Bài viết này đề xuất một thuật toán phân tích tín hiệu dao động đo được tại vỏ ổ lăn để có thể nhận dạng được các hư hỏng của các phần tử có trong ổ đỡ con lăn khi tốc độ quay của trục biến đổi.
Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ Động lực học Điều khiển Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr 351-356, DOI 10.15625/vap.2019000301 Phát sớm hư hỏng ổ đỡ lăn phép lấy mẫu tín hiệu dao động miền vị trí góc Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du* Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội *E-mail: du.nguyentrong@hust.edu.vn Tóm tắt Ổ đỡ lăn chi tiết quan trọng hầu hết máy móc thiết bị cơng nghiệp, đặc biệt hộp số cỡ lớn Trong trình vận hành máy, hư hỏng ổ đỡ lăn thường ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động dây chuyền sản xuất Đo dao động đầu đo gia tốc gắn bên gối đỡ ổ biện pháp để giám sát tình trạng hoạt động ổ đỡ lăn Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu ứng dụng, phương pháp phân tích phổ tần số phổ đường bao phương pháp để giám sát tình trạng kỹ thuật ổ đỡ lăn Sự diện tần số đặc trưng hư hỏng phổ đường bao tín hiệu dấu hiệu hư hỏng phần tử ổ đỡ lăn Tuy nhiên, phương pháp phân tích phổ đường bao tín hiệu áp dụng hiệu trục quay với tốc độ ổn định Bài báo đề xuất thuật tốn phân tích tín hiệu dao động đo vỏ ổ lăn để nhận dạng hư hỏng phần tử có ổ đỡ lăn tốc độ quay trục biến đổi Từ khóa: Ổ đỡ lăn, dao động, chẩn đốn hư hỏng, lấy mẫu tín hiệu, trung bình hố tín hiệu Tuổi thọ ổ đỡ lăn trải qua giai đoạn từ lúc (giai đoạn bình thường hình 1) giai đoạn hư hỏng hoàn toàn (ngay sau giai đoạn hình 1) Trong giai đoạn ổ đỡ lăn bắt đầu hư hỏng bắt đầu xuất tần số đặc trưng hư hỏng Do việc chẩn đốn hư hỏng ổ đỡ lăn thường giám sát từ giai đoạn đến giai đoạn Khi ổ đỡ lăn hỏng phần tử (vịng ngồi, vịng trong, hay vịng cách) phổ đường bao dao động tần số cao xuất tần số đặc trưng hư hỏng phần tử theo cơng thức xác định bảng [2], với z số lăn ổ; d, D đường kính đường kính ngồi ổ đỡ lăn; góc tiếp xúc Mở đầu Ổ đỡ lăn phần tử phổ biến có máy, hư hỏng ổ đỡ lăn lý thường xuyên gây nên tình trạng dừng máy, ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình sản xuất Đối với ổ đỡ lăn nhỏ ta hoàn tồn thay ổ lăn xảy hỏng hóc Tuy nhiên với trường hợp ổ đỡ lăn đặc chủng cỡ lớn (được sử dụng hệ thống khí nhà máy cán thép, nhiệt điện hay thủy điện) việc phát sớm hư hỏng đưa phương án dự phòng thay thế, tránh rủi ro phải dừng máy đột ngột Giám sát hư hỏng ổ đỡ lăn tín hiệu dao động nhận quan tâm thu hút nhà nghiên cứu thập niên gần nhờ lợi ích mà mang lại Để giám sát tình trạng kỹ thuật ổ đỡ lăn trước tiên cần phải hiểu rõ đặc điểm tín hiệu dao động ổ đỡ lăn Đây dạng tín hiệu điều biến biên độ bao gồm thành phần tần số sau [1] (hình 1): - Tần số quay bản: Tần số quay trục fn, 2fn, 3fn - Tần số đặc trưng hư hỏng: Tần số đặc trưng hư hỏng vịng fvt, vịng ngồi fvn, lăn fr - Các điều hòa bậc cao tần số đặc trưng hư hỏng 2fvt, 3fvt, 2fvn, 2fr… - Các dải biên xung quanh tần số đặc trưng hư hỏng điều hịa bậc cao Hình Các giai đoạn vòng đời của ổ đỡ lăn Trong năm gần việc áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số phương pháp phân tích phổ đường bao dao động riêng tần số cao trở nên hiệu việc chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn [3-5] Để thuận lợi cho việc tìm kiếm vùng dao động tần số cao, năm 2010 Randall đề xuất phương pháp đồ thị Kurtogram [6] Vệc kết hợp đồ thị Kurtogram phương pháp phổ đường bao tạo thành chu trình khép kín, nhằm Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du phát hư hỏng có ổ đỡ lăn từ tín hiệu dao động đo Trong tác giả áp dụng hiệu lớp phương pháp có Eric Bechhoefer năm 2011 [7] Tuy nhiên mối liên hệ toán học tần số đặc trưng hư hỏng ổ đỡ lăn với tần số quay trục (như bảng 1) mà hiệu loạt phương pháp giảm rõ rệt Khi tốc độ quay trục biến đổi việc xác định tần số đặc trưng hư hỏng phổ đường bao phức tạp kiến tần số đặc trưng cho hư hỏng phổ đường bao khơng hiệu Do tín hiệu cần lấy mẫu lại miền vị trí góc quay để loại bỏ ảnh hưởng thay đổi tốc độ quay phổ tần số Để lấy mẫu lại theo góc quay nhau, thuật tốn nội suy bậc áp dụng [8] Khi tín hiệu từ tần số biến đổi trở thành tín hiệu có tần số khơng đổi hình 3, tín hiệu chia thành đoạn vòng quay Bảng Tham số hệ Chi tiết Cơng thức tính tần số đặc trưng hư hỏng Vịng ngồi z d f (1 cos ) f n ( Hz ) D Vòng z d f vt (1 cos ) f n ( Hz ) D Con lăn fr D d [1 ( cos )2 ] f n ( Hz ) d D Vòng cách fg fn d (1 cos ) ( Hz ) D Hình Lấy mẫu tín hiệu tốc độ quay không đổi Để khắc phục vấn đề trên, tín hiệu cần lấy mẫu lại từ tín hiệu miền thời gian sang tín hiệu miền vị trí góc trục Tín hiệu pha sử dụng làm tín hiệu tham chiếu nhằm mục đích lấy mẫu lại tín hiệu để vịng quay đoạn tín hiệu có kích thước Khi phổ đường bao tín hiệu thay phổ bậc vòng quay trục Điều làm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng thay đổi tốc độ quay trục đến tần số đặc trưng hư hỏng ổ đỡ lăn Đây mục tiêu mà phương pháp đề xuất báo cần đạt tới để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn trường hợp tốc độ quay biến đổi (quá trình máy tăng tốc) Phép lấy mẫu lại miền vị trí góc Thơng thường, tín hiệu dao động lấy mẫu theo thời gian, sau khoảng khơng đổi, tín hiệu lấy mẫu lần (hình 2) thiết bị đo thu thập tín hiệu Phép biến đổi Fourier thường sử dụng để phân tích phổ tần số hay phổ đường bao tín hiệu miền thời gian Dấu hiệu (triệu chứng) hư hỏng ổ đỡ lăn dễ dàng quan sát thấy nhờ xuất tần số đặc trưng hư hỏng x[nt ] Ae j 2 fnt (1) Khi tốc độ quay trục thay đổi, việc lấy mẫu tín hiệu miền thời gian thể hình Do tần số quay trục biến đổi theo thời gian nên tần số đặc trưng hư hỏng ổ đỡ lăn thay đổi theo công thức bảng Trong trường hợp này, việc tìm Hình Lấy mẫu tín hiệu tốc độ quay biến đổi Trong phương pháp lấy mẫu theo miền vị trí góc quay, thay lấy mẫu sau khoảng thời gian khơng đổi, tín hiệu lẫy mẫu sau trục quay góc khơng đổi hình 3, tức x[n ] Ae jn (2) khoảng góc quay Khi phân tích phổ tín hiệu miền vị trí góc ta thu phổ tín hiệu khơng theo tần số mà theo số ngun lần vòng quay trục, sau gọi tắt phổ bậc Hình biểu diễn tín hiệu dao động lấy mẫu miền thời gian miền vị trí góc trục đầu vào hộp số bánh vận hành với tốc độ biến Phát sớm hư hỏng ổ đỡ lăn phép lấy mẫu tín hiệu dao động miền vị trí góc thiên Căn vào tín hiệu pha tham chiếu trục dẫn, tín hiệu đo khoảng T = 3s (hình 4a) tương ứng với 80 vịng quay trục đầu vào (hình 4b) So sánh phổ hình 4c 4d ta nhận thấy phổ bậc biểu diễn tần số quay rõ ràng tốc độ quay trục biến đổi Các thơng số miền vị trí góc suy diễn từ miền thời gian bao gồm: Độ phân giải trục hồnh miền vị trí góc, giới hạn trục hoành trị số điểm rời rạc trục hoành: t R ;t n n Các thông số miền bậc suy tương tự miền tần số bao gồm: độ phân giải miền bậc, giới hạn trục hoành miền bậc, trị số rời rạc miền bậc: a) f o Fs Os ; f k ok Phương pháp đề xuất Trên sở tín hiệu pha đo xác định thời điểm trục quay hết vòng Giả sử ti thời điểm tín hiệu pha bắt đầu ti+1 thời điểm tín hiệu pha kết thúc qua vịng quay thứ n trục quay Tương ứng thời điểm bắt đầu kết thúc đó, tốc độ quay trục thay đổi liên tục nên tín hiệu gia tốc đo có kích thước khác vịng quay Để kích thước tín hiệu vịng quay nhau, cần sử dụng phép nội suy bậc Nhiệm vụ phép nội suy bậc lược bỏ bớt thêm vào số điểm liệu (trên sở liệu có) để số điểm lấy mẫu vịng quay Khi tín hiệu thu tín hiệu miền vị trí góc với trục hồnh tần số quay trục trục tung tín hiệu gia tốc lấy mẫu lại (như hình 3) Tín hiệu sau lấy mẫu lại đưa vào phép biến đổi Fourier để phân tích phổ bậc Tiến hành lọc thông dải với vùng tần số cao phổ bậc phân tích Hilbert vùng tần số cao thu phổ đường bao tín hiệu miền vị trí góc Trên phổ đường bao xuất bậc điều hoà tần số đặc trưng hư hỏng biểu diễn theo tần số quay trục (bảng 1) Ưu điểm phương pháp đề xuất thay tìm kiếm trực tiếp tần số đặc trưng hư hỏng, tìm hệ số số lần tần số quay trục (chính tần số đặc trưng hư hỏng bảng 1) Điều loại bỏ ảnh hưởng tốc độ quay biến đổi đến việc chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn Sơ đồ thuật tốn phương pháp đề xuất trình bày hình b) c) 1fn 2fn d) 3fn Hình 4: Tín hiệu dao động lấy mẫu miền thời gian (a) miền vị trí góc (b); phổ tương ứng (c,d) Bảng thông số biểu diễn miền vị trí góc miền bậc Bảng Các thông số biểu diễn tín hiệu miền vị trí góc miền bậc Thơng số biểu diễn Miền vị trí góc Độ phân dải / Os Giới hạn R ( N 1) Trị số điểm rời rạc n (n 1) Miền bậc o n 1 Os (n =1, 2, , N) (n =1, 2, , N) O 1 s R ( N 1) N O N Os / (Bậc Nyquist) ok ( k 1) o (k 1) R (k =1, 2, , N) Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du Ổ đỡ lăn Đo tín hiệu pha Đo gia tốc Lấy mẫu lại tín hiệu miền góc Chọn hàm nội suy Phân tích FFT/Hilbert Phổ đường bao Hỏng vịng ngồi Hỏng vịng Hỏng viên bi Hỏng vịng cách Hình Phương án đề xuất Bảng Tần số đặc trưng hư hỏng với tốc độ quay thấp cao Tần số đặc trưng hư hỏng Tốc độ trục quay thấp 22.83Hz Vòng trong: 9.33.fn Kết thực nghiệm Để kiểm chứng hiệu phương pháp đề xuất, liệu đo hư hỏng ổ đỡ lăn Tuabin gió cơng suất 2MW lắp trục quay tốc độ cao có bánh 20 [7] Hình Tái tạo tốc độ quay từ tín hiệu pha 213 Hz Tốc độ trục quay cao 30.05Hz 280.37 Hz Trong liệu đo này, mức độ hư hỏng vòng ổ đỡ lăn gia tăng 50 ngày liên tục tương ứng với 50 liệu đo cung cấp cho nhà nghiên cứu Tốc độ quay trục sau tái tạo lại từ tín hiệu pha (tachometer) biểu diễn hình Quan sát hình vẽ ta thấy rõ tốc độ quay biến đổi từ 22.83Hz đến 30.05Hz Tín hiệu gia tốc tín hiệu pha đo với tần số lấy mẫu 97656 Hz khoảng thời gian giây Do tốc độ quay biến đổi nên tần số tần số đặc trưng hư hỏng vòng thay đổi từ 213Hz đến 280.37Hz bảng Khi xử lý tín hiệu đo theo phương pháp truyền thống (như phân tích FFT) thơng tin vùng tần số đặc trưng hư hỏng vịng khơng lộ (hình 7) Ngay kể phân tích phổ đường bao vùng tần số có mức lượng cao (từ 8000Hz 12000Hz) không thu thơng tin hữu ích Đây hạn chế mà phép biến đổi Fourier xử lý tín hiệu có tần số quay biến đổi Phát sớm hư hỏng ổ đỡ lăn phép lấy mẫu tín hiệu dao động miền vị trí góc Hình 7: Phổ tín hiệu trước đồng phổ đường bao vùng tần số cao Hinh 8: Phổ tín hiệu sau đồng phổ đường bao vùng tần số cao Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du Áp dụng phương pháp đề xuất lấy mẫu lại tín hiệu miền vị trí góc kết thu phổ bậc hình Tiến hành lọc thơng dải sau phân tích phổ đường bao vùng bậc từ 200fn đến 500fn, thấy xuất hệ số bậc: 9.33fn, 18.67fn, 28fn (hình 8), tương ứng bảng tần số đặc trưng hư hỏng vịng điều hịa Hơn phổ đường bao thấy rõ tần số ăn khớp điều hoà ăn khớp bánh lắp trục (tương ứng với hệ số 20fn, 40fn, 60fn) Như với phương pháp đề xuất khơng trực tiếp tìm tần số đặc trưng hư hỏng mà tiến hành tìm gián tiếp tần số đặc trưng hư hỏng thơng qua việc tìm kiếm hệ số (bằng số lần tần số quay trục) Chính phương pháp đề xuất khắc phục hạn chế mà phương pháp chẩn đoán ổ đỡ lăn truyền thống mang lại Kết luận Bài báo đề xuất phương pháp hiệu để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn sở thuật toán lấy mẫu lại miền vị trí góc Tín hiệu sau lấy mẫu lại loại bỏ ảnh hưởng tốc độ quay biến đổi Trên sở đó, quy trình chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn miền vị trí góc đưa Để đánh giá hiệu quy trình số liệu hư hỏng ổ đỡ lăn Tuabin gió áp dụng Kết cho thấy với phương pháp truyền thống, phân tích phổ phổ đường bao, khơng thể nhận dạng tần số đặc trưng hư hỏng Trong đó, với quy trình chẩn đốn sở phương pháp đề xuất nhanh chóng xác định tần số đặc trưng hư hỏng bậc điều hồ Đây chỉnh điểm đặc sắc bật mà báo mang lại Từ kết mở rộng triển khai để chẩn đốn hư hỏng phần tử khác có hộp số máy trục bánh Đặc biệt với hư hỏng đồng thời hỏng nhiều phần tử khác Tài liệu tham khảo [1] Bilosova, A.L., & Bilos, J Vibration Diagnostics Technical University of Ostrava, Czech republic, 2012 [2] Randall, R.B Vibration-based Condition Monitoring: Industrial, aerospace and automotive applications New York: Wiley, 2011 [3] Điền, N.P., & Du, N.T Nhận dạng hư hỏng ổ bi q trình vận hành phân tích Wavelet dao động riêng tần số cao Tạp chí khoa học công nghệ lượng, Trường ĐH Điện Lực, 6, 24-30 2013 [4] A A Roque, T.A.N.S., J M F Calado and J C Q Dias An Approach to Fault Diagnosis of Rolling Bearings 188-197 2009 [5] Dien, N.P Fault diagnosis in ball bearing using the envelope analysis and the wavelet analysis Proc of National Conference on Mech., Hanoi, 78-85 2004 [6] Robert B Randall, J.A Rolling element bearing diagnostics_A tutorial Mechanical Systems and Signal Processing, 25, 485-520 2011 [7] Bechhoefer, E., & Kingsley, M Bearing Envelope Analysis Window Selection Using Spectral Kurtosis Techniques Proceedings of Prognostics and Health Management (PHM), Montreal, QC, Canada 2011 [8] Fritsch, F.N., & Carlson, R.E Monotone piecewise cubic interpolation SIAM Journal of Numerical Analysis, 17, 238– 246 1980 ... phổ bậc Hình biểu diễn tín hiệu dao động lấy mẫu miền thời gian miền vị trí góc trục đầu vào hộp số bánh vận hành với tốc độ biến Phát sớm hư hỏng ổ đỡ lăn phép lấy mẫu tín hiệu dao động miền vị. .. đoán hư hỏng ổ đỡ lăn trường hợp tốc độ quay biến đổi (quá trình máy tăng tốc) Phép lấy mẫu lại miền vị trí góc Thơng thường, tín hiệu dao động lấy mẫu theo thời gian, sau khoảng khơng đổi, tín hiệu. .. tín hiệu miền thời gian sang tín hiệu miền vị trí góc trục Tín hiệu pha sử dụng làm tín hiệu tham chiếu nhằm mục đích lấy mẫu lại tín hiệu để vịng quay đoạn tín hiệu có kích thước Khi phổ đường