Mô phỏng cân bằng động cho rô to bằng phần mềm mô phỏng cân bằng động rô to đặt trên máy cân bằng động

Bài viết đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng cân bằng động rô to khi thực hiện cân bằng được xem là quá trình ngẫu nhiên (có sai số) trên phần mềm mô phỏng cân bằng động rô to, áp dụng cho các chi tiết quan trọng trong động cơ tua bin khí tàu Hải quân.

BÀI BÁO KHOA HỌC MÔ PHỎNG CÂN BẰNG ĐỘNG CHO RÔ TO BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÂN BẰNG ĐỘNG RÔ TO ĐẶT TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG Lưu Minh Hải1, Đỗ Đức Lưu2 Tóm tắt: Phần mềm mơ cân động giúp đào tạo học viên kỹ sư khai thác máy tàu thủy hiểu có kỹ nghề thục trước thực cân động rô to, đặc biệt đào tạo đội ngũ sỹ quan cơ-điện cho Hải quân Việt Nam Phần mềm mô dao động cân động xây dựng Trường Đại học Hàng hải Việt Nam (ĐHHHVN) Ban chủ nhiệm đề tài cấp quốc gia, MS ĐTĐLCN14/15 xây dựng, Trường ĐHHHVN chủ trì Phần mềm sử dụng đào tạo, huấn luyện học viên sĩ quan điện tàu quân Bài báo đánh giá độ tin cậy kết mô cân động rô to thực cân xem trình ngẫu nhiên (có sai số) phần mềm mơ cân động rô to, áp dụng cho chi tiết quan trọng động tua bin khí tàu Hải quân Kết thu với độ tin cậy 99 % theo tiêu chuẩn thống kê schi (2) khẳng định tính xác ý nghĩa đào tạo sản phẩm Từ khóa: Phần mềm mơ cân động; độ tin cậy phần mềm mô ĐẶT VẤN ĐỀ* Mất cân thường diễn nguy hiểm máy rô to, đặc biệt rơ to quay tốc độ cao Tuabine khí (Gas Turbine Engine, GTE) dùng tàu hải quân (HQ, có tốc độ 10000vịng/phút, RPM) q trình động hoạt động Đối với máy rô to, việc kiểm soát lượng cân dư sau sửa chữa tháo rời yêu cầu bắt buộc tiến hành cân động (CBĐ) máy CBĐ Đối với GTE tàu HQ Việt Nam trước sửa chữa từ chuyên gia có tay nghề cao, xưởng sửa chữa nước ngồi Hiện số cơng đoạn lắp ráp GTE tàu đội ngũ chuyên gia nước thực hiện, nhiên việc CBĐ thực có giám sát chặt chẽ chuyên gia nước thực xưởng chuyên dùng Việc chủ động, làm chủ công nghệ với kinh nghiệm, kỹ tốt CBĐ cho máy rô to nhiệm vụ quan trọng đội ngũ kỹ thuật Hải quân Việt Nam, để đảm bảo tàu lực lượng tàu đặc chủng NCS ĐH Nha Trang, CNBM Máy tàu,Khoa Cơ điện, Học viện Hải quân Viện trưởng, Viện NCKH&CNHH, Đại học Hàng Hải Việt Nam sẵn sàng chiến đấu Chính việc sử dụng phần mềm mô vào đào tạo, huấn luyện sở đào tạo, huấn luyện quan trọng hiệu quả, đặc biệt ngành kỹ thuật Hải quân Việt Nam Một sản phẩm đề tài độc lập công nghệ cấp quốc gia, MS.DTDL.CN-14/15 GS Lương Công Nhớ làm chủ nhiệm (Lương Công Nhớ, nnk 2019) mô đun mô dao động CBĐ máy rô to, tác giả xây dựng sở toán học phương pháp cân động hai mặt phẳng; phương pháp ma trận hệ số ảnh hưởng; phương pháp số phức,và triển khai lập trình LabView (Lương Cơng Nhớ, nnk 2019), (Đỗ Đức Lưu, nnk 2016), (Đỗ Đức Lưu, nnk 2015) Đưa sản phẩm mô vào đào tạo huấn luyện mang lại hiệu cao tính trực quan, kinh tế, tính sử dụng nhiều lần, khơng bị hư hỏng đảm bảo an tồn tuyệt đối cho người khai thác, vận hành Tuy nhiên, để nâng cao chất lượng đào tạo học viên phần mềm mô CBĐ (Dynamic BalanceSimulation Software, DBSS), cần nghiên cứu đầy đủ độ tin cậy (tính xác) kết cân Đó vấn đề đặt cho nghiên cứu trước đưa sản phẩm vào đào tạo KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 197 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CHO DBSS 2.1 Nguyên nhân dẫn đến sai số phần mềm mô cân động DBSS xây dựng sở mơ hình hóa hệ rơ to đặt máy CBĐ thành hệ phương trình tốn học, với giả thiết gần chất vật lý hệ thực với mơ hình tốn thu Sai số ln tồn dạng sai số khách quan Việc hồn thiện mơ hình trình nghiên cứu ảnh hưởng cân đến dao động thu làm giảm sai số toán thuận: Từ cân đến dao động đo cho CBĐ Dao động hai gối động máy cân mô nghiệm thu giải hệ phương trình bậc hai ẩn viết cho trạng thái dao động hai gối này, theo hệ phương trình viết dạng ma trận số phức (Đỗ Đức Lưu, nnk 2015):   Dx  Kx   F0 exp(it )  F0 exp( it ) Mx (1)  ( K   2M  i D) z  F0 Với x,z –véc tơ trạng thái dao động viết dạng số thực, số phức Các ma trận hệ số M, D, K – giả thiết mô biết đưa vào xác định cụ thể Nghiệm phương trình (1) có sai số tính tốn làm trịn số tốn khơng xác định có sai số từ vế phải F0=[f0,0]T Giá trị đánh giá lực quy đổi f0= 0.5*m*r* = 0.5u* 2, với ký hiệu m, r, , u – khối lượng cân (ước lượng), bán kính lệch tâm (quy ước), vận tốc góc (rad/s) lượng cân u=mr, g.mm (Đỗ Đức Lưu, nnk 2015) Bài toán ngược DBSS sở dao động thu được, theo phương pháp CBĐ mặt phẳng/hai mặt phẳng xử lý tín hiệu dao động thu đo hai gối động máy CBĐ, sử dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng giải ma trận hệ số ảnh hưởng để xác định lượng cân một/hai mặt phẳng cân (quy ước) Thực tế toán ngược giải hệ phương trình bậc có hệ số khơng xác định xác (có sai số) Sai số phương pháp giải tồn tại, nhiên việc lựa chọn thuật toán giải toán dạng không xác định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến kết tính nghiệm, đặc biệt trường hợp ma trận hệ số vế trái (ma trận hệ số ảnh hường) có định thức gần khơng (ma 198 trận suy diễn) Các vấn đề sai số giải tốn khơng xác định PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu nghiên cứu, đề cập luận văn tiến sỹ khoa học liên quan đến toán chẩn đốn(Đỗ Đức Lưu, 2007) Khi xây dựng DBSS (Lương Cơng Nhớ, nnk 2019), PGS Lưu sử dụng phương pháp ma trận thuật toán tối ưu để giảm sai số nêu Đối với toán CBĐ, vấn đề không xác định hệ số ảnh hưởng đến độ xác xác định độ cân dư mặt phẳng cân thể (Đỗ Đức Lưu, 2007) + Mô lực cân (do khối lượng cân tạo ra, đầu vào giả thiết biết xác) mặt phẳng cân quy đổi tương đương hai gối đỡ thành lực điều hịa hình sin với tham số biên độ, pha tần số xác định, vòng quay cân xác định không đổi Sai số tham số sinh tính tốn làm trịn số máy tính Lực cưỡng biểu diễn dạng số phức: F(t)= F0.exp(it), với F0 biên độ phức lực quy đổi, sai số làm tròn số + Từ lần thử nghiệm, ta xác định ma trận hệ số ảnh hưởng từ dao động (mô đo được) tác động đến lượng cân dư U=[u1, u2]T (được đánh giá, xác định toán ngược, g.mm), khối lượng cân đánh giá (thu từ mô phỏng,gam) dm =[dm1, dm2]Ttại hai mặt phẳng cân bằng:  q11 q12   u1   v1-0  q        Q.U  V  21 q 22  u   v 2-0  (2) Với Q, U, V ma trận véc tơ tương ứng Kí hiệu v1-0, v2-0 – số phức thu từ hiệu số hai dao động thu lần thí nghiệm (hoặc 3)với thí nghiệm Trong (2) hệ số qrs – hệ số ảnh hưởng, [q] = [v]/[u] –biểu thị ảnh hưởng dao động tác động đến cân dư Sai số tính tốn xác định U từ (2) dạng tốn khơng xác định giải tốn ngược, ta tìm U theo: U = [QTQ]-1 QTV (3) Trong phương pháp CBĐ, cân gây nên dao động với tần số tần số sở (tần số quay trục rơ to cân bằng) Do tín hiệu dao động đo miền thời gian (có sai số, có chứa nhiễu) xử lý Furie (qua thuật toán FFT), xác KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC định biên độ pha dao động với tần số sở Về phương pháp luận, xử lý FFT ln tồn tượng “méo”, “rị lọt” tín hiệu Kết hợp với FFT, thuật tốn có sử dụng cửa sổ lọc để làm giảm hiệu ứng xấu nêu Tuy vậy, kết cuối tồn sai số Sản phẩm DBSS tác giả (Lương Công Nhớ, nnk 2019) xây dựng LabView sử dụng phần mềm MathScript hãng National Instruments (Hoa kỳ) có quyền Cơ sở tốn học sản phẩm tốt, tích hợp với MATLAB (sử dụng MatScript giống m.file MatLab) Do tin tưởng sản phẩm xây dựng LabView có độ xác cao, ln tồn sai số q trình tính (thuật tốn gần phép làm trịn số) 2.2 Phương pháp đánh giá độ tin cậy kết cân phần mềm mô Chúng ta đánh giá sai số để xem xét độ tin cậy kết cân thao tác khơng xác từ người vận hành Thao tác cân trực tiếp thêm vào lấy khối lượng mà máy đưa (Add Mass/ Remove Mass) Thao tác tuyệt đối xác vị trí máy ra, thực theo khối lượng dẫn Tuy nhiên, thực tế thao tác có sai lệch vị trí (góc) lẫn độ lớn khối lượng Và sai số ta mô hình hóa đưa vào đại lượng ngẫu nhiên cho trình nghiên cứu Phương pháp đánh giá sai số dưa sở lý thuyết thống kê Ta thiết kế thí nghiệm có đầu vào cho rơ to cân với mức độ sai số khác nhau, có tính đến sai số ngẫu nhiên Thực trình cân xử lý số liệu thu từ DBSS phần mềm đưa kết đánh giá cân dư (đầu tốn ngược) Với số liệu đầu vào (mơ cân dư) đầu (tính ngược lại đại lượng cân dư đó) cho phép thực đánh giá thống kê độ chụm (sự tập trung) phương sai (sự phân tán), đưa độ tin cậy phần mềm theo tiêu chuẩn thống kê Schi (2) (Lương Công Nhớ, nnk 2019) Cơ sở liệu thu qua n lần thử lặp (mô có sai số đầu vào mi(k)=m  dm (với dm sai số giả định nhiễu trắng), sau ta mơ q trình xác định tốn ngược, đánh giá lượng cân m e(k), k=1,2,…,n (giả thiết bán kính r xác định, khơng đổi) Giá trị trung bình cân ước lượng: n n me   me ( k ); SE   [ me ( k )  me ]2 (4) n k 1 k 1 Tổng bình phương sai số SE có bậc tự = n-1 (bằng số lần thí nghiệm lặp trừ phương trình liên kết tính giá trị trung bình) Tiêu chuẩn Schi sử dụng cho kiểm tra độ tin cậy (độ chụm) liệu đầu c2 ( )  SE/ (n  1) (5) Kiểm tra giá trị tính (5) với giá trị tiêu chuẩn theo lý thuyết thống kê  2 ( ) đạt b=(1-a) độ tin cậy (a sai số), xảy ra:  c2 ( )   2 ( ) (6) Khi đó, tín hiệu nằm đoạn:  me  k , me  k  ;  SE / n (7) Trong lý thuyết thống kê, thông thường chọn độ tin cậy b=95%, hay sai số a=5% , liệu thỏa mãn điều kiện (6), k=2 Nếu b=99%, k =2.8÷3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CÂN BẰNG ĐỘNG TRÊN DBSS Mô CBĐ máy CBĐ, cho cụm rơ to máy nén thấp áp GTE (hình 1) với thông số (bảng 1).Theo tiêu chuẩn ISO 1940-1, rô to GTE ta chọn G6.3 (Đỗ Đức Lưu, nnk 2016).Giả định lượng cân dư rô to m1 = (g), m2 = (g) mặt phẳng hiệu chỉnh cách gối đỡ trái khoảng A B, bán kính R1, R2 Khối lượng thử xác định theo tiêu chuẩn G6.3 mặt phẳng hiệu chỉnh mt1≤7,5 (g) , mt2≤ 4,5 (g) Chương trình tự động tính tốn xác định lượng cân dư hình Ở ta thấy lượng cân dư qui đổi gối đỡ trái (740,58 g.mm), phải (597.38 g.mm) lớn mức cho phép (143 g.mm) Đồng thời chương trình xác định lượng cân dư mặt phẳng hiệu chỉnh chọn để tham khảo thực cân động (thêm/ bớt khối lượng vị trí xác định) Hình thể giao diện thu qua lần thử đánh giá mức độ cân dư thực tế theo phương pháp cân động hai mặt phẳng cân bằng, áp dụng cho CBĐ tua bin khí áp suất thấp (tàu Hải quân mô phỏng) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 199 khối lượng giả định m1, m2 xác định độ lệch trung bình, phương sai để đánh giá độ tin cậy phần mềm theo tiêu chuẩn Schi Bảng Thông số rô to máy nén thấp áp Hình Cấu tạo rơ to máy nén thấp áp động tua bin khí Giả thiết cân động qua thử nghiệm Kết sau cân động thể hình Ta thấy cân dư quy đổi gối đỡ trái, phải mức cho phép an toàn Như q trình CBĐ cho rơ to chấp nhận Để đánh giá độ tin cậy phần mềm ta tiến hành thay đổi TT 10 Thông số ban đầu Tốc độ khai thác Khối lượng rơ to Tiêu chuẩn cân Mơ hình Tốc độ cân A B C R1 (bán kính cân bằng) R2(bán kính cân bằng) Đơn vị rpm kg rpm mm mm mm mm mm Giá trị 10000 47,5 G6.3 CF1 900 75 565 740 95 160 Hình Giao diện qua lần thí nghiệm CBĐ hai mặt phẳng Kết tổng hợp bảng 2, thay đổi lượng dm1, dm2 theo mức nhiễu trắng với lần lặp, biên độ nhiễu 5% so với m1 m2 Trong MatLab, dùng m.file với lệnh: for k=1:5 Ra(k)=0.05*rand; end Ta thu được: Ra = [0.0379 0.0372 0.0196 0.0328 0.0086] m1=8 (1+Ra) = [8.3031 8.2973 8.1569 8.2622 8.0685]; m2=6(1+Ra) = [6.2273 6.2229 6.1177 6.1966 6.0514]; Bảng Tổng hợp kết đánh giá độ tin cậy phần mềm mô CBĐ N 200 m1 8,0 m2 6,23 Kết trước cân động MCB dư (g.mm) KQ tính MCB G.trái G.phải Cho phép me (g) SE1 me (g) 739,08 620.60 143 7,80 0.009025 6.21 SE2 0.023409 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC N m1 m2 8,0 8,0 8,0 8,0 8,30 8,29 6,22 6,13 6,20 6,05 6,0 6,0 10 8,16 8,26 8,07 6,0 6,0 6,0 TB 8.108 6.083 G.trái 739.11 739,41 739,18 739,68 750,09 755,60 755,06 764.57 788,14 Kết trước cân động MCB dư (g.mm) KQ tính MCB G.phải Cho phép me (g) SE1 me (g) 619.6 143 7,78 0.013225 6,20 610,53 143 7,78 0.013225 6,11 617,58 143 7,78 0.013225 6,18 602,48 143 7,79 0.011025 6,02 597,30 143 8.08 0.034225 5,97 597,.31 143 8,08 0.034225 5,97 143 597,31 7.95 0.003025 5,97 597,22 596,96 143 143 Trung bình,  c ( ) SE2 0.020449 0.002809 0.015129 0.001369 0.007569 0.007569 8,05 7.86 0.024025 0.001225 5,97 5,97 0.007569 0.007569 0.007569 7.895 0.017383 6.057 0.011223 Hình Giao diện sau cân hai mặt phẳng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Theo cơng thức ta tính được: Đối với mặt phẳng cân 1, me1: SE/(n-1) = 0.017383