phân tích rung động của động cơ đốt tron

Trong bài nghiên cứu nhóm đã đưa ra một số lý thuyết về rung động, các nguyên nhân dẫn đến rung động của động cơ đốt trong, trình bày một số phương pháp phân tích các lỗi của động cơ đốt

TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Lý do chọn đề tài

Trong điều kiện đất nước đang ngày càng công nghiệp hóa hiện đại hóa, các lĩnh vực công nghệ kỹ thuật đóng vai trò cưc kỳ to lớn trong đời sống và xã hội Ở Việt Nam động cơ đốt trong được sử dụng khá phố biến và rộng rãi không chỉ trong lĩnh vực công nghệ ô tô mà còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác của đời sống Tuy nhiên trong quá trình sử dụng lâu dài thì động cơ đốt trong có thể xảy ra những vấn đề hỏng hóc ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ, đặc biệt sẽ tạo ra những rung động bất thường gây khó chịu cho người dùng

Rung động bất thường tạo ra trong động cơ đốt trong ảnh hưởng đến hiệu suất của xe và chất lượng thoải mái khi lái xe Khi động cơ đốt trong rung liên tục thì sẽ xuất hiện các vấn đề như khả năng lái, độ ổn định và sự thoải mái Các bộ phận chuyển động tịnh tiến cũng như quay của động cơ đều tạo ra các dao động liên tục trong động cơ đốt trong Lực quán tính được tạo ra bởi các bộ phận chuyển động, các lực quán tính này thay đổi theo đặc tính nén và cháy bên trong động cơ Việc nhận biết rung động trên động cơ đốt trong để chẩn đoán các sai sót, sự cố trong quá trình động cơ hoạt động là điều rất quan trọng, việc này giúp giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng và chính xác Chính vì những lý do trên nên nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài phân tích rung động trên động cơ đốt trong làm đồ án tốt nghiệp.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay việc nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán sự cố trên động cơ đốt trong dựa vào phân tích rung động đang ngày càng phổ biến trên thế giới Việc này đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị chẩn đoán rung động, giúp phát hiện các sự số ở động cơ đốt trong từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục một cách nhanh chóng kịp thời Ngoài ra phân tích rung động của động cơ đốt trong còn là tiền đề cho việc thiết kế và cải tiến các bộ phận ở động cơ đốt trong Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để cung cấp dữ liệu cho việc phân tích rung động như:

2 Mahrousa M Abdeltwab và Nouby M Ghazaly [1] đã phân tích tín hiệu rung động bằng các phương pháp như biến đổi Fourier nhanh (FFT), thống kê bậc cao, phân bố Wigner–Vill, và biến đổi wavele Sự hiện diện của lỗi có thể được phát hiện bằng cách so sánh hai phổ tần số được ghi lại ở nhiều thời điểm khác nhau Những sự bất thường có thể nhận dạng thành công bằng phương pháp FFT cổ điển và phân tích miền tần số để chẩn đoán lỗi Tuy nhiên, đề tài vẫn còn hạn chế trong việc phát hiện lỗi mới xảy ra trong thời gian thực, độ phân giải tần số kém liên quan đến thời gian ngắn, độ dài của tín hiệu có thể không đủ dài để tạo ra phổ thích hợp để xác định tần số cần quan tâm

Namdev A Patil và Laukik P Raut [2] đã nghiên cứu sử dụng tín hiệu bộ mã hóa để kiểm tra tốc độ của trục và tạo ra dạng sóng tốc độ góc tức thời Trong bài nghiên cứu đã giám sát động cơ diesel 16 xi-lanh bằng cách sử dụng FFT (Biến đổi Fourier nhanh) Kết quả thu được cho thấy không có mô-men xoắn đồng đều sẽ là nguyên nhân gây ra rung động xoắn lớn hơn trước và ứng suất phát triển bên trong các bộ phận khác nhau của động cơ IC Tuy nhiên, việc nghiên cứu dựa trên mô hình toán học này vẫn còn hạn chế chưa đạt độ chính xác cao, cần có một mô hình toán học mạnh mẽ và chính xác với mô phỏng trước đó để thu hẹp khoảng cách trong phân tích rung động của một bộ nguồn phức tạp như động cơ đốt trong

S.K Nithin, K Hemanth, V Shamanth [3] đã nghiên cứu và phân tích rung động động cơ đốt IC, giám sát tình trạng rung động, cơ chế kiểm soát rung động và nguyên nhân gây rung động, các thiết bị đo rung động và tầm quan trọng của việc giám sát rung động động cơ IC Nithin và các cộng sự đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thu thập, phân tích dữ liệu rung động Kết quả phân tích dữ liệu cho thấy rung theo chu kỳ giúp duy trì tình trạng hoạt động từ đó cải thiện tuổi thọ của máy, giảm thiểu thời gian sửa chữa và tiền bạc Tuy nhiên, trong nghiên cứu này đã gặp phải vài hạn chế với động cơ IC khi nó đang ở trạng thái hoạt động do sự nhiễu trong quá trình thu thập dữ liệu,khả năng tiếp cận, lắp đặt các thiết bị thu thập dữ liệu trực tiếp lên động cơ đang hoạt động có thể khó khăn hoặc không khả thi

Somashekar, Satish, Jamuna AB và Ranjitha P [5] đã thực hiện phân tích các tín hiệu rung động của động cơ IC bằng phương pháp biến đổi Fourier (FFT) Phương pháp này phụ thuộc vào sự thay đổi tần số để phân biệt các điều kiện hoạt động khác nhau của

3 động cơ IC và để cung cấp các biện pháp khắc phục nhằm giảm bớt rung động quá mức cho động cơ, đồng thời cải thiện hiệu suất của động cơ Trong nghiên cứu này, bốn đầu dò gia tốc kế được kết nối cho các vị trí khác nhau trong động cơ IC như đầu xi lanh, nắp trục khuỷu, khối động cơ và đế động cơ bằng cách thay đổi điều kiện tải để dự đoán mức độ rung nếu có lỗi xảy ra Kết quả cho thấy phân tích các tín hiệu rung động bằng phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT) có khả năng xác định lỗi hoạt động của động cơ và có thể hướng người dùng đến nguồn gốc của sự cố Tuy nhiên đề tài chưa thể đánh giá được ảnh hưởng của rung động đối với trạng thái làm việc của động cơ

Ben-Ari, G deBotton, R Itzhaki và E Sher [6] đã nghiên cứu phương pháp phân tích rung động dựa trên phân tích phổ tần số (FFT) để đưa ra các cảnh báo về hoạt động bất thường, cho phép phát hiện nguồn gốc của sự bất thường và cung cấp phương tiện để ước tính mức độ nghiêm trọng của các trục trặc phát triển trong động cơ Đề tài sử dụng động cơ SI bốn thì, bốn xi-lanh thẳng hàng, chế hòa khí Các rung động được đo tại hai điểm xung quanh ổ trục trục khuỷu phía sau cùng với hai điểm đối diện nhau ở hai bên khối động cơ Các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu chứng minh rằng các sự cố có thể được phát hiện bằng phương pháp phân tích rung động và một số triệu chứng phân biệt có thể đưa ra các tiêu chí kết luận về tình trạng sức khỏe chung của động cơ Tuy nhiên, đề tài chưa nghiên cứu được sự thay đổi của các thông số rung động và mối tương quan của chúng

Zhinong Jiang, Zhiwei Mao, Zijia Wang and Jinjie Zhang [7] đã đề cập đến phương pháp phát hiện lỗi khe hở van IC bằng phân tích rung động Tín hiệu rung được đo trên đầu xi lanh động cơ của IC 12 xi lanh Phép đo được tiến hành ở ba mức độ lỗi khác nhau để cung cấp dữ liệu nghiên cứu Trong nghiên cứu cho thấy rung động mạnh xảy ra tại thời điểm van mở và đóng; tác động kết thúc mạnh hơn nhiều so với tác động mở đầu Hơn nữa, rung động trở nên mạnh hơn khi khe hở nhiệt tăng lên Nhờ đó rút ra được phương pháp phân tích rung động đã cho thấy được mức độ rung động của động cơ khi khe hở nhiệt tăng lên nhờ đó ta có thể tìm được giải pháp kịp thời và nhanh chóng để khắc phục hư hỏng Tuy nhiên, đề tài chưa tìm ra biện pháp đề về nhiễu do quá trình đánh lửa không ổn định dẫn tới ảnh hưởng đến độ chính xác của việc chẩn đoán lỗi

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam cũng có một vài nghiên cứu được công bố thuộc chuyên ngành liên quan đến chẩn đoán sự cố của động cơ đốt trong thông qua phương pháp phân tích tín hiệu rung động Các nghiên cứu chủ yếu tập trung trọng tâm vào các dạng sự cố cơ bản của các bộ phận mang tính chất rời rạc của động cơ Một số nghiên cứu liên quan đến phân tích tín hiệu rung động của động cơ đốt trong để làm cơ sở dữ liệu cho việc thiết kế các thiết bị chẩn đoán rung động như luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giám sát rung động trên động cơ diesel tàu biển” của tác giả Lại Huy Thiện [8] đã tạo ra được cơ sở dữ liệu về nợi đặt cảm biến, số lượng các tín hiệu rung động cần phải đo và theo dõi Tuy nhiên bài nghiên cứu này chưa hoàn chỉnh hệ thống đo rung động đa kênh và phát triển phần mềm để chẩn đoán tình trạng hoạt động trên động cơ diesel tàu biển

Hoàng Ngọc Thiên Vũ [9] đã nghiên cứu và thiết kế thành công phần mềm chẩn đoán các sự cố cơ bản cho truyền động bánh răng, dựa trên phương pháp wavelet packet Bằng cách thu thập và xử lý tín hiệu rung động của hệ thống, đã nhận biết được những sự cố truyền động bánh răng, làm nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu rung động Tuy nhiên đề tài vẫn chưa nhận biết và xác định được chính xác các sự cố hư hỏng khác nhau từ tín hiệu rung động

Dương Phúc [10] đã nghiên cứu tổng quan lý thuyết về rung động, các phương pháp chẩn đoán sự cố, ứng dụng của lý thuyết rung động vào việc phân tích tín hiệu rung động để chẩn đoán lỗi của thiết bị cơ khí Nghiên cứu các thiết bị đo và hệ thống đo, các phương pháp phân tích tín hiệu rung động, ứng dụng kỹ thuật đo rung động và xử lý tín hiệu vào việc theo dõi và chuẩn đoán tình trạng thiết bị cơ khí Phân tích phổ tần số vài trường hợp hư hỏng thường gặp của thiết bị cơ khí để làm nền tảng cho việc chẩn đoán hư hỏng và theo dõi tình trạng của thiết bị Tuy nhiên đề tài mới dừng lại ở việc nghiên cứu dựa trên thiết bị đo, chương trình phần mềm có sẵn của nhà sản xuất, kết quả phân tích và chẩn đoán cũng phụ thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của kỹ sư thực hiện công việc

Luận án của thạc sĩ Đoàn Minh Tường [11] đã nghiên cứu phương pháp chẩn đoán sự cố của động cơ bằng việc thực nghiệm thu thập số liệu và phân tích tín hiệu rung động thu được Việc thu thập dữ liệu, thiết lập xử lý và phân tích tín hiệu rung từ động cơ bằng

5 phương pháp phân tích phổ tần số FFT trong phần mềm LabVIEW đã được thực hiện dựa vào cảm biến và bộ đo TVE-T01 do tác giả tự nghiên cứu, thiết kết và chế tạo Tuy nhiên, đề tài chưa tìm ra phương pháp đo và phân tích phổ tần số rung động trên những động cơ gắn trên xe đang chuyển động

Những bài nghiên cứu trên đã xây dựng được nền tảng cơ sở lý thuyết về việc theo dõi và chẩn đoán các sự cố của động cơ đốt trong bằng phương pháp phân tích rung động Ngoài ra những bài nghiên cứu này còn góp phần giúp cho việc chế tạo và phát triển các thiết bị chẩn đoán hư hỏng thông qua tín hiệu rung động trong tương lai.

Tính cấp thiết và mục đích của đề tài

Việc nghiên cứu và áp dụng phương pháp phân tích tín hiệu rung động để theo dõi và chẩn đoán sự cố của động cơ đốt trong đã góp phần quan trọng giúp cho việc thiết kế máy móc và phát triển phần mềm sử dụng cho các ngành công nghiệp nói chung và ngành ô tô nói riêng Tuy nhiên khả năng ứng dụng vẫn còn hạn chế do trình độ chuyên môn và chưa có tính thống nhất về dữ liệu Ngoài ra mỗi loại động cơ có các cách vận hành và triệu chứng hư hỏng khác nhau nên kết quả tín hiệu rung động thu được cũng khác nhau Nên vì thế việc nghiên cứu để hoàn thiện cơ sở lý thuyết của rung động, tiêu chẩn nhằm kiểm soát và đánh giá chất lượng hoạt động động cơ là rất cần thiết

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về lý thuyết rung động, các phương pháp chẩn đoán sự cố của động cơ đốt trong thông qua phân tích tín hiệu rung động, áp dụng trong việc phát hiện sự cố để đưa ra được biện pháp khắc phục kịp thời tránh phát sinh thêm hư hỏng không đáng có.

Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài

-Tổng quan lý thuyết liên quan đến những hư hỏng thường gặp trên động cơ và phương pháp chẩn đoán

- Nghiên cứu lý thuyết về rung động, kỹ thuật chẩn đoán tình trạng của động cơ đốt trong

-Ứng dụng của lý thuyết rung động vào việc chẩn đoán sự cố của động cơ đốt trong

- Phân tích đánh giá các lỗi dẫn đến rung động ở động cơ đốt trong bằng phương pháp phân tích rung động

1.4.2 Giới hạn của đề tài

- Tập trung nghiên cứu phương pháp chẩn đoán kỹ thuật của động cơ đốt trong bằng phương pháp phân tích rung động

- Phân tích một vài trường hợp hư hỏng thường gặp của động cơ đốt trong bằng phương pháp phân tích phổ tần số rung động FFT và phân tích hình bao

- Phương pháp phân tích: Tìm hiểu các tài liệu chuyên ngành, tài liệu vận hành, chẩn đoán hư hỏng

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp các kết quả của các bài nghiên cứu khoa học trước đó làm nên tảng cho việc thực đồ án

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết về rung động của động cơ

2.1.1 Khái niệm về rung động

Rung động có thể hiểu là quá trình chyển động qua lại của các chi tiết và các bộ phận của động cơ Tất cả các thành phần của động cơ đang di chuyển qua lại nghĩa là đang rung động Rung động của động cơ có nhiều loại khác nhau Rung động thường không cố định có thể lớn, nhỏ, nhanh hoặc chậm Hầu hết, các rung động là thường gây ra những sự cố cho động cơ trong quá trình hoạt động lâu dài

Trong lúc động cơ hoạt động sẽ xuất hiện các rung động do những bộ phận của động cơ di chuyển qua lại những vị trí khác nhau và lặp lại sự dao động đó nên có thể nói rung động có tính chu kỳ T Ở hình 2.1 thể hiện biên dạng của rung động của máy cho thấy chu kỳ T và biên độ X0 Ngược lại với chu kỳ là tần số f của rung động được thể hiện là đơn vị của chu kỳ trong một giây (cps) hay héc (Hertz (Hz)) [11]

Hình 2 1: Các dạng đồ thị phương trình rung động máy [11]

Hàm điều hòa là hàm cơ bản để biểu diễn sự chuyển động lặp đi lặp lại một cách liên tục và đều đặn và được thể hiện trong hình 2.1b

2.1.2 Tính chất của rung động

Rung động tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau như rung động điều hòa, rung động ngẫu nhiên, rung động tức thời và rung động bất quy tắc Trong số này, rung động điều hòa là phổ biến nhất, được đặc trưng bởi ba thông số cơ bản: chuyển vị, vận tốc và gia tốc

8 Rung động ngẫu nhiên là rung động không tuân theo một quy luật hoặc một mẫu cố định, không có một chu kỳ nhất định, thường biểu hiện bằng các chuyển động bất thường của động cơ

Rung động tức thời là rung động có xu hướng giảm dần sau đó tắt hẳn Rung động tức thời thường xảy ra trong thời gian ngắn Rung động này thường ở dạng các xung va đâp có tần số rất cao

Rung động bất quy tắc được mô tả thông qua các thông số thống kê như giá trị trung bỡnh à và hệ số phõn bố σ, tại một thời điểm t cụ thể [11]

Hình 2 2: Các dạng rung động [11]

Chuyển vị x được mô tả về mặt toán học bằng phương trình: x(t) = Xsin(ωt) ( 2.1 )

9 Với: x là chuyển vị của động cơ t là thời gian

X là biên độ chuyển động Ω là tần số góc

Ta có mối quan hệ giữa chu kỳ, tần số và tần số góc như sau: ω = 2𝜋�f�=�2𝜋� 1

Vận tốc rung động là hàm số biểu thị sự biến đổi của chuyển vị theo thời gian, là đạo hàm bậc nhất theo thời gian của phương trình chuyển vị, nó được mô tả như sau:

Gia tốc rung động là tiến độ thay đổi của vận tốc theo thời gian và được diễn tả: a(t) =� 𝑑𝑣

- Mối quan hệ giữa các đại lượng

Từ các phương trình 2.1, 2.2 ,2.3 và 2.4, ta thấy các kiểu và chu kỳ rung động của chuyển vị, vận tốc và gia tốc đều tương tự nhau Biên độ của mỗi đại lượng không giống nhau và sự khác biệt này thể hiện qua góc pha rung động Cụ thể, vận tốc đi trước chuyển vị một góc pha 90 0 (π/2) Và gia tốc đi trước vận tốc một góc pha 90 0 , tức là gia tốc đi trước chuyển vị một góc 180 0 (π) Mối quan hệ giữa x(t), v(t) và a(t) được mô tả ở hình sau: [10]

Hình 2 3: Chuyển vị , Vận tốc và Gia tốc của một chuyển động [10]

Như vậy, với các tín hiệu hình Sin, ta thấy x(t), v(t) và a(t) liên kết với nhau bằng một hàm tần số và thời gian Nếu không quan tâm đến góc pha của tín hiệu (đây là trường hợp thông thường của việc đo được tích phân theo thời gian) ta có thể tính được các đại lượng như sau:

- Tính vận tốc bằng cách chia tín hiệu gia tốc cho một hệ số tỉ lệ với tần số: v =�� 𝑎 ω = 𝑎

- Tính chuyển vị bằng cách chia gia tốc cho một hệ số tỉ lệ với bình phương tần số x =�� 𝑎 ω 2 = 𝑎

2.1.3 Các tham số rung động Để xác định được đúng trạng thái của động cơ, ta cần xác định chính xác các triệu chứng, sự cố xảy ra của động cơ Cách đơn giản nhất là quan sát, cảm nhận và lắng nghe rung động của động cơ từ đó có thể xác định tương đối mức độ mạnh yếu của rung động

Từ những yếu tố trên ta có thể đưa ra các kết luận tương đối về vấn đề hay sự có của động cơ Tuy nhiên xác định sự cố của động cơ một cách chủ quan như vậy là không có cơ sở và độ chính xác cao Vì cảm nhận của mỗi người về mức độ nghiêm trọng của rung động trong động cơ là khác nhau nên việc xác định sự cố chỉ bằng cách cảm nhận là không chuẩn xác và đảm bảo độ tin cậy Để có thể xác định chính xác một rung động, phải diễn rung động theo một cơ sở khoa học nhất định và có tính chính xác cao Việc phân tích tín hiệu rung động bằng số liệu

11 sẽ đảm bảo độ chính xác cao hơn là việc thể hiện bằng lời nói, giúp việc xác định và chẩn đoán tình trạng của động cơ được đảm bảo độ tin cậy cao

Biên độ rung động là khoảng cách tối đa mà một vật thể hoặc một dao động qua vị trí cân bằng Khi biên độ rung động lớn điều này cho thấy chuyển động dao động mạnh, nhanh và có cường lớn Biên độ càng lớn thì chuyển động càng lớn, từ đó nhờ việc xác đinh độ lớn nhỏ của biên độ ta có thể xác định được mức độ nghiêm trọng của rung động Mức độ hay biên độ của rung động còn liên hệ tới:

(a) Khoảng chuyển động rung động

(b) Tốc độ của chuyển động

(c) Lực kết hợp với chuyển động

Số liệu rung động được biểu diễn bằng biên độ theo thời gian được gọi là miền thời gian Các biểu đồ miền thời gian được áp dụng cho các chuyển động qua lại, chuyển động thẳng và các dao động khác của động cơ, góp phần vào việc phân tích tổng quan và nghiên các thay đổi trong điều kiện hoạt động của động cơ Tuy nhiên, biểu đồ miền thời gian thường khó sử dụng vì các số liệu rung động được biểu diễn dưới dạng tổng tại bất kỳ thời điểm nào, làm cho việc xác định rung động riêng lẻ của từng thành phần trở nên khó khăn

Hình 2 4: Biểu đồ rung động miền thời gian và đường cong rung động riêng, đường cong rung động tổng hợp miền thời gian [11]

Những dạng biểu đồ dể phân tích rung động

2.2.1 Biểu đồ dạng sóng (Waveform)

Biểu đồ dạng sóng, là một loại biểu đồ thường được sử dụng để biểu diễn dữ liệu theo thời gian hoặc theo một trình tự nào đó Biểu đồ dạng sóng là công cụ hữu ích để phân tích tín hiệu rung động của động cơ Biểu đồ này thường được sử dụng để phân tích tín hiệu rung động, được gọi là waveform (biểu đồ dạng sóng) Một waveform là biểu diễn của rung động dưới dạng biểu đồ, thể hiện mức độ nghiêm trọng của rung động Các thông tin mà biểu đồ dạng sóng cung cấp, tùy thuộc thời khoảng của một waveform Trong hầu hết các trường hợp, chỉ cần đo trong một vài giây là đủ Độ phân giải của biểu đồ dạng sóng là mức độ chi tiết và được xác định thông qua các điểm dữ liệu Nếu số điểm dữ liệu càng nhiều thì thể hiện được biểu đồ dạng song càng chi tiết

Hình 2 6: Biểu đồ dạng sóng (Waveform) 2.2.2 Biểu đồ dạng phổ ( spectrum )

Biểu đồ phổ là một dạng biểu đồ được phổ biến trong việc phân tích tín hiệu rung động Nó minh họa các tần số đang rung động của mỗi thành phần trong động cơ và các biên độ tương ứng ở mỗi tần số đó

Sự rung động của động cơ bao gồm nhiều chuyển động rung động của nhiều thành phần xảy ra trong cùng một thời điểm nhất định Biểu đồ dạng phổ là công cụ phân tích rung động rất hữu ích nhờ vào việc phân tích các tần số của mỗi thành phần đang rung động cùng với các biên độ tương ứng với mỗi tần số đó, nhờ đó ta có thể tìm ra được đặc trưng của từng tần số để từ đó phát hiện ra được sự cố trong động cơ Đây là ưu điểm mà biểu đồ dạng sóng không làm được, biểu đồ dạng sóng chỉ có thể biểu diễn giá trị tổng thể Cho nên sẽ không dễ dàng khi chẩn đoán hư hỏng bằng biểu đồ dạng sóng

Hình 2 7: Biểu đồ dạng phổ ( spectrum )

Vì thế trong đa số các trường hợp thì biểu đồ dạng phổ được sử dụng phổ biến hơn đây là công cụ cho việc phân tích các tín hiệu rung động của động cơ Biểu đồ dạng phổ phụ thuộc vào các giá trị Fmax (tần số maximum) và độ phân giải (resolution) Fmax là giới hạn tần số của biểu đồ dạng phổ thể hiện dươc Giá trị Fmax này tùy thuộc vào điều kiện và tốc độ vận hành của động cơ Độ phân giải của một biểu đồ dạng phổ biểu thị mức độ chi tiết, và được xác định bởi số đường phổ của biều đồ Biều đồ dạng phổ càng chi tiết thì sẽ xuất hiện càng nhiều đường phổ

Phương pháp phân tích rung động

Phương pháp phân tích rung động là phương pháp chẩn đoán tình trạng hoạt động của động cơ Rung động của động cơ thường sẽ mang tính cộng hưởng và tăng dần, nếu không đươc phát hiện kịp thời thì lâu dần sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Tất cả các thành phần của động cơ khi hoat động đều sinh ra tín hiệu rung động, các tín hiệu này có thể biểu thị được tình trạng của động cơ

Dưới đây là một số phương pháp phân tích rung động được sử dụng phổ biến

- Phương pháp phân tích hình bao

- Phương pháp phân tích phổ

2.3.1 Phương pháp phân tích kurtosis

Phương pháp phân tích kurtosis là một trong những phương pháp được sử dụng để đánh giá tính không đồng nhất (non-Gaussianity) của tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu rung động Kurtosis là một độ đo thống kê dùng để đo độ "spikiness" hoặc "peakedness" của phân phối xác suất của một biến ngẫu nhiên Một giá trị kurtosis cao hơn so với một phân phối chẩn đều thường cho thấy sự tập trung của dữ liệu xung quanh giá trị trung bình của nó

Trong phân tích rung động, kurtosis thường được sử dụng để đánh giá tính không đồng nhất của tín hiệu rung Một tín hiệu rung động có kurtosis cao có thể có các dao động có biên độ lớn, không đều và không theo phân phối chẩn Điều này có thể chỉ ra sự tồn tại của các sự kiện đặc biệt hoặc các trạng thái không bình thường trong hệ thống

2.3.2 Phương pháp phân tích hình bao

Kỹ thuật phân tích hình bao thực hiện điều chỉnh tín hiệu bằng cách loại bỏ các thành phần tần số cao, nhằm tạo ra các đường cong điều biến hoặc hình bao, đây là những đặc trưng của sự hỏng hóc Đường bao của tín hiệu rung động cung cấp cho ta một khả năng nhận dạng các nguyên nhân gây kích thích rung động hoặc nhận dạng các tham số của hệ rung động Đường bao tín hiệu phản ánh những thông tin về mức độ rung thể hiện các sự kiện bất thường xảy ra khi thiết bị đang hoạt động [11]

Các bước chính trong phương pháp phân tích hình bao bao gồm:

Phát hiện đối tượng: Sử dụng các phép toán nhận dạng đối tượng để xác định các vùng trong hình ảnh có thể chứa đối tượng

Xác định hình bao: Sau khi xác định được vùng chứa đối tượng, một hình bao được vẽ xung quanh đối tượng bằng cách xác định các điểm cực đại hoặc các giới hạn cực tiểu của vùng chứa đối tượng

17 Phân tích thông tin hình bao: Một khi hình bao đã được xác định, thông tin về vị trí, kích thước và hình dạng của đối tượng có thể được suy ra từ hình bao này

Sử dụng hình bao trong các ứng dụng: Thông tin từ hình bao có thể được sử dụng để tiến hành các tác vụ như nhận dạng đối tượng, theo dõi chuyển động, hoặc phát hiện vật thể

2.3.3 Phương pháp phân tích phổ

Phương pháp phân tích phổ được sử dụng nhằm phân tích miền tần số của tín hiệu rung động và được sử dụng phổ biến trong việc theo dõi và chẩn đoán tình trạng động cơ Đây là biến đổi tín hiệu rung động từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Ưu điểm của của việc phân tích phổ tần số là có thể nhận dạng các nguồn gây rung động khác nhau, tùy thuộc vào các đặc trưng động lực học của các thành phần động cơ và vận tốc quay của chúng hoặc tần số chuyển động của chúng

Phân tích phổ được thể hiện bằng đồ thị thông qua phép biến đổi Fourier của tín hiệu rung động, trục tung hiển thị các giá trị biên độ rung động (chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc) tương ứng với mỗi thành phần tần số trên trục hoành, mỗi thành phần tần số tương ứng với mỗi nguồn gốc gây ra rung động

Hình 2 8: Mối quan hệ giữa tín hiệu theo miền thời gian và theo miền tần số [10]

Phép biến đổi Fourier FFT

Nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm để tìm ra lý do đằng sau việc tạo ra rung động cũng nhằm giảm rung động ở bề mặt tiếp xúc giữa động cơ và đế của nó Nó bao gồm nhiều công việc khác nhau được thực hiện trên mô hình thân cứng của động cơ, chi tiết về rung động của động cơ và cuối cùng là một số công việc thử nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel một xi-lanh để đo độ rung bằng máy phân tích phổ FFT.[11]

Phương pháp phân tích phổ FFT (Fast Fourier Transform) là một phương pháp tính toán nhanh để phân tích tín hiệu trong miền tần số Nó dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh Chức năng của phương pháp phân tích phổ FFT là phân tích tín hiệu và hiển thị các thành phần tần số của nó Khi tín hiệu được đưa vào thiết bị phân tích phổ FFT, nó được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng cách sử dụng biến đổi Fourier nhanh Sau đó, các thành phần tần số của tín hiệu được tính toán và hiển thị Biến đổi Fourier không thích hợp cho tín hiệu động, tuy nhiên, trong xử lý tín hiệu và các lĩnh vực liên quan, nó thường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu thành các thành phần biên độ và tần số Tần số của một rung động đơn giản có thể được tính từ chu kỳ của nó Tín hiệu rung của động cơ hầu hết đều chứa các sóng tần số quay cơ bản, do đó dữ liệu phải được phân tích bằng phương pháp Fourier được thiết lập cho rung động định kỳ và ngẫu nhiên bằng thuật toán FFT

Các hư hỏng gặp phải trong động cơ đều tạo ra kiểu rung động riêng biệt (kỹ thuật phân tích dấu hiệu rung động) Nhưng người ta phát hiện ra rằng hư hỏng phát triển có thể không hiển thị bất kỳ dấu hiệu nào trong miền thời gian trừ khi nó xấu đi đến tình trạng nghiêm trọng hơn Trong miền tần số, tín hiệu không chỉ ghi nhận vấn đề sớm trong quá trình phát triển của nó mà còn thực sự truyền tải, với xác suất nhất định, bản chất của các lỗi sắp xảy ra như mất cân bằng trục, cháy không đều, lỗi bánh răng, v.v Thu thập và điều hòa tín hiệu rung là bước đầu tiên, sau đó quan trọng nhất trong việc theo dõi rung động là ghi lại bản ghi các mức độ rung Thông thường khi thời gian trôi qua mức độ khó trong việc tạo ra bản ghi rung động tăng theo độ phức tạp của thiết bị đo Hệ thống phân tích và thu thập dữ liệu tốc độ cao dựa trên DSP được sử dụng để phân tích tín hiệu miền thời gian (tín hiệu đầu ra cảm biến), sau đó là phân tích tần số của tín hiệu miền thời gian Phân tích

19 tần số liên kết mẫu tần số của vấn đề, ảnh hưởng đến một thành phần cụ thể và nguyên nhân của nó Nếu điều này có thể đạt được một cách tự tin thì có thể đề xuất chẩn đoán

Từ tín hiệu liên tục không tuần hoàn x(t), chúng ta có thể coi x(t) như một tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T tiến đến vô cùng hay ( ω→0 ), khi đó x(t) có thể được thể hiện dưới dạng chuỗi x(t) như sau :[11] x(t) = lim ω 0 →∞ ∑ C k e jkω 0 t

Với (𝜔 0 → 0) nên �ω� = �kω 0 �là một biến liên tục, có thể viết lại các biểu thức như sau: x(t)=lim ω 0 →0 1 ω 0 ∫ +∞ C(ω)e jωt dω�

−∞ Ở đây,C(ω) là một hàm theo tần số liên tục và được xác định như sau:

−π/ω 0 e −jkωt dt Đặt x(ω)=2π C(ω) ω 0 , chúng ta có được công thức của biến đổi Fourier của tính hiệu x(t):

Và công thức biến đổi Fourier nghịch:

20 Cách biểu diễn khác của biến đổi Fourier của tín hiệu x(t), với biến tần số f thay cho tần số góc ω:

Và công thức biến đổi Fourier nghịch tương ứng:

Hàm X(ω)�được gọi là phổ (Fourier) của tín hiệu x(t) theo tần số

Hàm biểu diễn phổ biên độ của tín hiệu x(t) theo tần số:

|𝑋 (𝑡) | = √𝑅𝑒[𝑋(𝜔)] 2 + 𝐿𝑚[𝑋(𝜔)] 2 Phổ pha của tín hiệu x(t) theo tần số là : φ(ω) = artan[Lm[X(ω)]/Re[X(ω)]] Điều kiện để các biến đổi Fourier thuận và nghịch của tín hiệu x(t) tồn tại x(t) phải là tín hiệu năng lượng, nghĩa là:

< ∞ Điều kiện để tín hiệu khôi phục từ biến đổi Fourier của x(t) hội tụ về x(t) tại mọi điểm (ngoại trừ tại các điểm không liên tục) điều kiện Dirichlet:

Biến đổi Fourier rời rạc: Xét dãy không tuần hoàn x〖(n)〗_L có độ dài hữu hạn

Rung động trên động cơ đốt trong

Động cơ được coi là nguồn gây ra rung động chính cho xe, vì động cơ thông qua các rung động được truyền từ các bộ phận đến thân xe và do đó người ngồi trong xe sẽ cảm nhận được Rung động là một công cụ hữu hiệu trong việc phát hiện và chẩn đoán một số hỏng hóc ban đầu của động cơ đốt trong Dấu hiệu rung được đo trên bề mặt bên ngoài của máy hoặc một vài bộ phận trong động cơ mà nếu được đo đúng cách có thể nhận biết được tình trạng hoạt động của động cơ Nó có thể được coi là một trong những ngôn ngữ để truyền đạt thông tin tới người dùng Động cơ đốt trong chủ yếu tạo ra hai loại dao động là dao động dọc và dao động xoắn Trong đó dao động chuyển động tịnh tiến của động cơ gây ra một số dao động xoắn liên tục Trong quá trình nén, khi piston di chuyển về điểm chết trên thì áp suất xi lanh tăng lên Khi đó quá trình đánh lửa và đốt cháy nhiên liệu xảy ra làm áp suất tăng lên Áp suất sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu tác dụng lực tiếp tuyến lên piston, thực hiện công

22 và làm tăng tốc độ quay của trục khuỷu Vì vậy, tốc độ trục khuỷu tăng lên trong quá trình đốt và giảm trong hành trình nén Tốc độ thay đổi này của trục khuỷu làm phát sinh dao động xoắn cho trục khuỷu Trục khuỷu của động cơ đốt trong là một hệ thống tự dao động chịu sự rung động và do đó gặp phải tất cả các vấn đề liên quan đến sự đột phá cộng hưởng và chu kỳ chạy dài hơn ở tốc độ cộng hưởng Biên độ lớn của góc rung (xoắn giữa đầu trục khuỷu này và đầu kia) là nguyên nhân chính gây ra những vấn đề này vì chúng gây ra tiếng ồn và có thể dẫn đến lực xoắn ở trục khuỷu cao quá mức cho phép, dẫn đến đứt xoắn Sự thay đổi áp suất cháy trong quá trình chuyển động đi xuống và thay đổi chuyển động quán tính trong quá trình chuyển động đi lên của piston làm phát sinh các lực không cân bằng lên khối động cơ Chúng được coi là nguyên nhân tạo ra các rung động dọc và chúng được đo theo ba hướng vuông góc

Hình 2 9: Nguồn gây ra rung động của động cơ [11]

Các yếu tố dẫn đến rung động của động cơ đốt trong

Nguyên nhân dẫn đến rung động là do lực rung tạo ra, ở ô tô rung động chủ yếu là do động cơ tạo ra Quá trình cháy và các lực cơ học là các tác nhân chính dẫn đến rung động của động cơ Lực rung từ các thành phần của động cơ được truyền đến hệ thống

23 truyền lực và thân xe Có nhiều yếu tố tác động đến sự rung động của động cơ nhưng trong đó có hai yếu tố chủ yếu sau đây là đặc biệt quan trọng

- Yếu tố thứ nhất là rung động do quá trình cháy của động cơ

- Yếu tố thứ hai là lực lực cơ học của các thành phần gây ra

Hai yếu tố này chính là hai nguyên nhân chính tạo ra rung động của động cơ Dao động do quá trình cháy và lực rung cơ học gây ra ở trục khuỷu được truyền đến hệ thống truyền lực Nó ảnh hưởng đến thân máy như một lực đối lập và gây ra rung động cho động cơ Động cơ trở nên rung động có mômen lớn hơn khi góc mở của bướm ga lớn (đặc biệt khi tải trọng của động cơ lớn và áp suất cháy tăng lên)

2.5.1 Rung động do quá trình cháy

Rung động được tạo ra do phản ứng của nhiên liệu phun dưới nhiệt độ và áp suất cao trong buồng đốt, khi quá trình cháy xảy ra tạo ra lực tác dụng lên các chi tiết gây ra rung động của động cơ đốt trong Loại nhiên liệu được sử dụng có ảnh hưởng trực tiếp bằng việc thiết lập các đặc tính đặc biệt cho loại rung động này Thông thường ở động cơ diesel, do tỷ số nén cao nên độ rung động mạnh hơn so với động cơ chu trình OTTO, nhưng có sự khác biệt trong mức độ rung động do các yếu tố khác nhau Ở động cơ diesel, vì tỷ số nén cao hơn so với động cơ chu trình Otto, nhiên liệu được phun vào buồng đốt đã được nén đến áp suất cao hơn, và khi nhiên liệu được phun vào và cháy, nó tạo ra một lực đẩy mạnh mẽ Điều này có thể dẫn đến rung động mạnh hơn trong động cơ diesel

Các đặc tính của nhiên liệu được sử dụng trong động cơ đốt trong, bao gồm hàm lượng cetane cũng có thể ảnh hưởng đến rung động Hàm lượng cetane trong nhiên liệu càng cao thì làm cho quá trình cháy nhanh hơn và ít rung động hơn Để giảm thiểu rung động được tạo ra do quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt, các kỹ thuật cải tiến như kiểm soát tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí, thiết kế buồng đốt tối ưu, và sử dụng nhiên liệu có chất lượng cao và ổn định có thể được áp dụng Ngoài ra, việc cân nhắc sử dụng các loại nhiên liệu thân thiện với môi trường và hiệu quả hơn cũng có thể giúp giảm thiểu rung động và cải thiện hiệu suất của động cơ

2.5.2 Rung động do lực cơ học

Sự rung động từ các piston được gây ra bởi tác động lên thành xi lanh, do chuyển động ngang hoặc nghiêng Một trong những nguyên nhân phổ biến nhất là không cân bằng trong các bộ phận quay như piston, trục khuỷu, hoặc cánh quạt Sự không cân bằng này có thể do mài mòn không đều hoặc hỏng hóc trong quá trình vận hành Thiết kế không tối ưu của hệ thống treo và giảm chấn cũng có thể dẫn đến rung động do lực cơ học Hệ thống treo không đủ cứng hoặc không linh hoạt đủ có thể làm tăng rung động Sự không đồng đều trong khả năng chịu tải của các bộ phận có thể dẫn đến rung động Điều này có thể xuất phát từ sự mài mòn không đồng đều hoặc sự hỏng hóc của các bộ phận Quá trình cháy không đồng đều trong buồng đốt cũng có thể tạo ra lực cơ học không đều, dẫn đến rung động của động cơ

Trong quá trình hoạt động, các lực và các momen sinh ra luôn thay đổi vị trí về trị số và chiều Chúng tạo ra tác động lên các bệ máy và khung máy, dẫn đến rung động của động cơ và làm mất cân bằng cho động cơ Các lực và các momen tác dụng gồm:

- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Pj1) và lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 (Pj2)

- Lực quán tính của khối chuyển động quay Pk

- Momen của các lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Mj1), momen của các lực quán tính chuyện động tịnh tiến cấp 2 (Mj2)

- Momen xoắn do lực quán tính chuyện động quay tạo ra (Mx)

- Ngoài ra còn có monen lật MN do lực ngang sinh ra Để động cơ có tính cân bằng ổn định, trong quá trình thiết kế và tính toán động cơ cần phải lưu ý đến các điều kiện đảm bảo cân bằng cho động cơ Điều kiện cân bằng cơ cấu:

Khi động cơ hoạt động ở trạng thái ổn định, nếu các lực và mômen tác động lên bệ của động cơ không thay đổi cường độ và hướng, thì động cơ được coi là cân bằng Để đạt được trạng thái cân bằng, cần thiết kế sao cho tổng lực của các lực quán tính cấp 1 và cấp

2 của khối lượng chuyển động tịnh tiến, và tổng lực của lực quán tính của khối lượng chuyển động quay đều bằng 0 Tổng mômen của chúng, được tạo ra trên các mặt phẳng chứa đường tâm của trục khuỷu, cũng bằng 0 Như vậy, điều kiện cân bằng của động cơ được mô tả bằng hệ phương trình sau đây: [13]

Trong đó: ∑ Pj1 là hợp lực của quán tính chuyện động tịnh tiến cấp 1

∑ Pj2 là hợp lực của quán tính chuyện động tịnh tiến cấp 2

∑ Pk là hợp lực của lực quán tính chuyển động quay

∑ Mj1 là tổng momen của hợp lực quán tính chuyện động tịnh tiến cấp 1

∑ Mj2 là tổng momen của hợp lực quán tính chuyện động tịnh tiến cấp 2

∑ Mk là tổng hợp của hợp lực quán tính chuyển động quay a- là khoảng cách giữa 2 đường tâm xylanh i - là số xylanh của động cơ

Dạo động của hệ trục khuỷu bao gồm hai dạng chính sau đây:

Dao động dọc theo đường tâm trục khuỷu gây nên biến dạng uốn của trục khuỷu Dao động này truyền cho nến móng của động cơ

Dao động xoắn, lấy đường tâm trục khuỷu là trục quay, gây nên biến dạng xoắn của trục khuỷu Dao động này chỉ sinh ra trong bản thân hệ trục khuỷu, không truyền ra ngoài

26 Lực pháp tuyến Z gây ra dao động dọc còn lực tiếp tuyến T và mômen xoắn M gây ra dao động xoắn trong hệ trục khuỷu cũng như trong bất kỳ một hệ cơ cấu đàn hồi nào có khối lượng

Dao động xoắn xuất hiện khi các lực hoặc mô-men bên ngoài liên tục tác động, gọi là dao động xoắn tự do Tần số của dao động xoắn tự do của hệ trục khuỷu phụ thuộc vào hình dạng hình học, kích thước và độ đàn hồi của các bộ phận của hệ trục khuỷu Do tần số này phụ thuộc vào quy luật biến đổi của lực khí thể và lực quán tính, hệ trục khuỷu có thể trải qua hiện tượng cộng hưởng Tốc độ khi động cơ tạo ra cộng hưởng được gọi là tốc độ giới hạn Trong trường hợp này, biên độ của dao động xoắn tăng lên đáng kể, và nếu vượt quá phạm vi cho phép, ứng suất từ nó có thể phá huỷ trục khuỷu Do đó, mục tiêu của việc nghiên cứu về dao động xoắn là tìm cách tránh hiện tượng cộng hưởng Nếu không thể loại bỏ hoàn toàn dao động xoắn, phải tìm cách giảm biên độ của nó đến mức tối thiểu

2.5.3 Phương pháp tính tần số rung của động cơ

Công thức tính tần số rung động của động cơ: [11]

F là tần số (Hz), rpm tốc độ động cơ vòng/phút, thời gian 60 giây

Công thức tính tần số rung động của quá trình cháy trong động cơ

Thiết bị cảm ứng rung động

Các công cụ chẩn đoán có thể giúp ta chẩn đoán lỗi của động cơ thông qua việc phân tích các số liệu thu thập được từ thiết bị đo rung động của động cơ đốt trong Đặt cảm biến gia tốc lên điểm đo, điều này chuyển đổi các rung động thành tín hiệu điện tử, tín hiệu được truyền đi bằng cáp đến máy đo độ rung hoặc máy phân tích và tín hiệu được xử lý thành các giá trị rung mà bạn có thể đọc trên màn hình thiết bị Điểm đo là một vị trí trên máy, thường là trên đầu máy nơi đặt cảm biến rung, điểm đo phải cho phép thực hiện các phép đo lặp lại trong cùng điều kiện mỗi lần độ lặp lại của phép đo là rất quan trọng chẩn

27 bị điểm đo để đạt được chất lượng và các phép đo lặp lại nên chẩn bị điểm đo trên vỏ ổ trục

Thiết bị đo rung động trên động cơ đốt trong là một phần quan trọng của việc giám sát và chẩn đoán trạng thái hoạt động của động cơ Các thiết bị này giúp cảnh báo về các vấn đề tiềm ẩn, đảm bảo an toàn, hiệu suất và tuổi thọ của động cơ Dưới đây là một số lý thuyết cơ bản về thiết bị đo rung động trên động cơ đốt trong:

Nguyên lý hoạt động: Thiết bị đo rung động sử dụng cảm biến rung hoặc cảm biến gia tốc để đo và ghi lại các biến đổi trong cường độ và tần số của rung động phát sinh từ động cơ đốt trong Các biến đổi này có thể được chuyển đổi thành dạng tín hiệu điện để phân tích và hiển thị Đối với kỹ thuật chẩn đoán rung động ở tần số cao thường chứa đựng các thông tin hư hỏng sắp xảy ra, còn những tần số thấp cho thấy hỏng hóc đã và đang xảy ra

Một hệ thống đo rung động cơ học về cơ bản gồm có hai phần:

- Các đầu đo rung động được gắn tại các điểm đo để chuyển đổi rung động cơ học thành tín hiệu điện

- Thiết bị đo có các chức năng: khuyếch đại, lọc tín hiệu, lưu trữ và hiển thị tín hiệu đo được Các loại thiết bị đo tiên tiến hiện nay được tích hợp thêm bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADC (Analog-Digital Converter), các giao diện kết nối với máy tính có bộ vi xử lý và ổ cứng để thu thập và lưu trữ dữ liệu Các thiết bị phụ trợ cho nhiệm vụ xử lý và hiển thị tín hiệu đo là bộ phân tích phổ tần số (Frequency Analyzer) và bộ hiện sóng (Oscilloscope)

Hình 2 10: Kết cấu của thiết bị đo và thu thập dữ liệu [10]

Thiết bị đo cầm tay: Kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp, có các chức năng đo đạc (thường với một đầu đo), xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả trực tiếp qua màn hình hoặc đồng hồ Một số loại được tích hợp thêm bộ phân tích tần số để tăng khả năng xử lý dữ liệu đo Với độ chính xác và phạm vi đo được tương đối hạn chế, thiết bị này chỉ thích hợp cho việc giám sát nhanh tình trạng hoạt động của thiết bị

Thiết bị đo kiểu mô-đun: Có bộ khuyếch đại – lọc và mạch chuyển đổi tín hiệu số (ADC) tách rời để có thể sử dụng một cách linh hoạt Bo mạch chuyển đổi tín hiệu số có giao diện kết nối với máy tính cá nhân và có thể lập trình điều khiển được Khi sử dụng loại thiết bị này, công tác định chẩn toàn bộ hệ đo là rất cần thiết

Thiết bị đo ngoại vi: Gồm bộ khuyếch đại - lọc và bộ chuyển đổi tín hiệu số được tích hợp thành một khối thống nhất đầu –cuối (front-end equipment) có đầu ra kết nối với máy tính cá nhân hoặc với bộ phân tích tần số.Phép đo rung động được điều khiển bởi một phần mềm chuyên dụng được cài đặt trong máy tính

Bộ thu thập dữ liệu: Dành cho công việc đo đạc và thu thập dữ liệu rung động tại hiện trường Thiết bị này có số lượng kênh đo tùy theo chủng loại và hãng chế tạo Kết quả đo được lưu trữ trong bộ nhớ đệm dưới dạng các tệp dữ liệu và được truyền dẫn đến máy tính, cho phép người sử dụng xử lý tín hiệu bằng các phần mềm phân tích tín hiệu số thông dụng Phép đo rung động cũng được điểu khiển bởi một phần mềm chuyên dụng được cài

29 đặt trong máy tính Loại thiết bị này đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật của các tổ hợp máy phức tạp như tuốc bin

Máy đo đa năng: Có chức năng giống như một máy tính cá nhân với bộ vi xử lý tốc độ cao, ổ cứng và cổng kết nối với các thiết bị ngoại vi (máy in, modem, ), đồng thời được tích hợp các bộ phận thực hiện chức năng đo rung động Số lượng kênh đo của máy đo đa năng thường ít hơn so với bộ thu thập dữ liệu Với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển và rất tiện lợi khi thao tác, thiết bị này ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng kỹ thuật

NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT

Nguyên nhân dẫn đến rung động của động cơ đốt trong

Hư hỏng bugi là một trong những nguyên nhân phổ biến dẫn đến rung động của động cơ đốt trong Bị bẩn, mòn hay hư hỏng bugi sẽ khiến khả năng phóng điện, đánh lửa bị kém Khi bugi không thể phóng điện và đánh lửa, sẽ khiến nhiên liệu trong xi lanh không được đốt cháy Khi bugi hư sẽ làm cho quá trình cháy không diễn ra hoặc diễn ra không hoàn toàn, dẫn đến sự chênh lệch áp suất cháy của các xylanh chính sự chênh lệch này là nguyên nhân chính gây ra rung động của động cơ.[11]

Hình 3 1: Bugi bình thường và bugi hỏng

Dấu hiệu nhận biết bugi hư hỏng:

Bugi màu đen và nhớt, kèm theo mùi khét cho thấy dầu nhớt bị rò rỉ vào xi lanh, bám và khiến bugi không thể đánh lửa

- Bugi có màu trắng là dấu hiệu bộ phận làm mát có vấn đề, bugi sẽ mất nhiều thời gian hơn để đánh lửa

- Bugi có màu vàng nâu là động cơ đang hoạt động bình thường

Bugi là phần tử trong hệ thống đánh lửa của động cơ đốt trong, giúp châm ngọn lửa để đốt nhiên liệu trong buồng đốt Khi bugi không hoạt động hiệu quả hoặc hỏng hóc, các vấn đề sau có thể xảy ra:

31 Đốt cháy không đều: Bugi hỏng có thể dẫn đến đốt cháy không đều trong buồng đốt Khi điều này xảy ra, một số xi lanh có thể không hoạt động đúng cách, gây ra rung động không cân đối trong động cơ

Mất hiệu suất: Bugi hỏng có thể gây mất hiệu suất của động cơ bằng cách làm giảm khả năng châm lửa hoặc gây ra vấn đề trong quá trình đốt cháy, điều này có thể dẫn đến sự rung động mạnh hơn để cố gắng duy trì hoạt động bình thường

Dập tắt không đúng cách: Bugi hỏng có thể dẫn đến dập tắt không đúng cách, tức là nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn Điều này có thể tạo ra áp lực và rung động trong hệ thống đốt cháy

Thiếu điện cực: Nếu bugi hỏng bị hở hoặc bị mài mòn nhiều, điện cực có thể không còn chạm đúng với nhiên liệu, gây ra một loạt các vấn đề, bao gồm sự rung động của động cơ

Xéc măng là những vòng tròn hở bằng kim loại, được đặt trong các rãnh trên piston xilanh động cơ ô tô Dù là xéc măng của động cơ máy dầu hay máy xăng thì chúng đều có tác dụng chính là bao kín buồng đốt, tạo độ kín cho khí nén chạy trong hai phần của xi lanh ô tô giúp piston đủ áp suất để chuyển động lên hoặc xuống.Xéc măng là một trong những chi tiết nhanh mòn nhất trong động cơ vì nó hoạt động trong điều kiện phức tạp, chiu nhiệt cao và ma sát với thành xilanh điều này khiến cho xéc măng mòn mặt cạnh do va đập giữa xéc măng và rãnh gây xục dầu, lọt hơi, làm cho công suất của động cơ giảm Trong bộ thì xéc măng trên cùng bị mòn nhiều nhất vì nó thường phải chịu áp lực và ma sát lớn hơn so với các xéc măng khác trong bộ xéc măng Khi khe hở của xéc măng và thành xilanh tăng lên thì sẽ làm giảm độ kín gây mấy áp suất, lọt hơi dẫn đến rung động của động cơ.[11]

Hình 3 2: Xéc măng bị mòn, không kín

Mục đích chính của xéc-măng là ngăn chặn sự rò rỉ của nhiên liệu, dầu hoặc khí giữ cho áp suất và nhiệt độ được đảm bảo trong hệ thống Khi xéc-măng bị mòn, các vấn đề sau có thể xảy ra:

Rò rỉ chất lỏng hoặc khí: Mòn xéc-măng có thể tạo ra các khe hở trong hệ thống, cho phép chất lỏng hoặc khí rò rỉ Điều này có thể làm giảm hiệu suất của động cơ hoặc gây ra các vấn đề hoạt động không ổn định

Mất áp suất hoặc nhiệt độ: Xéc-măng mòn có thể không còn đảm bảo kín khí, dẫn đến mất áp suất hoặc nhiệt độ trong hệ thống Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và hoạt động của động cơ

Gioăng mặt máy là chi tiết nằm ở giữa động cơ và nắp quy lát Hai trong ba tác dụng của bộ phận này là làm kín xilanh và nắp máy để đảm bảo độ kín cho động cơ hoạt động, ngăn chặn hiện tượng nhiệt độ và khí cháy thoát ra bên ngoài, cũng như đảm bảo áp suất cho xi lanh hoạt động Thổi gioăng mặt máy là hiện tượng giảm độ kín, khít của gioăng mặt máy khiến động cơ không thể phát huy hết công suất do nhiệt độ và khí cháy bị thoát

33 ra bên ngoài, xi lanh bị hở do không đủ áp suất cuối kỳ nén Là một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng ô tô bỏ máy dẫn đến rung động của động cơ [14]

Hình 3 3: Gioăng nắp máy bị hư [14]

Khi nắp máy bị thổi gioăng, điều này có thể dẫn đến rung động của động cơ vì mất đi sự kín khí và áp suất trong hệ thống Dưới đây là một số nguyên nhân cụ thể:

Mất áp suất và kín khí: Gioăng nắp máy bị thổi sẽ tạo ra khe hở trong hệ thống kín khí của động cơ Khi có khe hở này, không khí bên ngoài có thể xâm nhập vào buồng đốt hoặc hệ thống làm mát Sự mất đi áp suất và kín khí này có thể làm giảm hiệu suất của động cơ và tạo ra các vấn đề hoạt động không ổn định, gây ra rung động

Sự rung lắc của buồng đốt: Khi không có sự kín khí hoàn hảo trong buồng đốt, quá trình đốt cháy có thể trở nên không đều Điều này có thể dẫn đến sự biến đổi áp suất và lực đẩy không đồng đều, tạo ra sự rung động của động cơ

Biện pháp khắc phục rung động của động cơ đốt trong

3.2.1 Biện pháp khắc phục lỗi khe hở nhiệt

Trước tiên, kiểm tra khe hở nhiệt hiện tại của đuôi van xupap và vấu cam Sử dụng dụng cụ đo độ dày hoặc micromet để đo kích thước của khe hở nhiệt hiện tại Kiểm tra hướng dẫn của nhà sản xuất hoặc tài liệu kỹ thuật của động cơ để biết kích thước chính xác của khe hở nhiệt Sử dụng các công cụ và kỹ thuật thích hợp, điều chỉnh khe hở nhiệt để đạt đến kích thước được quy định Điều này có thể yêu cầu sử dụng các cụm bướm chỉnh, shim, hoặc các công cụ khác tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống van xupap Sau khi điều chỉnh, kiểm tra lại khe hở nhiệt bằng cách sử dụng dụng cụ đo độ dày để đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Sau khi đã điều chỉnh khe hở nhiệt, thử nghiệm động cơ để đảm bảo rằng van xupap hoạt động một cách trơn tru và không có hiện tượng mài mòn

40 không mong muốn Ngoài ra, lỗi khe hở nhiệt còn có thể là do con đội xupap hoặc đệm điều chỉnh bị hư hỏng cần phải thay thế [18]

Hình 3 9: Điều chỉnh khe hở nhiệt xupap 3.2.2 Biện pháp khắc phục lỗi va đập của piston

Bảo dưỡng định kỳ bao gồm việc kiểm tra, làm sạch và thay dầu máy, kiểm tra và thay thế bộ lọc, kiểm tra và điều chỉnh các bộ phận cần thiết của động cơ

Chọn lựa dầu máy chất lượng cao và phù hợp với động cơ của bạn Dầu máy chất lượng cao sẽ cung cấp bôi trơn tốt hơn và bảo vệ hiệu quả hơn cho piston và ổ đỡ đầu trong các điều kiện khắc nghiệt

Khi piston bị hư hỏng nghiêm trọng cần thay mới để đảm bảo động cơ làm việc ổn định Đảm bảo rằng hệ thống làm mát và làm mát dầu hoạt động hiệu quả Làm mát tốt sẽ giúp giảm nhiệt độ của piston, ngăn chặn sự tổn thương do nhiệt độ cao Đảm bảo rằng hệ thống đánh lửa hoạt động đúng cách Điều này sẽ giúp đảm bảo cháy đồng đều và hiệu quả, giảm nguy cơ va đập và tổn thương cho piston

41 Đảm bảo rằng hệ thống nhiên liệu hoạt động đúng cách và cung cấp nhiên liệu sạch và đồng đều cho động cơ Sự cung cấp nhiên liệu không đủ hoặc không đều có thể gây ra va đập và tổn thương cho piston

3.2.3 Biện pháp khắc phục lỗi ổ trục của động cơ

Cần kiểm tra xem ổ trục có bị mài mòn, uốn cong hoặc hỏng hóc không Nếu phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào của lỗi, cần thay thế ổ trục mới để khắc phục vấn đề Đảm bảo rằng hệ thống bôi trơn hoạt động hiệu quả và cung cấp đủ lượng bôi trơn cho ổ trục Thường xuyên kiểm tra và thay dầu máy hoặc chất bôi trơn theo lịch trình bảo dưỡng

Kiểm tra các bộ phận khác trong hệ thống như vòng bi, ròng rọc, phớt, và bộ truyền động để đảm bảo chúng không gây ra va chạm hoặc áp lực không mong muốn lên ổ trục

Kiểm tra các bộ phận khác trong hệ thống như vòng bi, ròng rọc, phớt, và bộ truyền động để đảm bảo chúng không gây ra va chạm hoặc áp lực không mong muốn lên ổ trục

3.2.4 Biện pháp khắc phục hiện tượng kích nổ

Sử dụng nhiên liệu chất lượng cao và phù hợp với yêu cầu của động cơ Đảm bảo rằng nhiên liệu không bị ô nhiễm và có chỉ số octane (đối với động cơ xăng) hoặc chất lượng (đối với động cơ diesel) phù hợp Đảm bảo rằng hệ thống làm mát hoạt động hiệu quả để giảm nhiệt độ trong buồng đốt Nhiệt độ cao có thể góp phần vào hiện tượng kích nổ

Kiểm tra bugi, dây đánh lửa và hệ thống đánh lửa khác để đảm bảo chúng hoạt động chính xác và không gây ra sự cháy không đều trong buồng đốt Đảm bảo tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu và không khí được điều chỉnh chính xác Một tỉ lệ hỗn hợp không đúng có thể gây ra sự cháy không đều hoặc kích nổ

Hệ thống phun nhiên liệu cần được kiểm tra định kỳ và làm sạch để đảm bảo phun nhiên liệu đồng đều và không bị tắc nghẽn

3.2.5 Biện pháp cân bằng trục

Hình 3 10: Cân bằng trục của động cơ Để tăng tính ổn định của trục khuỷu ta có thể thực hiện một số biện pháp như: -Tăng số xylanh của động cơ

-Bố trí các khuỷu trục để các xylanh làm việc đều nhau

-Dùng đối trọng để cân bằng Để đảm bảo tính cân bằng của động cơ, trong quá trình thiết kế, chế tạo, lắp ráp và vận hành, cần tuân thủ các yêu cầu sau:

-Trọng lượng của các nhóm piston lắp trên đông cơ phải đồng đều

-Trọng lượng của các thanh truyền phải cân bằng và trọng tâm của chúng cũng phải giống nhau

-Sử dụng phương pháp cân bằng động và cân bằng tĩnh để điều chỉnh trục khuỷu và các chỉ tiết chuyển động quay của động cơ

43 -Dung tích làm việc của các xi lanh phải đồng nhất, cơ cấu phối khí cũng phải điều chỉnh sao cho có các thông số kỹ thuật giống nhau

-Tỷ số nén và hình dạng buồng cháy của các xi lanh phải giống nhau

-Góc đánh lửa sớm (của động cơ xăng) và gúc phun sớm (của động cơ diesel) của các xi lanh phải được điều chỉnh đồng đều

Thành phần hỗn hợp (trong động cơ xăng) và lượng nhiên liệu cung cấp (trong động cơ diesel) của các xi lanh phải đồng nhất

Nếu cơ cấu đối trọng trục khuỷu không được thiết kế cân đối, có thể gây ra lực rung lớn khi động cơ hoạt động Sự mất cân bằng này có thể xuất phát từ sự phân bố không đồng đều của khối lượng hoặc không gian giữa các phần của cơ cấu đối trọng Lực rung này được tạo ra bởi lực quán tính do cơ cấu đối trọng trục khuỷu tạo ra và sự mất cân bằng trong vật thể quay Trong các lực rung quán tính, có thể điều chỉnh được một phần của khối lượng chuyển động tịnh tiến bằng cách chọn cách bố trí xi lanh và hình dạng phù hợp cho trục khuỷu Những rung động do sự mất cân bằng quán tính có thể được kiểm soát

3.2.6 Biện pháp khắc phục lỗi kim phun

Biện pháp khắc phục lỗi kim phun bị hư thường phụ thuộc vào nguyên nhân cụ thể của sự cố Dưới đây là một số biện pháp phổ biến để khắc phục lỗi kim phun bị hư:

Kiểm tra và làm sạch: Đôi khi, lỗi kim phun có thể do bị bám cặn hoặc bẩn đọng trong quá trình sử dụng Việc làm sạch kim phun bằng các chất tẩy rửa và dung dịch làm sạch có thể giúp khôi phục hiệu suất hoạt động của chúng

PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG

Phân tích rung động của động cơ đốt trong bằng phương pháp phân tích phổ tần số

4.1.1 Quy trình chẩn đoán tình trạng động cơ bằng phân tích phổ tần số

Hình 4 1: Sơ đồ quy chẩn đoán tình trạng của động cơ

- Động cơ cần chẩn đoán Động cơ cần chẩn đoán là động cơ có dấu hiệu hư hỏng hoặc động cơ được thiết lập lỗi để thực nghiệm đo thu thập số liệu phục vụ cho phân tích đánh giá rung động

- Lựa chọn cảm biến và vị trí lắp đặt

Phương pháp lựa chọn điểm đo và hướng đo rung như sau:

- Chọn vị trí đo rung động trên bộ phận hở của động cơ để dễ dàng tiếp cận, an toàn cho thiết bị đo và người đo

- Điểm đo là vị trí đặt đầu đo rung, phải phản ánh được rõ ràng rung động của động cơ

- Vị trí và hướng đo rung động phải có độ nhạy tương thích với lực rung động của máy

Hình 4 2: Vị trí đặt cảm biến đo rung động [11]

- Xác định thông số cần đo

Chọn tham số đo là thông số vận tốc rung động và gia tốc rung động

-Xác định tần số rung động của động cơ để dựa vào đó chẩn đoán hư hỏng xảy ra trong quá trình hoạt động, cấp độ đo chính xác của giải tần số từ 0 – 500 (Hz)

-Đo độ lớn của dao động để xác định mức độ rung động

-Ghi lại thời gian và tần suất xuất hiện của các dao động để đánh giá tính chất định kỳ hoặc không định kỳ của chúng

- Tín hiệu và xử lý tín hiệu

Tín hiệu là một đại lượng vật lý chứa thông tin, và từ góc độ toán học, tín hiệu được biểu diễn dưới dạng của một hàm của một hoặc nhiều biến độc lập Ví dụ, tín hiệu tiếng

47 nói có thể được biểu diễn bằng một hàm phụ thuộc vào thời gian, trong khi tín hiệu hình ảnh được biểu diễn dưới dạng hàm phụ thuộc vào độ sáng của hai biến không gian Mỗi loại tín hiệu có những đặc điểm riêng, nhưng tất cả đều có các thông số cơ bản như độ lớn (giá trị), năng lượng và công suất, thể hiện bản chất vật chất của chúng Tín hiệu thường được mô tả bằng hàm theo biến thời gian x(t), hoặc theo biến X(f) hoặc X(ω)

Xử lý tín hiệu là quá trình tác động và điều chỉnh tín hiệu như khuyếch đại, giảm, chọn lọc, biến đổi, phục hồi giá trị và dạng của tín hiệu Hệ xử lý tín hiệu bao gồm các mạch điện, thiết bị và hệ thống được sử dụng để xử lý tín hiệu, thường thực hiện các tác động lên tín hiệu theo các quy luật cụ thể

4.1.2 Phân tích các phổ tần số

Thiết lập các trường hợp để thu số liệu Động cơ được sử dụng là động cơ Toyota 1SZ-FE Các thông số kỹ thuật của động cơ này được ghi trong bảng sau Trích dẫn trong [11]

Bảng 4 1: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 1SZ-FE

TT Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 1SZ-FE

Kí hiệu Giá trị Đơn vị/kiểu

1 Số lượng xilanh i 4 Thẳng hàng

4 Tốc độ cầm chừng no 750 Vòng/phút

5 Khe hở xéc măng khí số 1 Xk1 0,25-0.35 mm

6 Khe hở xéc măng khí số 2 Xk2 0,35-0,5 mm

7 Khe hở xéc măng dầu Xd 0,10-0,35 mm

8 Khe hở bu gi đánh lửa δ 1,1 mm

48 Các trường hợp thực nghiệm

Bảng 4 2: Các trường hợp thực nghiệm

TT Trường hợp thực nghiệm Ghi chú

1 Động cơ hoạt động bình thường Trường hợp 1

2 Bugi ở máy số 1 bị mất lửa Trường hợp 2

3 Điện cực bugi của máy số 1 bị mòn (khe hở bugi 1.45 mm)

4 Xéc măng số 1 của máy số 1 bị mòn (khe hở miệng

Phân tích phổ tần số của các trường hợp đã thiết lập

Trường hợp 1: Động cơ hoạt động bình thường

Trường hợp thực nghiệm này nhằm tạo ra kiểu dữ liệu mẫu, dùng để so sánh đánh giá tình trạng làm việc của động cơ bị hư hỏng so với động cơ hoạt động bình thường

Hình 4 3: Kết quả đo của máy số 1 khi động cơ hoạt động bình thường [11]

Thiết lập thiết bị đo gắn tại máy số 1( khi động cơ hoạt động bình thường ở chế độ không tải ) với tốc độ cầm chừng 750 vòng/phút, ta thu được Hình 4.3 Trục hoành là tần số, đơn vị là Hz, trục tung là biên độ với đơn vị m/s 2

Tần số rung của động cơ bốn kỳ sinh ra do quá trình cháy bằng = (750x2) / 60 25Hz ( công thức chương 2.5.3) Đây chính là tần số rung động của động cơ đang hoạt động bình thường xấp xỉ bằng 24.8Hz trong bảng số liệu chẩn tần số rung động của động cơ Như vậy trường hợp thực nghiệm này đã cho kết quả đúng

50 Quan sát phổ tần số của máy số 1 khi động cơ hoạt động bình thường ta có thể thấy một dải các phổ tần số rung động, trong đó ta có thể nhận biết tần số rung của động cơ là 24,8Hz, còn các dải tần số rung còn lại tương ứng với các thành phần rung động khác

Trường hợp 2: Bugi ở máy số 1 bị mất lửa

Trong trường hợp này, động cơ đang trong tình trạng hoạt động bình thường và sau đó tạo lỗi với máy số 1 bi mất lửa

Hình 4 4: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với máy số 1 bị mất lửa [11]

Quan sát phồ tần số của Hình 4.4 ta có thể xác định tần số rung của động cơ là 26Hz vì do bugi không đánh lửa ở máy số 1 nên có thể thấy được biên độ dao động của động cơ tăng cao hơn lúc hoạt động bình thường Ta có thể thấy ở gần phổ tần số 26Hz có xuất hiện nhiều phổ tần số khác với phổ tần số trong trường hợp động cơ hoạt động bình thường Đây chính là dấu hiệu nhận biết hư hỏng của động cơ ( bugi không đánh lửa ) Ngoài ra ta

51 có thế thấy thêm 1 vài phổ tần số khác xuất hiện trên hình, đó chính là các phổ tần số rung tương ứng với các thanh phần rung động khác của động cơ

Trường hợp 3: Điện cực bugi của máy số 1 bị mòn Động cơ hoạt động bình thường ứng với bugi máy số 1 bị mòn (khe hở 1,45mm), khe hở tiêu chẩn 0,7 – 1,1 (mm)

Hình 4 5: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với bugi máy số 1 bị mòn[11]

Quan sát Hình 4.5 ta có thể xác định tần số 23Hz là tần số rung động của động cơ trong quá trình cháy Ngoài ra còn có thêm các dải tần số từ 200-350Hz xuất hiện các dao động khác với trường hợp động cơ hoạt động bình thường, do sự cháy không đều của động cơ Dẫn đến việc tạo ra các rung động khác thường trong động cơ

Trường hợp 4: xéc măng số 1 của máy số 1 bị mòn Động cơ hoạt động bình thường ứng với xéc măng máy số 1 bị mòn (khe hở miệng 0,55mm) Khe hở miệng tiêu chẩn xéc măng 1 là 0,25 – 0,35 (mm)

Hình 4 6: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với xéc măng máy số 1 bị mòn[11]

Phân tích rung động của động cơ đốt trong bằng phương pháp hình bao

Các số liệu và hình ảnh được tham khảo trong [12]

Các thử nghiệm được thực hiện trên động cơ Toyota 3S FE với công suất tối đa là 95,6kW tại 5600rpm và mô-men xoắn cực đại là 181Nm tại 4400rpm Động cơ được kết nối với một lực kế thủy lực hoạt động như một tải trọng bên ngoài Bằng cách điều khiển lực kế, ba điều kiện tốc độ không đổi đã được chọn: 1500 vòng/phút, 2000 vòng/phút và 3000 vòng/phút Đối với mỗi tốc độ, có ba điều kiện tải khác nhau: 50Nm, 80Nm, 110Nm Độ hở thông thường của piston là 0,05mm và độ hở ổ đỡ trục khuỷu thông thường là 0,04mm

Bảng 4 3: Kiểm tra lỗi cơ học 4 giai đoạn

TT Trường hợp Điều kiện lỗi

1 Va đập piston vừa phải Với khe hở pison và thành xilanh gấp 3 lần so với điều kiện bình thường trong xilanh số 1

2 Va đập piston mạnh Với khe hở pison và thành xilanh gấp 6 lần so với điều kiện bình thường trong xilanh số 1

3 Va đập ổ trục vừa phải Với khe hở của trục khuỷu và ổ đỡ trục khuỷu gấp 2 lần so với điều kiện bình thường trong xilanh số 2

4 Va đập ổ trục mạnh Với khe hở của trục khuỷu và ổ đỡ trục khuỷu gấp 4 lần so với điều kiện bình thường trong xilanh số 2

4.2.2 Phân tích hình bao lỗi va đập của piston với thành xilanh

Trường hợp 1: So sánh điều kiện bình thường và lỗi va đập piston

Các tín hiệu đường bao phải mang tính xác định (thực tế là tuần hoàn ổn định bậc nhất) và do đó có thể được lấy trung bình đồng bộ Tín hiệu đường bao được bình phương để biểu thị nó theo đơn vị công suất (tỷ lệ với phương sai) Tín hiệu thô và tín hiệu đường bao đã được bình phương được thể hiện ở Hình 4.9 dưới đây

Hình 4 9: Tín hiệu gia tốc thô và bình phương đường bao sau khi lọc lỗi va đập piston ở

(a) Điều kiện bình thường (b) Lỗi va đập piston

Hai chu kỳ đánh lửa được trình bày trong Hình 4.9, có thể thấy tín hiệu thô sau khi bình phương đã hiện thị rõ ràng hơn về va đập của piston với thành xilanh, các tín hiệu nhiễu

58 sau khi bình phương vẫn không đáng kể so với các tín hiệu va đập của piston Từ đó có thể dễ dàng nhận biết các tín hiệu va đập piston trong động cơ

So với bình phương đường bao của điều kiện bình thường thì bình phương hình bao của lỗi va đập piston tăng lên rất nhiều về độ lớn Mặc dù biên độ của tín hiệu thô trong tình trạng bị lỗi lớn hơn khoảng hai lần so với trong điều kiện bình thường, nhưng sau khi lọc và bình phương hình bao, tín hiệu của quá trình đốt cháy và các tín hiệu cơ học khác đã được loại bỏ từ đó thông tin về lỗi va đập của piston trở nên rõ ràng hơn nhiều Có thể thấy hiện tượng va đập piston rõ ràng nhất xảy ra ngay sau TDC của hành trình cháy, với độ trễ khoảng 20 0 Đó là do trong quá trình đốt cháy, phản lực theo phương ngang từ thanh truyền tăng lên nên lực va chạm giữa piston và thành xilanh trở nên mạnh hơn

Trường hợp 2: Sự ảnh hưởng của tốc độ và tải trong đến va đập của piston

Các giá trị đỉnh của bình phương đường bao đối với lỗi va đập piston tăng theo tải trọng được thể hiện ở Hình 4.10 sau đây:

Hình 4 10: Bình phương đường bao cho lỗi va đập piston ở cùng tốc độ nhưng khác tải trọng [12]

Từ Hình 4.10 ta có thể thấy rằng việc tăng tải trong ở cùng tốc độ của động cơ có thể ảnh hưởng đến sự va đập của piston Biên độ của tín hiệu tăng dần theo việc tăng tải

60 trong do sự cháy diễn ra mạnh hơn làm cho lực tác dụng lên piston lớn hơn dẫn tới va đập của piston và thành xilanh cũng lớn hơn

Các giá trị lỗi va đập của piston với thành xilanh trong trường hợp cùng tải trọng nhưng khác tốc độ được thể hiện ở Hình 4.11 sau đây:

Hình 4 11: Bình phương đường bao cho các lỗi va đập của piston ở cùng tải trọng nhưng tốc độ khác nhau [12]

Từ Hình 4.11 ta có thể thấy việc tăng tốc độ nhưng ở cùng tải trọng của động cơ cũng ảnh hưởng đến sự va đập của piston Biên độ của tín hiệu tăng dần theo việc tăng tốc

61 độ của động cơ, do lực tác dụng lên piston tăng lên dẫn tới việc va đập của piston với thành xilanh cũng tăng lên Đánh giá kết quả: Từ Hình 4.10 và Hình 4.11 ta có thể suy ra việc thay đội tải trọng và tốc độ của động cơ sẽ ảnh hưởng tới sự va đập của piston Do việc thay đổi tải trọng và tốc độ đều ảnh hưởng đến sự cháy trong động cơ, khi tăng tải trọng và tốc độ thì sự cháy diễn ra mạnh hơn làm cho lực va đập của piston và thành xilanh lớn hơn Ngoài ra có thể thấy sự khác nhau giữa 2 trường hợp ở cùng tốc độ/tải trọng 1500 vòng/phút/110Nm trong Hình 4.10 và Hình 4.11 Có thể thấy ở Hình 4.11 biện độ cực đại tăng gấp 2 lần so với Hình 4.10, do việc tăng khe hở piston của trường hợp 2 ( Hình 4.11 ) lớn hơn trường hợp 1 ( Hình 4.10 ) Điều này cho thấy khả năng phát hiện mức độ nghiêm trọng của các lỗi va đập piston từ phương pháp bình phương hình bao

4.2.3 Phân tích đường bao lỗi va đập ổ trục với trục khuỷu

Các giá trị đỉnh của bình phương đường bao đối với lỗi va đập ổ trục khuỷu ở cùng tốc độ nhưng khác về tải trọng được thể hiện ở Hình 4.12 sau đây:

Hình 4 12: Bình phương đường bao cho lỗi va đập ổ đỡ trục khuỷu ở cùng tốc độ nhưng tải trọng khác nhau [12]

Từ Hình 4.12 ta có thể thấy rằng việc tăng tải trọng ở cùng tốc độ của động cơ không ảnh hưởng đến sự va đập của trục khuỷu và ổ đỡ trục khuỷu Có thể thấy giá trị biên độ ở ba tải trọng khác nhau (cùng tốc độ) tăng giảm không đồng đều, không có mối quan hệ tỉ lệ với mức tăng của tải trọng Từ đó có thể suy ra lực va đập ổ trục khuỷu chủ yếu là

63 do lực quán tính của piston và các bộ phận thanh truyền chứ không phải do lực tác động của sự cháy

Các giá trị đỉnh của bình phương hình bao đối với lỗi va đập ổ trục khuỷu ở cùng tải trọng nhưng khác về tải tốc độ được thể hiện ở Hình 4.10 sau đây:

Hình 4 13: Bình phương đường bao cho các lỗi va đập ổ đỡ trục khuỷu ở cùng tải trọng nhưng tốc độ khác nhau [12]

Từ hình 4.13 ta có thể thấy trong điều kiện tốc độ thấp biên độ va đập của trục khuỷu với ổ đỡ trục khuỷu có tăng nhẹ nhưng không đáng kể không dễ để phát hiện ra lỗi, nhưng khi trong điều kiện tốc độ cao (3000 vòng/phút) thì mức tăng rất cao so với ở điều kiện tốc độ thấp Có thể hiểu rằng ở tốc độ cao, tác động của lực tác động ổ trục khuỷu bị chi phối

64 bởi tác động của quán tính hơn là lực đốt cháy, đồng thời đặc tính phi tuyến tính khiến quá trình va chạm trở nên phức tạp hơn ở tốc độ thấp hơn

Tương tự như vậy, so sánh các đường bao bình phương cho cùng tốc độ/tải trọng nhưng các giai đoạn khe hở khác nhau (ví dụ, hai giai đoạn lỗi gõ ổ trục khuỷu ở tốc độ

3000 vòng/phút/80Nm trong Hình 4.12 và 4.13), có thể thấy rằng giá trị đỉnh có mức tăng đáng kể (tăng khoảng 10 lần ở 3000 vòng/phút/80Nm) Mức tăng lớn cũng hàm ý khả năng xác định mức độ nghiêm trọng của lỗi va đập ổ đỡ trục khuỷu từ tín hiệu đường bao Đánh giá kết quả: Từ hình 4.12 và hình 4.13 ta có thể kết luận việc thay đổi tải trọng của động cơ không ảnh hưởng đến sự va đập của trục khuỷu với ổ đỡ trục khuỷu Việc thay đổi tốc độ trong điều kiện tốc độ thấp thì biên độ va đập của trục khuỷu và ổ đỡ trục khuỷu có tăng nhẹ nhưng không đáng kể, khi ở tốc độ cao thì mức tăng rất cao so với khi ở tốc độ thấp điều này có thể suy ra sự va đập của trục khuỷu và ổ đỡ trục khuỷu bị tác động bởi lực quán tính hơn là lực do quá trình cháy.

Kết luận

Qua hai phương pháp phân tích trên đã phát hiện một số lỗi thường gặp dẫn đến rung động của động cơ nhờ việc phân tích, so sánh và đánh giá các tín hiệu rung động Từ đó ta có thể nhanh chóng phát hiện lỗi và đưa ra cơ sở dữ liệu để có thể phát triển thành tiêu chuẩn cụ thể giúp cho việc chẩn đoán lỗi trên động cơ đơn giản hơn

Từ các kết quả ta có thể suy ra phương pháp phân tích phổ tần số có thể sử dụng để phân tích các lỗi tạo ra rung động ảnh hưởng đến quá trình cháy của động cơ nhưng các lỗi va đập của các chi tiết thì không thể hiện rõ bằng phương pháp phân tích phổ Phương pháp phân tích hình bao được ưu tiên trong việc phân tích rung động do các lực va đập cơ học gây ra vì nó cho phép xác định các đặc tính rung động của một hệ thống cơ học bằng cách xem xét hình dạng và di chuyển của hình bao của hệ thống Cụ thể, phương pháp này thường được sử dụng để đánh giá tần số tự nhiên, các chế độ dao động, và phản ứng của hệ thống đối với các điều kiện biến đổi như tác động của lực ngoại