Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng truyền động bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh

luận văn thạc sỹ tự động hóa : Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng truyền động bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh

1 LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn 2 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục các hình MỞ ĐẦU Các bánh răng mô phỏng hư hỏng.(a) Răng gãy 20%. (b)Răng gãy 40%. (c)Tróc rỗ .9 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động bình thường 10 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 20% .10 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 40% .10 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động tróc rỗ .10 1.1.1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và bảo dưỡng thiết bị 5 1.1.1.1. Bảo dưỡng thiết bị .5 Hình 1.1. Tối ưu hóa chính sách bảo dưỡng .5 1.1.1.2. Theo dõi thiết bị .6 1.1.2. Phát hiện và chẩn đoán hư hỏng .6 1.1.2.1. Phát hiện và chẩn đoán hư hỏng 6 1.1.2.2. Các kỹ thuật theo dõi và chẩn đoán hư hỏng .7 1.2.1. Tróc vì mỏi bề mặt răng 8 Hình 1.2. Tróc rỗ bề mặt răng .8 1.2.2. Gãy răng .8 Hình 1.3. Gãy răng 9 1.2.3. Mòn răng 9 Hình 1.4. Mòn răng 9 Dính răng 10 Hình 1.5. Dính răng .10 1.2.4. Biến dạng dẻo .10 Hình 1.6. Răng bị biến dạng chảy dẻo 10 1.3.1. Phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng phân tích tín hiệu rung động 11 1.3.1.1. Nhận dạng hư hỏng bằng phân tích tín hiệu rung động 11 Các tần số đặc trưng của bộ truyền bánh răng .11 Dấu hiệu nhận dạng .11 Hình 1.7. Phổ của bánh răng bình thường (đối xứng) 11 Hình 1.8. Dấu hiệu của ăn khớp bánh răng có khuyết tật 12 Trường hợp có vết nứt gãy răng 12 3 Hình 1.9. Một răng bị gãy sẽ gây nên phổ có dải bên không đối xứng .12 Trường hợp bộ truyền bị mài mòn quá mức 12 Hình 1.10. Phổ dao động của một bộ truyền trục vít bị dao động quá mức 13 1.3.1.2. Kết hợp phân tích rung động và phân tích dầu trong chương trình bảo trì dựa trên tình trạng thiết bị .13 1.3.2. Phương pháp phân tích tín hiệu âm thanh bằng biến đổi Wavelet14 1.3.2.1. Lý thuyết về âm thanh phát ra từ máy 14 1.3.2.2. Phân tích gãy răng với tín hiệu âm thanh .14 Hình 1.11. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp gãy răng. 15 (a)Không có hư hỏng; (b) 10% gãy răng; (c) 20% gãy răng; .15 (d) 30% gãy răng; (e) 40% gãy răng .15 1.3.2.3. Phân tích nứt răng với tín hiệu âm thanh 15 Hình 1.12. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp nứt răng: .16 bánh răng bình thường; (b) bánh răng nứt sâu 1mm; 16 (c) bánh răng nứt sâu 2mm; (d) bánh răng nứt sâu 3mm; .16 (e) bánh răng nứt sâu 4mm 16 1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .17 Hình 1.13. Thiết bị Microlog GX Series, .18 Potable Data Collector/ FFT Analyzer 18 Hình I.14. Thiết bị chẩn đoán của hãng Machine eX 18 2.1.1. Khái niệm về tín hiệu .20 2.1.2. Khái niệm và phân loại hệ xử lý tín hiệu 20 2.2.1. Phương pháp Kurtosis 21 2.2.2. Phép biến đổi Fourier FFT .22 2.2.2.1. Lý thuyết phép biến đổi Fourier của tín hiệu liên tục 22 2.2.2.2. Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) .24 2.2.2.3. Ứng dụng biến đổi Fourier để phân tích dao động .25 2.2.3. Phương pháp phân tích hình bao 26 .27 Hình 2.1. Kỹ thuật phân tích hình bao 27 Hình 2.2. Phổ của ổ lăn bị hư hỏng vòng trong (a) và phổ hình bao của tín 28 hiệu được lọc xung quanh tần số cộng hưởng 1600Hz (b) .28 2.2.4. Phương pháp trung bình hoá tín hiệu đồng bộ 28 2.2.4.1. Trung bình hóa tín hiệu trên miền thời gian 28 Hình 2.3. Tín hiệu dao động đo được từ hộp số 29 Hình 2.4. (a) Tín hiệu đã được trung bình hoá 30 4 (b)Các thành phần điều hoà chính cảu tần số ăn khớp bánh răng .30 tách từ tín hiệu đã được trung bình hóa .30 thành phần tín hiệu còn lại 30 2.2.4.2. Trung bình hóa tín hiệu trong miền tần số 30 2.2.5. Phương pháp phân tích Wavelet 31 Hình 3.1 : Biến đổi Fourier .32 Hình 3.2: Sóng sin và Wavelet 33 3.2.1. Phép biến đổi Wavelet liên tục 34 Hình 3.3. Đồ thị một số hàm Morlet với các hệ số Morlet thông dụng .35 3.2.2. Ý nghĩa của phép biến đổi Wavelet liên tục 37 Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán biến đổi Wavelet cho tín hiệu số x(n). 37 3.2.3. Biến đổi Wavelet rời rạc 37 Hình 3.5. Minh hóa lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n .38 3.2.4. Giới thiệu một số họ Wavelet 38 Biến đổi Wavelet Haar .38 Hình 3.6. Hàm ψ(t) của biến đổi Haar .39 Biến đổi Wavelet Meyer .39 Hình 3.7. Hàm ψ(t) của biến đổi Meyer 39 Biến đổi Wavelet Daubechies .39 Hình 3.8. Hàm ψ(t) của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8. 40 Biến đổi Wavelet Morlet 40 Hình 3.9. Hàm ψ(t) của biến đổi Morlet .40 3.3.1. Tính chất sóng .40 3.3.2. Đặc trưng về năng lượng 41 Hình 3.10. Biểu diễn biến đổi Fourier dạng ảnh .42 Hình 3.11. Biểu diễn biến đổi Wavelet dạng ảnh 42 1. Nén tín hiệu .44 2. Khử nhiễu .45 3. Mã hoá nguồn và mã hoá kênh 45 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống theo dõi và chẩn đoán tình trạng thiết bị 46 Hình 4.1. Mô hình hệ thống theo dõi và chẩn đoán tình trạng thiết bị .46 1. Thiết bị trong dây chuyền sản xuất: là thiết bị cần được theo dõi và chẩn đoán hư hỏng .46 2. Các đầu đo tín hiệu (cảm biến): thu nhận các yếu tố bất thường trên máy thường dùng gia tốc kế, đầu đo tốc độ hoặc micro 46 3. Bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu : ngoài nhiệm vụ thu tín hiệu từ các đầu đo, các máy đo còn có các bộ lọc để loại bỏ thành phần tần số rất thấp và rất cao 47 5 4. Bộ phận phân tích tín hiệu: Sau khi đọc các giá trị dao động đo được trên các máy đo, có thể đánh giá sơ bộ được tình trạng của thiết bị dựa trên sự biến đổi của giá trị dao động qua từng thời điểm đo. Nếu các giá trị biên độ dao động tăng dần theo thời gian từ đó có thể kết luận rằng trong máy đã bắt đầu xuất hiện các hư hỏng .47 5. Bộ phận theo dõi chẩn đoán tình trạng thiết bị: Tổng hợp các kết quả đo và phân tích dao động hoặc âm thanh ở các bộ phận trước nhằm xác định tình trạng chung của các thiết bị, xác định kịp thời các hư hỏng xuất hiện trong các thiết bị và đưa ra các thông báo cần thiết cho các khối quản lý bảo dưỡng lên kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa 47 4.1.2. Mô hình thiết bị thu nhận , phân tích tín hiệu âm thanh và rung động 47 Hình 4.2. Sơ đồ thiết bị thu nhận tín hiệu âm thanh và rung động .48 4.2.1. NI compact DAQ 9172 .48 Hình 4.3. cDAQ9172 48 4.2.1.1. Giới thiệu 48 Hình 4.4: NI cDAQ-9172 Chassis .49 4.2.1.2. Chức năng .49 4.2.1.3. Môđun được hỗ trợ 49 4.2.1.4. Phần mềm hỗ trợ 49 4.2.2. Thiết bị thu nhận tín hiệu NI 9233 49 Hình 4.5. NI9233 .50 Hình 4.6. Đầu kết nối của NI 9233 50 4.2.3. Các loại cảm biến .50 4.2.3.1. Cảm biến quang .50 Hình 4.7. Cảm biến quang photo Keyence sensor 51 4.2.3.2. Cảm biến dao động .51 Hình 4.8. Mô hình cơ học cảm biến dao động 51 4.2.3.3. Micro 52 4.2.4. Phần mềm thu nhận tín hiệu 52 4.2.5. Phần mềm Matlab .52 4.2.6. Mô hình thực tế .53 Hình 4.10. Sơ đồ khối thu nhận tín hiệu 54 Hình 4.11. Thu tín hiệu rung động 54 4.3.1. Thu tín hiệu rung động .54 4.3.1.1. Quy tắc chung khi gắn cảm biến gia tốc .54 4.3.1.2. Cách thu tín hiệu rung động 55 Hình 4.12. Add step .55 Hình 4.13. Chọn loại cảm biến cần đo 56 Hình 4.14. Chọn kênh cần đo 56 Hình 4.15. Thiết lập thông số đo độ rung 57 6 Hình 4.16. Lắp cảm biến gia tốc trên hộp giảm tốc để đo tín hiệu rung động .57 4.3.2. Thu tín hiệu âm thanh .57 Hình 4.17. Đặt micro để thu tín hiệu âm thanh .58 Hình 4.18. Thu một tín hiệu âm thanh 58 4.4.1. Thuật toán xử lý .59 4.4.1.1. Thuật toán Fourier nhanh- FFT .59 Hình 4.19. Thuật toán FFT .59 4.4.1.2. Thuật toán Wavelet liên tục 59 Hình 4.20. Thuật toán Wavelet liên tục 59 4.4.2. Phần mềm xử lý tín hiệu .59 4.4.2.1. Xây dựng phần mềm xử lý .59 Hình 4.21. Phần mềm xây dựng được .60 4.4.2.2. Khối “Tải file” 60 Hình 4.22. Khối tải file 60 4.4.2.3. Khối biến đổi Fourier “Fourier Transform” .62 4.4.2.4. Khối biến đổi Wavelet liên tục “Wavelet Continuous Transform” 63 Hình 4.25. Mô phỏng các dạng hỏng của bánh răng trục ra 65 Hình 4.26. Các bánh răng mô phỏng hư hỏng.(a) Răng gãy 20% .66 (b)Răng gãy 40%. (c)Tróc rỗ 66 Hình 4.27. Tín hiệu âm thanh x(t) (a) bình thường. (b) gãy 20% .66 (c)gãy 40%. ( d) tróc rỗ .66 Hình 4.28. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh bình thường 67 Hình 4.29. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh bình thường .67 Hình 4.30. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 20% .68 Hình 4.31. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh gãy 20% 68 Hình 4.32. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 40% .69 .69 Hình 4.33. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh gãy 40% 69 Hình 4.34. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh tróc rỗ .70 Hình 4.35. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh tróc rỗ 70 Hình 4.36. Tín hiệu rung động x(t) (a) bình thường. (b) gãy 20%. 71 (c)gãy 40%. ( d) tróc rỗ .71 Hình 4.37. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động bình thường. .72 Hình 4.38. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động bình thường. 72 Hình 4.39. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động gãy 20% 73 Hình 4.40. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động gãy 20% .73 Hình 4.41. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động gãy 40% 74 Hình 4.42. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh rung động gãy 40% 74 7 Hình 4.43. Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động tróc rỗ .75 Hình 4.44. Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động tróc rỗ 75 Hình 4.45. Phân tích Fourier của tín hiệu rung động bình thường 77 Hình 4.46. Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 20% .78 Hình 4.47. Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 40% .78 Hình 4.48. Phân tích Fourier của tín hiệu rung động tróc rỗ .79 KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN( bản sao) DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Tối ưu hóa chính sách bảo dưỡng 5 1.2 Tróc rỗ bề mặt răng 8 1.3 Gãy răng 9 1.4 Mòn răng 9 1.5 Dính răng 10 1.6 Răng bị biến dạng chảy dẻo 10 1.7 Phổ của bánh răng bình thường (đối xứng) 11 1.8 Dấu hiệu của ăn khớp bánh răng có khuyết tật 12 1.9 Một răng bị gãy sẽ gây nên phổ có dải bên không đối xứng 12 1.10 Phổ dao động của một bộ truyền trục vít bị dao động quá mức 13 1.11 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp gãy răng. 15 1.12 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh trường hợp 16 8 nứt răng 1.13 Thiết bị Microlog GX Series, Potable Data Collector/ FFT Analyzer 18 1.14 Thiết bị chẩn đoán của hãng Machine eX 18 2.1 Kỹ thuật phân tích hình bao 27 2.2 Phổ của ổ lăn bị hư hỏng vòng trong và phổ hình bao của tín hiệu được lọc xung quanh tần số cộng hưởng 1600Hz 28 2.3 Tín hiệu dao động đo được từ hộp số 29 2.4 (a) Tín hiệu đã được trung bình hoá (b)Các thành phần điều hoà chính của tần số ăn khớp bánh răng tách từ tín hiệu đã được trung bình hóa (c)Thành phần tín hiệu còn lại 30 3.1 Biến đổi Fourier 32 3.2 Sóng sin và Wavelet 34 3.3 Đồ thị một số hàm Morlet với các hệ số Morlet thông dụng 35 3.4 Sơ đồ thuật toán biến đổi Wavelet cho tín hiệu số x(n) 37 3.5 Minh hoạ lưới nhị tố dyadic với các giá trị của m và n 38 3.6 Hàm ψ(t) của biến đổi Haar 39 3.7 Hàm ψ(t) của biến đổi Meyer 39 3.8 Hàm ψ(t) của họ biến đổi Daubechies n với n=2, 3, 7, 8 40 3.9 Hàm ψ(t) của biến đổi Morlet 40 3.10 Biểu diễn biến đổi Fourier dạng ảnh 41 3.11 Biểu diễn biến đổi Wavelet dạng ảnh 42 4.1 Mô hình hệ thống theo dõi và chẩn đoán tình trạng thiết bị 46 4.2 Sơ đồ thiết bị thu nhận tín hiệu âm thanh và rung động 48 9 4.3 cDAQ9172 48 4.4 NI cDAQ-9172 Chassis 49 4.5 NI9233 50 4.6 Đầu kết nối của NI 9233 50 4.7 Cảm biến quang photo Keyence sensor 51 4.8 Mô hình cơ học cảm biến dao động 52 4.9 Mô hình thực nghiệm. 53 4.10 Sơ đồ khối thu nhận tín hiệu 54 4.11 Thu tín hiệu rung động 55 4.12 Add step 56 4.13 Chọn loại cảm biến cần đo 56 4.14 Chọn kênh cần đo 57 4.15 Thiết lập thông số đo độ rung 57 4.16 Lắp cảm biến gia tốc trên hộp giảm tốc để đo tín hiệu rung động 58 4.17 Đặt micro để thu tín hiệu âm thanh 58 4.18 Thu một tín hiệu âm thanh 59 4.19 Thuật toán FFT 60 4.20 Thuật toán Wavelet liên tục 60 4.21 Phần mềm xây dựng được 60 4.22 Khối tải file 61 4.23 Khối biến đổi Fourier 62 4.24 Khối Wavelet liên tục 64 4.25 Mô phỏng các dạng hỏng của bánh răng trục ra 66 4.26 Các bánh răng mô phỏng hư hỏng.(a) Răng gãy 20%. (b)Răng gãy 40%. (c)Tróc rỗ 66 4.27 Tín hiệu âm thanh x(t), (a) bình thường, (b) gãy 20%, (c)gãy 40%, ( d) tróc rỗ 67 4.28 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh bình thường 68 4.29 Biểu đổi độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh bình thường 68 10 4.30 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 20% 69 4.31 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh gãy 20% 69 4.32 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh gãy 40% 70 4.33 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh gãy 40% 70 4.34 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu âm thanh tróc rỗ 71 4.35 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu âm thanh tróc rỗ 71 4.36 Tín hiệu rung động x(t), (a) bình thường, (b) gãy 20%, (c)gãy 40%, (d) tróc rỗ 72 4.37 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động bình thường 73 4.38 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động bình thường 73 4.39 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động gãy 20% 74 4.40 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động gãy 20% 74 4.41 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động gãy 40% 75 4.42 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động gãy 40% 75 4.43 Biến đổi Wavelet cho tín hiệu rung động tróc rỗ 76 4.44 Biểu đồ độ lớn biên độ tín hiệu rung động tróc rỗ 76 4.45 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động bình thường 78 4.46 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 20% 79 4.47 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động gãy 40% 79 4.48 Phân tích Fourier của tín hiệu rung động tróc rỗ 80 . Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng truyền động bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh . II. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng phương pháp chẩn đoán. 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về phương pháp chẩn đoán hư hỏng bằng phân tích tín hiệu dao động và âm thanh. Chương 2: Phương pháp xử lý tín hiệu