1. Nguyên nhân gây rung động, tiếng ồn
2.3. Các dạng biểu đồ phân tích rung động, tiếng ồn
Có nhiều cách để đánh giá rung động, tiếng ồn của một thành phần máy hay cụm máy. Một cách thủ công có thể quan sát, cảm nhận bằng âm thanh hay bằng cảm giác.
Nhưng việc đánh giá bằng cách thủ công như thế kết quả mang tính cá nhân, chủ quan và phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm của người kỹ sư. Để khắc phục những yếu điểm đó, việc đánh giá bằng cách dùng biểu đồ mang lại hiểu quả cao hơn. Dựa vào các thông tin mà biểu đồ miêu tả, bằng kiến thức và sự phân tích biểu đồ kết quả đánh giá đưa ra chính xác, có cơ sở thuyết phục hơn thuận tiện cho việc tiến hành các biện pháp khắc phục giảm rung động, tiếng ồn.
Biểu đồ phân tích rung động, tiếng ồn là tập hợp hình vẽ, ký hiệu các phần tử mô hình hóa để minh họa, mô tả, thể hiện một cách cụ thể hay tổng thể của một thành phần máy hay cụm máy gây ra rung động, tiếng ồn. Biểu đồ dạng sóng (waveform) và biểu đồ dạng phổ (spectrum) là hai dạng biểu đồ dùng để đánh giá rung động hiệu quả nhất.
- Biểu đồ dạng sóng (waveform)
Mọi lĩnh vực trong cuộc sống con người đều có mối liên hệ tương phản với nhau. Kỹ thuật cơ khí và y học cũng có nhiều sự tương đồng. Tình hình sức khỏe của con người cũng giống như tình trạng của một chi tiết máy hay cụm máy. Trong quá trình vận hành
nguyên nhân và mức độ của rung động, tiếng ồn được thể hiện trong biểu đồ. Sự biểu diễn này thường sử dụng để mô tả rung động, tiếng ồn được gọi là waveform (biểu đồ dạng sóng). Một waveform là một sự biểu diễn mang tính đồ họa về mức độ rung động, tiếng ồn thay đổi theo thời gian. Hình dưới đây là một ví dụ về một biểu đồ waveform.
Một biểu đồ waveform đơn giản là một đồ thị cho thấy giá trị của một thành phần đang rung động, tiếng ồn thay đổi theo thời gian.
Hình 2.103 Biểu đồ dạng sóng [3]
Những thông tin mà một biểu đồ waveform cho biết, phụ thuộc vào thời khoảng và độ phân giải của một waveform. Thời khoảng của một waveform được định nghĩa là tổng chu kỳ thời gian qua đi mà chúng ta có thể biết được từ một waveform. Trong hầu hết các trường hợp, một vài giây là đủ. Độ phân giải của một waveform là một số đo mức độ chi tiết trong waveform và được xác định bằng số điểm dữ liệu mô tả hình dạng của một waveform. Với càng nhiều điểm thì biểu đồ waveform càng chi tiết, thông tin đưa ra càng rõ ràng, tuy nhiên sẽ gây ra phức tạp đồ thị và đặc biệt tốc độ xử lý để đưa ra được biểu đồ waveform từ các số liệu đo sẽ rất chậm, tốn nhiều thời gian. Do đó điều quan trọng là phải chọn giá trị thông số thể hiện mức độ phân giải cho phù hợp. Nhưng nhược điểm của một waveform là chỉ mô tả một cách tổng thể giá trị của các tần số dao động. Chỉ cho chúng ta thấy được cái nhìn tổng quát, không cho thấy một cách rõ ràng
các tần số mà ở đó xảy ra sự rung động. Do đó việc chẩn đoán rung động, tiếng ồn bằng biểu đồ waveform sẽ gặp khó khăn hơn, đòi hỏi người kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng và kinh nghiệm cao trong chẩn đoán máy.
- Biểu đồ dạng phổ spectrum.
Để khắc phục những vấn đề mà biểu đồ waveform gặp phải như đã phân tích ở trên người ta sử dụng một loại biểu đồ khác để phân tích rung động, tiếng ồn là biểu đồ dạng phổ spectrum. Một spectrum được định nghĩa là một biểu đồ biểu diễn các tần số ở một thành phần máy đang rung ồn cùng với các biên độ ở mỗi tần số đó. Dưới đây là một ví dụ về một spectrum.
Hình 2.114 Biểu đồ dạng phổ [3]
Thông tin mà một biểu đồ spectrum cung cấp cho chúng ta là các tần số riêng biệt mà ở đó xảy ra sự rung, ồn. Thông tin cung cấp một cách chi tiết nhất, tại tần nào sự rung, ồn xảy ra và xảy ra với biên độ bao nhiêu qua đó xác định được vị trí xảy ra rung ồn và mức độ của nó. Do đó có thể kết luận rằng biểu đồ spectrum là công cụ phân tích rung, ồn rất hữu ích. Bằng việc phân tích các tần số riêng của một thành phần máy đang rung, ồn cũng như các biên độ tương ứng với mỗi tần số đó, và chúng ta có thể tìm ra có sự liên hệ với nguyên nhân gây ra rung ồn và tình trạng của máy.
Các chi tiết máy và cụm máy được liên kết với nhau và tác động tương hỗ với nhau, sự hoạt động của chi tiết,của cụm chi tiết, của máy ảnh hưởng đến sự hoạt động của chi tiết khác, cụm chi tiết khác máy khác. Sự rung động trên máy khác biệt với sự dao động đơn giản của một con lắc, của một con thuyền đang bị sóng tác động, của một cái xích đu, nó không chỉ có một chuyển động dao động đơn giản mà nó là tập hợp gồm nhiều chuyển động rung động xảy ra đồng thời. Sự phức tạp trong rung động máy phụ thuộc vào kết cấu và sự phức tạp của chi tiết, của máy và sự liên kết giữa chúng.
vận hành của máy. Tốc độ vận hành càng cao thì Fmax càng phải cao. Độ phân giải của một spectrum là một số đo mức độ chi tiết của spectrum, và được xác định bởi số đường phổ mô tả hình dạng của biểu đồ spectrum. Càng nhiều đường phổ thì mức độ chi tiết của spectrum càng cao, thông tin cung cấp càng rõ ràng thuận tiện cho việc phân tích và đưa ra kết quả.
Phương pháp chuyển đổi đồ thị dạng sóng waveform sang đồ thị dạng phổ spectrum Một spectrum có thể được chuyển đổi từ một waveform bằng công thức toán học Fast Fourier Transform được viết tắt là FFT và thường được gọi là chuyển đổi Fourier (đặt tên theo nhà toán học người pháp Joseph Fourier). Biến đổi Fourier có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, ví dụ như trong số học, xác suất thống kê, hình học, quang học…
Trong vật lý đây là công thức chuyển đổi một hàm số hoặc một tín hiệu theo miền thời gian sang miền tần số.
Hình 2.15 Sơ đồ chuyển đổi trong phân tích rung động máy [3]
Tín hiệu gia tốc được tạo ra bởi gia tốc kế gắn trên thiết bị đo rung động và lần lượt chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu vận tốc. Phụ thuộc vào sự lựa chọn của người sử
dụng, tín hiệu có thể biểu diễn thành biểu đồ dạng sóng vận tốc (waveform) hay một biểu đồ phổ vận tốc (spectrum). Do đồ thị dạng phổ có một số ưu điểm hơn so với biểu đồ dạng sóng nên trong một số trường hợp ta chỉ sử dụng biểu đồ dạng sóng để phân tích tổng quát sơ bộ trước khi chuyển qua biểu đồ dạng phổ để phân tích kỹ hơn tìm ra nguyên nhân gốc rể của rung động, tiếng ồn. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng phương pháp chuyển đổi FFT.
- Một số khái niệm liên quan
Hình 2.16 Đồ thị chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số [8]
+ Tốc độ lấy mẫu Fs
Tốc độ lấy mẫu còn được gọi là tần số lấy mẫu được định nghĩa là số điểm dữ liệu thu được trong mỗi giây. Đây là thông số quan trọng để xác định biên độ lớn nhất và dạng sóng của tính hiệu một cách chính xác. Để đạt được biên độ đỉnh chính xác trong miền thời gian ta phải chọn tốc độ lấy mẫu nhanh hơn ít nhất 10 lần tấn số cao nhất.
Tốc độ lấy mẫu được tính theo công thức:
1 Fs
t
(2.1) Trong đó t là khoảng lấy mẫu. Đó là khoảng thời gian giữa các mẫu giữ liệu được thu thập trong miền thời gian. Giá trị t càng nhỏ thì việc đo đỉnh càng chính xác trong miền thời gian.
+ Kích thước khối (N): Là tổng số các điểm dữ liệu thời gian được thực hiện một phép biến đổi Fourier.
Được xác định bằng công thức: N= T.Fs, hoặc:
N T
t
(2.2)
Trong đó T là tổng thời gian để thu được một khối dữ liệu.
+ Băng thông (Fmax): Là tần số tối đa có thể được phân tích, giá trị của nó bằng một nữa tốc độ lấy mẫu. Băng thông được ký hiệu là Bandwidth.
Một lưu ý rằng thông thường tần số quang phổ được chuyển tự động thành giá trị biên độ và tự động loại bỏ đi giá trị pha.
Hình 2.17 Đồ thị biểu diễn biên độ và pha ở mỗi dãi tần số [8]
Giá trị của dải phổ bằng một nửa kích thước khối N. Có nghĩa là ở đồ thị sóng có kích thước khối là 2000 điểm dữ liệu thì ở đồ thị phổ có dải phổ là 1000 điểm dữ liệu.
Spectral line = SL= ẵ N
+ Độ phân giải tần số (Δf): Là khoảng cách giữa 2 điểm dữ liệu liên liên tiếp nhau trong miền tần số và được tính bằng cách lấy giá trị băng thông chia cho giá trị dải phổ.
𝛥𝑓 =𝑆𝑝𝑒𝑐𝑡𝑟𝑎𝑙𝐿𝑖𝑛𝑒𝑠𝐵𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡 (2.4) Việc chọn giá trị độ phân giải rất quan trọng trong việc phân tích hiệu qua đồ thị.
Chọn độ phân giải cao sẽ đồ thị sẽ không được chi tiết, gây khó khăn cho việc phân tích và tìm ra nguyên nhân gây ra tần số rung, ồn đó. Nhưng nếu chọn độ phân giải thấp quá sẽ tăng thời gian xử lý không cần thiết, hình dạng đồ thị quá chi tiết, quá rườm rà gây nhiễu đồ thị. Do đó điều quan trọng là chọn độ phân giải phù hợp với giá trị băng thông.
a. Độ phân giải bằng 1 b. Độ phân giải bằng 0,5 Hình 2.18 Độ phân giải tần số ảnh hưởng đến đồ thị phổ
Như hình trên sử dụng độ phân giải 0.5Hz là hợp lý, đồ thị phổ biểu diễn được hai đỉnh riêng biệt mà đồ thị sử dụng độ phân giải 1Hz không thể hiện được.
Xét một ví dụ:
Hình 2.19 Biểu đồ biểu diễn đường quang phổ theo tần số lấy mẫu
Có 8 đường quang phổ trải đều từ tần số 0 đến 16 Hz với độ phân giải là 2Hz. Giá trị tính tính toán tại điểm 0Hz không được tính vào tổng số các đường quan phổ, đây là điểm bù đắp biên độ khi chuyển từ đồ thị sóng (waveform) sang đồ thị dạng phổ spectrum.
Đường order, cách xây dựng và biểu diễn đường order lên đồ thị.
Định nghĩa đường order
Một tác nhân quay gây ra rung động, tác nhân đó quay với số vòng quay khác nhau ở nhiều tần số khác nhau do đó để biểu diễn sự thay đổi của tần số và biên độ theo số vòng quay thay đổi người ta dùng khái niệm đường order.
Đường order là công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc tìm ra nguồn gây ra rung động và xác định mức gây ra rung động bằng cách tính toán giá trị biên độ của rung động đó. Như chúng ta đã biết ô tô là tập hợp rất nhiều chi tiết, mỗi chi tiết trong đó đều có thể gây ra rung động ví dụ như bánh răng trục, piston, bơm, lốp… chúng tạo thành rung động tổng thể trên ô tô. Việc xác định đâu là nguồn gây ra rung động và mức độ gây ra rung động của từng thành phần trong rung động tổng thể đó của xe là rất phức tạp. Bằng việc theo
Hình 2.20 Trục quay độc lập
Giả sử trục quay với số vòng quay là 600 vòng/ phút, tương ứng với tần số:
600 1minute 10
. 10
minute 60seconds seconds
rev rev Hz
Tần số quay là 10Hz: có nghĩa là trục hoàn thành 10 vòng quay trong 1s và quay với một biên độ nào đó. Biểu diễn biên độ dao động và tần số ở 600 vòng/ phút như hình bên dưới [8].
Bây giờ, ta cho trục quay ở tốc độ 3300 vòng/ phút. Tần số quay tương ứng là:
3300 1minute 55
. 55
minute 60seconds second
rev rev
Hz
Tương tự ta biểu diễn như hình bên dưới
Tiếp tục cho trục quay với tần số 6000 vòng/ phút, ta tính được tần số quay tương ứng là 100Hz và biểu diễn như hình bên dưới [8].
Ta đưa ba điểm ở trên vào cùng một đồ thị (3D) ta được đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tần số và biên độ ở các số vòng quay khác nhau bằng cách nối ba điểm đó với nhau.
Chiếu lên mặt phẳng vuông góc ta được đường order của trục khi quay ở các tốc độ khác nhau.
Hình 2.21 Đồ thị biểu diễn đường order [8]
Tuy nhiên trên thực tế phức tạp hơn nhiều, ô tô có rất nhiều chi tiết quay không chỉ riêng động cơ. Khi động cơ quay thông qua puly làm quay bơm nước, quạt làm mát, máy nén… do đó tồn tại rất nhiều nguồn có thể gây ra rung động, điều này đồng nghĩa
Hình 2.22 Hệ trục truyền động [8]
Do tỷ số truyền nên trục B sẽ quay nhanh gấp 3 lần trục A, do đó tốc độ quay và tần số tương ứng của trục B theo trục A được tính và thể hiện trong bảng 2.1 bên dưới.
Bảng 2.1 Bảng thông số tốc độ quay và tần số của trục A và trục B
STT Trục A Trục B
1 600 vòng/ phút (10Hz) 1,800 vòng/ phút (30Hz) 2 3,300 vòng/ phút (55Hz) 9,900 vòng/ phút (165Hz) 3 6,000 vòng/ phút (100Hz) 18,000 vòng/ phút (300Hz)
Từ các giá trị tính được, bằng cách xây dựng như trong ví dụ trước đó ta có được đường order của trục A và B. Và đặt 2 đường order vào chung một đồ thị như hình bên dưới. Mối liên hệ giữa 2 đường order này với nhau là mối liên hệ tỷ số truyền. Thứ tự của 2 đường order là tùy ý, nếu mặc định đặc đường order của trục A làm chuẩn thì đường order của trục B là order 3, ngược lại nếu ta đang theo dõi trên đường order của trục B và đặt trục B làm chuẩn thì đường order của trục B sẽ là đường đầu tiên, đường order của trục A biểu diễn theo trục B là đường order 1/3.
Hình 2.23 Đồ thị biểu diễn đường order của hai trục quay [8]
Đường order của động cơ
Động cơ được coi là trái tim và là bộ phận quan trọng nhất trên ô tô. Động cơ là nguồn năng lượng và năng lượng đó được tạo ra bằng cách biến đổi hóa năng (đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt) thông qua nhiệt năng (nhiệt độ), thế năng (áp suất) thành năng lượng cơ (làm piston dịch chuyển thông qua thanh truyền làm quay trục khuỷu). Cũng chính do nguyên lý hoạt động đó, bên cạnh những nguồn gây ra rung, ồn khác (hoạt động bằng cách lấy năng lượng từ động cơ) thì động cơ là nguồn gây ra rung, ồn chính trên ô tô. Do đó việc theo dõi đường order của động cơ là rất quan trọng, làm cơ sở để xác định các nguồn gây ra rung, ồn khác.
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ
Động cơ đốt trong sử dụng trên ô tô là động cơ đốt trong 4 kỳ, nguyên lý hoạt động gồm 4 kỳ riêng biệt: nạp, nén, cháy giãn nở và xả trong 2 vòng quay của trục khuỷu.
Như vậy trong 2 vòng quay của trục khuỷu thì chỉ có một lần sinh công điều này có nghĩa là trong 2 vòng quay đó của trục khuỷu chỉ có một lần piston tác dụng lực lên trục khuỷu.
phân tích xác định nguồn gốc của rung, ồn.
Đồ thị thể hiện sự thay đổi của biên độ và tần số theo từng số vòng quay cụ thể khi động cơ tăng tốc. Trên đồ thị ta có thể dễ dàng xác định tại vùng tần số nào gây ra rung, ồn và mức độ rung, ồn độ lớn hay nhỏ tại phạm vi tốc độ nào của động cơ.
Hình 2.25 Đồ thị thác nước[8]
Một dạng thể hiện khác của đồ thị thác nước là đồ thị màu. So với đồ thị thác nước thì độ thị màu trực quan hơn, dễ nhìn hơn do đó thường được dùng để làm công cụ phân tích. Trục biên độ được thể hiện qua cường độ màu, màu mát (màu xanh) tương ứng với giá trị biên độ nhỏ và tăng dần khi chuyển sang màu đậm dần (vàng, cam, đỏ). Từ đồ thị màu ta có thể xác định vị trí có xảy ra rung động, đặc biệt vùng tần số nào là vùng có xảy ra sự cộng hưởng. Bằng cách theo dõi đường order và tính toán tỷ số truyền ta có thể xác định được nguồn gây ra rung động.
Hình 2.26 Đồ thị màu [8]