XÂY DỰNG mô HÌNH GIÁM sát máy rô TO

TRƯỜNGĐẠIHỌCHÀNGHẢI VIỆNĐÀOTẠOSAUĐẠIHỌC ******* LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KS Lê Lam Giang XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT MÁY RÔ TO Chuyên ngành: Khai thác, bảo trì tàu thuỷ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu Hải Phòng,năm2013 Đặt vấn đề Kiểm soát trì dao động nằm giới hạn cho phép máy rôto nhiệm vụ quan nhằm đảm bảo an toàn tin cậy cho chúng, đặc biệt máy rô to có tốc độ cao Nghiên cứu dao động, giám sát chúng thực theo lý thuyết thực nghiệm Đó công việc khó trừu tượng Để khắc phục hạn chế xây dựng mô hình vật lý cho đo, kiểm giám sát dao động Việc xây dựng mô hình vật lý máy rô to cho phép nghiên cứu dao động máy ta chủ động thay đổi trạng thái kỹ thuật cụm chi tiết mô hình Điều giảm chi phí thời gian tài chính, chủ động can thiệp vào hệ máy ro to thực để nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài Xây dựng mô hình khí máy rô to với khả đưa vào hư hỏng đặc trưng cụm chi tiết Phạm vi hư hỏng đặc trưng - hư hỏng của: động điện, gối đỡ (vòng bi), khớp nối (cứng mềm), máy công tác (bơm dầu dùng bánh răng) Xây dựng phần cứng hệ thống: đầu đo, góp, xử lý tín hiệu dao động hiển thị kết cho mục tiêu giám sát Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu dao động hiển thị kết cho giám sát dao động mô hình máy rô to Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống giám sát dao động cho mô hình máy rô to Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu củađề tài Đối tượng nghiên cứu đề tài dao động máy rô to đặc tính dao động Phạm vi nghiên cứu củađềtài Giám sát dao động cho đối tượng (mô hình máy rô to sinh dao động; đo, xử lý dao động hiển thị kết đặc tính dao động) Mô hình xét đến rô to đặt gối đỡ vòng bi khớp nối mềm cứng; rô to cân cân NHIỆM VỤ CƠ BẢN CỦA GIÁM SÁT - Đo tín hiệu dao động (hệ thống đo – sensors, DAQ, CPU, monitor); - Phân tích, xử lý tín hiệu dao động để xác định đặc tính dao động (miền thời gian, miền tần số; LỌC; Thuật toán; Lập trình, hiển thị kết quả); - Kiểm tra mức độ dao động thời điểm đo với giá trị cho phép (cơ sở liệu máy rô to cần giám sát; Thuật toán so sánh, định tình trạng dao động tại; hiển thị kết báo động); - Dự báo dao động tương lai (cơ sở dũ liệu chuẩn máy rô to; sở liệu trình giám sát trước đây;xây dựng TREND; thuật toán dự báo; Lập trình dự báo; Hiển thị kết quả) Nội dung đề tài Mở đầu Chương Tổng quan chung giám sát máy rô to Chương Xây dựng mô hình giám sát dao động máy rô to Chương Thực nghiệm đo phân tích dao động mô hình máy rô to Kết luận, kiến nghị Chương TỔNG QUAN CHUNG VỀ GIÁM SÁT MÁY RÔ TO 1.1 Vị trí, vai trò giám sát kỹ thuật máy roto 1.1.1Khái niệm giám sát chẩn đoán dao động máy rô to 1.1.1.1 Khái niệm giám sát kỹ thuật Giám sát việc liên tục (hoặc định kỳ) thu thập phân tích thông tin để đánh giá đối tượng giám sát Trong kỹ thuật, đối tượng giám sát trạng thái kỹ thuật (TTKT) thiết bị đó, máy rô to Trạng thái kỹ thuật máy tình trạng kỹ thuật máy đánh giá cách chung theo hệ thống tiêu chuẩn định Các khái niệm TTKT máy rô to: Không hư hỏng có hư hỏng; có khả công tác khả công tác; Thực chức không thực chức 1.1 Vị trí, vai trò giám sát kỹ thuật máy roto 1.1.1.2 Khái niệm chẩn đoán kỹ thuật Chẩn đoán kỹ thuật phân tích biến đổi đặc trưng tín hiệu thu sở giám sát kỹ thuật Giải toán chẩn đoán cần thực hiện: Phát biến đổi nguy hiểm xuất có hư hỏng Xác định dạng độ sâu hư hỏng phát bên Dự báo phát triển hư hỏng Xác định thời điểm đo độ dự trữ máy chẩn đoán (nhóm chi tiết) Xác định biện pháp khai thác, bảo dưỡng cần thiết để nâng cao độ tin cậy, an toàn hiệu khai thác máy rô to 1.1 Vị trí, vai trò giám sát kỹ thuật máy roto 1.1.2 Vai trò giám sát chẩn đoán dao động máy rô to Hiệu giám sát chẩn đoán máy rô to dao động: Tránh cố nguy hiểm đáng tiếc nhờ hệ thống giám sát dự báo cố rung động Tăng thời gian khai thác, giảm thời gian dừng máy để tu, bảo dường, sửa chữa Giảm chi phí bảo dưỡng, sửa chữa tránh cố hỏng hóc nguy hiểm Theo thống kê nhiều tài liệu chuyên ngành, áp dụng hệ thống tự động giám sát chẩn đóan dao động cho máy rô to tăng hiệu kinh tế máy lên (20 -25)% 2.1.3 Cơ sở toán học thuật toán đảm bảo giám sát dao động rô to Tín hiệu dao động đưa vào CPU dạng số, rời rạc hóa theo thời điểm đo Tín hiệu đo thông thường bao gồm thành phần nhiễu Để thu thông tin có ích cho giám sát chẩn đoán, phải lọc nhiễu (2.1) x(t = t j ) = xb ( j ) + xn ( j ) Qua lọc nhiễu thu được: x1 f (t )( x↓b(t )) 2.1.3.1 Lọc nhiễu miền thời gian thực a Lặp lại số lần đo để xử lý sai số ngẫu nhiên: Để giảm sai số (nhiễu) ngẫu nhiên, tiến hành đo số lần (theo kinh nghiệm nhiều chuyên gia, nên đo lặp lặp lại n = 5-10 lần) Giá trị trung bình kết đo có ích ( khử nhiễu), i lần đo thứ i k lần đo (2.2) b Dùng thuật toán “trượt 2m+1”để giảm sai số ngẫu nhiên: k Dãy số đo có chứa nhiễu: x(1), x(2),…, x(j), … j ) ≈toánxbsau: ( j ) = ∑ x(i, j ) lọc nhiễu sửxdụng f ( thuật k i =1 (2.3) j +m x f ( j ) ≈ xb ( j ) = x(i ) ∑ 2m + i = j − m 2.1.3.2 Lọc nhiễu miền tần số Tín hiệu có sai số ngẫu nhiên đưa qua lọc (thông thường ta gọi cửa sổ lọc), tín hiệu khỏi lọc gọi tín hiệu lọc nhiễu Thông thường, nhiễu ngẫu nhiên thành phần tín hiệu có phổ tần tần số cao, đưa tín hiệu đo có nhiễu qua lọc tần số cao (dập tắt thành phần tần số cao, cho qua thành phần tần số thấp tần số trung) ta thực phép lọc mong muốn Trong Labview ta sử dụng lọc: Bassel, Butterworth, Chebyshev, elliptic, Băng thông Equi-Ripple (Băng thông FIR lọc với đặc tính Equi-ripple, sử dụng thuật toán Parks-McClellan), thông tần số cao Equi-Ripple, thông tần số thấp Equi-Ripple, chặn tần số cao Equi-Ripple, … 2.1.3.3 Xác định đặc tính dao động miền thời gian Giá trị trung bình điểm đo lặp lại nhiều lần cho đại lượng không đổi (hay biến đổi chậm) dùng xử lý thông tin để lọc nhiễu, tìm giá trị thực đại lượng Trong tín hiệu động, dùng thuật toán trung bình (công thức 2.2) để thu tín hiệu lọc nhiễu cho chu kỳ đo Điều quan trọng ta cần tách tín hiệu đo theo số chu kỳ định theo khoảng thời gian T Muốn vậy, hệ thống đo cần có đếm thời gian đếm xung (từ sensor đánh dấu góc – sensor pha) Giá trị cực đại hay cực tiểu tín hiệu dao động đo cần xác định khoảng thời gian cần xử lý thông tin, chu kỳ tín hiệu lấy mẫu (ví dụ 1024, 512 258 mẫu) có số cực đại số cực tiểu, phụ thuộc vào tính chất hệ ngoại lực tác động 2.1.3.3 Xác định đặc tính dao động miền tần số Thuật toán biến đổi Furie (FFT, thuận) x(t) → X(f) biến đổi Furie ngược (IFFT, invert FFT) X(f) → x(t) đưa nhiều tài liệu chuyên ngành xử lý tín hiệu số phân tích tín hiệu dao động Giả sử tín hiệu rời rạc có chiều dài hữu hạn N, công thức biến đổi Furie rời rạc (Discrete Fourier Transform, DFT) với N điểm x(j) áp dụng cho phép biến đổi Furie (FFT, IFFT) với điều kiện N =2 m: (2.4) N −1 (2.5)j 2πkj − N FFT : X (k ) = ∑ x( j )e ; j = N − j =0 N −1 IFFT : x( j ) = ∑ X (k )e k =0 j 2πkj N ; k = N − 2.2 Kết xây dựng mô hình hệ thống giám sát dao động máy rô to 2.2.1 Mô hình máy rô to dùng giám sát dao động Hình2.5.Mô hình máy rô to cho giám sát dao động 2.2.2 Hệ thống đo, kiểm giám sát dao động máy rô to Hình 2.6 Hệ thống đo, kiểm tra, giám sát dao động sở công nghệ NI + Labview Chương THỰC NGHIỆM ĐO, PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH MÁY RÔ TO 3.1 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 3.1.1 Mục đích thực nghiệm Nghiên cứu đặc tính dao động mô hình máy rô to điểm đặc trưng Kế hoạch thử nghiệm cần đảm bảo: Nghiên cứu điểm đo đặc trưng theo ba phương ox – oy – oz: Horizontal –Vertical –Axial; Nghiên cứu điểm đo đặc trưng theo vị trí động bơm; Số liệu đo cần xác, giảm thiểu nhiễu ngẫu nhiên 3.1.2 Kế hoạch thực nghiệm Ví dụ: Kế hoạch thực nghiệm xây dựng sau: Thí nghiệm I.1(M12A): Đo dao động động điện, hai bên trái phải theo hướng trục (axial) Cân chỉnh đồng trục tốt Bơm thủy lực không tải (P=0 kG/cm ) Kết thực nghiệm lưu trữ dạng file mềm, M12A 3.2 Tiến hành thực nghiệm 3.2.1 Chuẩn bị cho thực nghiệm a) Chuẩn bị mô hình máy rô to Cân chỉnh đồng trục chế độ tốt để tiến hành thí nghiệm I.1, I.2; II.1, II.2; III.1, III.2 IV.1, IV.2 Chuẩn bị phương án điều chỉnh lệch trục cho thử nghiệm chế độ I.3; II.3; III.3 IV.4 Kiểm tra hệ thống thủy lực để phục vụ tải cho thử nghiệm; Kiểm tra hệ thống điện cho động cơ; Chạy thử mô hình máy rô to b) Chuẩn bị hệ thống đo, kiểm tra phân tích dao động Kiểm tra hoạt động phần mềm máy tính; Kiểm tra kết nối thiết bị ngoại vi theo cấu hình cần thiết 3.2.2 Thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm đo, hiển thị kết lưu trữ liệu 3.2.3 Xử lý tín hiệu Kết đo xử lý tín hiệu dao động miền thời gian phổ tần trục cân đồng trục tốt, bơm chạy không tải Chế độ đo hai sensors gia tốc đặt thân động điện, theo phương dọc trục (Axial) 3.3 Phân tích thực nghiệm Báo cáo kết phân tích thực nghiệm M12A 3.4 Đánh giá kết đạt thử nghiệm Đã xây dựng thành công mô đun cần thiết để xử lý tín hiệu hiển thị kết Kết tảng để tiếp tuc xây dựng phần mềm giám sát dao động máy rô to tương lai Lần Trường Đại học Hàng hải Việt Nam tiến hành thử nghiệm chế tạo thiết bị đại đo, xử lý tín hiệu dao động có tích hợp mô đun phần cứng công nghiệp với phần mềm nhúng thích hợp Đã tiến hành thử nghiệm đo dao động, xử lý dao động báo cáo kết thu dạng bảng tính, đồ thị in ấn Kết Luận Luận văn tác giả giải vấn đề sau: - Xây dựng mô hình vật lý máy rô to - Nghiên cứu hệ thống phần cứng National Instruments - Nghiên cứu phần mềm Labview để xây dựng phần mềm cho hệ thống - Tiến hành thử nghiệm chạy mô hình đo, phân tích tín hiệu Với điều kiện thời gian trình độ hạn chế, đặc biệt với công nghệ NI + Labview tác giả, nên kết chắn chưa nhiều vấn đề liên quan giám sát dao động đòi hỏi nhiều công sức sau hoàn thành theo yêu cầu cao thiết bị XinChânThànhCảmơn! [...]... − 1 2.2 Kết quả xây dựng mô hình hệ thống giám sát dao động máy rô to 2.2.1 Mô hình máy rô to dùng trong giám sát dao động Hình2 .5 .Mô hình máy rô to cho giám sát dao động 2.2.2 Hệ thống đo, kiểm và giám sát dao động máy rô to Hình 2.6 Hệ thống đo, kiểm tra, giám sát dao động trên cơ sở công nghệ NI + Labview Chương 3 THỰC NGHIỆM ĐO, PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH MÁY RÔ TO 3.1 Xây dựng kế hoạch thực... Tìm hiểu Labview để xây dựng phần mềm xử lý các tín hiệu dao động và hiển thị kết quả đo dao động mô hình máy rô to Nghiên cứu thực nghiệm đo dao động cho mô hình máy rô to Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG GIÁM SÁT DAO ĐỘNG MÁY RÔ TO 2.1 Cơ sở lý thuyết và công nghệ cho xây dựng mô hình hệ thống giám sát dao động máy roto Như phân tích ở chương 1, mô hình giám sát dao động máy rô to đặt ra nhiệm vụ... và bơm Mô hình máy rô to được xây dựng theo sơ đồ nguyên lý (hình 2.1) Khả năng điều chỉnh trạng thái kỹ thuật của các cụm chi tiết chính trong mô hình cơ khí giám sát dao động máy rô to Mất cân bằng Không đồng trục Mài mòn các ổ đỡ vòng bi Hư hỏng các bánh răng của bơm 2.1.2 Hệ thống đo, kiểm tra và giám sát dao động máy rô to Hệ thống đo, kiểm tra và giám sát dao động máy rô to được xây dựng với... chế tạo mô hình phần cơ khí máy rô to với các khả năng để đưa ra những trạng thái kĩ thuật cơ bản của các nhóm cơ cấu chính của máy rô to 2.1.1 Mô hình cơ khí cho giám sát dao động máy rô to: Mô hình cơ khí dùng cho giám sát dao động máy rô to được xây dựng với các yêu cầu kỹ thuật cơ bản sau đây: Động cơ điện Bơm bánh răng dùng trong hệ thống thủy lực Trục truyền trung gian và khớp nối Bệ máy chung... 3 mức giới hạn 1.2 Thực trạng giám sát dao động và chẩn đoán máy roto 1.2.1 Giám sát, chẩn đoán dao động máy rô to Trong quá trình khai thác và giám sát máy rô tô, ta tiến hành xây dựng đường (quy luật) thay đổi mức dao động Trên cơ sở đường biến đổi đã xây dựng ta hiển thị độ dự trữ của máy theo mức dao động chung tại thời điểm đang giám sát Hình 1.2 Giám sát dao động máy theo thời gian và dự báo thời... động máy theo thời gian và dự báo thời điểm sự cố 1.2 Thực trạng giám sát dao động và chẩn đoán máy roto 1.2.1 Giám sát, chẩn đoán dao động máy rô to Thiết bị giám sát, chẩn đoán dao động máy rô to có thể là hệ thống tĩnh tại (lắp đặt trực tiếp trên máy rô to bằng máy PC công nghiệp) hoặc PC di động (Laptop hoăc Desk PC) Hệ thống giám sát dao động gồm khối đầu đo (SENSORS), khối thu thập dữ liệu (DAQ)...1.2 Thực trạng giám sát dao động và chẩn đoán máy roto 1.2.1 Giám sát, chẩn đoán dao động máy rô to Giám sát, chẩn đoán tổng thể - đó là việc theo dõi sự biến đổi nền dao động cũng như xác định TTKT của đối tượng một cách tổng thể, còn giám sát, chẩn đoán thành phần, chi tiết - thực hiện các nhiệm vụ trên cho các cụm chi tiết máy móc chính Hình 1.1 Phổ tần dao động gia tốc máy rô to với 3 mức giới... thập dữ liệu (DAQ) và khối xử lý thông tin, hiển thị thông tin tại Bộ xử lí trung tâm (CPU) Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý thiết bị giám sát dao động hiện đại 1.2 Thực trạng giám sát dao động và chẩn đoán máy roto 1.2.2 Phương pháp xử lý dao động Một trong các nhiệm vụ cơ bản để xây dựng hệ thống đo, giám sát - bài to n phân tích và xử lý tín hiệu dao động đo được Trong kỹ thuật xử lý tín hiệu dao động thường... văn Xây dựng mô hình cơ khí máy rô to với khả năng đưa vào các hư hỏng đặc trưng của các cụm chi tiết chính Phạm vi các hư hỏng đặc trưng - hư hỏng của: động cơ điện, các gối đỡ (vòng bi), khớp nối (cứng và mềm), máy công tác (bơm dầu dùng bánh răng) Tìm hiểu National Instrumen để xây dựng phần cứng của hệ thống: bộ đầu đo, bộ góp, bộ xử lý tín hiệu dao động và hiển thị kết quả cho mục tiêu giám sát. .. Đánh giá kết quả đạt được trong thử nghiệm Đã xây dựng thành công các mô đun cần thiết để xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả Kết quả là nền tảng để tiếp tuc xây dựng phần mềm giám sát dao động máy rô to trong tương lai Lần đầu tiên tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm chế tạo thiết bị hiện đại đo, xử lý tín hiệu dao động có tích hợp các mô đun phần cứng công nghiệp với phần mềm