Giám sát tình trạng hoạt động hộp số công nghiệp

Thí nghiệm được tiến hành đo trong vòng 6 tháng không liên tục, tại một xưởng cán thép của Hòa Phát, dây truyền cán thép gồm 18 hộp số lắp ghép nối tiếp nhau, kích thước khoảng 1m x 1m x 1,2m. Sơ đồ hộp số được thể hiện trên hình 5.38.

Vị trí gắn đầu đo

126

Hình 5.38: Sơ đồ kết cấu hộp số công nghiệp

Theo kinh nghiệm trong quá trình bảo dưỡng sửa chữa tại nhà máy, trong các cặp bánh răng của hộp số, thì cặp bánh răng côn xoắn thường dễ bị hư hỏng nhất. Trong cặp bánh răng côn xoắn thì bánh răng dẫn có số răng Z1=16 là bánh răng được giám sát tình trạng hoạt động. Lần hư hỏng gần nhất tại bánh răng dẫn là cách thời điểm đo 3 tháng. Quá trình giám sát được tiến hành theo 5 giai đoạn, trong mỗi giai đoạn lựa chọn ra 2 bộ số liệu đo tốt nhất:

- Giai đoạn 1: Hộp số chạy ổn định không có hư hỏng

- Giai đoạn 2: Hộp số bắt đầu phát sinh hư hỏng nhưng dao động vẫn nằm trong phạm vi cho phép

- Giai đoạn 3: Hộp số có hư hỏng tiến triển mức độ chậm

- Giai đoạn 4: Hộp số có hư hỏng tiến triển nhanh khó kiểm soát, dao động mạnh đo được tại vỏ hộp số

- Giai đoạn 5: Sau phục hồi sửa chữa bánh răng hư hỏng trong hộp số

Tốc độ quay dao động trong khoảng 1800 vòng/phút. Từ đó tính được tần số ăn khớp khoảng 480Hz.

5.5.1 Đánh giá định tính hƣ hỏng

Đây là hộp số đa cấp được sử dụng trong thực tế do đó việc chẩn đoán hộp số đa cấp trở nên khó khăn hơn hộp số 1 hoặc 2 cấp. Hơn nữa hoạt động trong môi trường thực tế bên cạnh hộp số có rất nhiều nguồn dao động khác nhau. Có những nguồn tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, nhưng cũng có những nguồn tín hiệu dao động tuần hoàn. Chính vì vậy việc đưa ra những nhận định đánh giá tình trạng kỹ thuật của thiết bị đòi hỏi kỹ thuật đo và kỹ

thuật xử lý tín hiệu đo tiên tiến. Tín hiệu đo được đưa vào phân tích trong miền thời gian và miền tần số với kết quả trình bày trên hình 5.39. a) Tín hiệu miền thời gian b) Phổ tần số

127

Hình 5.39: Tín hiệu trong 4 giai đoạn trong miền thời gian (a) và miền tần số (b)

Quan sát trên miền thời gian (hình 5.39a) ta thấy biên độ giai đoạn 4 là lớn nhất tuy nhiên không phân biệt được các giai đoạn 1 đến 3. Quan sát tín hiệu trên mền tần số (hình 5.39b) ta thấy xuất hiện tần số ăn khớp (480Hz) và các dải biên xung quanh tần số ăn khớp đầu tiên. Tuy nhiên trên phổ tần số giai đoạn 3 lại có dải biên và tần số ăn khớp thấp hơn so với dải biên và tần số ăn khớp trong giai đoạn 2, điều này không phù hợp với tiến triển hư hỏng phát triển trong thực tế. Kết quả chẩn đoán dễ bị nhầm lẫn nếu chỉ căn cứ vào phổ tần số hoặc biên độ tín hiệu trong miền thời gian. Tiến hành trung bình hóa tín hiệu đồng bộ bằng phương pháp trung bình hóa không sử dụng tín hiệu pha đã được trình bày ở chương trước. Kết quả trung bình hóa tín hiệu với trục dẫn, là trục có nghi ngờ hư hỏng được thể hiện trên hình 5.40.

Hình 5.40: Tín hiệu sau khi trung bình hóa với 4 giai đoạn

Để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu nền và các nguồn dao động khác ta cần thực hiện phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ kết hợp phép biến đổi CWT. Đồ thị PWM của tín hiệu sau khi trung bình hóa được thể hiện trên hình 5.41.

a) b) c) d) a) b) c) d)

128

Hình 5.41: Tín hiệu TSA với 4 giai đoạn hư hỏng trên tọa độ cực

Để loại bỏ ảnh hưởng của các thành phần ăn khớp, tiến hành phân tích tín hiệu thừa được thể hiện trên hình 5.42. Sau khi phân tích tín hiệu thừa ta thấy rõ ràng những dải màu có biên độ lớn là triệu chứng của hư hỏng chứ không phải là các thành phần va chạm ăn khớp

Hình 5.42: Tín hiệu thừa được với 4 giai đoạn hư hỏng trên tọa độ cực

5.5.2 Đánh giá định lƣợng hƣ hỏng

Kết quả đánh giá định lượng từ tín hiệu thừa (tham số NA4 và NA4*) và tín hiệu sai phân (tham số FM4 và FM4*) thể hiện trên hình 5.43 cho kết quả giống nhau (tham số NA4* và FM4* đều tăng trong 4 giai đoạn) cho thấy bánh răng có hư hỏng trên bề mặt răng của bánh răng, không có các hư hỏng do sai số chế tạo hoặc lắp ráp bánh răng.

b) a)

c) d)

129

Hình 5.43: Tham số đánh giá tín hiệu thừa (b) và tín hiệu sai phân (b)

Khi dao động của hộp số vượt quá ngưỡng cho phép ta tiến hành dừng máy kiểm tra trạng thái của các phần tử trong hộp số. Kết quả tháo hộp số kiểm tra được thể hiện trên hình 5.44. Quan sát trên bánh răng dẫn ta thấy có hốc sâu là nguyên nhân gây ra các dao động bất thường. Như vậy ta hoàn toàn có thể dự phòng thay thế bánh răng trước khi chúng bị hỏng hoàn toàn, nhằm đảm bảo an toàn cho sản xuất.

Hình 5.44: Hình ảnh hộp số sau khi tháo khỏi dây truyền (a) và hư hỏng tại một răng bánh dẫn (b)

Kết quả PWM sau khi thay thế bánh răng hỏng bằng bánh răng mới được thể hiện trên hình 5.45, với các dải màu không còn đậm, tức là máy hoạt động ổn định.

Hình 5.45: Tín hiệu TSA (a) và tín hiệu thừa (b) sau khi bảo dưỡng hộp số

5.6 Chẩn đoán hƣ hỏng ổ đỡ con lăn

Hư hỏng được tạo ra tại vòng ngoài và vòng trong (hình 5.46) một cách có chủ ý nhằm giám sát và chẩn đoán tình trạng hư hỏng của ổ lăn trong quá trình vận hành của hộp số. Tần số lấy mẫu là 48,8 kHz, tốc độ quay của trục lắp ổ đỡ con lăn là 25Hz. Thông số hình học ổ đỡ con lăn như bảng 5.5.

a)

b)

130

Bảng 5.5. Thông số hình học của ổ đỡ con lăn khảo sát

Thông số ổ đỡ con lăn MB ER-16K Đường kính viên bi d=7.94 (mm) Đường kính vòng chia Dp=33.5 (mm) Số viên bi z=8 Góc tiếp xúc =00

Tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài và vòng trong được xác định như sau: - Tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài là 8 1 5, 9 7 2 5 8 1 .1 

2 3 1, 6

vn

f  

     

  Hz

- Tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong là 8 1 5, 9 7 2 5 1 1 8, 9 

2 3 1, 6

vt

f  

     

  Hz

Hình 5.46: Hư hỏng vòng ngoài (a) và hư hỏng vòng trong (b)

Hư hỏng được tạo ra tại vòng ngoài và vòng trong một cách có chủ ý (hình 5.46), đây là dạng hư hỏng cục bộ của ổ đỡ con lăn. Để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn sử dụng phương pháp đồ thị Kurtogram đã được trình bày ở chương 2. Với trường hợp ổ đỡ con lăn còn mới ta thấy đồ thị Kurtogram không xuất hiện dải màu đậm (hình 5.47a), do đó phân tích phổ đường bao không thấy xuất hiện tần số đặc trưng hư hỏng (hình 5.47b)

Hình 5.47: Đồ thị Kurtogram của ổ lăn ở trạng thái hoạt động tốt

5.6.1 Chẩn đoán hƣ hỏng vòng ngoài

Kết quả phân tích phổ và phổ đường bao được thể hiện trên hình 5.48 không thấy được tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài (81Hz) và các điều hòa của nó.

Vị trí hư hỏng vòng trong

Vị trí hư hỏng vòng ngoài

b) Phổ đường bao dựa trên Kurtogram a) Đồ thị Kurtogram

131

Hình 5.48: Kết quả phân tích phổ tần số (a) và phổ đường bao (b)

Để có thể tìm thấy tần số đặc trưng cho hư hỏng vòng ngoài, trước hết cần biểu diễn tín hiệu trên đồ thị Kutorgram. Từ kết quả đồ thị Kurtogram ta xác định được vùng tần số hệ số Kurtosis lớn nhất (hình 5.49a) từ 1500-2300Hz, đây là vùng có triệu chứng hư hỏng ổ lăn. Phân tích phổ đường bao tại vùng tần này ta tìm được tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài (78,91Hz xấp xỉ 81Hz) và các điều hòa của nó (hình 5.49b). Việc xuất hiện tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài chính là triệu chứng cho thấy vòng ngoài có hư hỏng, kết quả chẩn đoán này phù hợp với thí nghiệm được tạo ra.

Hình 5.49: Kết quả phân tích Kutorgram và phân tích phổ đường bao trong vùng lựa chọn

5.6.2 Chẩn đoán hƣ hỏng vòng trong

Thí nghiệm được đo trong điều kiện chỉ có vòng trong hư hỏng còn các phần tử khác của ổ đỡ con lăn hoạt động trong điều kiện bình thường. Ổ đỡ con lăn được gắn trên vỏ hộp số, các phần tử quay khác của hộp số cũng hoạt động bình thường. Giống như trong chẩn đoán hư hỏng vòng ngoài, nếu chỉ căn cứ theo kết quả phân tích phổ và phổ đường bao của tín hiệu, như trên hình 5.50, thì không thể đánh giá được trạng thái hiện thời của ổ đỡ con lăn. Đồ thị phổ không cung cấp nhiều thông tin hữu ích liên quan đến tần số đặc trưng hư hỏng của ổ đỡ con lăn.

Vùng lựa chọn 1500 - 2300Hz Phổ đường bao vùng tần số 1500 – 2300Hz

132

Hình 5.50: Phổ tần số và phổ đường bao tín hiệu hư hỏng vòng trong

Trên phương diện khác, nếu sử dụng vùng tần số bất kỳ để phân tích phổ đường bao mà không sử dụng đồ thị Kurtogram (vùng tần số sử dụng 5100-7100Hz), kết quả thu được như trên hình 5.51. Quan sát hình vẽ này, cho thấy đỉnh phổ cao nhất là 111.8 Hz, không phải là 118Hz (là tần số hư hỏng vòng trong).

Hình 5.51: Phổ đường bao tín hiệu hư hỏng vòng trong từ vùng tần số 5,1-7,1kHz

Nếu sử dụng Kurtogram ta xác định được vùng tần số có giá trị Kurtosis lớn nhất là 13700-14500Hz, từ đó phân tích phổ đường bao cho vùng tần số này. Kết quả phân tích phổ đường bao (hình 5.52b) cho thấy xuất hiện tần số hư hỏng vòng trong là xấp xỉ bằng 118Hz. Do đó có thể nhận định vòng trong hư hỏng, kết quả này phù hợp với thí nghiệm.

Qua những phân tích trên có thể kết luận nếu dựa vào đồ thị phổ tần số để tìm vùng tần số hư hỏng từ đó phân tích phổ đường bao là kém hiệu quả. Tuy nhiên việc sử dụng đồ thị Kurtogram có thể dễ dàng xác định được vùng tần số hư hỏng từ đó phân tích phổ đường bao nhằm xác định nhanh chóng triệu chứng hư hỏng ổ lăn thông qua các tần số đặc trưng hư hỏng.

Hinh 5.52: Đồ thị Kutorgram và phổ đường bao trong vùng tần số lựa chọn Vùng lựa chọn 13700-

14500Hz

Phổ đường bao vùng tần số 13,7-14,5kHz

133

5.7 Chẩn đoán hƣ hỏng đồng thời bánh răng và ổ lăn

Từ các trường hợp thí nghiệm ở trên cho thấy vùng tần số để tìm triệu chứng hư hỏng ổ đỡ con lăn thường là vùng tần số cao. Tuy nhiên nếu trong trường hợp hư hỏng xảy ra ở cả bánh răng và ổ lăn khi đó những giải pháp đưa ra dựa trên cơ sở đồ thị Kutorgram tỏ ra không hiệu quả. Tín hiệu hư hỏng của ổ đỡ con lăn có lẫn tín hiệu hư hỏng của bánh răng, lúc này điều cần thiết là phải bóc tách tín hiệu hư hỏng của từng chi tiết quay để tìm triệu chứng hư hỏng. Việc sử dụng phương pháp trung bình hóa để tìm triệu chứng hư hỏng của bánh răng đã được đề cập nhiều ở những phần trên. Trong phần này trình bày phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ, như một phương pháp loại trừ, để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn. Thành phần tín hiệu ban đầu được lấy mẫu lại trong miền góc sau đó trừ đi thành phần tín hiệu đồng bộ với tốc độ quay trục sẽ còn lại tín hiệu do hư hỏng ổ đỡ con lăn gây ra.

Hư hỏng được tạo ra một cách có chủ ý là hư hỏng cục bộ tại vòng trong (hình 5.46) của ổ đỡ con lăn có các thông số hình học được thể hiện trên bảng 5.5. Ổ đỡ con lăn gắn trên trục vào của hộp số 1 cấp với tần số quay trục vào biến đổi xung quanh fn= 50Hz. Tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong của ổ đỡ con lăn được đưa ra bởi công thức đã được trình bày trong chương 2:

1 co s 2 vt n z d f f D          (5.1)

Thay các thông số hình học từ bảng 5.5 vào công thức (5.1) ta xác định được:

fvt=4.95fn=247.4 Hz.

Do đó nếu chẩn đoán trong miền tần số ta sử dụng tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong là 247.4Hz. Nếu chẩn đoán trong miền bậc ta sử dụng bậc đặc trưng hư hỏng là 4.95. Khi tốc độ quay của trục fn biến đổi ta không thể xác định được tần số đặc trưng hư hỏng fvt. Đây là khó khăn lớn cho việc chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn với trường hợp tốc độ quay biến đổi bằng phân tích phổ đường bao miền tần số.

Để thấy rõ được khó khăn này ta sử dụng các phương pháp phân tích tín hiệu ổ đỡ con lăn bằng đồ thị Kurtogram:

+ Trên cơ sở kết hợp đồ thị Kurtogram (hình 5.53a) ta xác định được vùng tần số có hệ số Kurtosis lớn nhất là tại tần số trung tâm fc=17708.33Hz với độ rộng dải

Bw=2083.33Hz. Tiến hành phân tích phổ đường bao ta thu được kết quả như hình 5.53b. Do tốc độ quay của trục biến đổi trong quá trình thí nghiệm nên trên phổ đường bao chỉ xuất hiện tần số 245.3Hz sai số so với tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong là 2.1Hz, thành phần tần số 540.6Hz không phải là điều hòa của tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong.

Từ đó cho thấy các phương pháp chẩn đoán ổ đỡ con lăn bằng đồ thị Kurtogram không phát huy được hiệu quả khi tốc độ quay của trục biến đổi theo thời gian và tín hiệu ổ đỡ con lăn bị tín hiệu bánh răng làm nhiễu.

134

Hình 5.53. Đồ thị Kurtogram của tín hiệu (a), phân tích phổ đường bao trên vùng tần số xác định (b)

Áp dụng phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ để tiến hành tách thành phần tuần hoàn với tốc độ quay của trục:

+ Từ tín hiệu gia tốc đo được tiến hành lấy mẫu lại trong một vòng quay kết quả thu được biểu diễn trên hình 5.54a

+ Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với một vòng quay, kết quả thu được trên hình 5.54b

+ Tín hiệu do hư hỏng ổ đỡ con lăn là tín hiệu thu được trên hình 5.54c bằng cách lấy tín hiệu trên hình 5.54a trừ đi tín hiệu trên hình 5.54b.

Hình 5.54. Phân tách các nguồn tín hiệu bằng phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ

Tín hiệu ổ đỡ con lăn sau khi tách ra tiếp tục được đưa vào phân tích Kurtogram để xác định vùng tần số có hệ số Kurtosis lớn nhất, sau đó phân tích phổ đường bao của vùng tần số đó. Kết quả cho thấy phân tích trong miền bậc (hình 5.55b) cho thấy nhiều các điều hòa bậc hư hỏng hơn so với phân tích trong miền tần số (hình 5.55a). Điều này được giải thích do tốc độ quay trục biến đổi do đó việc phân tích trong miền tần số trở nên khó khăn.

Hình 5.55. Phổ đường bao (a) và phổ bậc đường bao (b) của tín hiệu ổ đỡ con lăn hư hỏng vòng trong

135

5.8 Phân loại hƣ hỏng bằng mạng nơron Wavelet

Để lựa chọn đầu vào cho mạng nơron trước hết cần phân tích tín hiệu của mỗi dạng hỏng để tìm ra đặc trưng của mỗi tín hiệu đó. Ban đầu tín hiệu mỗi dạng hỏng sẽ được chia thành các khối bằng nhau (cụ thể trong trường hợp này 37 khối) dựa trên cơ sở tín hiệu pha và phép nội suy. Mỗi khối tín hiệu này tiếp tục được phân ly thành 16 tín hiệu thành phần bằng phép biến đổi WPT bậc 4 (mỗi tín hiệu thành phần tương ứng với một vùng tần số khác nhau của khối tín hiệu). Sau đó tiến hành lấy độ lệch chuẩn của của 16 tín hiệu thành phần này (hình 5.56). Như vậy với mỗi dạng hỏng ta thu được một ma trận gồm các phần tử là độ lệch chuẩn (37x16 phần tử). Ma trận này chính là ma trận đặc trưng cho tín hiệu của mỗi dạng hỏng, được sử dụng để làm đầu vào cho mạng nơron (hình 5.57).

Không thể sử dụng trực tiếp các giá trị tín hiệu đặc trưng như Kurtosis, Crest factor…