao tín hiệu dao động tắt dần (*)
Hình 3.28: Đờng bao của tín hiệu dao động tắt dần (*) đờng bao tín hiệu
ứng dụng phơng pháp phổ đờng bao trong chuẩn đoán bánh răng và ổ lăn
Ví dụ áp dụng cho chuẩn đoán bánh răng
Hình 4.1 mô tả sơ đồ thiết bị thí nghiệm khả năng chẩn đoán h hỏng của bộ truyền bánh răng. Mô hình thí nghiệm này gồm hai bộ truyền bánh răng một cấp có kích thớc giống hệt nhau Bánh răng nhỏ (bánh dẫn) có 14 răng, bánh bị dẫn có 39 răng Hệ thống đợc truyền dẫn bởi một động cơ điện có thể điều khiển đợc tốc độ quay Một khớp nối thủy lực đợc dùng để tạo ra tải trọng trong quá trình thí nghiệm Tín hiệu dao động đợc đo trên vỏ cơ cấu cần kiểm tra (chẩn đoán) bằng bốn đầu đo gia tốc theo phơng hớng kính (số 1 và 4) và dọc trục (số 2 và 3) Các tín hiệu đo đợc số hóa tại tần số lấy mẫu f s = 10000 Hz Thời gian đo kéo dài trong 3,2 giây sẽ cho ta 2 15 điểm lấy mẫu (N = 2 15 ) Để phục vụ cho việc trung bình hóa tín hiệu đồng bộ, ta bố trí hai đầu đo không tiếp xúc (khóa pha) nhằm tạo ra một xung tơng ứng với một số vòng quay của trục Các kết quả đo đợc lu giữ trong bộ nhớ máy tính để xử lý Thí nghiệm này nghiên cứu hai dạng hỏng khác nhau của bánh răng trên cơ cấu cần kiểm tra:
- Rỗ bề mặt của bánh răng nhỏ trên một số răng
Các lỗi này đợc gây ra có chủ ý tại một số răng và mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra các h hỏng này.
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm lấy mẫu tín hiệu rung động từ vỏ hộp số bánh răng
Trong quá trình thí nghiệm, trục dẫn của bánh nhỏ quay với vận tốc n 1 = 1500 (vòng/phút), do đó tần số vòng quay của bánh dẫn là
Hz Nh vËy, tÇn sè ¨n khíp r¨ng
4.1.2 Kết quả chuẩn đoán sử dụng phơng pháp phân tích phổ đờng bao
Trớc khi phân tích phổ đờng bao, tín hiệu đợc lọc thông dải để loại ra những thành phần không giúp ích cho chẩn đoán Trong trờng hợp này, ta sẽ lọc tín hiệu bằng bộ lọc ButterWorth với f1 700 Hz , f2 = 1200 Hz.
Tín hiệu đo Máy tính
Cơ cấu cần kiểm tra Khớp nối thủy lực Cơ cấu truyền Động cơ
Khãa pha §Çu ®o 3 §Çu ®o 4 §Çu ®o 2 §Çu ®o 1
Hình 4.2: Tín hiệu dao động của vỏ hộp số trong miền thời gian
Hình 4.3: Đờng bao tín hiệu dao động đ đ ã đ ợc lọc thông dải của vỏ hộp số (màu đỏ)
Hình 4.4: Phổ đờng bao tín hiệu dao động của vỏ hộp số. f là tần số của thành phần tín hiệu gây ra h hỏng
Nhìn trên hình 4.4, ta nhận thấy rằng, tần số của thành phần tín hiệu gây ra h hỏng là 25 Hz,trùng khớp với tần số quay của bánh răng nhỏ Biên độ của thành phần này là khá lớn so với mức bình thờng Nh vậy, có thể kết luận rằng bánh răng nhỏ đã xuất hiện h hại.
Ví dụ áp dụng cho chuẩn đoán ổ lăn
Có một cách nghiên cứu ảnh hởng của các lỗi hỏng khác nhau ở ổ lăn đối với tín hiệu gia tốc dao động đo đợc của vòng ngoài ổ Tất cả các thí nghiệm đợc thực hiện trên một mô hình Rôtor- gối đỡ thông thờng Tần số quay đợc giữ nguyên ở mức f n = 50 Hz.
Các lỗi hỏng đợc cố ý gây ra tại vòng ngoài của ổ bi SKF 6211 , xem bảng 4.5 Các vết rỗ bởi mỏi xuất hiện và phát triển trong suốt một thời gian dài hoạt động f
Thông số vòng 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: Các thông số chế tạo và tần số hỏng tơng ứng với từng bộ phận của ổ lăn
Hình 4.6 là sơ đồ thí nghiệm chẩn đoán h hỏng của ổ lăn Tín hiệu gia tốc đợc đo tại tần số lấy mẫu 35 kHz với hệ thống đo đa kênh Do đó, tín hiệu đo đợc tại vị trí gần nhất của ổ theo phơng hớng kính đợc dùng cho các phân tích dới đây.
Hình 4.7 thể hiện tín hiệu dao động đợc đo bởi đầu đo gia tốc trong suốt quá trình kiểm tra. Xung dao động tắt dần đợc định ra từ tín hiệu tại vòng ngoài có tần số lặp lại f vn Tuy nhiên, thành phần dao động này không đợc nhìn thấy rõ trên miền thời gian.
Hình 4.6: Sơ đồ thí nghiệm chuẩn đoán h hỏng ổ lăn §Çu ®o ổ lăn
Tín hiệu đoMáy tính
Hình 4.7: Tín hiệu dao động của ổ lăn trên miền thời gian
Hình 4.8: Tín hiệu dao động của ổ lăn trong miền thời gian
Hình 4.9: Phổ đờng bao của tín hiệu dao động của ổ lăn
Trên hình 4.9, ta nhận thấy rằng tần số của thành phần tín hiệu gây ra h hỏng là 205 Hz, biên độ của thành phần này cũng khá lớn so với mức bình thờng Đối chiếu với bảng 4.5, ta có thể kết luận rằng vòng ngoài của ổ đã có dấu hiệu h hại.
Chơng 1 của đồ án đã giới thiệu một cách khá đầy đủ về truyền động bánh răng, các kết cấu th- ờng gặp của bộ truyền cùng với những chi tiết quan trọng về ổ lăn Bên cạnh đó, cùng với những hình ảnh minh họa, chi tiết về từng dạng hỏng thông thờng của bánh răng và ổ lăn nh mòn, dính, rỗ tróc mỏi bề mặt và nghiêm trọng nhất là gẫy răng, gẫy vỡ vòng ổ, nứt con lăn từ những dấu hiệu ban đầu, cơ chế gây hỏng và cách khắc phục cũng đã đợc mô tả đầy đủ.
Tiếp theo, chơng 2 đã phân tích các nguồn rung động cơ bản sinh ra trong bộ truyền bánh răng và ổ lăn khi làm việc và các nguyên nhân sinh ra chúng, xây dựng đợc mô hình cơ học của quá trình ăn khớp răng để từ đó có thể giải thích đợc các cơ chế kích động dao động Điều này rất có ý nghĩa trong thực tế, ta có thể dựa vào độ lớn của các dải điều hòa phụ và khoảng cách giữa các dải điều hòa phụ để chẩn đoán, đánh giá, định vị h hại của bánh răng trong trờng hợp có h hỏng phân bố Trong trờng hợp xuất hiện những h hỏng cục bộ, ta có thể nhận dạng chúng thông qua các va chạm ăn khớp
Chơng 3 đã giới thiệu một cách tổng quát các khái niệm và lý thuyết cơ sở về đo đạc, xử lý, phân tích tín hiệu mà trọng tâm là tín hiệu số và phân tích phổ đờng bao Qua đó, ta có thể đánh giá đợc u nhợc điểm của từng phơng pháp phân tích tín hiệu và việc sử dụng chúng sao cho phù hợp với những dạng tín hiệu cần xử lý.
Cuối cùng, ở chơng 4, thông qua 2 ví dụ áp dụng đối với tín hiệu dao động đợc đo trên vỏ hộp số bánh răng và ổ lăn đã cho thấy tính u việt của phơng pháp phân tích phổ đờng bao so với một số phơng pháp thông thờng khác Bằng phép phân tích phổ đờng bao, ta có thể biết đợc chính xác bộ phận nào bị h hỏng và mức độ h hỏng ở bề mặt răng hay các vòng ở ổ lăn.
Chơng trình ESA thực hiện tính toán và phân tích phổ đờng bao khá chính xác, tuy nhiên chơng tình lại phải chạy phụ thuộc vào MATLAB, một chơng trình khá nặng nề, đòi hỏi nhiều tài nguyên xử lý của máy tính Do đó, việc đa chơng trình ra chạy độc lập với MATLAB là một biện pháp cần thiết Để làm đợc điều này, chơng trình cần đợc phát triển bằng một môi trờng lập trình khác nh Visual C++, Delphi, Visual Basic
Qua các phần trình bày ở trên, việc áp dụng phơng pháp phân tích phổ đờng bao sẽ đem lại nhiều kết quả hứa hẹn không chỉ cho chẩn đoán bánh răng, ổ lăn mà còn cho nhiều loại máy quay khác.
Phụ Lục - Chơng trình ESA
Giới thiệu
Chơng trình "ESA" (viết tắt của Envelope Spectrum Analyser) đợc thiết kế bằng chức năng "GUI
- Editor" của MATLAB 6.5.1 Do đó, chơng trình có giao diện giống nh các chơng trình của Windows Tuy nhiên, chơng trình chỉ chạy đợc trong môi trờng MATLAB.
Nhiệm vụ của chơng trình là nạp tín hiệu số có sẵn trong tệp văn bản rồi tiến hành lọc số, loại bỏ các thành phần không cần thiết và thực hiện biến đổi Hilbert tín hiệu đã đ ợc lọc Sau đó, chơng trình sẽ đa ra phân tích phổ đờng bao của phần tín hiệu đợc lọc đó Trong trờng hợp phân tích một phần tín hiệu đợc nạp, đoạn tín hiệu cần phân tích có thể nằm ở đầu, cuối hay ở giữa, hình A.1.
Hình A.1: Phân tích một phần tín hiệu đợc nạp
Nếu đoạn tín hiệu cần phân tích nằm ở đầu của phần tín hiệu đợc nạp thì thời điểm bắt đầu lấy mẫu phải bằng không (0), còn nếu đoạn tín hiệu cần phân tích nằm ở cuối của phần tín hiệu đợc nạp thì thời điểm bắt đầu lấy mẫu phải bằng thời điểm kết thúc tín hiệu trừ đi khoảng thời gian lÊy mÉu.
Cách sử dụng chơng trình
A.2.1 Khởi động chơng trình Để khởi động chơng trình, trong MATLAB ta thực hiện lệnh: Esa Màn hình chính của chơng trình hiện ra nh trong (hình A.2).
Phần trên của giao diện chính gồm hai hệ trục tọa độ để thể hiện hai đồ thị biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian và trong miền tần số.
Phần dới của giao diện chính gồm các nút lệnh điều khiển và các hộp nhập thông số cho chơng tr×nh (h×nh A.3). Đoạn tín hiệu cần phân tích Tín hiệu đợc nạp
Thời điểm bắt ®Çu lÊy mÉu Thêi ®iÓm kÕt thóc lÊy mÉu Thêi ®iÓm kÕt thúc tín hiệuKhoảng thời gian lấy mẫu
Hình A.2: Màn hình chính sau khi khởi động của chơng trình ESA
Hình A.3: Phần dới của giao diện chính
Số Kiểu Tên Nhãn hiệu Công dụng Đồ thị thứ nhất của chơng trình biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian Đồ thị thứ hai của chơng trình biểu diễn tín hiệu trong miền tần số
(push button) bnOpen Open Gọi hộp thoại nạp tệp số liệu để phân tÝch.
(edit box) edit1 Giá trị nhập vào là tần số lấy mẫu của tín hiệu
(popup menu) cb2 Giá trị đợc chọn là số điểm lấy mẫu tín hiệu
Whole Data Thực hiện việc biểu diễn toàn bộ tín hiệu số đợc nạp trong miền thời gian
5 Hép nhËp thông số edit3 Giá trị nhập vào là tần số giới hạn dới của bộ lọc số ButterWorth.
6 Nút lệnh bnZoom Zoom Thực hiện phóng to hay thu nhỏ các đồ thị biểu diễn theo sự điều chỉnh của ng- ời sử dụng
7 -nt- bnReset Reset Thực hiện việc nạp lại tín hiệu số đã đ- ợc nạp thành công trớc đó Nút lệnh này sẽ không hiện ra khi khởi động ch- ơng trình hay là khi việc nạp tín hiệu thất bại.
8 Hép nhËp thông số edit2 Giá trị nhập vào là thời điểm bắt đầu ghi nhận tín hiệu.
Biểu diễn đoạn tín hiệu cần phân tích trên miền thời gian
10 Hép nhËp thông số edit4 Giá trị nhập vào là tần số giới hạn trên của bộ lọc số ButterWorth.
11 Nút lệnh bnESA ESA View Thực hiện việc phân tích phổ đờng bao đoạn tín hiệu số đã đợc lọc và đa kết quả ra màn hình dạng đồ thị.
Bảng A.4: Chi tiết về các thành phần trên hình A.3
Sau khi khởi động chơng trình, việc đầu tiên là phải nạp tín hiệu chứa trong file văn bản để xử lý Muốn vậy, trớc khi nạp tín hiệu, ta phải nhập các thông số sau (các giá trị nên sử dụng đợc nạp sẵn ngay sau khi khởi động chơng trình):
- Tần số lấy mẫu (f s ): giá trị nên sử dụng là 10000 Hz
- Số điểm lấy mẫu (N): đợc chọn một trong 4 giá trị đã cho sẵn 1024, 4096, 8192 và 32768.Giá trị nên sử dụng là 1024.
- Thời điểm bắt đầu lấy mẫu: tính bằng giây, giá trị nên sử dụng là 0, khoảng thời gian lấy mẫu T đợc tính theo công thức:
Sau khi đã chọn xong ba thông số trên, kích vào nút lệnh "Open", hộp thoại chọn tệp số liệu hiện ra, gợi ý sử dụng là các tệp có tên dạng "*.dat", ta chọn tệp cần nạp và kích "Open" , hình A.5. Nếu quá trình nạp thành công, đồ thị thứ nhất của giao diện chính sẽ thể hiện đoạn tín hiệu cần phân tích trong miền thời gian còn đồ thị thứ hai biểu diễn phổ biên độ của đoạn tín hiệu đó nh hình A.6 Nút lệnh "Reset" sẽ hiện ra.
Hình A.5: Hộp thoại nạp tín hiệu
Hình A.6: Màn hình chính của chơng trình sau khi nạp thành công tín hiệu từ tệp văn bản
Tiếp theo, nếu có sửa đổi gì, chỉ cần thay đổi các giá trị tần số lấy mẫu, số điểm lấy mẫu và thời điểm bắt đầu lấy mẫu rồi kích vào nút lệnh "Reset", tín hiệu sẽ đợc nạp lại theo đúng các thông số vừa đợc thay đổi một cách hợp lệ, nếu thay đổi không hợp lệ thì chơng trình sẽ không chạy đợc tiếp Để xem toàn bộ tín hiệu đã đợc nạp trong miền thời gian nh hình A.7, ta kích vào nút lệnh
"Whole Data" và để xem chỉ riêng đoạn tín hiệu cần phân tích trong miền thời gian nh hình A.8, ta kích vào nút lệnh "Analysing Data" Ngoài ra, để chọn khung nhìn bất kì, ta kích vào nút lệnh
"Zoom" rồi dùng chuột để chọn khung đó, hình A.9.
Hình A.7: Toàn bộ tín hiệu đợc nạp trong miền thời gian
Hình A.8: Đoạn tín hiệu cần phân tích trong miền thời gian
Hình A.9: Đoạn tín hiệu trong khung nhìn bất kì
A.2.3 Phân tích phổ đờng bao của tín hiệu
Sau khi đã chọn đợc đoạn tín hiệu cần phân tích từ tệp số liệu đợc nạp, việc tiếp theo là thực hiện lọc thông dải đoạn tín hiệu đó rồi phân tích phổ đờng bao đoạn tín hiệu đã đợc lọc Các thông số cần phải nạp cho bớc này gồm:
- Tần số cực tiểu của bộ lọc (f 1): là tần số giới hạn dới của bộ lọc ButterWorth, giá trị nên sử dụng là 500.
- Tần số cực đại của bộ lọc (f 2): là tần số giới hạn trên của bộ lọc ButterWorth, giá trị nên sử dụng là 1000.
Sau khi đã nhập đầy đủ 2 thông số trên, kích vào nút lệnh "ESA View", kết quả phân tích sẽ thể hiện nh hình A.10 và A.11.
Hình A.10: Đờng bao của tín hiệu đợc lọc (đỏ) và tín hiệu gốc (xanh) trong miền thời gian
Hình A.11: Phổ đờng bao của đoạn tín hiệu đ đ ã đ ợc lọc
Mã nguồn của chơng trình
- Esa.fig: chứa thông tin về giao diện chính của chơng trình nh vị trí, kích thớc, màu sắc, tiêu đề các nút bấm, các đồ thị, các hộp thông số.
- Esa.m: chứa toàn bộ các mã lệnh chính, điều khiển việc nạp, xử lý, lọc và phân tích phổ đ- ờng bao tín hiệu số do ngời sử dụng đa vào.
Dới đây là toàn bộ mã nguồn chứa trong tệp Esa.m: function varargout = ESA(varargin) gui_Singleton = 1; gui_State = struct('gui_Name', mfilename,
'gui_Callback', []); if nargin & isstr(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end if nargout
[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end function ESA_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hObject; set(handles.bnReset,'Visible','off'); set(0,'DefaultFigureColor',[1 1 1]); guidata(hObject, handles); function varargout = ESA_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output; function bnOpen_Callback(hObject, eventdata, handles) handles.fs=str2double(get(handles.edit1,'String')); handles.sta=str2double(get(handles.edit2,'String')); popup=get(handles.cb1,'Value'); switch popup case 1 handles.N24; case 2 handles.N@96; case 3 handles.N92; case 4 handles.N2768; end
[filename, pathname, filterindex] = uigetfile('*.dat', 'Data file'); cd(pathname); handles.whdat=load(filename); for id=handles.sta*handles.fs:handles.N+handles.sta*handles.fs-1 handles.analdat(id-handles.sta*handles.fs+1)=handles.whdat(id+1); end handles.string1=filename; t=0:1/handles.fs:(length(handles.whdat)-1)/handles.fs; kk=max(abs(handles.whdat)); axes(handles.axes1); plot(t,handles.whdat); grid on; set(gca,'Xlim',[handles.sta handles.sta+handles.N/handles.fs]); Title(filename); cd(matlabroot);cd work; axes(handles.axes2); handles.k1t(handles.analdat,handles.N); df=handles.fs/(handles.N-1); k=0:df:handles.fs; handles.k=k'; handles.A=2*abs(handles.k1)/handles.N; plot(handles.k,handles.A); grid on; set(gca,'Xlim',[0 handles.fs/2]); set(handles.bnReset,'Visible','on'); guidata(hObject,handles); function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit3_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function edit3_Callback(hObject, eventdata, handles) function edit4_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function edit4_Callback(hObject, eventdata, handles) function bnZoom_Callback(hObject, eventdata, handles)
Zoom; function bnESA_Callback(hObject, eventdata, handles) f1=str2double(get(handles.edit3,'String')); f2=str2double(get(handles.edit4,'String'));
6 0 bac=9;% Bac cua loc IIR
[b,a]=butter(bac,[f1 f2]/Fnq); handles.locroi=filtfilt(b,a,handles.analdat); x2=hilbert(handles.locroi); duongbaos(x2); t=handles.sta:1/handles.fs: handles.sta+(handles.N-1)/handles.fs; for id2 = 1:handles.N temp1(id2)=handles.analdat(id2); temp2(id2)=duongbao(id2); end figure;plot(t,temp1); hold on; plot(t,temp2,'r','LineWidth',2); hold off; set(gca,'Xlim', [handles.sta max(t)]); grid on; handles.k2t(temp2,handles.N); df=handles.fs/(handles.N-1); dk=0:df:handles.fs; dk=dk'; handles.phodb=2*abs(handles.k2)/handles.N; handles.phodb(1)=0; figure; plot(dk,handles.phodb); grid on; set(gca,'Xlim',[0 f2]); guidata(hObject,handles); function bnReset_Callback(hObject, eventdata, handles) handles.fs=str2double(get(handles.edit1,'String')); handles.sta=str2double(get(handles.edit2,'String')); popup=get(handles.cb1,'Value'); switch popup case 1 handles.N24; case 2 handles.N@96; case 3 handles.N92; case 4 handles.N2768; end for id=handles.sta*handles.fs:handles.N+handles.sta*handles.fs-1 handles.analdat(id-handles.sta*handles.fs+1)=handles.whdat(id+1); end t=0:1/handles.fs:(length(handles.whdat)-1)/handles.fs; kk=max(abs(handles.whdat)); axes(handles.axes1); plot(t,handles.whdat); grid on; set(gca,'Xlim',[handles.sta handles.sta+handles.N/handles.fs]); Title(handles.string1); cd(matlabroot);cd work; axes(handles.axes2); handles.k1t(handles.analdat,handles.N); df=handles.fs/(handles.N-1); k=0:df:handles.fs; handles.k=k'; handles.A=2*abs(handles.k1)/handles.N; plot(handles.k,handles.A); grid on; set(gca,'Xlim',[0 handles.fs/2]); guidata(hObject,handles); function cb1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white'); else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')); end function cb1_Callback(hObject, eventdata, handles) function bnWholeData_Callback(hObject, eventdata, handles) axes(handles.axes1); t=0:1/handles.fs:(length(handles.whdat)-1)/handles.fs; plot(t,handles.whdat); grid on;
Title(handles.string1); set(gca,'Ylim',[-max(abs(handles.whdat)) max(abs(handles.whdat))]); set(gca,'Xlim',[0 max(t)]); function bnAnalDat_Callback(hObject, eventdata, handles) axes(handles.axes1); set(gca,'Xlim',[handles.sta handles.sta+handles.N/handles.fs]);
Chơng I: Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của bánh răng và ổ lăn 7
1.1 Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của bánh răng 7
1.1.1 Kết cấu của bánh răng 7
1.1.2 Các dạng hỏng thờng gặp ở bánh răng 12
1.2 Kết cấu và các dạng hỏng thờng gặp của ổ lăn 15
1.2.2 Các dạng hỏng thờng gặp của ổ lăn 17
Chơng II: Phân tích các nguồn gây rung tại bánh răng và ổ lăn 19
2.1 Các nguồn gây rung tại bánh răng 19
2.1.1 Cơ chế kích động dao động 19
2.1.2 Dao động tham số do độ cứng ăn khớp thay đổi và do dạng hỏng phân bố 21
2.1.3 Dao động do các dạng hỏng cục bộ 24
2.2 Các nguồn gây rung tại ổ lăn 25
Chơng III: Các phơng pháp cơ bản phân tích tín hiệu dao động máy 27
3.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống đo 27
3.1.1 Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo 27
3.2 Cơ sở lý thuyết chung 31
3.2.1 Cấu trúc của tín hiệu dao động 31
3.2.2 Biến đổi Fourier (Fourier_ Transform) 31
3.2.3 Biến đổi Hilbert (Hilbert Transform) và tín hiệu giải tích 34
3.2.4 Các chỉ số thống kê của tín hiệu dao động 35
3.3 Một số phơng pháp phân tích tín hiệu dao động máy 35
3.4 Phơng pháp phân tích phổ đờng bao 46
Chơng IV: ứng dụng phơng pháp phổ đờng bao trong chuẩn đoán bánh răng và ổ lăn 48
4.1 Ví dụ áp dụng cho chuẩn đoán bánh răng 48
4.1.2 Kết quả chuẩn đoán sử dụng phơng pháp phân tích phổ đờng bao 49
4.2 Ví dụ áp dụng cho chuẩn đoán ổ lăn 50
Phụ Lục - Chơng trình ESA 54
A.2 Cách sử dụng chơng trình 54
A.2.3 Phân tích phổ đờng bao của tín hiệu 59
A.3 Mã nguồn của chơng trình 60