Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương pháp học sâu để phát hiện và chẩn đoán lỗi vòng bi của động cơ ba pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và
thử nghiệm phương pháp học sâu để phát
hiện và chẩn đốn lỗi vịng bi của
động cơ ba pha
PHẠM ĐỨC BÌNH


Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Hồng Sỹ Hồng

Viện:

Điện

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 4/2022
1


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương
pháp học sâu để phát hiện và chẩn đốn lỗi vịng bi của động cơ

Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

2


LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc
biệt các thầy cơ viện Điện đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt
nhất cho em trong suốt quãng thời gian em theo học tại trường, để em có thể
hồn thành được đề tài này.
Em tỏ lịng biết ơn sâu sắc với PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng, người thầy đã tận
tình hướng dẫn khoa học và giúp đỡ, chỉ bảo em trong suốt q trình nghiên cứu
và hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên của Lab Mandevies tại trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tơi trong q trình theo học tại trường,
cũng như giúp đỡ tôi thực hiện đề tài này.

Xin trân trọng cảm ơn!

3


MỞ ĐẦU

Giới thiệu
Trong động cơ điện, vòng bi là một bộ phận rất quan trọng với chức năng
giảm ma sát, đảm bảo chuyển động quay và đỡ tải trọng tác dụng lên các chi tiết
máy trong động cơ. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực cơ khí-tự

động hóa, nhiều dây truyền máy móc đã được vận hành một cách khép kín từ
khâu đầu vào tới đầu ra sản phẩm. Khi vòng bi trong động cơ điện phát sinh hư
hỏng có thể làm đình trệ hoạt động của cả dây truyền sản xuất, gây thiệt hại lớn
về kinh tế. Bằng các phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu thu được trong q
trình hoạt động của động cơ, có thể phát hiện các lỗi này trong giai đoạn đầu của
chúng, trước khi chúng gây ra các tác động nghiêm trọng đến động cơ.
Lĩnh vực chẩn đoán ra đời nhằm nâng cao độ tin cậy và đảm bảo các hệ thống
hoạt động an toàn và liên tục. Phương pháp chẩn đoán đã được tiếp cận bằng
cách xây dựng các mơ hình vật lý giám sát hoạt động của vòng bi để giúp chúng
ta hiểu được mối quan hệ giữa lỗi vịng bi và các tín hiệu đo được, có thể được
thu nhận bằng nhiều loại cảm biến và phân tích bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu.
Các phương thức cảm biến đã được khám phá bao gồm cảm biến rung động, cảm
biến âm thanh, cảm biến dòng điện, cảm biến nhiệt độ và kết hợp nhiều cảm
biến, trong đó phân tích tín hiệu dịng điện chiếm ưu thế hơn cả. Sự tồn tại của
lỗi vòng bi cũng như dạng lỗi cụ thể của nó có thể được xác định dễ dàng bằng
cách thực hiện phân tích phổ tần số trên các tín hiệu được giám sát và phân tích
các thành phần của chúng ở các tần số lỗi đặc trưng, có thể được tính tốn để xác
định rõ ràng phụ thuộc vào tốc độ động cơ, dạng hình học ổ trục và vị trí cụ thể
của khuyết tật ổ trục.
Các phương pháp phát hiện lỗi vòng bi được phân loại dựa trên mơ hình hoạt
động của vịng bi hoặc dựa trên tín hiệu thu được. Tuy nhiên, chẩn đốn lỗi trong
vịng bi chủ yếu được thực hiện thơng qua các kỹ thuật dựa trên tín hiệu. Các kỹ
thuật này thường bao gồm ba bước chính: (1) Đo tín hiệu sẽ được sử dụng để
chẩn đốn lỗi (các loại tín hiệu cảm biến thu được trong quá trình hoạt động); (2)
Xử lý tín hiệu để trích xuất các tính năng đặc trưng của vịng bi trong các điều
kiện bất thường; (3) Sử dụng mơ hình trí tuệ nhân tạo để phân loại tín hiệu bình
4


thường và tín hiệu bị lỗi. Từ những cơ sở phân tích ở trên, tơi xin lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương pháp học sâu để
phát hiện và chuẩn đoán lỗi vòng bi của động cơ ba pha” để nghiên cứu và ứng
dụng các phương pháp vào việc chẩn đoán lỗi vòng bi trong động cơ.
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương pháp học
sâu để phát hiện và chuẩn đoán lỗi vòng bi của động cơ ba pha” hướng đến các
mục tiêu sau :
- Tổng hợp lý thuyết về lỗi vòng bi trong động cơ ba pha không đồng bộ.
-

Thiết kế mơ hình testbench để giám sát hoạt động của động cơ ba pha
không đồng bộ và lựa chọn các mẫu vòng bi bị lỗi trong động cơ.

-

Thu thập dữ liệu vịng bi trong q trình hoạt đơng, xử lý tín hiệu và xây
dựng bộ dataset từ bộ dữ liệu đã thu thập.

-

Sử dụng mơ hình mạng Nơron để chẩn đốn tình trạng của vịng bi.

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các động cơ điện ba pha khơng đồng bộ ba
pha trong đó thành phần vịng bi là trọng tâm nghiên cứu về cả lý thuyết và thực
nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu được giới hạn trong phân tích các dao động cơ học của
vịng bi dựa trên mơ hình cơ học, các phép đo thực nghiệm và các phương pháp
phân tích tín hiệu số.

Tóm tắt nội dung đề tài
Trong đề tài “Nghiên cứu xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương
pháp học sâu để phát hiện và chuẩn đốn lỗi vịng bi của động cơ ba pha” tôi sẽ
triển khai với những nội dung chính như sau:
Nghiên cứu tổng quan về thành phần vịng bi trong động cơ điện ba pha
khơng đồng bộ. Giới thiệu về lỗi vòng bi và các phương pháp chuẩn đốn vịng
bi. Sau đó lựa chọn phương pháp chẩn đốn lỗi vịng bi.
Nghiên cứu về phương pháp xử lý tín hiệu rung động trong động cơ, đưa
ra phương án phù hợp để xử lý tín hiệu. Giới thiệu về mạng Nơron nhân tạo và
mơ hình CNN để xử lý ảnh từ dữ liệu thu được, từ đó lựa chọn mơ hình mạng
Nơron tối ưu để áp dụng vào chẩn đốn lỗi vịng bi trong động cơ.
Nghiên cứu, xây dựng mơ hình testbench để giám sát hoạt động của động
cơ ba pha khơng đồng bộ. Tìm hiểu, lựa chọn các mẫu lỗi vòng bi trong động cơ
để đưa vào thực nghiệm. Tiến hành thực nghiệm thu dữ liệu, xử lý dữ liệu sau
khi thu nhận và xây dựng bộ dữ liệu cho lỗi vòng bi trong động cơ.
-

Từ những nội dung trên, luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1 : Tổng quan lỗi vòng bi
5


-

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết liên quan đến xử lý tín hiệu và học sâu

-

Chương 3 : Xây dựng bộ dữ liệu lớn và thử nghiệm phương pháp học sâu
chẩn đốn lỗi vịng bi

-

Chương 4 : Kết quả

Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu đề ra, đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên
cứu là kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và xử lý tín hiệu số, từ đó đưa ra được
phương pháp chẩn đốn lỗi vịng bi trong động cơ điện ba pha khơng đồng bộ.
Kết luận
Sau thời gian thực hiện luận văn, tôi đã đạt được một số kết quả khả quan,
nâng cao kiến thức, hiểu biết về vòng bi và tầm quan trọng của vịng bi trong q
trình hoạt động của động cơ. Luận văn đã hoàn thiện được phần thiết kế mơ hình
testbench, tiến hành thu nhận và xử lý tín hiệu. Bộ dữ liệu lỗi vòng bi thu được
trong quá trình hoạt động có độ tin cậy cao, áp dụng vào mơ hình học sâu thu
được kết quả tốt. Mặc dù cịn rất nhiều thiếu sót khơng thể tránh khỏi nhưng q
trình thực hiện luận văn giúp tơi cũng có một cái nhìn thực tế về tầm quan trọng
của việc chẩn đốn lỗi vịng bi trong động cơ điện.

Hà Nội, ngày tháng năm 2022
HỌC VIÊN

Phạm Đức Bình
6


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 3
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4

MỤC LỤC ........................................................................................................ 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ 11
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LỖI VỊNG BI ............................................... 13
1.1

1.2

1.3

Khái niệm về vịng bi.............................................................................. 13
1.1.1

Khái niệm .................................................................................. 13

1.1.2

Nguyên lý hoạt động ................................................................. 13

1.1.3

Cấu tạo vòng bi ......................................................................... 14

1.1.4

Phân loại vòng bi....................................................................... 14

1.1.5

Vai trò của vòng bi đối với động cơ ba pha .............................. 15

Tổng quan về lỗi vòng bi ........................................................................ 15
1.2.1

Nguyên nhân xuất hiện lỗi vòng bi ........................................... 15

1.2.2

Dấu hiệu lỗi vòng bi .................................................................. 16

1.2.3

Tác động của lỗi vòng bi lên động cơ điện ............................... 16

1.2.4

Phân loại lỗi vòng bi ................................................................. 16

1.2.5

Phương pháp tạo lỗi trên vòng bi .............................................. 17

1.2.6

Lựa chọn phương pháp tạo lỗi .................................................. 19

1.2.7

Lựa chọn động cơ điện .............................................................. 20

1.2.8

Kết quả tạo lỗi vòng bi trên thực tế ........................................... 20

Kết luận chương ..................................................................................... 22

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ TÍN HIỆU
VÀ HỌC SÂU ..................................................................................................... 23
2.1

Phân loại một số tín hiệu liên quan đến lỗi vịng bi ............................... 23

2.2

Các phương pháp xử lý tín hiệu ............................................................. 24

2.3

2.2.1

Phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian ..................... 24

2.2.2

Phương pháp xử lý tín hiệu trong miền tần số .......................... 25

2.2.3

Phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian – tần số ........ 27

Tổng quan về mạng Nơron ..................................................................... 32
2.3.1

Mạng Nơron .............................................................................. 32
7


2.3.2
2.4

Mạng Nơron tích chập (Convolution Neural Network) ............ 35

Kết luận chương ..................................................................................... 37

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU LỚN VÀ THỬ NGHIỆM
PHƯƠNG PHÁP HỌC SÂU CHẨN ĐỐN LỖI VỊNG BI ......................... 38
3.1

Phương pháp chẩn đốn lỗi vịng bi ....................................................... 38

3.2

Các bộ dữ liệu lỗi vòng bi trên thế giới .................................................. 39

3.3

Thiết kế hệ thống thu nhận tín hiệu rung động của động cơ .................. 40
3.3.1

Mục tiêu thiết kế mô hình testbench ......................................... 40

3.3.2

Mơ hình thu nhận tín hiệu rung của động cơ ............................ 40

3.4

Thiết kế bộ dữ liệu lớn............................................................................ 47

3.5

Áp dụng phương pháp học sâu để chẩn đoán lỗi vòng bi....................... 52

3.6

Kết luận chương ..................................................................................... 57

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ ................................................................................ 58
4.1

Dữ liệu thu thập ...................................................................................... 58
4.1.1

Đánh giá các đặc trưng cơ bản của dữ liệu ............................... 58

4.1.2

Đánh giá đặc tính tần số lỗi trong dữ liệu ................................. 60

4.2

Đánh giá mơ hình ................................................................................... 63

4.3

Kết luận chương ..................................................................................... 65

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................... 66
Kết luận ............................................................................................................ 66
Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ..................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 67

8


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Vịng bi trong động cơ điện ............................................................. 13
Hình 1-2: Hình ảnh cấu tạo vịng bi................................................................. 14
Hình 1-3: Hình ảnh các vị trí lỗi trên vịng bi a) Lỗi vịng ngồi b) Lỗi vịng
trong c) Lỗi con lăn ............................................................................................ 16
Hình 1-4: Thiết bị lão hóa tăng tốc tuổi thọ của vịng bi ................................. 18
Hình 1-5: Ví dụ về lỗi được tạo ra trong thử nghiệm gia tốc tuổi thọ vịng bi.18
Hình 1-6: Hình ảnh máy cắt dây EDM ............................................................ 19
Hình 1-7: Hình ảnh động cơ điện ba pha ......................................................... 20
Hình 1-8: Kích thước của vịng bi ................................................................... 21
Hình 1-9: Lỗi vịng bi chế tạo: Lỗi vịng trong ................................................ 22
Hình 1-10:Lỗi vịng bi chế tạo: Lỗi vịng trong ............................................... 22
Hình 2-1: Hình ảnh tín hiệu trong miền tần số và miền thời gian ................... 25

Hình 2-2: Hình ảnh mô tả phép biến đổi Fourier thời gian ngắn .................... 27
Hình 2-3: Hình ảnh mơ tả phép biến đổi Wavelet ........................................... 28
Hình 2-4: Hình ảnh lưu đồ thuật tốn EMD .................................................... 31
Hình 2-5: Hình ảnh cấu trúc mạng Nơron sinh học......................................... 32
Hình 2-6: Hình ảnh kiến trúc mạng Nơron ...................................................... 33
Hình 2-7: Hình ảnh cấu tạo của một Nơron nhân tạo ...................................... 34
Hình 2-8: Hình ảnh cấu trúc mạng Nơron tích chập ....................................... 35
Hình 2-9: Hình ảnh minh họa tham số của bộ lọc ........................................... 36
Hình 2-10: Hình ảnh cơ chế hoạt động của tầng pooling ................................ 37
Hình 3-1: Bộ thu dữ liệu CWRU ..................................................................... 39
Hình 3-2: Hình ảnh mơ hình Testbench .......................................................... 41
Hình 3-3: Hình ảnh cảm biến mơmen quay DR2269-50 Nm .......................... 42
Hình 3-4: Hình ảnh cảm biến rung động PCB 352C33 ................................... 42
Hình 3-5: Hình ảnh cảm biến tộc độ RE O444 L1 MF 0,02A ........................ 43
Hình 3-6: Hình ảnh phanh bột từ FP 10/15 D2 ............................................... 43
Hình 3-7: Hình ảnh mơđun đo cơ MODMECA3 ............................................ 44
Hình 3-8: Hình ảnh bộ thu dữ liệu NI 9234 ..................................................... 45
Hình 3-9: Hình ảnh phần mềm Labview ......................................................... 46
Hình 3-10: Tín hiệu rung động thu được ......................................................... 47
Hình 3-11: Ảnh phổ lỗi vòng trong a) Tải 0W b) Tải 250W c) Tải 500W ... 50
Hình 3-12:Ảnh phổ bình thường a) Tải 0W b) Tải 250W c) Tải 500W ....... 51
Hình 3-13:Ảnh phổ lỗi vịng ngồi a) Tải 0W b) Tải 250W c) Tải 500W .... 51
Hình 3-14: Hình ảnh phép tích chập thơng thường ......................................... 52
9


Hình 3-15: Hình ảnh minh họa phép tính Spatial Separable Convolutions .... 53
Hình 3-16: Hình ảnh tích chập chiều sâu Depthwise convolution .................. 54
Hình 3-17: Hình ảnh phép tích chập điểm ....................................................... 54
Hình 3-18: Hình ảnh kiến trúc mơ hình Lenet-5 ............................................. 55

Hình 4-1: Biểu đồ Histogram a) Bình thường b) Lỗi vịng ngồi c) Lỗi vịng
trong ..................................................................................................................... 60
Hình 4-2: Hình ảnh đặc tính của tín hiệu trong miền tần số ............................ 60
Hình 4-3: Thơng số vịng bi ............................................................................. 61
Hình 4-4: Đặc tính tần số của tín hiệu trong trạng thái bình thường ............... 62
Hình 4-5: Đặc tính tần số của tín hiệu trong trạng thái lỗi vịng ngồi ........... 62
Hình 4-6: Đặc tính tần số của tín hiệu trong trạng thái lỗi vịng trong ............ 62
Hình 4-7: Hình ảnh Đồ thị hàm mất mát của 2 mơ hình Lenet-5 và mơ hình đề
xuất ....................................................................................................................... 63
Hình 4-8: Hình ảnh đồ thị độ chính xác ở 2 mơ hình Lenet-5 và mơ hình đề
xuất ....................................................................................................................... 64
Hình 4-9: Hình ảnh đồ thị thời gian huấn luyện ở 2 mơ hình Lenet-5 và mơ
hình đề xuất .......................................................................................................... 64

10


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Các phương pháp tạo lỗi nhân tạo .................................................. 17
Bảng 1-2: Kích thước lỗi vịng bi .................................................................... 21
Bảng 3-1: Bộ dữ liệu rung động ...................................................................... 48
Bảng 3-2: Số lượng ảnh lấy từ phép biến đổi STFT ........................................ 50
Bảng 3-3: Kiến trúc của mơ hình đề xuất ........................................................ 57
Bảng 4-1: Các đặc trưng cơ bản của bộ dữ liệu ............................................... 58

11


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

VIẾT
TẮT

NGHĨA TIẾNG ANH

EDM

Electrical Discharge
Machine

Máy gia công bằng tia lửa điện

FI

Fourier Intergral

Phép biến đổi Fourier liên tục

DFT

Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc

FFT

Fast Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier nhanh

STFT

Short-time Fourier transform

EMD

Empirical Method
Decomposition
Intrinsic Mode Function
Wavelet Transform
Hilbert Transform
Convolution Nerural Network

IMF
WT
HT
CNN

NGHĨA TIẾNG VIỆT

Phép biến đổi Fourier thời gian
ngắn
Phương pháp phân tích thực
nghiệm
Hàm cơ bản
Biến đổi Wavelet
Biến đổi Hilbert
Mạng tích chập

DSC

Depthwise Separable
Convolution

Phép tính tích chập tách biệt chiều
sâu

IEPE

Integrated Electronics PiezoElectric

Tích hợp điện tử Piezo-Electric

NO
IR
OR

Normal
Inner race
Outer race

Bình thường
Vịng trong
Vịng ngồi

12


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LỖI VÒNG BI
1.1 Khái niệm về vòng bi

1.1.1 Khái niệm
Vòng bi là thành phần truyền động cơ khí rất quan trọng và phổ biến được
dùng nhiều trong máy móc cơng nghiệp và các thiết bị truyền động. Vịng bi
thường có dạng hình trịn làm từ kim loại và được gắn liền với thành phần
chuyển động quay (roto) và vỏ động cơ để hỗ trợ cho quá trình chuyển động của
động cơ. Vịng bi có chức năng nâng đỡ trục tâm, trục truyền, giảm ma sát, đảm
bảo chuyển động quay và đỡ tải trọng tác dụng lên các chi tiết máy[1].

Hình 1-1: Vịng bi trong động cơ điện

1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Vòng bi là những bộ phận có thể chuyển động xoay trịn hoặc tuyến tính mà
gây ít ma sát, giảm sức tải giúp cho máy móc vận hành dễ dàng, hiệu quả gây ít
ma sát, giảm sức tải giúp cho máy móc vận hành dễ dàng, hiệu quả và năng suất.
Tuy vậy, những chiếc vòng bi của chúng ta có cấu trúc khá đơn giản: những viên
bi (bạc đạn) được đặt bên trong (hoặc ngoài) của một bề mặt kim loại nhẵn để có
thể lăn trên đó. Những viên bi hay ổ lăn bản thân cũng đã có khả năng tải trọng.
Và nhiệm vụ của vịng bi là giảm thiểu sức nặng đáng kể của tải trọng đến mức
tối đa để có thể phục vụ cơng việc.

13


1.1.3 Cấu tạo vịng bi

Hình 1-2: Hình ảnh cấu tạo vịng bi

Vịng bi có cấu tạo gồm 4 thành phần chính:
- Vịng ngồi (Outer race): Thường được gắn với gối đơ, là phần không
quay và chứa rãnh tiếp xúc với con lăn.

- Vòng trong (Inner race): Thường được gắn với trục động cơ và quay cùng
với tốc độ của động cơ và chứa các rãnh tiếp xúc với con lăn.
- Vịng cách (Cage): Tác dụng cố định vị trí của các con lăn và giữ chúng
cách nhau một khoảng cố định.
- Con lăn (Rolling elements): là thành phần chuyển động của vịng bi,có thể
là hình cầu hoặc hình trụ.

1.1.4 Phân loại vòng bi
Trong thực tế, số lượng mẫu mã vòng bi rất đa dạng. Tùy thuộc vào mục đích
sử dụng hay loại động cơ được lắp đặt mà vòng bi sẽ được thiết kế theo các kích
thước và hình dạng khác nhau. Tuy nhiên thông thường người ta sẽ phân loại
vịng bi dựa theo mục đích sử dụng:
- Vịng bi cầu (Ball bearing) là loại vịng bi thơng dụng nhất vì có thể chịu
được cả lực hướng hướng tâm và lực dọc trục. Điểm yếu của vòng bi cầu
là sức tải. Vòng bi cầu chỉ chịu được tải nhẹ, cho nên khó được ứng dụng
vào các cơng việc địi hỏi sức tải lớn do dễ bị biến dạng khi quá tải.
- Vòng bi trụ (Rolling bearing): là vòng bi được thiết kế để chịu được tải
trọng hướng tâm lớn ở tốc độ cao. Con lăn có dạng hình trụ, giúp phân bố
tải trọng trên một diện tích lớn hơn vịng bi cầu, cho phép vịng bi trục có
sức tải lớn hơn nhiều so với vòng bi cầu. Tuy nhiên, thiết kế của vịng bi
trục chỉ thích hợp đối với lực hướng tâm, khơng thể ứng dụng trong các
cơng việc địi hỏi sức tải dọc trục.
- Vòng bi chặn (Ball thrust bearing): Là vòng bi được thiết kế chủ yếu
hướng đến các ứng dụng đòi hỏi sức tải thấp và yêu cầu chịu được lực dọc
trục. Có các kiểu thiết kế chặn lực dọc trục ở một hướng và hai hướng
cũng như với bệ đỡ để điều chỉnh độ lệch hướng tâm.

14

-

Vịng bi cơn (Tapered roller bearing): là vịng bi được thiết kế để chịu tải
trọng hỗn hợp. Có tỷ số giữa khả năng chịu tải và kích thước tiết diện cắt
lớn, cho ta kết cấu có tính kinh tế cao. Một vài kiểu thiết kế có khả năng
chịu độ lệch trục và có tuổi thọ làm việc cao và độ tin cậy lớn. Bao gồm
nhiều loại nhỏ như loại một dãy, loại một dãy ghép cặp đôi, loại hai dãy,
loại bốn dãy. Vịng bi cơn thường được ứng dụng rộng rãi trong đời sống,
và nhất là trong công nghiệp ô tơ.

1.1.5 Vai trị của vịng bi đối với động cơ ba pha
Trong động cơ điện ba pha, vòng bi thực hiện các chức năng quan trọng như:
-

Chịu lực cũng như chịu tải: Đây được xem là chức năng chính của chi tiết
máy, chịu trách nhiệm chống đỡ và chịu lực trên nhiều hướng khác nhau.
Tuy nhiên phụ thuộc vào cấu tạo, mỗi loại sẽ có chức năng phát huy tốt
trong môi trường làm việc chuyên biệt.

-

Hỗ trợ xoay cho mọi bộ phận: vịng bi cịn có cơng dụng hỗ trợ xoay cho
mọi bộ phận hoặc giúp quá trình truyền chuyển động cho máy. Nhờ vào
đó hỗ trợ q trình hoạt động diễn ra một cách liên tục và ổn định.

-

Định vị trục, định vị các chi tiết quay: Chức năng định vị trục và các chi
tiết quay giúp máy không bị rời khỏi các vị trí hoạt động ban đầu. Nhờ đó
hỗ trợ nâng cao hiệu suất và giảm thiểu tối đa các chi phí sửa chữa khi có

vấn đề. Tóm lại, vịng bi có tác dụng tăng cường những chức năng của
máy và tiết kiệm tối đa năng lượng, hỗ trợ tốt cho quá trình vận hành ổn
định và nâng cao hiệu suất.

1.2 Tổng quan về lỗi vòng bi
1.2.1 Nguyên nhân xuất hiện lỗi vòng bi
Trong các động cơ điện, vịng bi là thành phần rất quan trọng vì thế vịng bi rất
được chú trọng trong q trình chế tạo thiết kế để đảm bảo độ chính xác tốt nhất.
Trong hầu hết các trường hợp, hỏng vòng bi là kết quả của sự mài mòn vật liệu
của vòng bi. Trong điều kiện vận hành bình thường, sự cố do mài mòn bắt đầu
xuất hiện với các vết nứt nhỏ, nằm bên trong bề mặt của vòng bi và các phần tử
lăn[1]. Các tác động lặp đi lặp lại giữa các thành phần của ổ trục và bề mặt đứt
gãy làm cho các vết nứt dần dần lan truyền và mở rộng, tạo ra sự gia tăng độ
rung và độ ồn của vịng bi trong q trình hoạt động.
Các ngun nhân dẫn đến lỗi vòng bi[2]:
- Xử lý và lắp đặt vịng bi khơng chính xác.
- Ứng xuất hướng tâm và dọc trục nặng do lệch trục.
- Chịu tải lớn trong thời gian dài.
- Các vấn đề về môi trường bên ngoài, điều kiện hoạt động khắc nghiệt.
- Nhiễm bẩn và ăn mòn, do rỗ và tác động chà nhám của các hạt nhỏ cứng
và mài mòn, hoặc tác động ăn mịn của nước, axit.
- Bơi trơn khơng đúng cách, bao gồm cả bơi trơn q mức và thiếu, gây
nóng và mài mòn.
15


1.2.2 Dấu hiệu lỗi vòng bi
Các biểu hiện khi xảy ra lỗi vòng bi:
- Rãnh nhỏ xuất hiện trên bề mặt vịng bi. Nếu tiếp tục vận hành, rãnh
nhỏ có thể lan truyền ra tồn bộ bề mặt của vịng bi.

- Hố xuất hiện trên bề mặt vòng bi. Tuy nhiên khác với rãnh, loại này
khơng lan truyền ra tồn bộ bề mặt vịng bi và lỗi này có thể dẫn tới việc
xuất hiện các rãnh.
- Vịng bi có thể bị ơ-xi hóa hoặc bị rỉ do độ ẩm và các tác nhân bên ngoài.
- Xuất hiện các vết xước nhỏ do thiếu chất bôi trơn hoặc bôi trơn không hợp
lý dẫn đến con lăn tiếp xúc trực tiếp với vịng trong, vịng ngồi, hoặc cả
hai vịng.
1.2.3 Tác động của lỗi vòng bi lên động cơ điện
Vòng bi là thành phần quan trọng trong động cơ. Khi vòng bi xảy ra hiện
tượng lỗi trong quá trình hoạt động sẽ gây ảnh hưởng lớn đến tình trạng của động
cơ. Các ác động của lỗi vòng bi lên động cơ:
- Gây ra sai lệch trục chuyển động dẫn đến động cơ rung động quá mức
trong quá trình hoạt động.
- Quá tải nhiệt trong động cơ.
- Gây kẹt cứng trong quá trình quay của động cơ.
1.2.4 Phân loại lỗi vòng bi
Để xác định phân loại lỗi trên vòng bi, người ta thường dựa vào vị trí xảy ra
lỗi trên vịng bi hoặc ngun nhân xảy ra lỗi để đánh giá và phân loại.Tuy nhiên
trong phạm vi của đề tài, ta sẽ phân loại lỗi vịng bi dựa trên các vị trí xảy ra lỗi:
- Lỗi vịng ngồi (Outer race fault).
- Lỗi vịng trong (Inner race fault).
- Lỗi con lăn (Ball fault).

Hình 1-3: Hình ảnh các vị trí lỗi trên vịng bi a) Lỗi vịng ngồi b) Lỗi vịng trong
c) Lỗi con lăn

16


1.2.5 Phương pháp tạo lỗi trên vòng bi

Để chế tạo ra các vịng bi có xuất hiện lỗi phục vụ cho bài toán chẩn đoán, ta
sẽ tạo ra các điểm bất thường trên vòng bi bằng cách tác động vật lý lên vịng bi.
Thơng thường, ta sẽ có 2 cách tạo lỗi vòng bi là lỗi thực tế và lỗi nhân tạo[3]
a, Lỗi nhân tạo
Lỗi nhân tạo được tạo ra bằng cách dùng các thiết bị tác động vật lý vào vòng
bi trong trạng thái tĩnh
Bảng 1-1: Các phương pháp tạo lỗi nhân tạo

Phương pháp
tạo lỗi

Hình dạng lỗi

Thiết bị tạo lỗi

Gia cơng phóng

Vết nứt

-Máy gia cơng

điện

Rãnh nứt

phóng điện

Hình ảnh lỗi

EDM

-Máy cắt dây

Khoan

Vết lõm, hố

Máy khoan

Gia công thủ
công

Vết nứt

Máy khắc
điện

b, Lỗi thực tế

Là lỗi được tạo ra trong quá trình hoạt động của vòng bi

17


Để tạo lỗi thực, ta sử dụng bộ thiết bị lão hóa tăng tốc tuổi vịng bi để tạo
lỗi bao gồm một vỏ ổ trục và một động cơ điện, cung cấp năng lượng cho
một trục có bốn vịng bi thử nghiệm trong vỏ (Hình 1-3).

Hình 1-4: Thiết bị lão hóa tăng tốc tuổi thọ của vịng bi

Các vịng bi thử nghiệm quay dưới tải trọng hướng tâm được tác

dụng bởi cơ cấu trục vít lị xo[3]. Lực hướng tâm được áp dụng cao hơn so
với các ứng dụng vòng bi thông thường để đẩy nhanh sự xuất hiện của các
hư hỏng do mỏi, nhưng vẫn đủ thấp để không vượt quá khả năng chịu tải
tĩnh của ổ trục. Hơn nữa, dầu có độ nhớt thấp đã được sử dụng, dẫn đến
điều kiện bôi trơn không phù hợp và dễ xuất hiện các hư hỏng.

Hình 1-5: Ví dụ về lỗi được tạo ra trong thử nghiệm gia tốc tuổi thọ vịng bi.

Sau khi thí nghiệm, các lỗi xảy ra thường phát sinh dưới dạng các vết nứt.
Phần còn lại của vòng bi, ngoại trừ một vết nứt, đã bị hư hỏng do biến dạng dẻo,
tức là ở dạng vết lõm do mảnh vỡ gây ra. Các hư hỏng rỗ xảy ra ở cả vịng trong
và vịng ngồi của vịng bi. Các vết lõm chỉ được tìm thấy ở vịng ngồi.
18


1.2.6 Lựa chọn phương pháp tạo lỗi
Sau khi tìm hiểu về các phương pháp tạo lỗi trên vòng bi trong thực tế, ta nhận
thấy việc tạo lỗi thực trên vòng bi gặp rất nhiều khó khăn. Tuổi thọ vịng bi
thường rất dài và việc tạo lỗi thực tế sẽ chiếm rất nhiều thời gian, do đó rất khó
phát hiện thời điểm xuất hiện lỗi. Lỗi thực thường được xảy ra ở nhiều điểm cùng
lúc, khó cho việc phát hiện lỗi trong vịng bi. Dữ liệu thu được khó có thể so
sánh, phân loại đối với các thiệt hại khác[3]. Do đó,tác giả sẽ lựa chọn phương
pháp tạo lỗi nhân tạo để tạo lỗi vòng bi.
Trong đề tài thực thực hiện, ta sẽ tạo lỗi nhân tạo cho vòng bi bằng phương
pháp cắt dây kim loại thông qua việc sử dụng máy cắt dây. Đây là phương pháp
hiện đại giúp tạo lỗi vòng bi trong một thời gian ngắn với khả năng tạo ra lỗi
vịng bi với kích thước rất nhỏ có độ chính xác cao.
Máy cắt dây hoạt động dựa vào sự ăn mịn cực dương khi có electron từ cực
âm bắn phá qua cực dương.Trong đó, phơi vật liệu cần cắt đóng vai trị cực
dương, cực âm trên mấy cắt dây là sợi dây có đường kính nhỏ, cuốn liên tục và

chạy theo một biên dạng cố định, cho phép cắc trên các bề mặt phức tạp.

Hình 1-6: Hình ảnh máy cắt dây EDM

Chuyển động của dây cắt được điều khiển theo hành trình cố định được lập
trình bằng các phần mềm chun dụng có mơđun cho máy cắt dây hoặc lập trình
bằng tay với các ứng dụng đơn giản. Chuyển động này của dây cắt tạo thành một
đường liên tục với độ chính xác khoảng 0,001 mm. Dây cắt được dẫn hướng
thông qua hai cơ cấu dẫn hướng bằng kim cương trên máy.
Q trình phóng tia lửa điện của máy cắt dây là bằng mặt bên dây cắt đối với
chi tiết gia cơng. Phơi được cắt hồn tồn bằng sự phóng điện từ dây tới phơi chứ
khơng hề có sự tiếp xúc trực tiếp giữa phơi và dây cắt.

19


1.2.7 Lựa chọn động cơ điện

Hình 1-7: Hình ảnh động cơ điện ba pha

Trong đề tài, tác giả sẽ lựa chọn động cơ điên là động cơ điện cảm ứng ba pha
Hồng ký, model PLC-H0.7534.
Các thông số của động cơ
-

Công suất: 0,75 KW

-

Điện áp: 3/220-380 V

-

Tốc độ định mức: 1450 vòng/phút

-

Vòng bi : 6203-6204

-

Số cực: 4

-

Tần số 50 Hz

Động cơ điện ba pha sử dụng có thành phần vịng bi gồm 2 loại là SFK 6204
và SKF 6203. Trong đó, vòng bi 6204 là vòng bi ra tải của động cơ còn vòng bi
6203 là vòng bi ra quạt của động cơ. Nhận thấy vòng bi 6204 được gắn gần tải
nên sẽ đóng vai trị quan trọng trong q trình hoạt động của động cơ. Do vậy ta
sẽ tiến hành tạo lỗi cho vòng bi 6204 để đánh giá và phân tích lỗi vịng bi
1.2.8 Kết quả tạo lỗi vịng bi trên thực tế
Sau khi đã lựa chọn được vòng bi tạo lỗi, ta tiến hành tạo lỗi trên vòng bi 6204
. Lỗi vịng bi được tạo sẽ có hình dạng rãnh nứt cắt ngang qua mặt chuyển động
của viên bi.

20

Hình 1-8: Kích thước của vịng bi

Các thơng số kỹ thuật của vịng bi 6204 là:
-

Đường kính ngồi: D = 47 mm,

-

Đường kính trong: d = 20 mm,

-

Số vịng bi: N = 8

-

Đường kính vịng bi: b = 8 mm.

- Góc tiếp xúc: 0°
Ta tiến hành tạo lỗi vịng bi theo 2 trường hợp là lỗi vịng ngồi và lỗi vòng
trong. Các vòng bi này được tạo lỗi đơn với các đường kính khác nhau, 0,2 mm,
0,6 mm, 1 mm, 1,5 mm. Tín hiệu dịng điện được từ cảm biến được đặt trên động
cơ với tốc độ lấy mẫu 12800 Hz đối với vòng bi ra tải của động cơ. Động cơ
được quay với ba mức độ tải khác nhau 0 W, 250 W, 500 W.
Bảng 1-2: Kích thước lỗi vịng bi

Lỗi vịng bi

Kích thước lỗi

0.2 mm

Lỗi vịng ngồi

0.6 mm
1 mm
1,5 mm
0.2 mm

Lỗi vòng trong

0.6 mm
1 mm
1,5mm

21


Tổng cộng, ta sử dụng 9 vòng bi khác nhau: 4 vịng bi lỗi vịng ngồi, 4 vịng
bi lỗi vịng trong và 1 vịng bi bình thường để phục vụ cho q trinh thực nghiệm
đo tín hiệu để chẩn đốn lỗi vịng bi.

Hình 1-9: Lỗi vịng bi chế tạo: Lỗi vịng trong

Hình 1-10:Lỗi vịng bi chế tạo: Lỗi vịng trong

1.3 Kết luận chương
Phần đầu chương 1 đã giới thiệu tổng quan về cấu tạo, các loại vòng bi và vai
trò của vòng bi trong động cơ ba pha. Tiếp theo, giới thiệu về lỗi vòng bi, nguyên
nhân , dấu hiệu và ảnh hưởng của lỗi vòng bi đến động cơ ba pha. Phần cuối của

chương đã giới thiệu về các phương pháp tạo lỗi vịng bi trong phịng thí nghiệm.
Trong đồ án này, em lựa chọn phương pháp tạo lỗi vòng bi dưới dạng vết nứt
bằng máy cắt dây và lựa chọn tạo lỗi ở 2 vị trí trong vịng bi là vịng ngồi và
vịng trong với 4 kích thước lần lượt là 0,2mm, 0,6mm, 1mm và 1,5mm.

22


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN XỬ LÝ TÍN HIỆU
VÀ HỌC SÂU
2.1 Phân loại một số tín hiệu liên quan đến lỗi vịng bi
Để chẩn đốn lỗi của vòng bi trong động cơ điện, ta thường dựa vào việc phân
tích các tín hiệu của động cơ trong q trình động cơ hoạt động. Đơng cơ điện
khi hoạt đơng tạo ra rất nhiều loại tín hiệu khác nhau. Tùy thuộc vào việc lấy tín
hiệu nào để phân tích thì ta sẽ lựa chọn các loại cảm biến phù hợp để giám sát
quá trình hoạt động của động cơ. Ta sẽ phân loại các phương pháp đo tín hiệu
dựa trên dạng tín hiệu cảm biến thu được:
-

Tín hiệu dịng điện (Current signal): Tín hiệu thu được khi ta lắp đặt cảm
biến dịng đo tín hiệu dịng điện của stato. Khi vòng bi hoạt động trong
điều kiện lỗi, các chuyển xuyên tâm của trục động cơ sẽ dẫn đến sự thay
đổi nhỏ của roto từ đó sẽ gây ra sự thay đổi thông lượng từ giữa stator và
roto. Điện áp gây ra sau đó sẽ gây ra sự thay đổi của dịng stator. Cảm
biến dịng có thể lắp đặt ở bên ngoài động cơ, tránh ảnh hưởng đến động
cơ trong q trình hoạt động. Tuy nhiên so với tín hiệu rung và tín hiệu
sóng âm, tín hiệu điện chỉ phát hiện việc xuất hiện lỗi trên động cơ chứ
không biểu thị rõ được lỗi xuất phát từ vị trí nào của động cơ.

-

Tín hiệu rung (Vibration signal) [4]: Là loại tín hiệu được sử dụng rộng
rãi nhất trong các loại tín hiệu dùng để kiểm tra trạng thái hoạt động của
vịng bi. Tín hiệu này thu được khi ta lắp đặt cảm biến rung trên động cơ
để đo sự rung động của vịng bi trong q trình động cơ hoạt động. Một
đơng cơ ở trạng thái bình thường sẽ tạo ra độ rung tối thiểu khi hoạt động,
bất kì sự cố,lỗi nào xảy ra bên trong các bộ phận của động cơ đều gây ra
độ rung lớn hơn. Mỗi một loại lỗi trên từng vị trí của vịng bi lại sinh ra
các tần số khác nhau với các biên độ rung khác nhau. Do đó, dựa vào tín
hiệu rung, ta có thể nhận biết được trạng thái làm việc của vịng bi mà
khơng cần phải có những tác động vật lý như mở nắp động cơ,…

-

Tín hiệu sóng âm (Acoustic Emission signal) [4]: Tín hiệu thu được khi ta
lắp cảm biến sóng âm đo tín hiệu sóng âm phát ra từ các vết nứt tại điểm
xảy ra lỗi. Phát xạ sóng âm là một sóng đàn hồi thống qua được tạo ra
được gây ra bởi sự giải phóng năng lượng đột ngột gây ra bởi sự thay đổi
cấu trúc trong vật liệu. Cảm biến sóng âm hoạt động dựa trên tín hiệu sóng
âm được phát ra từ các vết nứt tại thời điểm xảy ra lỗi. Do đó tín hiệu sóng
âm có thể phát hiện sớm nhất tình trạng lỗi vòng bi ngay cả khi những lỗi
này xảy ra ở dưới bề mặt của vòng bi. Các loại cảm biến đo sóng âm
thường hoạt động ở tần số cao vì thế địi hỏi sự chính xác tuyệt đối khi lắp
đặt cảm biến và giá thành cao hơn nhiều so với các cảm biến khác.Độ
chính xác của việc phát hiện lỗi bằng phương pháp đo sóng âm có thể bị
giảm do đồ ồn từ mơi trương xung quanh.

-

Tín hiệu nhiệt (Thermography) [5]: Là một kỹ thuật dùng để chuẩn đoán

lỗi
23


không phá hủy dựa trên ảnh nhiệt thu được từ camera hồng ngoại. Đầu dò
hồng ngoại hấp thụ năng lượng phát ra từ vật thể và đo nhiệt độ trên bề
mặt của vật thể. Khi vòng bi bị hỏng, dẫn đến nhiệt độ tăng lên, qua đó có
thể phát hiện được vòng bi đang bị lỗi. Tuy nhiên phương pháp này chỉ
phát hiện được lỗi vịng bi khi có sự thay đổi rõ ràng về nhiệt độ do các
vết nứt trên vòng bi đã đạt đến một mức độ hư hỏng nhất định, nhưng
trong giai đoạn đầu của lỗi vòng bi, nhiệt độ của động cơ hầu như không
bị ảnh hưởng. Các yếu tố bên ngồi như nhiệt độ mơi trường, tốc độ, tải
chạy của động cơ và thời gian chạy đều có ảnh hưởng rõ rệt nên nhiệt độ
của động cơ, do đó làm giảm độ chính xác của phương pháp đo nhiệt trên
động cơ.
Trên đây là các tín hiệu cảm biến thường được dùng để chẩn đoán lỗi của
động cơ. Tùy vào việc chẩn đoán lỗi của thành phần nào ta sẽ lựa chọn tín hiệu
phù hợp với yêu cầu bài toán đặt ra.
2.2 Các phương pháp xử lý tín hiệu
Tín hiệu cảm biến sau khi thu được sẽ cần qua bước tiền xử lý tín hiệu để lọc
các thành phần nhiễu và đưa về dạng dữ liệu mong muốn. Để phân tích xử lý tín
hiệu của vịng bi, người ta sử dụng các phương pháp xử lý trên ba miền làm việc
chính là:
-

Miền thời gian

-

Miền tần số

-

Miền thời gian - tần số

2.2.1 Phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian
Tín hiệu thu được từ cảm biến hay bộ chuyển đổi thường ở dạng chuỗi thời
gian, nên việc xử lý tín hiệu trong miền thời gian là phương pháp giúp tốn ít thời
gian và tài nguyên nhất.Tuy nhiên phương pháp xử lý tín hiệu trong miền thời
gian có độ chính xác và độ tối ưu khơng bằng xử lý tín hiệu trong miền tần số.
Một vài phương pháp được sử dụng là phương pháp xác định độ lệnh chuẩn
(Standard Deviation) và phương pháp xác định giá trị hiệu dụng (Root MeanSquared Value).
A. Phương pháp xác định độ lệch chuẩn
Là phương pháp dùng để phản ánh mức độ phân tán của từng điểm tín hiệu so
với giá trị trung bình của tín hiệu đó. Cơng thức tính độ lệch chuẩn:

(1)

Trong đó:
N: Tổng số điểm lấy mẫu
24


Xi: Dữ liệu tại điểm thứ i
: Giá trị trung bình của tín hiệu
B. Phương pháp xác định giá trị hiệu dụng
Là phương pháp tính giá trị hiệu dụng của các điểm lấy mẫu. Phương pháp
này biểu thị về năng lượng của tín hiệu.

(2)

Trong đó:
N: Tổng số điểm lấy mẫu
Xi: Dữ liệu tại điểm thứ i
2.2.2 Phương pháp xử lý tín hiệu trong miền tần số
Ngày nay, để có thể xử lý nhiễu và trích xuất các đặc trưng của tín hiệu thì
người ta thường ưu tiên xử lý tín hiệu trong miền tần số. Phương pháp này có thể
giúp ta quan sát các phổ tấn số khác nhau của tín hiệu[6]. Biến đổi phổ biến nhất
được sử dụng trong miền tần số là biến đổi Fourier. Biến đổi Fourier được sử
dụng để chuyển đổi tín hiệu có hình dạng bất kỳ thành tổng số vơ hạn của sóng
hình sin. Vì việc phân tích các hàm hình sin dễ dàng hơn so với phân tích các
hàm có hình dạng chung, phương pháp này rất hữu ích và được sử dụng rộng rãi.
Một số phép biến đổi Fourier thường được sử dụng là:
- Fourier Intergral (FI): Phép biến đổi Fourier liên tục
- Discrete Fourier Transform (DFT): Phép biến đổi Fourier rời rạc
- Fast Fourier Transform (FFT): Phép biến đổi Fourier nhanh

Hình 2-1: Hình ảnh tín hiệu trong miền tần số và miền thời gian

A. Phép biến đổi Fourier liên tục
25