ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

NGUYỄN PHƢƠNG VÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM SỬ
DỤNG THIẾT BỊ ĐO RUNG ĐỂ PHÂN TÍCH TÌNH
TRẠNG LÀM VIỆC CỦA Ổ LĂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Thái Nguyên - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

1


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản
thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào
khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc
công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.

Tháng 04 năm 2014
Nguyễn Phƣơng Vân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................................... 10
3. Kết quả dự kiến ............................................................................................................................... 10
4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận ................................................................................................ 10
+ Nghiên cứu cơ sở. ............................................................................................................................ 11
5. Nội dung luận văn ........................................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: Ổ LĂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA Ổ LĂN ........................... 12

1.1 Ổ lăn thƣờng dùng....................................................................................................... 12
1.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................... 12
1.1.2 Các thông số vận hành của vòng bi ...................................................................... 15
1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn .................................................. 16
1.2.1 Các hoạt động bất thƣờng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục ....................... 17
1.2.2 Các dạng hỏng thƣờng gặp của ổ lăn ................................................................... 19
1.3 Một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng ổ ............................................................... 25
1.3.1 Theo dõi tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt độ .......................... 25
1.3.2 Theo dõi và phân tích rung động ......................................................................... 27
1.3.3 Theo dõi và phân tích dầu bôi trơn ...................................................................... 29
1.3.4 Kỹ thuật NDT ....................................................................................................... 30
1.3.5 Kỹ thuật siêu âm................................................................................................... 31
1.4 Kết luận chƣơng .......................................................................................................... 34
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ...................................................... 36

2.1 Mô hình thí nghiệm thu nhận tín hiệu dao động ......................................................... 36
2.1.1 Sơ đồ chung của mô hình thí nghiệm................................................................... 36
2.1.2 Thiết bị đo lực ...................................................................................................... 38
2.1.3 Thiết kế, chế tạo các chi tiết của mô hình thí nghiệm .......................................... 41
2.2 Lắp ghép các chi tiết để tạo thành mô hình hoàn chỉnh .............................................. 42
2.3 Kết luận chƣơng .......................................................................................................... 46
CHƢƠNG 3: THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ...................................... 47


Hình 1. 2. Các loại ổ bi ..................................................................................... 14
Hình 1. 3. Các loại ổ đũa .................................................................................. 14
Hình 1. 4. Rỗ và tróc ở ổ lăn............................................................................. 20
Hình 1. 5. Một số hình ảnh rỗ vòng bi .............................................................. 21
Hình 1. 6. Một số hình ảnh mòn ổ bi ................................................................ 22
Hình 1. 7. Một số hình ảnh nứt gẫy vòng bi ..................................................... 23
Hình 1. 8. Hình ảnh bề mặt vòng bi bị biến dạng dư ....................................... 24
Hình 1. 9. Gỉ sét bám trên vòng bi .................................................................... 25
Hình 1. 10. Giám sát tình trạng làm việc của một số thiết bị thông qua hình
ảnh nhiệt hồng ngoại ........................................................................................ 26
Hình 1. 11. Đo và phân tích rung động bằng phương pháp phân tích phổ FFT
........................................................................................................................... 29
Hình 1. 12. Mô hình lấy mẫu để giám sát tình trạng dầu bôi trơn ................... 30
Hình 1. 13. Dùng kỹ thuật siêu âm để giám sát tình trạng hoạt động .............. 32
Hình 2. 1. Mô hình thí nghiệm để đo rung động Ổ lăn trong quá trình làm việc
........................................................................................................................... 36
Hình 2. 2. Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm thu nhận tín hiệu rung động ....... 37
Hình 2. 3. Mô hình của máy đo ma sát. ............................................................ 38
Hình 2. 4. Mô hình bộ phận có lắp ổ bi côn đỡ chặn ....................................... 38
Hình 2. 5. Sơ đồ khối hệ thống đo lực ............................................................. 38
Hình 2. 6. Bộ cảm biến đo lực Kistler Type 9257 BA...................................... 39
Hình 2. 7. Bản vẽ chi tiết trục ........................................................................... 41
Hình 2. 8. Hình ảnh ổ bi 6203 .......................................................................... 42
Hình 2. 9. Bản vẽ lắp mô hình thí nghiệm ........................................................ 43
Hình 2. 10. Mô hình thí nghiệm sau khi lắp ráp hoàn chỉnh ............................ 44
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

6



Bảng 1. 2. Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của
ổ lăn................................................................................................................... 17
Bảng 1. 3. Tần suất hư hỏng các chi tiết của ổ lăn .......................................... 24
Bảng 2. 1. Tính năng kỹ thuật chính của lực kế 9257BA ................................. 39
Bảng 3. 1. Kết quả đo khe hở và độ đảo của ô bi côn với các tải trọng: Không
tải, có tải ( m = 10kg, m = 20kg) ...................................................................... 53
Bảng 3. 2. Kết quả lực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng
kính bình phương trung bình phụ thuộc trạng thái kỹ thuật và tải trọng của ổ
bi 6203............................................................................................................... 58
Bảng 3. 3. Kết quả đo khe hở và độ đảo của ổ bi côn với các tải trọng: không
tải, có tải ( m = 10kg, m = 20kg) ...................................................................... 59
Bảng 3. 4. Kết quả lực rung động hướng kính lớn nhất và lực rung động hướng
kính bình phương trung bình phụ thuộc tốc độ của ổ bi côn ............................ 60
Bảng 3. 5. Kết quả lực rung động hướng trục lớn nhất và lực rung động hướng
trục bình phương trung bình phụ thuộc tốc độ của ổ bi côn ............................ 61
Bảng 3. 6. Giá trị tần số rung động đặc trưng khi ổ bi xuất hiện các hư hỏng 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

8


MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu
Ổ lăn là một trong những chi tiết máy đƣợc sử dụng phổ biết trong các
truyền động. Độ tin cậy và độ chính xác của Ổ có ý nghĩa quan trọng với hoạt
động tổng thể của các thiết bị, máy móc. Việc phát hiện lỗi và chẩn đoán tình
trạng của Ổ lăn trong giai đoạn đầu là cần thiết để tránh những hỏng hóc bất
chợt trong quá trình làm việc.
Trƣớc đây, hầu hết các nghiên cứu về Ổ lăn chỉ tập trung vào tăng khả

2. Mục tiêu nghiên cứu
Dự kiến mục tiêu chung của đề tài là: Dự báo đƣợc các sai hỏng của ổ
lăn để đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, giảm các sự cố
ngƣng máy bất chợt. Việc này đƣợc thực hiện bằng cách giám sát phân tích
tình trạng ổ lăn với thông số chính là dao động.
Mục tiêu cụ thể là:
1. Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm khảo sát đánh giá ổ bằng bức xạ
rung động.
2. Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá thông số rung động của ổ
lăn. Chẩn đoán các nguyên nhân gây ra sai hỏng ổ lăn nhằm đƣa ra lời khuyên
hợp lý.

3. Kết quả dự kiến
- Mô hình thí nghiệm phân tích đánh giá tình trạng làm việc của Ổ lăn có sử
dụng thiết bị đo rung (sử dụng thiết bị đo lực của Trƣờng Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái nguyên rồi chuyển đổi ra kết quả đo rung).
- Dữ liệu xác định tình trạng Ổ (thử nghiệm).

4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
+ Nghiên cứu thực nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

10


+ Nghiên cứu cơ sở.
- Phƣơng pháp luận:
+ Tìm hiểu lý thuyết cơ bản của ổ lăn. Từ đó mô hình hóa thành mô hình thực
nghiệm

đứng yên, nhƣng cũng có khi vòng ngoài quay cùng với gối trục còn vòng
trong đứng yên cùng với trục

Hình 1. 1. Cấu tạo ổ lăn

Ổ lăn ở một số thiết bị khác còn đƣợc gọi là vòng bi hay ổ bi. Dựa vào
khả năng chịu lực hƣớng tâm hay hƣớng trục hoặc cả hai, mà ổ bi chia ra gồm:
Ổ bi đỡ một dãy; ổ bi đỡ chặn; ổ bi chặn đỡ; ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy; ổ đũa đỡ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

12


trụ ngắn; ổ đũa côn; ổ đũa đỡ lòng cầu hai dãy, … một số loại ổ lăn điển hình
đƣợc thể hiện trên Hình 1.2 và Hình 1.3.
Ưu nhược điểm của ổ lăn
So sánh với ổ trƣợt , ổ lăn có các ƣu điểm sau:
-

Hệ số ma sát nhỏ (vào khoảng 0,0012 - 0.0035 đối với ổ bi và 0.002 0.006 đối với ổ đũa), mômen cản sinh ra khi mở máy cũng ít hơn so với
ổ trƣợt; do đó dùng ổ lăn hiệu suất của máy tăng lên và nhiệt sinh ra
tƣơng đối ít. Ngoài ra hệ số ma sát tƣơng đối ổn định (ít chịu ảnh hƣởng
của vận tốc) cho nên có thể dùng ổ lăn làm việc với vận tốc rất thấp.

-

Chăm sóc và bôi trơn đơn giản, ít tốn vật liệu bôi trơn, có thể dùng mỡ
bôi trơn.

-

-

Giá thành tƣơng đối cao nếu sản xuất với số lƣợng ít.
Ổ lăn đƣợc dùng rất phổ biến trong nhiều loại máy: máy cắt kim loại,

máy điện, ô tô, máy bay, máy kéo, máy nông nghiệp, cần trục, máy xây dựng,
máy mỏ, trong các hộp giảm tốc, trong các cơ cấu, …
Các loại ổ lăn thường dùng:
-

Ổ bi đỡ một dãy (Hình 1.2a): Chủ yếu là để chịu lực hƣớng tâm, nhƣng
cũng có thể chịu lực dọc trục bằng 70% lực hƣớng tâm không dùng đến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

13


(lực hƣớng tâm không dùng đến là hiệu giữa lực hƣớng tâm cho phép
với lực hƣớng tâm thực tế). Ổ bi đỡ một dãy có thể làm việc bình
thƣờng khi trục nghiêng một góc nghiêng nhỏ, không quá 15’ ÷ 20’.

Hình 1. 2. Các loại ổ bi

Hình 1. 3. Các loại ổ đũa
-

Ổ bi đỡ lòng cầu hai dãy (Hình 1.2b): Chủ yếu chịu tải trọng hƣớng tâm,
nhƣng cũng có thể chịu thêm tải trọng dọc trục bằng 20% khả năng chịu
lực hƣớng tâm không dùng đến. Ổ có thể làm việc bình thƣờng khi trục


Ổ đũa trụ xoắn đỡ (Hình 1.3e): Là ổ mà con lăn là hình trụ rỗng, bằng
băng thép mỏng cuốn lại (gọi là đũa trụ xoắn), ổ này không chịu đƣợc
lực dọc trục. Nhờ đũa trụ xoắn có tính đàn hồi cao nên ổ chịu tải trọng
va đập tốt, có thể làm việc bình thƣờng khi trục nghiêng tới 30’.

-

Ổ bi đỡ chặn một dãy (Hình 1.2c): Chịu đƣợc cả lực hƣớng tâm và lực
dọc trục. Khả năng chịu lực hƣớng tâm của ổ này lớn hơn ổ bi đỡ một
dãy khoảng 30 ÷ 40%. Khả năng chịu lực dọc trục phụ thuộc vào góc
tiếp xúc giữa bi với vòng ngoài – góc tiếp xúc càng lớn thì khả năng
chịu lực càng lớn.

-

Ổ đũa côn đỡ chặn (Hình 1.3d): Có thể chịu cả lực hƣớng tâm lẫn lực
dọc trục lớn. Ổ đũa côn đỡ chăn có thể chịu đƣợc lực hƣớng tâm bằng
170% so với ổ bi đỡ một dãy cùng kích thƣớc. Loại này đƣợc dùng
nhiều trong chế tạo máy vì tháo lắp đơn giản, điều chỉnh khe hở và bù
lƣợng mòn thuận tiện.

1.1.2 Các thông số vận hành của vòng bi
Theo [1] các thông số vận hành chính của vòng bi là: Tiếng ồn, nhiệt độ,
rung động và tình trạng chất bôi trơn.
-

Tiếng ồn của vòng bi: Trong suốt quá trình vận hành, sử dụng thiết bị
theo dõi âm thanh để đo âm lƣợng và đặc tính của tiếng ồn khi vòng bi
quay. Có thể phân biệt các hƣ hỏng của vòng bi nhƣ sự tróc vảy nhƣ dựa


-

Ảnh hƣởng của sự bôi trơn: Mục đích chính của sự bôi trơn là giảm ma
sát và giảm sự mài mòn bên trong vòng bi tránh hƣ hỏng sớm vòng bị.
Chất bôi trơn giúp ngăn ngừa sự tiếp xúc trực tiếp của các chi tiết kim
loại nhƣ bi, vòng trong, vòng ngoài và vòng cách; Giảm sự sinh nhiệt do
ma sát và tác dụng làm mát, làm kín và ngăn ngừa han gỉ, kéo dài tuổi
thọ của vòng bi.

-

Lựa chọn chất bôi trơn: Có hai phƣơng pháp chính để bôi trơn vòng bi là
bôi trơn bằng mỡ và bôi trơn bằng dầu. Tùy vào điều kiện và mục đích
sử dụng lựa chọn phƣơng pháp bôi trơn hợp lí để đạt đƣợc sự vận hành
tốt nhất của vòng bi.

1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn
Khi ổ lăn đƣợc sử dụng trong điều kiện lý tƣởng, các dạng hỏng ổ phát
sinh là các dạng hỏng do mỏi. Thông thƣờng tuổi thọ của ổ lăn đƣợc thể hiện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

16


qua thời gian làm việc hoặc tổng số vòng quay trƣớc khi hiện tƣợng mỏi xảy ra
ở vòng trong, vòng ngoài, trên con lăn, hiện tƣợng hỏng do mỏi phát sinh do
ứng suất thay đổi theo chu kỳ.
Thỉnh thoảng, Ổ lăn xuất hiện các vết nứt sớm hơn bình thƣờng, nguyên
nhân dạng hỏng này bao gồm:

Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thƣờng của ổ
lăn [1, 2, 3] đƣợc thể hiện trong bảng 1.1 dƣới đây:
Bảng 1. 1. Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của ổ lăn
Hoạt động bất
thƣờng

Nguyên nhân
1. Khe hở trong quá
mức

Nhiệt độ tăng bất
thƣờng

2. Sự biến dạng trên
vòng bi
3. Do quá tải
4. Lỗi lắp ráp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

Biện pháp khắc phục
Thay thế ổ mới
Thay thế ổ mới cẩn thận
Điều chỉnh lại gối ổ hợp lý
Điều chỉnh độ đồng tâm trục với lỗ gối và độ
chính xác lắp ráp.

17



bôi trơn hợp lý,

10. Sự tiếp xúc bất
thƣờng với đệm kín

Làm kín hợp lý, chế độ lắp và phƣơng pháp

khuất khúc và các

lắp hợp lý.

bộ phận khác.
Tải bất thƣờng

Chế độ lắp, khe hở trong, tải đặt trƣớc, vị trí
vai thân gối không hợp lý
Độ chính xác gia công và độ đồng tâm trục

Tiếng ồn

Lắp ráp sai

lớn của
kim loại

với lỗ gối và độ chính xác lắp ráp chƣa hợp
lý.

Bôi trơn không đủ


Có vết lõm

Thay mới vòng bi cẩn thận

Sự tróc vảy trên

Thay mới vòng bi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

18


rãnh lăn
Khe hở quá mức
Tiếng ồn

Sự thâm nhập phần

lớn không tử bên ngoài
đều

Có vết nứt hoặc tạo
vảy trên các viên bi

Rung động quá mức

Thay đổi chế độ lắp, khe hở và tải đặt trƣớc
Thay mới hay làm sạch vòng bi cẩn thận, cải
thiện sự làm kín và sử dụng chất bôi trơn

của các phần tử bên

rắn hơn. Thay vòng bi hay chất bôi trơn. Vệ

ngoài hay các hạt

sinh buồng gối và các bộ phận bên trong.

mài.

1.2.2 Các dạng hỏng thƣờng gặp của ổ lăn
Trong quá trình làm việc, thông thƣờng trên các bề mặt làm việc của ổ
lăn xuất hiện một số dạng hƣ hỏng chính [3] sau:
Tróc, rỗ vì mỏi bề mặt làm việc
Hiện tƣợng rỗ và tróc thƣờng gặp phải trên bề mặt làm việc của các chi
tiết nhƣ: Vòng trong, vòng ngoài, viên bi. Nguyên nhân sinh ra của hiện tƣợng
này là do mòn nghiêm trọng, ứng suất tiếp xúc vƣợt quá giới hạn cho phép.
Dạng hỏng này thƣờng tập trung cục bộ ở một số điểm trên bề mặt trƣợt, hậu
quả của chúng là khi các vết tróc và rỗ phát triển trên diện tích lớn sẽ dẫn đến
gây hỏng đột ngột các chi tiết làm việc và làm đình trệ sự hoạt động của toàn
bộ thiết bị nhƣ Hình 1.4. Do đó việc chuẩn đoán và phát hiện sớm dạng hỏng
này đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động thiết bị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

19


Hình 1. 4. Rỗ và tróc ở ổ lăn [3]

Tróc, rỗ xuất hiện sớm trong thời gian làm việc của ổ lăn trong các điều


a. Mòn giữa con lăn và bề mặt Ổ bi đũa trụ

b. Mòn mặt lăn của vòng ngoài Ổ bi đũa trụ
2 dãy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

21


c. Mòn do ma sát với lỗ vòng trong Ổ bi

d. Mòn do ma sát với trục vòng ngoài Ổ

đũa côn

bi chặn rãnh sâu

e. Mòn do ma sát với tải nhẹ tại mặt lăn vòng trong Ổ bi chặn rãnh sâu
Hình 1. 6. Một số hình ảnh mòn ổ bi [3]

Nứt và gẫy các chi tiết
Quá trình hình thành các vết nứt trên bề mặt các chi tiết của ổ có nguyên
nhân từ tróc và rỗ bề mặt do ứng suất mỏi sinh ra vƣợt quá giới hạn cho phép.
Các vết nứt hình thành ban đầu thƣờng rất nhỏ (cỡ vài µm) và sau thời gian
hoạt động tƣơng đối ngắn vết nứt này sẽ phát triển rất nhanh và gây nên gẫy
hỏng chi tiết, hình 1.7. Dạng hỏng này là hƣ hỏng cục bộ và cũng đóng vai trò
hết sức quan trọng, nhƣ là một đối tƣợng cần phát hiện của chuẩn đoán.


Tần suất (%)

- Mài mòn

25%

- Tróc rỗ

26%

- Nứt và gẫy

49%

Biến dạng dư bề mặt làm việc:
Do chịu tải trọng va đập hoặc tải trọng tĩnh quá lớn khi ổ không quay
hoặc quay rất chậm (n nhỏ hơn 1 vòng/phút).

a. Biến dạng dư trên vòng ngoài mặt lăn

b. Biến dạng dư trên mặt lăn vòng

của Ổ bi chặn rãnh sâu

trong của ổ bi đũa côn

Hình 1. 8. Hình ảnh bề mặt vòng bi bị biến dạng dư [3]

Gỉ sét và ăn mòn:
Gỉ sét là một màng oxide, hydroxide, hoặc carbonate sinh ra trên bề mặt

hoạch sửa chữa hạng mục có liên quan trong suốt thời gian ngừng máy.
1.3.1 Theo dõi tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt độ
Giám sát nhiệt độ là một trong những kỹ thuật không thể thiếu của giám
sát tình trạng. Đối với mỗi chi tiết, nhiệt độ thay đổi có thể biểu hiện của
những hƣ hỏng ban đầu. Nếu không đƣợc giám sát, phát hiện và hiệu chỉnh kịp
thời thì đôi khi chỉ cần một hƣ hỏng nhỏ của những chi tiết này cũng có thể
làm cho một thiết bị hoặc cả nhà máy ngừng hoạt động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

25