Dao động ngẫu nhiên cũng thường xảy ra một cách tự nhiên và được đặc trưng bằng tiến trình chuyển động bất thường, không bao giờ tự lặp lại một cách chính xác. Một ví dụ cho tiến trình ngẫu nhiên là vấn đề biến thiên áp suất tại một điểm đặc biệt nào đó trên bề mặt của một chiếc máy bay đang bay. Tương tự như vậy, một toà nhà cao tầng phải hứng chịu chuyển động của mặt đất do động đất gây ra, một ống khói của nhà máy phải chịu tải trọng của gió và một chiếc ôtô chạy trên một đoạn đường xấu đều tượng trưng cho những dao động ngẫu nhiên.
Chương 3
PHÂN TÍCH TẦN SỐ DAO ĐỘNG
Trong thực tế, hầu hết máy móc khi được thiết kế chính xác thì trong quá trình hoạt động sẽ có mức dao động thấp. Tuy nhiên, trong suốt thời gian hoạt động, tất cả các máy móc, thiết bị đều phải chịu vấn đề mỏi, mòn, biến dạng …, những vấn đề này tạo ra sự gia tăng khoảng hở giữa các bộ phận lắp ráp, sự cố không đồng trục, mất cân bằng... và hệ quả là dẫn đến sự tăng trưởng của mức dao động. Theo thời gian, các mức dao động tiếp tục tăng trưởng và cuối cùng dẫn đến các hiện tượng hư hỏng máy.
Như vậy, chúng ta nhận thấy rằng, dao động chính là chìa khoá để mở cửa chứng kiến tình trạng bên trong của máy móc. Do đó việc phân tích dao động có thể cho biết bộ phận nào của máy đang hoặc sẽ có vấn đề và tại sao, và khi nào thì cần phải tiến hành sửa chữa, thay thế. Đây chính là mục đích của giám sát dao động. Việc giám sát dao động được dựa trên sự kiện là hầu hết các vấn đề hỏng hóc sắp xảy ra đều phát ra các tín hiệu báo động rất sớm dưới dạng dao động, và vài tín hiệu này có thể nhận dạng tại các tần sốđặc biệt biết được. Và nhưđã được trình bày ở các phần trên, mỗi khuyết tật cơ học đều gây ra dao động theo cách riêng của nó nên trước khi chẩn đoán dao động trong máy thì những cơ cấu chủ yếu gây ra dao động cần phải được đề cập, phân tích đến.
3.1. Các nguyên nhân gây rung động
Nói chung, dao động xảy ra do một động lực, hoặc nội lực hoặc ngoại lực, hiện hữu để kích động. Dao động cũng là một hàm của các tham số hệ thống (ví dụ như giảm chấn) và của mối quan hệ giữa tốc độ vận hành của máy với các tần số riêng của nó. Mặc dù dao động do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra, trong đó có một số nguyên nhân cơ bản là mất cân bằng, không đồng trục, bị lỏng, cộng hưởng dao động, mòn răng, vỡ mẻ bánh răng, biến dạng răng....trong đó dao động do bộ truyền động bánh răng tạo ra thường ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của máy và môi trường làm việc
Sự phân bố khối lượng không đồng đều trên bộ phận quay gây nên mất cân bằng. Sự phân bố khối lượng không đồng đều được mô hình hoá tại một điểm và được gọi là đốm nặng Hình 3.1
Giá trị mất cân bằng = trọng lượng mất cân bằng x khoảng cách từ tâm quay đến vị trí trọng lượng mất cân bằng
Hoặc :
Giá trị mất cân bằng = trọng lượng của đĩa quay x khoảng cách giửa tâm quay với khối tâm
Nhưđược trình bày trong hình 3.2 mất cân bằng nghiêm trọng thường tạo ra một biên độ cao bất thường tại vận tốc tới hạn và biên độ giảm xuống sau khi vượt qua vận tốc tới hạn . Tuy nhiên sau khi giảm xuống biên độ này vẩn còn lớn hơn so với biên độ rôto cân bằng.
Hình 3.1 Đốm nặng gây ra mất cân bằng
Hình 3.3 Phá hỏng bơm và gối đỡ do mất cân bằng
Khi đốm nặng chỉ hiện diện trong một mặt phẳng đơn thì gọi là mất cân bàng tĩnh. Có thể phát hiện ra hiện tượng này bằng cách đặt trục rôto lên đồ gá của thiết bị cân bằng, rôto sẽ tự quay đến khi đốm nặng di chuyển đến vị trí thấp nhất.
Khi đốm nặng hiện diện trong hơn một mặt phẳng thì gọi là mất cân bằng động. Trong trường hợp này, đặt trục lên đồ gá sẽ không thấy được tình trạng mất cân bằng.lực ly tâm do không cân bằng gây ra rung động.
Mất cân bằng gần như luôn cho thấy biên độ dao động xuyên tâm cao tại tần số quay (minh hoạ các hình 3.4 và 3.5) và cũng kèm theo biên độ dọc trục. Vấn đề sau có thể tạo ra sự nhầm lẫn và dẫn đến kết luận sai lầm là có sự hiện diện của sự không đồng trục. Do việc ổ trục hoặc kết cấu không có độ cứng đồng nhất trong tất cả các mặt, sự biến đổi rất lớn trong biên độ là điều bình thường, tuỳ thuộc vào việc đo được thực hiện ởđâu. Ngoài ra một trục bị cong cũng có cùng đặc tính như mất cân bằng. Cách duy nhất để phân biệt hai trường hợp này là quan sát đồ thì Bode hoặc biên độđối với đáp ứng vận tốc rôto.
Hình 3.4 Đặc tính của mất cân bằng
3.1.2. Không đồng trục
Không đồng trục xảy ra do sai lệch vị trí ban đầu (do thiết kế, lặp đặt), hoặc sự thay đổi vị trí của một chi tiết máy do hiện tượng dãn nở nhiệt. Nguyên nhân này gây nên rung động và tạo ra các ứng suất có xu hướng gây hư hỏng cho những khớp nối trục và ổđỡ.
Vấn đề không đồng trục luôn luôn tác động như một tiền tải độc hướng lên rôto. Vì lý do này mà dao động tại hai lần tần số tần số quay là triệu chứng của không đồng trục nhưđược minh hoạ trên hình 3.6
Hình 3.6 Đặc tính của không đồng trục
Có nhiều nguyên nhân gây ra mất đồng trục, lực được truyền vào hệ thống máy từ hệ ống dẫn có lẽ là nguyên nhân thường thấy nhất. Một vấn đề khác cũng
thường xảy ra cho các khớp nối dùng bánh răng là khớp nối bị khoá làm cho lực ma sát phát triển tại các bánh răng lớn hơn cả lực tác động và làm khớp nối trở thành một phần nửa rắn.
Việc chỉnh máy quay không đồng trục trở nên rất quan trọng khi dùng máy móc vận hành ở tốc độ cao. Máy quay được điều chỉnh cho đồng trục có tuổi thọ cao hơn, làm giảm thời gian chết và như vậy làm giảm đến tối thiểu giá thành vận hành. Thêm vào đó, thực tế cho thấy là việc mất đồng trục nghiêm trọng cuối cùng đều làm hỏng máy.
3.1.3. Ma sát cơ học
Trong nhiều bộ phận truyền động của máy thường xảy ra ma sát cơ học do các nguyên nhân như:
- Khi một trục tiếp xúc với lớp hợp kim babit của ổ trượt, với các vòng lăn của ổ bi.
- Khi một phần của rôto tiếp xúc vào vỏ máy…
Trong mỗi trường hợp, tín hiệu rung động sẽ được thể hiện ở một đỉnh biên độ thấp, thông thường ở khoảng giữa 1 và 10 hz .
3.1.4. Bánh răng bị mòn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu bánh răng bị mòn, tần số rung động rất cao, pha rung động thay đổi thất thường và biên độ rung động thấp. Hiện tượng này phát sinh trên bánh răng bị mòn do các nguyên nhân sau:
- Khe hở dọc theo đường ăn khớp của chiều rộng vành răng tạo va đập khi truyền tải trọng.
- Lắp ráp không đảm bảo đồng tâm làm thay đổi thường xuyên chiều sâu ăn khớp của bánh răng, gây va đập kèm theo tiếng ồn có tần số thấp.
3.1.5. Lỏng kết cấu
Vấn đề lỏng cơ học, nghĩa là các bộ phận máy được lắp không khít với nhau thường đặc trưng bằng một chuỗi dài các hoạ hài của tần số quay với biên độ cao bất thường (Hình 3.7). Mặc dù cách thức mà các hoạ hài tạo ra vẫn chưa biết được
chính xác, có khả năng là vấn đề này bắt nguồn từđáp ứng phi tuyến của bộ phận bị lỏng do động lực của rôto kích thích.
Hình 3.7 Phổ tiêu biểu của vấn đề lỏng cơ học
Vấn đề lỏng trong các máy quay có thể dẫn đến các vấn đề dao động nghiêm trọng. Các tình trạng gây ra vấn đề lỏng thường tìm thấy ở bệ máy và ổ trục (độ giơ của ổ trục quá lớn). Vấn đề lỏng cũng đơn giản như việc thêm dầu vào lửa do mất cân bằng và không đồng trục gây ra. Ví dụ, bất cứ lượng nhỏ mất cân bằng nào cũng có thể gây dao động lớn hơn môi trường bị lỏng.
3.1.6. Lực khí động và áp lực thuỷđộng
Đây là vấn đề liên quan đến chân vịt, bộ phận đẩy của máy bơm, máy nén ly tâm…rung động có tần số tương ứng với tốc độ quay của bộ phận máy, từđó gây ra hư hỏng trong máy .
3.1.7. Sự biến dạng
Trong lắp ráp thiết bị, thông thường người ta không kiểm tra tình trạng bị uốn hay biến dạng gây ra bởi những sai sót do thiết kế hoặc chế tạo chi tiết, phụ tùng, đôi khi khuyết tật rất khó phát hiện được. Do đó trong giai đoạn thiết kế cần
quan tâm đến cả lực tĩnh và lực động. Vi dụ, một giá đỡ máy có đủđộ cứng vững sẽ hạn chế rung động do mômen xoắn của động cơ gây ra .
3.1.8. Lựa chọn thiết bị không phù hợp
Thiết bị quá cỡ so với yêu cầu là không cần thiết, có thể gây ra rung động do các lực quán tính và do các hệ thống giảm chấn hoạt động không hiệu quả thiết bị có kích thước nhỏ hơn yêu cầu cũng gây ra rung động do quá tải và do đó khi lựa chọn thiết bị phải xem xét kỹ, đặc biệt là công suất cần thiết.
3.1.9. Cộng hưởng
Cộng hưởng, hoặc sự kích động một thành phần tại tần số riêng của nó, cũng thường là một vấn đề trên máy quay. Khi thành phần là cánh tuôcbin hoặc rôto, vấn đền này trở nên cự kỳ quan trọng và có thể dẫn đến hỏng máy. Tuy nhiện, cộng hưởng thường xảy ra trên thành phần phụ của máy như là hệ thống ống, giá đỡ thiết bị, bộ điều chỉnh dạng dầm, hệ điều khiển,v.v.. Trong trường hợp này, nói chung cộng hưởng chỉ gây khó chịu và có thể điều khiển được hoặc điều chỉnh được chỉ bằng vài thay đổi tương đối đơn giản như thêm độ cứng để tăng tần số ra ngoài vùng cộng hưởng. Tuy nhiên, phương pháp này đôi khi làm cho tình trạng xấu thêm nếu tần số riêng lúc đầu chỉ khác một chút tần số cộng hưởng. Trong trường hợp này, thêm giảm chấn là hình thức thích hợp nhất.
Một thử nghiệm đơn giản để xác định sự hiện hữu của cộng hưởng và tần số riêng của thành phần là gắn một đầu dò dao động nhỏ, chẳng hạn một gia tốc kế, để trọng lượng của đầu dò không ảnh hưởng đến đáp ứng của thành phần và gõ thành phần với một vật mềm (như khúc gỗ chẳng hạn) để tạo ra sốc. Đáp ứng hiển thị trên thiết bị, chẳng hạn như máy phân tích thời gian thực, sẽ là tần số riêng của thành phần. Phương pháp này đã được sử dụng thành công trên các kết cấu và thành phần đủ chủng loại.
Trong các nguyên nhân kế trên, dao động do bộ truyền động bánh răng tạo ra thường ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của máy và môi trường xung quanh.
Một ví dụ về nguồn phát sinh dao động và sự phát triển theo thời gian của dao động
3.2.1. Thu thập các thông tin cần thiết để phân tích
3.2.2. Nhận dạng phổ tần số rung động
Dạng phổđồ thị rung động cho phép cơ bản xác định các nguyên nhân gây ra sự cố: - Mất cân bằng - 1X (một lần tần số quay) - Lệch trục - 1X hoặc 2X (một lần hoặc hai tần số) - Lỏng kết cấu - 2X tới 10X - Sự cố bánh răng - # số răng * RPM - Tần số hư hỏng của ổ bi BPFO, BPFI, BSF, FTF 3.2.3. Phân tích phổ tần số của bánh răng
Dữ liệu dao động là cần thiết cho việc nhận biết và phân tích các vấn đề của bánh răng. Miền tín hiệu theo thời gian và theo tần số là vấn đề cần quan tâm. Khả năng xử lý và hiển thị tín hiệu cùng với sự khác nhau về chu kỳ là chủ yếu.
Lựa chọn bộ cảm biến: Đây là một yêu cầu quan trọng cho việc chẩn đoán đúng tình trạng của bánh răng. Nếu ba lần sóng hài của tần sốăn khớp răng (GMF) nhỏ hơn 2,000 Hz, hầu hết vận tốc của bộ cảm biến sẽ phù hợp. Nếu ba lần sóng hài của tần sốăn khớp răng (GMF) là quá 2,000 Hz thì phải sử dụng gia tốc kế.
Nếu cả hai tần số thấp và tần số cao đều cần thiết, thì dữ liệu phải được thu thập bởi hai bộ cảm biến, điều này là cần thiết bởi vì vận tốc của cảm biến không thể vọt nhanh đến tần số cao. Một gia tốc kế có thểđáp ứng được cả hai miền tần số
này. Tuy nhiên, tần số thấp có thể không nhìn thấy. Điều này đúng, và được giải thích bởi đường đặc tính đáp ứng của gia tốc kế.
3.2.3.1. Tính toán tần sốăn khớp răng
Một bánh răng bị mòn sẽ gây ra hư hỏng và hậu quả là phát sinh ra sóng hài nhỏ của tần số ăn khớp răng trên biểu đồ phổ tần số. Những vấn đề về chế tạo bánh răng, sự phá huỷ răng do nhiễm bẩn theo suốt quá trình ăn khớp hoặc những tác động trong khi tháo lắp, sửa chữa có thể là nguyên nhân của các hư hỏng và kết quả là làm tăng nhanh quá trình mòn răng.
Khi hai hoặc nhiều bánh răng ăn khớp với nhau, thì tần số thường phụ thuộc vào khoảng tốc độ của răng, số răng, độ lệch tâm và nhân tố cơ bản (thừa số nguyên tố chung). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tần sốăn khớp răng GMF (Gear Meshing Frequency Calculations)
GMF = (#TeethGEAR x RPMGEAR) (3.1)
GMF = (#TeethPINION x RPMPINION) (3.2)
(#TeethGEAR x RPMGEAR) = (#TeethPINION x RPMPINION)
RPMGEAR = (#TeethPINION x RPMPINION) / (#TeethGEAR) (3.3)
RPMPINION = (#TeethGEAR x RPMGEAR) / (#TeethPINION) (3.4)
- Tần số pha lắp ráp của một cặp bánh răng
GAPF = GMF / NA (Gear Assembly Phase Frequency Problems) (3.5) - Tìm kiếm tần số răng của một cặp bánh răng răng FHT(Hunting Tooth Frequency) PINION GEAR A HT T xT GMFxN F = (3.6)
NA - Hệ số pha lắp ráp (Assembly Phase Factor)
Một nhóm các bánh răng sẽ tiếp xúc trong khi ăn khớp sẽ xác định đặc điểm hệ số pha lắp ráp (NA) cho bất ký bánh răng nào. Tích số của những thừa số nguyên tố chung của số răng trong khi ăn khớp răng là NA
Tìm kiếm tần số răng; FHT có thể chỉ cho biết bởi bản thân nó như là tần số thấp trong phổ tần số rung động hoặc nhiều hơn là các dải tần số biên xung quanh 1 x RPM hoặc tần sốăn khớp răng GMF
- Phương pháp xác định NA
Một số bất kỳ có thể được tách ra bởi các thừa số nguyên tố. Thừa số nguyên tố của số răng trên bánh răng thiết lập hệ số pha lắp ráp cho bộ truyền, ví dụ:
Thừa số nguyên tố của số răng trên bánh răng (Prime Factors For Gear Tooth Count) 1 = 1 x 1 2 = 1 x 2 3 = 1 x 3 4 = 1 x 2 x 2 5 = 1 x 5 6 = 1 x 2 x 3 7 = 1 x 7 8 = 1 x 2 x 2 x 2 9 = 1 x 3 x 3 10 = 1 x 2 x 5 11 = 1 x 11 12 = 1 x 2 x 2 x 3 13 = 1 x 13 14 = 1 x 7 x 2 15 = 1 x 3 x 5 16 = 1 x 2 x 2 x 2 x 2 17 = 1 x 17 18 = 1 x 2 x 3 x 3 19 = 1 x 19 20 = 1 x 2 x 2 x 5 21 = 1 x 3 x 7
22 = 1 x 2 x 11 23 = 1 x 23 24 = 1 x 2 x 2 x 2 x 3 25 = 1 x 5 x 5 26 = 1 x 2 x 13 27 = 1 x 3 x 3 x 3 28 = 1 x 2 x 2 x 7 29 = 1 x 29 30 = 1 x 2 x 3 x 5 31 = 1 x 31 32 = 1 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 33 = 1 x 3 x 11 34 = 1 x 2 x 17 35 = 1 x 5 x 7 36 = 1 x 2 x 2 x 3 x 3 37 = 1 x 37 38 = 1 x 2 x 19 39 = 1 x 3 x 13 40 = 1 x 2 x 2 x 2 x 5 41 = 1 x 41 42 = 1 x 2 x 3 x 7 43 = 1 x 43 44 = 1 x 2 x 2 x 11 45 = 1 x 3 x 3 x 5 46 = 1 x 2 x 23 47 = 1 x 47 48 = 1 x 2 x 2 x 2 x 2 x 3 49 = 1 x 7 x 7 50 = 1 x 2 x 5 x 5
51 = 1 x 3 x 17 52 = 1 x 2 x 2 x 13 53 = 1 x 53 54 = 1 x 2 x 3 x 3 x 3 55 = 1 x 5 x 11 56 = 1 x 2 x 2 x 2 x 7 57 = 1 x 3 x 19 58 = 1 x 2 x 29 59 = 1 x 59 60 = 1 x 2 x 2 x 3 x 5 61 = 1 x 61 62 = 1 x 2 x 31