Thiết kế,chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo rung để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn

Trong các yếu tốnêu trên thì rung động được xem là thông số hiệu quả nhất để đánh giá tình trạnghoạt động của máy móc, thiết bị, đặc biệt là các máy móc có chuyển động quay.. Gỉ sét bám

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Ổ lăn là một trong những chi tiết máy được sử dụng phổ biết trong cáctruyền động Độ tin cậy và độ chính xác của Ổ có ý nghĩa quan trọng với hoạtđộng tổng thể của các thiết bị, máy móc Việc phát hiện lỗi và chẩn đoán tìnhtrạng của Ổ lăn trong giai đoạn đầu là cần thiết để tránh những hỏng hóc bất chợttrong quá trình làm việc

Khi làm việc Ổ lăn thường phát sinh rung động, nhiệt, tiếng ồn Vậy nên,việc giám sát tình trạng Ổ thông qua các yếu tố này là cần thiết Trong các yếu tốnêu trên thì rung động được xem là thông số hiệu quả nhất để đánh giá tình trạnghoạt động của máy móc, thiết bị, đặc biệt là các máy móc có chuyển động quay

Việc giám sát, phân tích tình trạng thiết bị bằng rung động đã được nhiềunhà khoa học các nước quan tâm nghiên cứu và ứng dụng từ trước đến nay[4,5,7,8,9] nhưng ở Việt Nam có rất ít các công trình nghiên cứu về lĩnh vực nàyđược công bố

Từ cơ sở những phân tích trên, tác giả chọn đề tài:

"

Thiết kế,chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo rung để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn "

2 Mục tiêu nghiên cứu

Dự kiến mục tiêu chung của đề tài là: Dự báo được các sai hỏng của ổ lăn

để đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, giảm các sự cố ngưng máybất chợt Việc này được thực hiện bằng cách giám sát phân tích tình trạng ổ lănvới thông số chính là dao động

Mục tiêu cụ thể là:

1 Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm khảo sát đánh giá ổ bằng bức xạrung động.

2 Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá thông số rung động của ổlăn Chẩn đoán các nguyên nhân gây ra sai hỏng ổ lăn nhằm đưa ra lời khuyênhợp lý

3 Kết quả dự kiến

- Mô hình thí nghiệm phân tích đánh giá tình trạng làm việc của Ổ lăn có sửdụng thiết bị đo rung (sử dụng thiết bị đo lực của Trường Đại học Kỹ thuật Côngnghiệp Thái nguyên rồi chuyển đổi ra kết quả đo rung)

- Dữ liệu xác định tình trạng Ổ (thử nghiệm)

4 Phương pháp và phương pháp luận

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Nghiên cứu thực nghiệm

+ Nghiên cứu cơ sở.

- Phương pháp luận:

+ Tìm hiểu lý thuyết cơ bản của ổ lăn Từ đó mô hình hóa thành mô hình thựcnghiệm

CHƯƠNG 1: Ổ LĂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA Ổ LĂN

1.1 Ổ lăn thường dùng

1.1.1 Giới thiệu chung

Cấu tạo ổ lăn bao gồm: Vòng trong, vòng ngoài, vòng cách và con lăn.Vòng trong và vòng ngoài thường có rãnh để dẫn hướng cho con lăn và để giảmứng suất Vòng trong lắp với ngõng trục, vòng ngoài lắp với gối trục (vỏ máy,thân máy) Thường vòng trong quay cùng với trục, còn vòng ngoài thì đứng yên,nhưng cũng có khi vòng ngoài quay cùng với gối trục còn vòng trong đứng yêncùng với trục

Hình 1 1 Cấu tạo ổ lăn

1.1.2 Các thông số vận hành của vòng bi

Theo [1] các thông số vận hành chính của vòng bi là: Tiếng ồn, nhiệt độ,rung động và tình trạng chất bôi trơn

1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn

1.2.1 Các hoạt động bất thường, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

1.2.2 Các dạng hỏng thường gặp của ổ lăn

Trong quá trình làm việc, thông thường trên các bề mặt làm việc của ổ lănxuất hiện một số dạng hư hỏng chính [3] sau:

 Tróc, rỗ vì mỏi bề mặt làm việc

Hình 1 2 Rỗ và tróc ở ổ lăn [3]

a Rỗ vòng trong Ổ bi chặn rãnh sâu b Rỗ vòng trong Ổ bi đũa trụ

c Rỗ vòng ngoài Ổ bi đũa trụ 2 dãy d Rỗ vòng trong Ổ bi đũa côn

e Rỗ vòng trong Ổ bi cầu tự lựa 2 dãy Hình 1 3 Một số hình ảnh rỗ vòng bi [3]

 Mòn vòng ổ và con lăn

a Mòn giữa con lăn và bề mặt Ổ bi đũa trụ b Mòn mặt lăn của vòng ngoài Ổ bi đũa trụ 2 dãy

d Vỡ gờ vòng ngoài Ổ bi đũa trụ e Vỡ gờ thuộc vòng ngoài Ổ bi đũa trụ

Hình 1 5 Một số hình ảnh nứt gẫy vòng bi [3]

Tần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn được cho trong bảng 1.1

Bảng 1 1 T n su t h h ng các chi ti t c a l n ần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn ất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn ư hỏng các chi tiết của ổ lăn ỏng các chi tiết của ổ lăn ết của ổ lăn ủa ổ lăn ổ lăn ăn

 Gỉ sét và ăn mòn:

a Gỉ vòng ngoài mặt lăn ổ đỡ chặn b Gỉ trên Vòng ngoài Mặt lăn Ổ bi đũa trụ 2 dãy

Hình 1 7 Gỉ sét bám trên vòng bi [3]

1.3 Một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng ổ

1.3.1 Theo dõi tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt độ

1.3.2 Theo dõi và phân tích rung động

Tất cả các máy và cụm các chi tiết máy khi chuyển động đều gây ra cácdao động có tính chất lặp đi lặp lại tại một dải tần số nào đó

Các tần số dao động này có thể xác định từ đặc tính hình học của các chitiết máy và được vẽ thành đồ thị mô tả độ lớn của dao động tại từng giá trị tần số

cụ thể Các đồ thị này được gọi là phổ tần số của dao động

Phổ tần số của dao động cho phép ta phân biệt được các dao động gây ra

do độ không chính xác của các khớp nối, ăn khớp bánh răng, lỗi ổ lăn và từ nhiềuhiện tượng khác [4,5,7,8,9]

Hình 1 8 Đo và phân tích rung động bằng phương pháp phân tích phổ FFT [7]

1.3.3 Theo dõi và phân tích dầu bôi trơn

1.3.4 Kỹ thuật NDT

1.3.5 Kỹ thuật siêu âm

1.4 Kết luận chương

Chương này trình bày về các vấn đề sau:

- Ổ lăn là chi tiết máy có vai trò quan trọng trong hệ thống cơ khí, đặc biệt làtrong các hệ thống chuyển động quay

- Một số phương pháp theo dõi (giám sát) tình trạng làm việc để chuẩn đoán

hư hỏng của Ổ lăn đã được liệt kê và phân tích

- Ta có thể xác định chính xác tình trạng máy bằng các giá trị dao động đođược thông qua việc giám sát sự thay đổi của các phổ tần số dao động Khi đãgiám sát được các dao động xuất hiện trên máy ta có thể xác định chính xác các

hư hỏng trước khi sửa chữa thiết bị và dựa theo độ lớn của các dao đông gây ra

do các hư hỏng cụ thể nên dự báo được chính xác khoảng thời gian hư hỏng sẽxảy ra Từ đó chủ động hoàn toàn trong việc xây dựng lịch sửa chữa bảo dưỡngcần thiết Tuy nhiên hiện nay ở nước ta vấn đề này vẫn chưa được quan tâm đúngmức

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

2.1 Mô hình thí nghiệm thu nhận tín hiệu dao động

2.1.1.Sơ đồ chung của mô hình thí nghiệm

Hình 2 1 Mô hình thí nghiệm để đo rung động Ổ lăn trong quá trình làm việc

Hình 2 2 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm thu nhận tín hiệu rung động

Bộ

truyền

đai

Bộ phận tạo tải

Động cơ

Giá đỡ

Mô hình thí nghiệm gồm có: Động cơ điện, bộ truyền đai, trục, gối ổ và ổ

bi, bộ phận tạo tải, giá đỡ, thiết bị đo lực ( ở đây tác giả sử dụng thiết bị đo lựcKISTLER của Trung tâm Thí nhiệm – Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên

để chuyển đổi từ giá trị lực sang miền thời gian rồi quy đổi ra miền tần số)

2.1.3 Thiết kế, chế tạo các chi tiết của mô hình thí nghiệm

- Trục: Gồm có 3 bậc trục với các kích thước cụ thể như sau:

- Bộ phận tạo tải; Giá đỡ; Bộ truyền đai; Động cơ.

Lắp ghép các chi tiết để tạo thành mô hình hoàn chỉnh

Hình 2 6 Bản vẽ lắp mô hình thí nghiệm

Hình 2 7 Mô hình thí nghiệm sau khi lắp ráp hoàn chỉnh

2.3 Kết luận chương

Chương này đã trình bày thiết kế mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đolực rồi biến đổi ra tần số của rung động để phân tích tình trạng làm việc của ổlăn Sau khi thiết kế, mô hình này đã được lắp ráp hoàn chỉnh Tại các gối ổ đãđược lót đệm cao su để tránh truyền rung từ khung giá đỡ sang ổ lăn làm cho kếtquả kém chính xác

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Thiết lập thí nghiệm

3.1.1 Các trang thiết bị thí nghiệm

Để đánh giá rung động của ổ lăn khi làm việc, ta tiến hành đo rung độngcủa từng loại ổ: Ổ mới, ổ cũ và ổ hỏng trong quá trình làm việc với các chế độtải trọng khác nhau, từ đó phân tích đánh giá tình trạng làm việc của Ổ lăn thôngqua rung động của ổ qua dữ liệu mà ta thu thập được Để tiến hành thí nghiệmvới trang thiết bị sẵn có của Trung tâm Thí nghiệm – Trường ĐHKT Côngnghiệp – Đại học Thái Nguyên, tác giả đã sử dụng thiết bị đo lực để rồi từ kết quả

là các giá trị lực ta chuyển về miền thời gian và quy đổi ra tần số Việc thínghiệm được tiến hành tại Trung tâm Thí nghiệm – Trường ĐHKT Công nghiệp– Đại học Thái Nguyên Các thiết bị cho quá trình thí nghiệm cụ thể như sau:

1 Thiết bị đo lực Kistler

2 Mô hình thí nghiệm để đo rung động Ổ lăn trong quá trình làm việc Môhình này đã được thiết kế, chế tạo với độ cứng vững được đảm bảo chạy

êm và có đệm lót cao su tránh sự truyền rung ở khung giá đỡ sang Ổlăn

3 Đồ gá để gá lắp đầu cảm biến đo lực: Giá đỡ đầu cảm biến được làmbằng gỗ chắc chắn, đảm bảo cho đầu cảm biến không bị xê dịch trongquá trình thí nghiệm

3.1.2 Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm

Sau khi hoàn thành quá trình lắp ráp mô hình thí nghiệm để đo rung động

Ổ lăn trong quá trình làm việc, điều chỉnh thiết bị đo lực, mô hình vào vị trí thínghiệm Sau đó cho mô hình chạy và tiến hành đo lực cho ổ bi

Hình 3 1 Mô hình hoàn chỉnh được đặt vào vị trí chuẩn bị thí nghiệm

3.1.3 Trình tự thực hiện thí nghiệm

Để thực hiện thí nghiệm, tiến hành các bước sau:

3.1.3.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm với mô hình đã thiết kế

- Lắp đặt thiết bị đo lực, gắn chặt đầu cảm biến vào giá đỡ

- Đánh dấu mẫu vòng bi mới, cũ, vòng bi hỏng lần lượt lên các mẫu thínghiệm:

Hình 3 2 Hình ảnh các mẫu thí nghiệm vòng bi 6203

Mẫu 01 (ổ mới): Đảm bảo chất lượng

Mẫu 02 (ổ cũ): Ổ có độ dơ, khe hở đo được là 0.1 mm Các bề mặt làmviệc trong, ngoài ổ bi và bi xuất hiện mòn đều

Mẫu 03 (ổ hỏng): Ổ có độ dơ, khe hở đo được là 0.4 mm Các bề mặt làmviệc trong, ngoài ổ bi và bi xuất hiện mòn không đều

- Chọn mẫu 1 (ổ lăn mới) để lắp vào mô hình thí nghiệm

- Đặt mô hình thí nghiệm, thiết bị đo lực vào vị trí thí nghiệm

- Hiệu chỉnh mô hình, chạy rà kiểm tra hoạt động của hệ thống

- Tiến hành thí nghiệm với các ổ mới, ổ cũ và ổ hỏng với các lần thay đổi tảitrọng tương ứng là 5kg, 10kg, 15kg

Ở đây ta chọn lò xo có độ dài ban đầu là: L = 200 m; Độ cứng lò xo là: k

3.2.1 Phân tích kết quả thí nghiệm theo miền thời gian

Từ kết quả biểu đồ lực rung động hướng kính đo được theo thời gian thấyrằng:

1) Giá trị lực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng kínhbình phương trung bình tăng khi tải trọng ổ bi tăng và khi trạng thái kỹthuật của ổ bi biến đổi từ tốt sang hỏng

2) Đối với ổ bi mới và ổ bi cũ (vẫn làm việc bình thường), giá trị lực rungđộng hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng kính bình phươngtrung bình của ổ bi biến đổi chậm khi tăng tải trọng

3) Đối với ổ bi hỏng, giá trị lực rung động hướng kính tăng rất nhanh vàxuất hiện các vùng biên độ lực rung động bất thường biểu hiện hư hỏngcủa ổ bi

Bảng 3 1 K t qu l c rung ết của ổ lăn ả lực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ng h ư hỏng các chi tiết của ổ lănớng kính lớn nhất và lực rung động hướng ng kính l n nh t v l c rung ớng kính lớn nhất và lực rung động hướng ất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn à lực rung động hướng ực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ng h ư hỏng các chi tiết của ổ lănớng kính lớn nhất và lực rung động hướng ng kính bình ph ư hỏng các chi tiết của ổ lăn ng trung bình ph thu c tr ng thái k thu t v t i tr ng c a bi ụ thuộc trạng thái kỹ thuật và tải trọng của ổ bi ộng hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ạng thái kỹ thuật và tải trọng của ổ bi ỹ thuật và tải trọng của ổ bi ật và tải trọng của ổ bi à lực rung động hướng ả lực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ọng của ổ bi ủa ổ lăn ổ lăn

3.2.2 Phân tích kết quả thí nghiệm theo miền tần số

3.2.2.1 Đặc tính tần số hư hỏng của ổ bi

Khi vòng trong, vòng ngoài của ổ bi xuất hiện những điểm rỗ, mòn,… bềmặt, sẽ sinh ra các đặc tính tần số va đập đặc trưng, nó sẽ gây ra vòng bi rungđộng và sẽ va đập xảy ra theo chu kỳ Dưới đây là tần số rung động đặc trưng khi

ổ bi xuất hiện các hư hỏng [7]

Tần số đặc trưng khi vòng ngoài của ổ bi xuất hiện hư hỏng:

cos1

Bảng 3 2 Giá tr t n s rung ị tần số rung động đặc trưng khi ổ bi xuất hiện các hư hỏng [7] ần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn ố rung động đặc trưng khi ổ bi xuất hiện các hư hỏng [7] động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng ng đặc trưng khi ổ bi xuất hiện các hư hỏng [7] c tr ng khi bi xu t hi n các h h ng [7] ư hỏng các chi tiết của ổ lăn ổ lăn ất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn ện các hư hỏng [7] ư hỏng các chi tiết của ổ lăn ỏng các chi tiết của ổ lăn

Stt Tần số đặc trưng cho hư hỏng ổ bi Giá trị/Hz

Thí nghiệm ổ bi mới với tố độ dẫn động n=1360v/p và các tải trọng khácnhau, kết quả đo lực rung động hướng kính theo tần số của ổ bi được thể hiệnhình vẽ 3.4.

Dẫn động ổ bi với tốc độ n=1360v/p, chúng ta hoàn toàn xác định tần sốtương ứng theo công thức sau:

(c) Tải trọng 15 kg

(c) Tải trọng 15 kg (c) Tải trọng 15 kg

Hình 3.4 Biên độ lực rung động hướng kính biến đổi FFT khi ổ bi mới hoạt động ở các

2) Xuất hiện biên độ lực rung lớn ở các tần số 49.8 Hz, 50.29Hz, các tần

số này có thể là tần số dao động riêng của ổ bi

3) Không xuất hiện biện độ lực rung động lớn ở các tần số trung bình, điều

đó có thể kết luận ổ bi không xuất hiện các hư hỏng

4) Xuất hiện biên độ lực rung động lớn ở các tần số cao 450.2 Hz, 477.5

Hz, các tần số này xấp xỉ bằng bội của tần số dẫn động

 Thí nghiệm 2:

Thí nghiệm ô bi cũ với tốc độ dẫn động n=1360v/p và các tải trọng khácnhau, kết quả đo lực rung động hướng kính theo tần số của ổ bi được thể hiệnhình vẽ 3.5

(a) Tải trọng 5 kg (b) Tải trọng 10 kg

(c) Tải trọng 15 kg Hình 3.5 Biên độ lực rung động hướng kính biến đổi FFT khi ổ bi cũ hoạt động ở các

tải trọng khác nhau

Từ hình 3 5 chúng ta thấy rằng biên độ lực rung động lớn xuất hiện ở cáctần số tần số thấp 11.23Hz và ở tần số cao 450.2 Hz khi ổ bi cũ làm việc ở cácchế độ tải khác nhau, biên độ lực rung động lớn là do các tần số rung động nàytrùng với tần số dẫn động và tần số rung động riêng của ổ bi Ở các tần số trungbình thì không có xuất hiện các biên độ lực rung động lớn điều đó có thể kết luận

ổ bi chưa xuất hiện các hư hỏng như rỗ, mòn không đều các bề mặt trong vàngoài ổ bi và bi Tuy nhiên ở vùng tần số này biên độ lực rung động xuất hiện lớnhơn ổ bi mới, điều đó có thể nói các bề mặt làm việc ổ bi cũ không tốt bằng ổ bimới

Từ kết quả biển đổi FFT tín hiệu đo rung động hình 3.16 chúng ta rút ramột số kết luận sau:

1) Xuất hiện biên độ lực rung lớn ở các tần số như 11.72Hz, 49.8Hz, 450.2

Hz Biên độ lực rung động lớn là do hiện tượng cộng hưởng ở tần sốnày trùng với tần số dẫn động và tần số rung động riêng của ổ bi

2) Xuất hiện biên độ lực rung lớn ở các tần số trung bình như 92.34 Hz,226.3Hz, 281.3Hz, … trong đó tần số 92.34Hz xấp xỉ với tần số đặctrưng fe = 91.23Hz khi mặt ngoài vòng bi xuất hiện hư hòng và tần số226.3Hz trùng với tần số đặc trưng fi = 226.1Hz khi mặt trong ổ bi xuấthiện hư hỏng Dựa vào tần số đặc trưng chúng ta có thể kết luận vòngtrong và vòng ngoài của ổ bi đều xuất hiện dấu hiệu các hư hỏng

3.3 Kết luận chương

Thông qua số liệu đo rung động tác giả tiến hành đánh giá các triệu chứng

hư hỏng của ổ bi theo tín hiệu đo lực rung động theo miền thời gian và miền tần

số thông qua các thông số biểu hiện kết cấu của ổ bi như lực rung động lớn nhất,lực rung động bình phương trung bình và các tần số đặc trưng khi ổ bi xuất hiệncác triệu chứng hưng hỏng Kết quả thí nghiệm và phân tích tác giả rút ra đượcmột số kết luận sau:

1) Biên độ lực rung động của ổ lăn đang ở trạng thái tốt đều nhỏ hơn biên

độ lực của ổ bi ở trạng thái xấu từ đó, có thể thấy rằng khi biên độ lựcrung động gia tăng thì ổ lăn chuyển dần từ trạng thái tốt sang xấu

2) Khi phân tích tín hiệu đo rung động theo miền tần số, chúng ta nhấtthấy kết quả đo xuất hiện biên độ lực rung lớn ở các tần số trung bìnhnhư 92.34 Hz, 226.3Hz, 281.3Hz, … trong đó tần số 92.34Hz xấp xỉvới tần số đặc trưng fe=91.23Hz khi mặt ngoài vòng bi xuất hiện hưhòng và tần số 226.3Hz trùng với tần số đặc trưng fi=226.1Hz khi mặttrong ổ bi xuất hiện hư hỏng Dựa vào tần số đặc trưng chúng ta có thểkết luận vòng trong và vòng ngoài của ổ bi đều xuất hiện dấu hiệu các

hư hỏng