CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CỦA HỘP SỐ BÁNH RĂNG
BẰNG PHÂN TÍCH THỜI GIAN – TẦN SỐ CÁC DAO
ĐỘNG CƠ HỌC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN PHONG ĐIỀN
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Phong
Điền đã tận tâm hướng dẫn khoa hoc, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ Khí
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu
được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các
thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Giáo viên hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn Phong Điền
Hà Nội, ngày tháng……năm……
Tác giả luận án
2.2.3 Cong trục 34
2.2.4 Một số nguyên nhân khác 34
2.3 Các dạng hỏng và đặc trƣng dao động bánh răng 35
2.3.1 Thông số hình học cơ bản bánh răng 35
2.3.2 Một số dạng hỏng chủ yếu của bánh răng 36
2.3.3. Dao động do quá trình ăn khớp của bánh răng 37
2.4 Các dạng hỏng và đặc trƣng dao động ổ đỡ con lăn 47
2.4.1 Giới thiệu chung về ổ đỡ con lăn 47
2.4.2 Các dạng hỏng chủ yếu của ổ đỡ con lăn 48
2.4.3 Đặc điểm dao động ổ đỡ con lăn 48
2.4.4 Tần số đặc trưng hư hỏng ổ đỡ con lăn và phương pháp xác định 50
2.5 Tổng kết các triệu chứng chẩn đoán cơ bản 54
Kết luận chƣơng 2 56
CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN
DAO ĐỘNG 57
3.1 Giới thiệu chung về phép biến đổi Wavelet 57
3.1.1 Mở đầu 57
3.1.2 Hàm Wavelet cơ sở 58
3.2 Phép biến đổi Wavelet liên tục 59
3.2.1 Cơ sở toán học 59
3.2.2 Độ phân giải thời gian – tần số 61
3.2.3 Tính toán số và đánh giá định lượng phép biến đổi 63
3.2.4 Một số ví dụ áp dụng 66
3.3 Phép Biến đổi Wavelet rời rạc 69
3.3.1 Cơ sở toán học 69
3.3.2 Phân tích đa phân giải 70
3.3.3 Thuật giải 71
3.3.4 Ví dụ áp dụng 72
3.4 Phép biến đổi Wavelet packet 73
Kết luận chƣơng 4 103
CHƢƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 105
5.1 Xây dựng chƣơng trình xử lý tín hiệu số đa năng 105
5.1.1 Kết cấu và giao diện chính của chương trình 105
5.1.2 Nhập dữ liệu 106
5.1.3 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ 107
5.1.4 Phân tích phổ 109
5.1.5 Phân tích tín hiệu trong miền thời gian-tần số 109
5.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm 112
5.2.1 Mô tả thí nghiệm 112
5.2.2 Giới thiệu phần mềm đo dao động 114
5.3 Chẩn đoán hƣ hỏng trục 115
5.4 Chẩn đoán hƣ hỏng bánh răng 116
5.4.1 Hư hỏng trên hộp số một cấp 116
5.4.2 Hư hỏng bánh răng trên hộp số 2 cấp 122
5.5 Giám sát tình trạng hoạt động hộp số công nghiệp 125
5.5.1 Đánh giá định tính hư hỏng 126
5.5.2 Đánh giá định lượng hư hỏng 128
5.6 Chẩn đoán hƣ hỏng ổ đỡ con lăn 129
5.6.1 Chẩn đoán hư hỏng vòng ngoài 130
5.6.2 Chẩn đoán hư hỏng vòng trong 131
5.7 Chẩn đoán hƣ hỏng đồng thời bánh răng và ổ lăn 133
5.8 Phân loại hƣ hỏng bằng mạng nơron Wavelet 135
Kết luận chƣơng 5 137
KẾT LUẬN 138
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 I
( , )
x
SW f
Hệ số Scalogram của tín hiệu x tại thời điểm
và tỉ lệ s
( , )
x
SF f
Hệ số Spectrogram của tín hiệu x tại thời điểm
và tỉ lệ s
( , )
x
WT s
Hệ số Wavelet của tín hiệu x tại thời điểm
và tỉ lệ s
Tần số trung tâm của hàm (f)
()xt
Tín hiệu giải tích của tín hiệu x(t)
(t) Hàm wavelet cơ sở
(t) Hàm Wavelet cơ sở
0
Hệ số Morlet
f Độ phân giải tần số
t Độ phân giải thời gian (
t=T
0
)
x
Độ lệch chuẩn
x
Hệ số Kurtosis
x
n
Tần số quay của trục
II
f
r
Tần số đặc trưng hư hỏng con lăn
f
s
Tần số lấy mẫu
f
vn
Tần số đặc trưng hư hỏng vòng ngoài
f
vt
Tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong
f
z
Tần số ăn khớp
g(t) Hàm cửa sổ
j Đơn vị ảo (
1
)
M Số khối
M
k
Mô men xoắn
N Số điểm lấy mẫu
n Số vòng quay
P(f) Phổ công suất tín hiệu
V
Không gian con kín
W
Không gian con wavelet
W Ma trận trọng số liên kết
w
k,j
Trọng số liên kết của đầu vào thứ j và nơ ron đầu ra thứ k
X(f) Phổ tần số của tín hiệu x(t)
x(n) Tín hiệu số
x(t) Tín hiệu liên tục theo thời gian
z Số con lăn trong ổ đỡ con lăn
Z Số răng trên bánh răng
Danh mục chữ viết tắt
ADC Mạch chuyển đổi tương tự - số (Analog – Digital convert)
AM Điều biến biên độ (Amplitude Modulation)
ANN Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network)
BP Thuật toán lan truyền ngược (Back propagation)
CBM Chẩn đoán theo tình trạng (Condition-Based Maintenance)
CWT Phép biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform)
DIN Viện tiêu chuẩn Đức (Deutsche Institut fuer Normen)
DWT Phép biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform)
FFT Phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)
FM Điều biến tần số (Frequency Modulation)
FSST Phép biến đổi nén trên cơ sở Fourier dạng cửa sổ
FT Phép biến đổi Fourier (Fourier Transform)
Bảng 2.3: Các triệu chứng chẩn đoán cơ bản 55
Bảng 3.1. Một số hàm cửa số thông dụng [62] 59
Bảng 3.2: So sánh độ phân giải thời gian – tần số 63
Bảng 4.1. Các thông số cơ bản để biểu diễn tín hiệu trong miền góc và miền bậc 91
Bảng 5.1: Mô tả kết cấu của bộ chương trình tính 105
Bảng 5.2: Các thiết bị dùng trong thí nghiệm 112
Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của hộp số 113
Bảng 5.4: Danh mục các thí nghiệm 113
Bảng 5.5. Thông số hình học của ổ đỡ con lăn khảo sát 130
Hình 1.1: Sự cố nghiêm trọng tại một tổ máy tuốc bin hơi tại Châu Âu năm 1984 4
Hình 1.2: Các bước của chẩn đoán kỹ thuật [66] 5
Hình 1.3: Giám sát bằng đường đặc tính của thông số giám sát x(t) 5
Hình 1.4: Hư hỏng cục bộ (a) và hư hỏng phân bố (b)(nguồn [36]) 8
Hình 1.5: Phổ tần số ứng với các đại lượng đo khác nhau của cùng một dao động cơ học 9
Hình 2.1: Phân loại tín hiệu dao động (nguồn [16]) 16
Hình 2.2: Tín hiệu tuần hoàn hai chu kỳ 17
Hình 2.3: Tín hiệu hầu tuần hoàn [16] 17
Hình 2.4: Một số dạng tín hiệu chuyển tiếp [45] 17
Hình 2.5: Tín hiệu ngẫu nhiên: a) ngẫu nhiên dừng, b) ngẫu nhiên không dừng [45] 18
Hình 2.6: Một tín hiệu đo có cấu trúc chồng chất: a) thành phần dao động riêng do va
chạm, b) thành phần dao động cưỡng bức do mất cân bằng, c) tín hiệu tổng hợp 18
Hình 2.7: Một tín hiệu điều biến biên độ với các tần số f
1
= 2 Hz, f
2
=30 Hz, tín hiệu điều
biến x
1
(t) chính là đường bao của tín hiệu x(t) 19
Hình 2.31: Thông số hình học của bánh răng trụ răng thẳng 35
Hình 2.32: Một số dạng hư hỏng phân bố của bánh răng (nguồn internet) 36
Hình 2.33: Một số dạng hư hỏng cục bộ của bánh răng (nguồn internet) 37
Hình 2.34: Sơ đồ một hộp số bánh răng trụ một cấp (nguồn [36]) 38
Hình 2.35: Lực ăn khớp 38
Hình 2.36: Mô hình độ cứng ăn khớp 39
Hình 2.37: Mô hình phần tử hữu hạn tính toán độ cứng ăn khớp (nguồn [70]) 40
Hình 2.38: (a) hai cặp răng tham gia ăn khớp, (b) một cặp răng tham gia ăn khớp 40
Hình 2.39: Dạng đồ thị của độ cứng ăn khớp theo thời gian. (a) bánh trụ răng thẳng, (b)
Bánh răng trụ răng nghiêng, tính toán nhờ phần mềm [21] 41
Hình 2.40: Mô hình dao động ăn khớp có tính đến độ cứng ăn khớp và sai số truyền động42
Hình 2.41: Các mô hình dao động ăn khớp sử dụng trong [58, 70, 89] (trái) và [5, 54]
(phải) 43
Hình 2.42: Phổ tần số của tín hiệu dao động tương ứng với các trạng thái mòn khác nhau
của hộp số: (a) mới, (b) mòn vừa phải, (c) khởi đầu mòn nghiêm trọng và (d) mòn nghiêm
trọng 45
Hình 2.43: Mô tả hiện tượng ăn khớp sớm dẫn đến va chạm ăn khớp (nguồn [36]) 45
Hình 2.44: Hiện tượng mất tiếp xúc do khe hở 46
Hình 2.45: Mô hình ăn khớp răng với độ cứng ăn khớp và khe hở [89] 46
Hình 2.46: Hiện tượng va chạm ăn khớp xuất hiện trên đồ thị sai số truyền động xác định
bằng thực nghiệm [96] 47
Hình 2.47: Cấu tạo ổ đỡ con lăn (a) và các dạng con lăn (b) 47
Hình 2.48: Thông số hình học của ổ lăn 48
Hình 2.49: Hiện tượng tróc tại vòng ngoài của ổ đỡ con lăn [23] 48
Hình 2.50. Các vị trí đo dao động của ổ đỡ con lăn để thu thập tín hiệu chẩn đoán 49
Hình 2.51: Các dạng tín hiệu đặc trưng đo được tại vị trí gần với ổ đỡ con lăn bằng gia tốc
kế [37] 50
Hình 2.52: Đặc điểm phổ qua các giai đoạn hoạt động của ổ đỡ con lăn [18] 51
Hình 2.53: Sơ đồ động học của ổ đỡ con lăn [77] 51
Hình 2.54: Sơ đồ động học của ổ đỡ con lăn xét trong mặt phẳng tiếp xúc [77] 52
Hình 3.20: Sơ đồ thuật toán Wavelet nén đồng bộ WSST 76
Hình 3.21: Phân tích tín hiệu bằng phép biến đổi WSST (b) và phép biến đổi CWT (a) 76
Hình 3.22: So sánh phân bố thời gian – tần số được xử lý bằng các phép biến đổi khác
nhau 77
Hình 3.23: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu trong quá trình máy tăng tốc 77
Hình 3.24: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu khi máy vận hành có tần số thay đổi 78
Hình 3.25: Sơ đồ thuật toán phép biến đổi GST 79
Hình 3.26: Minh họa phép biến đổi GST so sánh với các phép biến đổi khác 80
Hình 3.27: Cấu trúc của một nơron [91] 81
Hình 3.28: Hàm tuyến tính từng đoạn (a) hàm sigmoid (b) [91] 82
Hình 3.29: Perceptron [91] 83
Hình 3.30: Phân loại các vectơ đầu vào của Perceptron 83
Hình 3.31: Mạng nơron truyền thẳng đơn lớp (a) và đa lớp (b) [91] 84
Hình 3.32: Cấu trúc của một mạng nơron Wavelet (a) và Wavelon (b) 86
Hình 4.1: Minh họa phương pháp trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian (nguồn
[25]) 87
Hình 4.2: Phổ tín hiệu trung bình hóa đồng bộ với các khối khác nhau 88
Hình 4.3: Nội suy đa thức Lagrange và đa thức bậc 3 [43] 89
Hình 4.4: Lấy mẫu theo thời gian (a) và lấy mẫu theo miền góc (b) khi tốc độ quay thay đổi90
Hình 4.5: Tín hiệu và phổ trong miền thời gian (a,b) và tín hiệu và phổ trong miền góc
(c,d) 91
Hình 4.6: Tín hiệu gia tốc (a) và tín hiệu pha (hình b), chia khối nhờ tín hiệu pha (c) [36] 92
Hình 4.7: Sơ đồ thuật toán trung bình hóa tín hiệu đồng bộ dựa trên tín hiệu pha 92
Hình 4.8: Chia khối và trung bình hóa các khối 93
Hình 4.9: Kết quả trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai thành phần tín hiệu khác nhau 94
Hình 4.10: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ đối với một trục không gắn đầu đo pha 94
Hình 4.11: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với nhiều trục khác nhau chỉ sử dụng một đầu
đo pha 95
Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý tách tín hiệu pha từ tín hiệu gia tốc với tốc độ quay ổn định . 95
Hình 4.13: Mô tả hiện tượng chồng lấn tần số: Không chồng lấn (a), có chồng lấn (b) 96
Hình 5.10: Khai báo các thông số cho phép biến đổi WSST (trái) và GST (phải) 111
Hình 5.11: Quy trình chẩn đoán trên cơ sở chương trình tính đã được xây dựng 111
Hình 5.12: Mô hình thí nghiệm được mô phỏng 3D bằng Solidworks 112
Hình 5.13: Mô hình thí nghiệm thực 113
Hình 5.14: Các thông số động học của hộp số 2 cấp 114
Hình 5.15: Giao diện làm việc phần mềm DasyLab 115
Hình 5.16: Thiết lập các kênh đo (trái) và các thông số kỹ thuật đo (phải) 115
Hình 5.17: Phổ tần số trục bình thường (a) và trục mất cân bằng (b) 116
Hình 5.18: Phổ tần số trục bình thường (a) và trục bị cong (b) 116
Hình 5.19: Mô hình thí nghiệm nứt răng trên hộp số 1 cấp 117
Hình 5.20: Phân tích tín hiệu trong miền thời gian (a) và trong miền tần số (b) 117
Hình 5.21: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai trạng thái của răng 118
Hình 5.22: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai trạng thái của răng 118
Hình 5.23: Lát cắt song song trục tần số (a) và song song trục thời gian (b) 118
Hình 5.24: Phân bố thời gian – tần số của hộp số còn mới bằng CWT(a) và WSST(b) 119
Hình 5.25: Phân bố thời gian – tần số sử dụng WSST trong hai trạng thái răng 119
Hình 5.26: Phân bố thời gian – tần số sử dụng GST với trường hợp bánh răng nứt 120
Hình 5.27: Tín hiệu miền thời gian (a,b) và phổ tần số (c,d) với bánh răng bình thường và
nứt 120
Hình 5.28: Phân bố thời gian – tần số sử dụng phép biến đổi GST trong hai trạng thái răng121
Hình 5.29: Tín hiệu TSA trong trường hợp bánh răng bình thường (a) và có hư hỏng nứt
(b) 121
Hình 5.30: Biểu diễn phân bố thời gian - tần số trong hai trạng thái răng trên tọa độ cực 122
Hình 5.31: Đánh giá định lượng hư hỏng bằng tham số FM0 (a) và hệ số Kurtosis (b) 122
Hình 5.32: Mô hình thí nghiệm hư hỏng răng trên hộp số 2 cấp bánh răng nghiêng 123
VIII
Hình 5.33: Tín hiệu dao động (thô) ứng với 3 trạng thái răng 123
Hình 5.34: Phổ tần số ứng với ba trạng thái răng 124
Hình 5.35: TSA ba dạng hỏng với một vòng quay trục giữa 125
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Với chức năng truyền/biến đổi chuyển động và lực từ động cơ đến các bộ phận làm
việc, các hộp số bánh răng có vai trò quan trọng trong máy móc và thiết bị. Ngày nay với
sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực cơ khí - tự động hóa, nhiều dây chuyền máy móc
được khép kín từ khâu đầu vào tới đầu ra sản phẩm. Khi một chi tiết của hộp số bánh răng
phát sinh hư hỏng có thể làm đình trệ hoạt động của cả dây chuyền sản xuất, gây thiệt hại
lớn về kinh tế.
Lĩnh vực chẩn đoán kỹ thuật ra đời nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy và đảm bảo
các hệ thống kỹ thuật hoạt động an toàn và liên tục. Các hình thức bảo dưỡng theo tình
trạng hoạt động dựa trên các kết quả của chẩn đoán đã được áp dụng khá phổ biến và mang
lại nhiều lợi ích về kinh tế - kỹ thuật các lợi ích đó là giảm thời gian dừng máy do hỏng
hóc, giảm chi phí bảo dưỡng, chủ động trong việc chuẩn bị phụ tùng thay thế, tăng độ tin
cậy của thiết bị. Chẩn đoán dao động cho hộp số bánh răng là một giải pháp kỹ thuật có
hiệu quả để nhận dạng sớm các hư hỏng, qua đó giảm thiểu các nguy cơ sự cố, tai nạn có
nguyên nhân từ các hư hỏng xảy ra quá trình vận hành của hộp số bánh răng và cả hệ thống
thiết bị.
Tuy nhiên, việc áp dụng chẩn đoán dao động sẽ làm gia tăng chi phí cho thiết bị và
nhân lực. Hơn nữa, độ chính xác của các kết quả chẩn đoán có ảnh hưởng rất lớn đến các
giải pháp xử lý sau đó. Một kết luận sai về tình trạng hư hỏng có thể dẫn đến tổn hại về
kinh tế. Do thiếu những nghiên cứu chuyên sâu nên việc áp dụng chẩn đoán kỹ thuật nói
chung và chẩn đoán dao động nói riêng ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. Chính vì vậy, một
đề tài nghiên cứu những giải pháp kỹ thuật chẩn đoán dao động cho các hộp số bánh răng
công nghiệp, và giảm sự phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài trong lĩnh vực này là rất cần
thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
đầu đo pha;
+ Phân tích và đánh giá hiệu quả của TSA trong việc phát hiện các hư hỏng xảy ra
đồng thời trên các chi tiết khác nhau của hộp số.
+ Nghiên cứu khả năng áp dụng trí tuệ nhân tạo trong một hệ thống giám sát dao động
thông minh cho hộp số bánh răng.
- Xây dựng các thuật toán và một chương trình phân tích tín hiệu số trên phần mềm
tính toán đa năng MATLAB (gọi là bộ chương trình tính) trên cơ sở các phương pháp chẩn
đoán dao động truyền thống và các phương pháp mới đề xuất.
- Phân tích, đánh giá và tổng kết các đặc trưng dao động chủ yếu của các chi tiết quay
phổ biến trong hộp số bánh răng (trục, khớp nối, bánh răng, ổ đỡ). Từ đó tìm ra triệu chứng
hư hỏng của các chi tiết này trong hộp số vận hành với tốc độ quay ổn định và biến đổi
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm tự chế tạo và tại các hộp số công
suất lớn trong nhà máy sản xuất để kiểm chứng các kết quả lý thuyết. Bộ chương trình tính
được sử dụng để phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm nhằm mục đích tìm ra triệu chứng
hư hỏng của các chi tiết quay trong hộp số bánh răng.
Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, Luận án gồm các phần chính sau đây:
Chương 1: Trình bày tổng quan về giám sát và chẩn đoán kỹ thuật, sơ lược những
công trình nghiên cứu và những kết quả chính đã đạt được trên thế giới. Từ đó, lựa chọn
hướng đi cho luận án sao cho có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng thực tiễn cao.
Chương 2: Trình bày về cấu trúc tín hiệu dao động cơ học và các dạng hỏng thường
gặp của các chi tiết quay trong hộp số bánh răng; đưa ra các triệu chứng chẩn đoán của các
dạng hỏng này dựa vào phân tích tín hiệu dao động cơ học. Các phương pháp xử lý tín hiệu
số cơ bản đã và đang được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực chẩn đoán dao động cũng được
trình bày trong chương này.
Chương 3: Nghiên cứu về cơ sở toán học các phép biến đổi trong miền thời gian – tần
số, đặc biệt đi sâu vào cải tiến độ phân giải thời gian-tần số của phép biến đổi Wavelet
thông qua phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ; kết hợp phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ
với các phép biến đổi khác, cũng như ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo để chẩn đoán hư
hỏng các chi tiết quay trong hộp số bánh răng.
không cần đầu đo pha. Giải pháp này có ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm chi phí thiết bị
cho hệ thống chẩn đoán dao động.
- Đề xuất một quy trình chẩn đoán dao động trên cơ sở phân tích thời gian-tần số các
dao động cơ học để phát hiện và định vị hư hỏng của hộp số bánh răng trụ vận hành trong
trạng thái tốc độ quay biến đổi và tải trọng thay đổi; đã kiểm chứng tính hiệu quả của quy
trình này trên mô hình thí nghiệm tự chế tạo và các kết quả đo thực nghiệm tại hiện trường.
- Xây dựng được một chương trình phân tích tín hiệu trên phần mềm MATLAB, tích
hợp nhiều thuật toán xử lý tín hiệu số trong miền thời gian-tần số, đã áp dụng thành công
trong các nghiên cứu thực nghiệm và có khả năng triển khai ứng dụng trong thực tế nhằm
phát hiện sớm và định vị các hư hỏng cục bộ, bất thường trong các chi tiết quay của hộp số
bánh răng. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về chẩn đoán kỹ thuật
Thuật ngữ chẩn đoán (diagnostics) có nguồn gốc từ lĩnh vực y học để biểu thị sự phát
hiện và nhận dạng các vấn đề về sức khỏe của con người thông qua xét nghiệm và đánh giá
các triệu chứng bệnh. Việc xác định phương pháp điều trị phụ thuộc vào kết quả chẩn đoán
y học.
Trong khi đối tượng của chẩn đoán y học là con người, chẩn đoán kỹ thuật (technical
diagnostics) nhằm phát hiện và nhận dạng các lỗi/hư hỏng của các hệ thống kỹ thuật như
máy móc, thiết bị và kết cấu công trình thông qua phép đo các thông số vật lý và đánh giá
các triệu chứng hư hỏng của đối tượng chẩn đoán. Trên thế giới, chẩn đoán kỹ thuật đã trở
thành một lĩnh vực khoa học quan trọng về nhận dạng tình trạng kỹ thuật của máy móc,
thiết bị và kết cấu [31, 66]. Dựa trên các kết quả của chẩn đoán kỹ thuật, phương thức bảo
dưỡng thiết bị theo tình trạng kỹ thuật [53] đã và đang mang lại nhiều lợi ích về kinh tế -
kỹ thuật như tránh dừng máy bất thường do sự cố hỏng hóc, giảm chi phí bảo dưỡng so với
phương thức bảo dưỡng định kỳ, chủ động trong việc chuẩn bị phụ tùng thay thế và đặc
Hình 1.2: Các bước của chẩn đoán kỹ thuật [66]
Bước Giám sát nhằm phát hiện và theo dõi quá trình gia tăng của lỗi hoặc hư hỏng của
đối tượng cần giám sát. Mỗi hệ thống giám sát phải thu thập dữ liệu theo thời gian của các
thông số vật lý (nhiệt độ, áp suất, cường độ âm, mức dao động cơ học v.v… ) từ các kết
quả đo đạc, được gọi là các tín hiệu giám sát. Các tín hiệu này được phân tích, xử lý nhằm
xác định các thông số giám sát. Các thông số giám sát được chọn sao cho sự biến thiên của
chúng phải tương ứng với sự thay đổi tình trạng kỹ thuật của đối tượng được giám sát. Một
Xác định mức thay đổi
Phát hiện hƣ hỏng
Mô hình
chẩn đoán
Trạng thái hƣ hỏng
Nhận dạng hƣ hỏng
Chẩn đoán
Giám sát
Phân tích tín hiệu
Phát hiện sự bất thƣờng
Triệu chứng chẩn đoán
Thông số chẩn đoán
6
Việc xây dựng đường đặc tính của thông số giám sát trên cơ sở kết quả đo đạc và
phân tích tín hiệu giám sát (hình 1.3) cho phép theo dõi mức độ tiến triển của một dạng hư
hỏng xác định. Việc giám sát được tiến hành thường xuyên hoặc định kỳ tùy theo mức độ
quan trọng của đối tượng phải giám sát và tần suất xảy ra hư hỏng.
Bước chẩn đoán có mục tiêu nhận dạng, định vị và đánh giá mức độ của hư hỏng đã
được phát hiện qua giám sát [31]. Như vậy, nhiệm vụ của chẩn đoán phức tạp hơn nhiều so
với giám sát và do đó, có chí phí cao hơn về thiết bị và nhân lực. Theo tài liệu [66], chẩn
đoán có bốn đặc điểm cơ bản sau:
- Quá trình chẩn đoán dựa trên các phép đo gián tiếp, tức là các đại lượng đo được chỉ
phán ánh một cách gián tiếp tình trạng kỹ thuật. Việc nhận dạng các hư hỏng bên trong
thiết bị dựa trên các triệu chứng bên ngoài.
- Quá trình chẩn đoán được tiến hành khi thiết bị đang vận hành bình thường.
- Đối với một thiết bị cụ thể, kết quả chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật của chính
thiết bị đó và không thể áp dụng cho các thiết bị khác.
- Quá trình chẩn đoán được tiến hành liên tục hoặc định kỳ.
- Theo đối tượng chẩn đoán: Chẩn đoán máy (machinary diagnostics), chẩn đoán kết
cấu (structural diagnostics).
- Theo dạng tín hiệu chẩn đoán: Chẩn đoán dao động (vibration diagnostics), chẩn
đoán âm học (acoustic diagnostics).
7
Bên cạnh những lợi ích đã nêu ở trên, việc áp dụng chẩn đoán kỹ thuật gắn liền với
chi phí đầu tư và nhân lực. Do đó, việc lựa chọn áp dụng một hệ thống chỉ thực hiện chức
năng giám sát hay một hệ thống thực hiện đầy đủ chức năng giám sát - chẩn đoán phụ
thuộc vào giá trị, tầm quan trọng và các yêu cầu về mức độ an toàn của thiết bị.
1.2 Tổng quan về chẩn đoán dao động cho hộp số bánh răng
1.2.1 Vấn đề hƣ hỏng của hộp số bánh răng
Các hộp số bánh răng thực hiện đồng thời chức năng truyền lực và truyền chuyển động
(truyền công suất). Đối với các hệ truyền động quay như hộp số bánh răng quá trình truyền
công suất diễn ra giữa các trục quay. Một hộp số gặp sự cố có thể làm đình trệ hoạt động
của máy và thậm chí, cả một dây chuyền sản xuất.
Một hộp số bánh răng gồm nhiều cụm chi tiết cấu thành như kết cấu vỏ, trục, khớp nối
trục, ổ đỡ, bánh răng. Mỗi cụm chi tiết như ổ đỡ con lăn được lắp ráp từ nhiều phần đơn lẻ.
Hư hỏng tại một chi tiết máy trong khi làm việc cũng có thể gây ra sự cố cho toàn bộ hệ
truyền động.
Do sự quan trọng của hộp số bánh răng đối với toàn bộ máy, vấn đề giám sát và chẩn
đoán cho hộp số bánh răng thực sự nhận được sự quan tâm lớn của giới nghiên cứu vào
những năm 90 của thế kỷ trước cùng với sự phát triển của kỹ thuật đo dao động bằng các
đại lượng điện và nhiều phương pháp xử lý tín hiệu số đã được đề xuất. Khi đó, những giải
pháp chẩn đoán máy quay đã được giới công nghiệp tại các nước phát triển đón nhận và
triển khai ứng dụng ngay với các sản phẩm cơ khí của họ. Các sách chuyên khảo [39] và
[82] là tổng kết các nguyên tắc, phương pháp cơ bản đối với giám sát và chẩn đoán máy
quay, trong đó dao động cơ học là đại lượng đo chẩn đoán. Các công trình của các tác giả
người Đức Cempel [27], Klein [56] và Kolerus [57] đã đặt nền móng cho sự phát triển các
phương pháp chẩn đoán dao động của máy nói chung và hộp số bánh răng nói riêng.
8
(hình 1.4a). Các hư hỏng phân bố (thí dụ mòn, tróc) cần được giám sát để tiên liệu được
thời gian hoạt động còn lại và có kế hoạch thay thế kịp thời (hình 1.4b). Hình 1.4: Hư hỏng cục bộ (a) và hư hỏng phân bố (b)(nguồn [36])
Ở Việt Nam những năm gần đây có một số nhóm nghiên cứu vấn đề hư hỏng của hộp
số bánh răng tuy nhiên mức độ tiếp cận còn hạn chế. Nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí đã thực hiện một đề tài cấp Nhà nước về các phương pháp giám sát tình trạng
kỹ thuật cho thiết bị cơ khí, trong đó tập trung nghiên cứu việc ứng dụng các qui trình giám
sát hộp giảm tốc bánh răng và các loại ổ đỡ dựa trên các kết quả nghiên cứu đã có của thế
giới. Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có một số kết quả bước
đầu để phát hiện hư hỏng cho các chi tiết bánh răng và ổ đỡ con lăn [3, 36, 65]. Nhóm
nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Đà Nẵng tập trung vào nghiên cứu hư hỏng trong các hệ
truyền động bằng phân tích tín hiệu âm thanh với công cụ chủ yếu được sử dụng là phân
tích phổ tần số.
Nhìn chung, các vấn đề lý thuyết và giải pháp kỹ thuật để chẩn đoán hư hỏng hộp số
bánh răng chưa nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nhóm nghiên cứu trong nước, bởi
vậy những hiểu biết chuyên sâu trong lĩnh vực này còn nhiều hạn chế so với thế giới. Tuy
nhiên, nhu cầu về sử dụng các hệ thống chẩn đoán dao động cho các hộp số bánh răng
trong nền công nghiệp của Việt Nam sẽ ngày càng tăng do những lợi ích mà lĩnh vực này
mang lại.
1.2.2 Tín hiệu chẩn đoán và phƣơng pháp đo
những phương pháp phân tích, xử lý tín hiệu phù hợp [82].
Việc lựa chọn đại lượng đo (dịch chuyển, vận tốc hay gia tốc dao động) phụ thuộc vào
đặc điểm của đối tượng đo (chế độ vận hành, cơ chế kích động dao động) và đặc tính kỹ
thuật của các loại đầu đo. Các tài liệu [56, 57] và tiêu chuẩn [49] đã đưa ra các chỉ dẫn
quan trọng về việc lựa chọn đại lượng đo dao động như đo gia tốc, vận tốc và chuyển vị
được trình bày dưới đây.
1.2.2.1 Gia tốc dao động
Gia tốc dao động là đại lượng đo phù hợp trong những trường hợp sau:
- Cần phân tích dao động của đối tượng đo tại vùng tần số cao và rất cao (đầu đo gia
tốc cho tín hiệu điện ở các tần số cao nhất so với các loại đầu đo khác).
- Cần phân tích đặc trưng tác dụng lực (tải trọng) do độ lớn của lực kích động thường
tỷ lệ với gia tốc dao động.
- Sử dụng tại điều kiện đo yêu cầu đầu đo có kích thước bé và trọng lượng nhẹ.
- Thích hợp với các phép đo dao động do va chạm.
- Đặc biệt phù hợp cho việc chẩn đoán và giám sát.
- Trong trường hợp dao động cơ học có tần số rất thấp mà các đầu đo gia tốc và vận
tốc không thích hợp cho phép đo.
- Phù hợp với các phép đo dao động tương đối giữa bộ phận quay và bộ phận không
quay của thiết bị.
Trên hình 1.5 là một thí dụ minh họa sự tương quan về biên độ của các thành phần tần
số trong phổ dao động ứng với các đại lượng đo khác nhau. Các phổ tần số của dao động
đo được tại cùng một đối tượng đo ứng với ba đại lượng đo chuyển vị, vận tốc và gia tốc.
Ta nhận thấy phổ vận tốc cung cấp nhiều thông tin nhất về các thành phần tần số trong
phạm vi từ 0 Hz đến 2500 Hz so với phổ của tín hiệu gia tốc và chuyển vị.
1.2.3 Các tiêu chuẩn về dao động
Hiện nay, trên thế giới đang có các hệ thống tiêu chuẩn phong phú và hết sức đa dạng
để phục vụ cho công tác phân tích, giám sát và chẩn đoán tình trạng hoạt động của thiết bị
quay. Các tiêu chuẩn luôn được nghiên cứu và thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của
trình độ kỹ thuật và công nghệ. Thí dụ, trên cơ sở tiêu chuẩn rung VDI 2056 (năm 1964),
ISO đã xây dựng tiêu chuẩn ISO 2372 về dao động cơ học vào năm 1971. Sau đó, ISO đã
xây dựng hai bộ tiêu chuẩn mới ISO 7919 [49] và ISO 10816 [50] để thay thế cho ba tiêu
chuẩn đã cũ là ISO 2372, ISO 2954 và ISO 3945. Một loạt các tiêu chuẩn mới hiện vẫn
còn đang trong giai đoạn biên soạn. Do sự đa dạng của thiết bị quay về công năng, chủng
loại, công suất, kiểu dáng nên sự trùng lặp thông tin giữa các tiêu chuẩn là điều khó tránh
khỏi.
Bộ tiêu chuẩn ISO 10816 gồm 6 phần, đề cập tới việc đánh giá dao động của máy
quay thông qua các kết quả đo dao động tuyệt đối tại các cụm chi tiết không quay (vỏ máy,
gối đỡ trục, thân giá máy, ). Bộ tiêu chuẩn ISO 7919 gồm 5 phần, đề cập tới các tiêu
chuẩn đánh giá dao động của máy quay dựa trên các kết quả đo dao động tương đối của
trục quay so với thân giá máy, thực chất là dao động uốn của trục trong quá trình vận hành.
Riêng ISO 7919-1 và ISO 10816-1 là những định hướng chung khi thực hiện các phép đo
và phân tích dao động, đồng thời định ra phạm vi sử dụng của bộ tiêu chuẩn. Điểm chung
của hai bộ tiêu chuẩn này là định ra chuẩn tuyệt đối của mức dao động đo được trong một
dải tần số rộng từ 10 Hz đến 1000 Hz. Giá trị đặc trưng của tín hiệu được chọn là giá trị
trung bình hiệu dụng (giá trị RMS). Các đại lượng đo dao động có thể là chuyển vị (µm)
ứng với trạng thái kỹ thuật của hộp số bánh răng.
Nhóm phương pháp phân tích thứ nhất thuộc về các phương pháp tiêu chuẩn và đã
được kiểm chứng trong nhiều ứng dụng chẩn đoán dao động cho máy quay [24, 27, 56, 57,
64, 82]. Nhóm phương pháp thứ hai mới được công bố trên các tạp chí khoa học và chỉ
mới được áp dụng trong một số trường hợp chẩn đoán ổ đỡ con lăn và hộp số bánh răng,
chủ yếu là các phương pháp phân tích mới trong miền thời gian-tần số [41, 93, 100], [33,
78, 81, 88, 97, 98]. Các phương pháp phân tích hoàn toàn mới vẫn đang được nghiên cứu
với mục tiêu làm tăng độ chính xác chẩn đoán [87, 94].
1.2.4.1 Phân tích dao động trong miền thời gian
Tín hiệu dao động thường được phân tích trong miền thời gian trước khi được phân
tích trong miền tần số và các phương pháp xử lý khác phức tạp hơn. Các thông số chẩn
đoán được xác định trong miền thời gian thường được sử dụng là các giá trị tín hiệu đặc
trưng như giá trị trung bình hiệu dụng RMS, giá trị kép, vv Các giá trị tín hiệu đặc trưng
thường được sử dụng để đánh giá tín hiệu dao động do một số đặc điểm sau đây:
Các giá trị tín hiệu đặc trưng trong một khoảng thời gian đo đủ lớn sẽ cho phép ta
có thể đánh giá sơ bộ về mức dao động (trung bình đại số, trung bình hiệu dụng,
hệ số Crest), sự thay đổi bất thường trong biên độ (giá trị đỉnh-đỉnh).
Giá trị tín hiệu đặc trưng thay đổi chậm một cách tương ứng với sự thay đổi của
tình trạng kỹ thuật của thiết bị, rất thích hợp cho giám sát tình trạng hư hỏng.
Các giá trị tín hiệu đặc trưng là giá trị bằng số, bởi vậy dễ dàng lưu trữ hơn nhiều
so với việc lưu trữ toàn bộ tín hiệu đo.
Các công thức tính toán các giá trị tín hiệu đặc trưng là tương đối đơn giản, cho
phép ta tính toán nhanh nhờ chương trình máy tính (gần như đồng thời ngay sau
khi phép đo kết thúc).
Copyright: Tài liệu đại học ©