BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐOÀN MINH TƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ RUNG CỦA ĐỘNG CƠ
NHẰM ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

S K C0 0 4 4 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐOÀN MINH TƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ
RUNG CỦA ĐỘNG CƠ NHẰM ĐÁNH GIÁ
TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

Quê quán: Lâm Đồng

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Tân Hà, Lâm Hà, Lâm Đồng
Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Xuân Hòa,
Kp 3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai
Điện thoại đơn vị: 0613.930.082

Điện thoại riêng: 0976.971.128

Fax: 0613.937.379

E-mail: [email protected]

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 09/2007

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí động lực
Tên đồ án tốt nghiệp: “Băng Thử Công Suất Động Cơ”
Ngày & nơi bảo vệ tốt nghiệp: 4/2007 tại Trường Đh. SPKT Tp.HCM
Giảng viên hướng dẫn: Thạc sĩ Đỗ Quốc Ấm
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Thời gian


ii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo
điều kiện của tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Cơ Khí Động Lực,
giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh và đặc biệt Khoa cơ khí trường Đại học Nông Lâm Thành
Phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Nguyễn Huy Bích trực tiếp
hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của Tôi và gia đình đã động
viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn
thành luận văn này.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2014
Học viên thực hiện

iii


TÓM TẮT
Phương pháp chẩn đoán kỹ thuật động cơ thông qua tín hiệu rung động của
động cơ lần đầu tiên được trình bày trong quyển luận văn này.
Tác giả đã xây dựng, thiết kết và thi công sản phẩm TVE-T01 để thu thập tín
hiệu rung động của động cơ, lập trình xử lý và phân tích tín hiệu rung của động cơ
dưới dạng phổ tần số bằng thuật toán FFT trong môi trường phần mền LabVIEW.
Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thật. Kết quả đã chẩn đoán thành công các lỗi

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học .......................................................................................................... i
Lời cam đoan .............................................................................................................. ii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iv
Astract .........................................................................................................................v
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ......................................................................................... ix
Danh sách các hình......................................................................................................x
Danh sách các bảng .................................................................................................. xii
Chương 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ......................................................2
1.3 Mục đích của đề tài .............................................................................................5
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài ................................................................................5
1.4.1 Nhiệm vụ đề tài ..................................................................................................5
1.4.2 Giới hạn đề tài ....................................................................................................5
1.5 Phương pháp nghiên cứu. ...................................................................................5
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................6
2.1 Lý thuyết rung động máy ...................................................................................6
2.1.1 Định nghĩa rung động.........................................................................................6
2.1.2 Tính chất của rung động .....................................................................................7
2.1.3 Miền thời gian ....................................................................................................8
2.1.4 Miền tần số .........................................................................................................9

vi



vii


3.2.2.5 Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc ...................................................34
3.2.2.6 Thiết kế khối truyền dữ liệu ...................................................................34
3.3 Thiết kế phần mềm............................................................................................37
3.3.1 Thuật toán chương trình điều khiển, xử lý dữ liệu...........................................37
3.3.2 Lập trình điều khiển trên board mạch thu thập và xử lý dữ liệu ......................38
3.3.3 Lập trình điều khiển, thu thập phân tích và hiển thị kết quả ............................39
3.4 Bộ tích hợp TVE-T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ .......................................41
Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..................................42
4.1 Các phương án thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ ............................42
4.2 Phương tiện thực nghiệm và điều kiện thực nghiệm .....................................42
4.2.1 Động cơ dùng trong thực nghiệm ....................................................................42
4.2.2 Bộ chẩn đoán kỹ thuật động cơ TVE-T01 .......................................................43
4.2.3 Các thiết bị khác ...............................................................................................43
4.2.4 Điều kiện thực nghiệm chung ..........................................................................43
4.3 Thực nghiệm và kết quả ...................................................................................44
4.3.1 Kiểm tra mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ ...........................44
4.3.2 Trường hợp 1 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) .................................45
4.3.3 Trường hợp 2 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) .................................47
4.3.4 Trường hợp 3 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) .................................49
4.3.5 Trường hợp 4 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) .................................51
4.3.6 Tổng hợp kết quả so sánh thực nghiệm............................................................53
Chương 5. KẾT LUẬN ...........................................................................................55
5.1 Kết luận ..............................................................................................................55
5.2 Hướng phát triển ...............................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57
PHỤ LỤC ..................................................................................................................58



: Amplifier – Bộ khuếch đại.

IC

: Integrated circuit – Vi mạch tích hợp

FFT

: Fast Fourier transform – Phép biến đổi nhanh Fourier

HFRT

: Hight Frequency Resonance Technique – Cộng hưởng cao tần

ADC

: Analog-to-Digital Converter chuyển đổi analog sang Digital

DAC

: Digital to Analogue Converter bộ chuyển đổi tín hiệu số sang
analogue

USB

: Univeral Serial Bus là 1 chuẩn kết nối các thiết bị điện tử

RPM


Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến MMA7361.............................................23
Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ ..................................25
Hình 3.2: câu trúc mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ ....................26
Hình 3.3: Quy trình chế tạo ......................................................................................27
Hình 3.4: Cổng USB của máy tính ...........................................................................28
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của nguồn 5V sử dụng LD1085V50 .............................28
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của nguồn 3,3V sử dụng ASM1117 ..............................29
Hình 3.7: Cấu trúc của một vi điều khiển PSoC ......................................................30
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bên trong của CY8C3245PV1. .........................................31
Hình 3.9: Thiết kế khối A/D trong PSoC .................................................................33
Hình 3.10: Thiết kế khối UART trong PSoC ...........................................................34
Hình 3.11: Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc MMA7361 ...............................34
Hình 3.12: Sơ đồ khối UART cho board mạch chủ. ................................................35
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý của vi điều khiển PsoC ................................................35
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối lọc nguồn .............................................................36

x


Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối cảm biến gia tốc ......................................36
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối reset và khối nạp chương trình SWD ..................36
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn và khối dao động ......................................36
Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển, xử lý dữ liệu .....................37
Hình 3.19: Một phần thuật toán chương trình điều khiển trong môi trường PSoC .38
Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán lập trình lưu trữ và xuất kết quả trong LabVIEW ....39
Hình 3.21: Sơ đồ lập trình xử lý tín hiệu ..................................................................39
Hình 3.22: Sơ đồ lập trình phân tích và xuất kết quả ...............................................40
Hình 3.23: Kết quả hiển thị ......................................................................................40
Hình 3.24: Bộ tích hợp TVE-T01 .............................................................................41
Hình 4.1: Giao diện hiển thị kết quả thực nghiệm trong môi trường LabVIEW. ....44


TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài
Hàng năm, các công ty sản xuất ô tô phải bỏ ra một khoản chi phí khá lớn để
sửa chữa bảo dưỡng động cơ. Khi sự cố xảy ra sẽ gây ra những tổn thất rất lớn cho
sản xuất cũng như công tác quản lý bảo dưỡng sửa chữa. Xuất phát từ những vấn đề
này, ngành công nghiệp ô tô đã có những giải pháp chẩn đoán tình trạng làm việc
của động cơ với sự trợ giúp của các ngành như công nghệ điện tử, công nghệ thông
tin thì kỹ thuật giám sát và chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ đã có những
bước tiến nhảy vọt. Các thuật toán như FFT [01] và những phần mềm quản lý đã
được ứng dụng vào khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cho phép giám sát và chẩn
đoán chính xác tình trạng làm việc của động cơ. Hệ thống giám sát sẽ chịu trách
nhiệm phân tích các hiện tượng xuất hiện trong quá trình làm việc của động cơ như
tiếng ồn, rung động và kiểm tra tình trạng làm việc thực tế của động cơ, phát hiện
các trạng thái làm việc bất thường của động cơ, từ đó có thể chẩn đoán được tình
trạng làm việc của động cơ cũng như những hư hỏng.
Khi động cơ làm việc, ảnh hưởng của sự rung động là rất nghiêm trọng. Động
cơ có thể bị thiệt hại bởi sự rung động. Nếu sự rung động xảy ra khi có sự công
hưởng tần số thì nó có thể làm nứt hoặc gãy một vài phần như là đai ốc, bu lông bởi
do mỏi. Rung động mang tính dây chuyền do đó từ một chi tiết rung động bất
thường sẽ gây ra các hư hỏng cho nhiều chi tiết trên động cơ. Sự rung động nếu
không được loại bỏ, cách ly thì nó truyền qua bất kỳ hệ thống nào liên kết với động
cơ như hệ thống điện, hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống truyền động, hộp số, vi
sai, khung sườn ô tô, v.v. Chính vì vậy “Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung
của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ” là một công việc
hết sức quan trọng và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán, bảo
dưỡng sửa chữa và phòng ngừa hư hỏng động cơ.

1



2


động của động cơ. Tuy nhiên, đề tài chưa xử lý, phân tích tín hiệu rung động để
chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ. Cần thực nghiệm thêm những thông số
như: lượng tiêu hao nhiên liệu, áp suất trong xi lanh, v.v.
Czech, P., !azarz, B., Madej, H., Wojnar [05] đã nghiên cứu và xây dựng
phương pháp phát hiện những hư hỏng trong hệ thống cơ khí của động cơ thông qua
chẩn đoán tín hiệu rung động của động cơ. Đề tài chủ yếu nghiên cứu về rung động
sinh ra do sự va đập giữa piston và xi lanh, nguyên nhân do khe hở giữa piston và xi
lanh quá lớn trong xi lanh. Những tín hiệu rung động sẽ được phân tích qua bộ
chuyển đổi loại ICP và được điều khiển bởi một chương trình trong môi trường
LabVIEW. Từ kết quả thực nghiệm, thông qua sự rung động có thể chẩn đoán được
sự cố xảy trên động cơ. Tuy nhiên vẫn chưa xác định chính xác do piston hay xi
lanh nào bị sự cố.
Agostoni [06] tác giả nghiên cứu rung động do lực tác dụng lên các chi tiết của
động cơ, chi tiết mất cân bằng quán tính và đã đưa ra được các giải pháp làm giảm
rung động. Một chương trình kiểm soát rung động với sự hỗ trợ bằng máy tính để
kiểm soát rung động do mất cân bằng quán tính. Thực nghiệm trên mô hình xe máy.
Thiết kế tối ưu hóa động cơ xe máy, giảm thiểu lực truyền vào khung xe, giảm sự
lan truyền rung động tác dụng lên người điều khiển. Thiết kế chế tạo làm giảm sự
tác dụng của lực lên các chi tiết có kết cấu liên kết. Đề tài chưa ứng dụng vào chẩn
đoán những sự cố qua tín hiệu rung động, chưa đánh giá được ảnh hưởng của của
rung động đến tình trạng làm việc của động cơ.
Lech Sitnik, Monika Magdziak–Tokáowicz, Radosáaw Wróbel. [07] nhóm tác
giả đã nghiên cứu và so sánh được các phép đo sự rung động trên các loại động cơ
khác nhau được gắn trên xe. Thực nghiệm đo rung động trong trường hợp xe tĩnh và
trường hợp các bánh xe được kích lên để giảm ảnh hưởng của rung động tới kết quả
đo. Thực nghiêm trên hai loại động cơ: 1.4BZ90CVCD và động cơ có trang bị bộ

1.3 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm
việc của động cơ, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác chẩn đoán kỹ thuật,
bảo dưỡng sửa chữa động cơ.
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ đề tài
Tìm hiểu tổng quan về những hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng của các chi tiết
cơ khí trên động cơ.
Thu thập các số liệu rung động của động cơ.
Nghiên cứu bộ xử lý tín hiệu rung, lập trình điều khiển bằng phẩn mềm PSoC
Desiger và LabVIEW.
Nghiên cứu thuật toán FFT và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu.
Thiết kế, thi công mô hình thực nghiệm phân tích phổ tần số rung động, làm cơ
sở nhận dạng được các hư hỏng cơ khí cơ bản hoặc dự báo các hư hỏng.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu
1.4.2 Giới hạn đề tài
Do điều kiện kinh tế và trình độ có hạn mà đề tài giới hạn trong phạm vi:
Nghiên cứu phổ tần số rung của động cơ ảnh hưởng bởi một số chi tiết cơ khí
cơ bản trên động cơ Toyota 1SZ-FE được gá lắp trên mô hình.
Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ hoạt động ở tốc độ cầm
chừng.
Chỉ thực nghiệm chẩn đoán rung động theo phương thẳng đứng (Z).
1.5 Phương pháp nghiên cứu.
Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
có liên quan.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả thông qua việc thu nhận và xử lý tín hiệu rung
động phát ra từ động cơ.
So sánh đánh giá với các công trình đã nghiên cứu.

5

(b)

Hình 2.1: Các dạng đồ thị phương trình rung động máy
Một hàm điều hòa là hàm đơn giản của chuyển động định kỳ và được thể hiện
trong hình 2.1b là hàm điều hòa cho các dao động nhỏ của con lắc đơn giản và được
biểu diễn bằng phương trình sau:
X = X0 sin(ωt)
Trong đó:
X là lượng dịch chuyển của dao động (phần nghìn của một inch, hay mm).
X0 là lượng dịch chuyển cực đại hay biên độ (mm).
ω là tần số góc (Rad/s).
t là thời gian (s).

6


2.1.2 Tính chất của rung động
Rung động có thể là rung động tuần hoàn, rung động ngẫu nhiên, rung động tắt
dần và rung động bất quy tắc. Trong đó phổ biến nhất là rung động tuần hoàn. Rung
động của máy có tính tuần hoàn, đuợc xác định qua ba thông số cơ bản: chuyển vị,
vận tốc, gia tốc. Mối quan hệ giữa chuyển vị gia tốc và vận tốc ứng với tần số của
một rung động, cho thấy:
Chuyển vị càng cao thì tần số càng thấp, vì vậy cần đo chuyển vị khi tần số
rung động thấp - Vận tốc có giá trị không đổi khi tần số thay đổi và thể hiện rõ nhất
ở khoảng tần số trung bình. Vì vậy, đo vận tốc rung động thường được áp dụng
trong giám sát rung động liên tục.
Gia tốc càng cao khi tần số rung động càng cao. Vì vậy, đo gia tốc thường áp
dụng trong giám sát rung động có tần số rung động lớn. Nếu đo được gia tốc của
rung động thì có thể suy ra vận tốc và chuyển vị bằng phép tích phân. Tuy nhiên để
có gia tốc bằng cách lấy vi phân từ vận tốc thì tín hiệu rất dễ bị nhiễu do tính chất


Rung động
không có
chu kỳ

Rung động
động cơ

Rung động
giả chu kỳ

Rung động
chu kỳ tắt
dần

Rung động
bất quy tắc

Rung động
bất quy tắc
liên tục

Rung động
bất quy tắc
giải tần hẹp
Rung động
bất quy tắc
giải tần rộng

Rung động

2.3 thể hiện cho thành phần riêng điều hòa, đường cong tổng không phải dao động
điều hòa được biểu diễn bởi đường nét liền. Những loại dữ liệu thường xuyên được
lấy trong thời gian sống của một máy, so sánh trực tiếp với dữ liệu lịch sử ở cùng
một tốc độ chạy và tải. Tuy nhiên, điều này là không thực tế vì sự khác biệt trong
hoạt động nhà máy thay đổi từng ngày và cả sự thay đổi trong tốc độ chạy. Điều này
ảnh hưởng đáng kể đến dữ liệu và làm cho không thể thể so sánh với dữ liệu lịch sử.
2.1.4 Miền tần số
Từ một quan điểm thực tế, các hàm số rung động điều hòa đơn giản có liên
quan đến tần số quay của các thành phần quay hoặc di chuyển. Do đó, các tần số
này là bội số của tốc độ quay cơ bản của chuỗi máy, mà được thể hiện bằng số vòng
mỗi phút (rpm) hoặc chu kỳ mỗi phút (cpm). Xác định các tần số này là bước cơ
bản đầu tiên trong phân tích các điều kiện hoạt động của máy.
Dữ liệu miền tần số thu được bằng cách chuyển đổi dữ liệu miền thời gian bằng
cách sử dụng một kỹ thuật toán học gọi là biến đổi Fast Fourier transform (FFT).
FFT cho phép mỗi thành phần rung động của một phổ tần số phức tạp của máy

9


được hiển thị như là một đỉnh tần số rời rạc. Biên độ miền tần số có thể được di
chuyển trên một đơn vị thời gian so với một tần số cụ thể, được vẽ như trục Y so
với tần số là trục X. Điều này là trái ngược với phổ miền thời gian, tổng các vận tốc
của tất cả các tần số và vẽ tổng theo trục Y so với thời gian là trục X. Một ví dụ của
một biểu đồ miền tần số hay tín hiệu rung động được hiển thị trong hình 2.4.
Biên độ

Y

Tần số
X