Phân tích dao động thực nghiệm trên mô hình hệ rôto –gối đỡ

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (480.47 KB, 49 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

------------***-------------

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

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên :
Khóa

: 54

Ngành

: Cơ điện tử

Viện : Cơ khí

1. Tên đề tài:
PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HỆ RÔTO – GỐI ĐỠ
2. Các số liệu ban đầu:
-

Chương trình tính MATLAB, MAPLE và Signal Processing Toolbox.

-

Một số mô hình thí nghiệm về nhận dạng hư hỏng của ổ bi.

3. Nội dung của phần thuyết minh và tính toán
Đồ án gồm trang, gồm:
+

Lời nói đầu

+

Bốn chương nội dung

+

Kết luận

Chương I - Tổng quan về giám sát và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật bằng dao động cơ
học
Chương II - Các đặc trưng dao động của hệ trục - ổ bi

1

Chương III - Các phương pháp phân tích tín hiệu dao động để nhận dạng hư hỏng của
hệ trục - ổ bi.
Chương IV- Một số ví dụ áp dụng

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên :
Ngành

: Cơ điện tử

Cán bộ hướng dẫn

: PGS.TS. Nguyễn Phong Điền

Cán bộ duyệt thiết kế : ………………………...........

1. Đề tài thiết kế tốt nghiệp:
PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HỆ RÔTO – GỐI ĐỠ
2. Nhận xét:
a. Nhận xét của cán bộ hướng dẫn:

…………………………………………………………………………………….......…….
………………………………………………………………………………........................
…………………………………………………………………………………….......
………………………………………………………………………………………………
…....
3

…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
Ngày … tháng … năm 2014
Cán bộ hướng dẫn

b. Nhận xét của cán bộ duyệt thiết kế:
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
4

…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………….......

-

Tối ưu hoá các thiết kế của thiết bị trong nhà máy.

-

Có được các thông tin cụ thể của thiết bị trước khi đưa vào sử dụng.

-

Các công nhân có trình độ không cao cũng có thể vận hành các thiết bị đắt tiền.
Việc giám sát sẽ giảm thời gian và tần suất kiểm tra, bảo dưỡng thiết bị, tăng hiệu quả

bảo dưỡng - kế hoạch chủ động, tiết kiệm nhân lực, vật tư, tránh các hư hỏng do chủ quan
gây nên, tăng mức độ sẵn sàng của thiết bị và giảm thiểu các hư hỏng lớn. Ngoài ra người
vận hành còn tăng thêm sự hiểu biết về thiết bị, dễ dàng hơn trong việc tiên liệu các hư
hỏng tương tự trong tương lai.
b) Chẩn đoán tình trạng
Ở một mức cao hơn, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật (diagnostic) có nhiệm vụ nhận
dạng, định vị và đánh giá mức độ của hư hỏng đã được phát hiện. Như vậy, chẩn đoán kỹ
thuật là khoa học về nhận dạng trạng thái hoạt động của các hệ thống kỹ thuật, bao gồm
máy móc, thiết bị, các cụm chi tiết máy hoặc các quá trình công nghệ (cắt gọt, vận chuyển
vật liệu, vv...)
Chẩn đoán tình trạng kỹ thuật có bốn đặc điểm cơ bản sau:
6

-

Quá trình chẩn đoán dựa trên cơ sở đo gián tiếp.

-

Quá trình chẩn đoán được tiến hành ngay trong quá trình làm việc của đối tượng
(không cần dừng máy hoặc tháo rời các chi tiết).

-

Công việc chẩn đoán được thực hiện đối với từng thiết bị cụ thể xác định, kết quả
chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật của chính thiết bị đó và không thể áp dụng cho
mọi thiết bị khác.

-

Quá trình chẩn đoán được tiến hành liên tục hay theo từng thời điểm nhất định. Kết
quả của chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật hiện thời của thiết bị và có thể cho
phép đánh giá thời gian hoạt động còn lại của thiết bị.

1.1.2 Tín hiệu chẩn đoán và thông số chẩn đoán (giám sát)
a) Tín hiệu chẩn đoán:
Tín hiệu chẩn đoán (hay giám sát) là các đại lượng vật lý đo được, có thể phản ánh
một cách gián tiếp trạng thái của đối tượng được giám sát hay chẩn đoán. Ta có thể phân
loại tín hiệu chẩn đoán thành một số dạng như sau:
-

Các đại lượng liên quan trực tiếp đến hư hỏng (tín hiệu dao động cơ học, âm thanh,
nhiệt độ bề mặt, vv...).

-

Các đại lượng liên quan gián tiếp đến hư hỏng (mật độ hạt kim loại trong dầu bôi
trơn, màu sắc bên ngoài của đối tượng, vv...).

-

Các thông số vận hành của thiết bị (công suất, áp suất, tốc độ quay, lượng tiêu thụ
nhiên liệu, vv...).
Hiện nay, tín hiệu dao động cơ học đang được sử dụng như một loại tín hiệu chẩn

đoán phổ biến nhất cho công tác chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật của thiết bị
quay. Điều này xuất phát từ một số lý do sau đây:
-

Các dao động cơ học phản ánh chính xác và rất nhạy đối với sự thay đổi trạng thái
hoạt động của thiết bị, đặc biệt là các thay đổi bất thường do hư hỏng gây ra.

-

Với sự phát triển của kỹ thuật đo dao động bằng các đại lượng điện và kỹ thuật số, ta
có thể thực hiện các phép đo dao động một cách tương đối dễ dàng và chính xác.
7

-

Một loạt các phương pháp phân tích tín hiệu số hiện đại đã được nghiên cứu, ứng
dụng và được tích hợp trong nhiều phần mềm chuyên dụng. Điều này cho phép ta xử
lý và đánh giá tín hiệu dao động đo được một cách thuận lợi.
b) Thông số chẩn đoán (giám sát):

Một số loại tín hiệu chẩn đoán, thí dụ như tín hiệu dao động, khi chưa được xử lý (tín

hiệu thô) còn chứa quá nhiều thông tin. Lượng thông tin này không thể sử dụng hết cho
mục đích giám sát hay chẩn đoán do phản ánh nhiều nguồn dao động khác nhau, trong đó
có những nguồn dao động không liên quan gì đến trạng thái kỹ thuật của thiết bị (thí dụ
nhiễu đo). Ngoài ra, các đại lượng đo trong tín hiệu thay đổi quá nhanh (tần số lên đến vài
kHz), không tương ứng với sự thay đổi trạng thái của thiết bị trong thực tế (diễn ra theo
ngày, tuần, tháng). Bởi vậy, ta cần tách ra từ tín hiệu chẩn đoán các thông số chẩn đoán
nhờ công cụ phân tích tín hiệu. Các thông số chẩn đoán này thường được biểu diễn dưới
dạng một giá trị (bằng số) và thay đổi chậm một cách tương ứng với trạng thái kỹ thuật
của thiết bị. Các thông số chẩn đoán thường được sử dụng là các giá trị tín hiệu đặc trưng
(giá trị trung bình hiệu dụng RMS, giá trị đỉnh kép, vv...)

~
x

Hư hỏng

Mức dừng máy
Thời gian trước khi hư hỏng

Mức cảnh báo

Thời gian hoạt động

Hình 1.1. Đường đặc tính để giám sát tình trạng thiết bị
8

Trên hình 1.1 là một đồ thị (đường đặc tính) thường thấy khi thực hiện chức năng

giám sát dao động của một thiết bị quay. Trong đó, một thông số duy nhất là giá trị trung
bình hiệu dụng RMS của tín hiệu vận tốc dao động được sử dụng làm thông số giám sát.
1.1.3 Các hệ thống bảo dưỡng
Bảo dưỡng khi hư hỏng: Thiết bị chỉ thực hiện sửa chữa khi hư hỏng mà không áp
dụng bất kỳ dạng bảo dưỡng nào. Việc áp dụng hệ thống bảo dưỡng này sẽ dẫn đến hệ
quả là: Thiết bị phải dừng máy không định trước, gây lãng phí, mất an toàn, bảo dưỡng
không theo kế hoạch nên dễ có các hư hỏng thứ cấp, lượng dự trữ chi tiết thay thế lớn. Vì
vậy hệ thông bảo dưỡng bày không nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng.
Bảo dưỡng định kỳ: Thiết bị được bảo dưỡng định kỳ theo một chu kỳ nhất định được
lập trước. Hệ thống bảo dưỡng cần phải có chuyên gia cho mỗi kỳ kiểm tra thiết bị, khối
lượng kiểm tra định kỳ lớn, việc dừng máy định kỳ cũng không đề phòng được các hư
hỏng sớm, gây ảnh hưởng đến các thiết bị còn tốt, tốn thời gian cho việc kiểm tra thiết bị.
Vì vậy hệ thống bảo dưỡng này không nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng.
Bảo dưỡng theo tình trạng: Thiết bị được bảo dưỡng dựa trên các thông tin dự báo về
hư hỏng. Các thông tin này được thu thập trong quá trình vận hành, sử dụng thiết bị. Việc
giám sát tình trạng thiết bị và dự báo thời gian hư hỏng sẽ chủ động trong việc lập kế
hoạch bảo dưỡng, tiết kiệm chi phí, chỉ sửa chữa các thiết bị khi cần thiết, chỉ cần tập
trung sửa chữa những phần hư hỏng của thiết bị. Việc áp dụng hệ thống bảo dưỡng dự
báo sẽ tăng công suất và độ tin cậy của nhà máy, tăng mức độ an toàn, tăng chất lượng
sản phẩm, bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị được tăng cao, giảm thiểu chi phí vận hành
nhà máy. Vì vậy hệ thống này nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng trong dây chuyền
sản xuất. Việc bảo dưỡng theo tình trạng sẽ giảm tối đa chi phí bảo dưỡng, tăng mức độ
an toàn.
1.2 Các bước thực hiện công việc giám sát và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật
1.2.1 Lựa chọn thiết bị cần giám sát và mô tả trạng thái kỹ thuật của thiết bị
9

Để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí, ta không cần phải giám sát trạng thái của
tất cả các máy móc được lắp đặt tại nhà máy. Theo quan điểm kỹ thuật, một số máy cần

phải giám sát, một số khác lại không cần. Việc lựa chọn thiết bị cần giám sát cần phải dựa
vào các điều kiện sau:
-

Các máy liên quan trực tiếp vào dây chuyền sản xuất ra sản phẩm.
Các thiết bị được dự đoán sẽ gây ra hư hỏng ngẫu nhiên khi bị dừng bất thường.
Các thiết bị khi bị dừng bất thường sẽ gây hư hỏng cho thiết bị khác.
Các thiết bị có chi phí bảo dưỡng cao.
Nhiệm vụ đầu tiên của quá trình giám sát là phân tích đối tượng cần giám sát (đặc

điểm, chế độ vận hành, các yêu cầu đặc biệt về vận hành). Qua đó, ta có thể chọn lựa
được một số yếu tố để biểu thị trạng thái kỹ thuật của đối tượng cần giám sát, thí dụ như
tình trạng tốt, sắp gãy do mỏi, có vết nứt, vv...
1.2.2 Lựa chọn tín hiệu giám sát và thông số giám sát
a) Lựa chọn tín hiệu giám sát:
Sau khi đã quyết định các thiết bị cần giám sát, ta cần phải quyết định đại lượng đo
làm tín hiệu giám sát để phù hợp với yêu cầu. Việc lựa chọn đại lượng đo (dịch chuyển,
vận tốc hay gia tốc dao động) căn cứ vào đặc điểm của đối tượng (chế độ vận hành, cơ
chế kích động dao động) và đặc tính kỹ thuật của các loại đầu đo.
Dưới đây là một số quy tắc để tham khảo:
Đo gia tốc dao động:
-

Trong trường hợp 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).

-

Trong trường hợp 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 khối lượng nhẹ.
10

-

Thích hợp với các phép đo dao động do va chạm.

-

Đặc biệt phù hợp cho việc chẩn đoán rung và giám sát tình trạng hoạt động.

Thông thường, gia tốc dao động được sử dụng để phát hiện các hư hỏng biểu thị tại
vùng tần số cao lớn hơn 1kHz, thí dụ phân tích các hư hỏng tại ổ bi và bánh răng.
Đo vận tốc dao động:
-

Trong trường hợp đối tượng đo có phổ tần số của vận tốc dao động đồng bộ hơn
(tức là mức biên độ của các thành phần tần số trong phổ ít chênh lệch hơn) phổ của
gia tốc và dịch chuyển.

-

Trong trường hợp dao động cơ học có tần số nằm tại vùng trung gian nào đó mà
các đầu đo dịch chuyển hoặc đầu đo gia tốc đều không thích hợp cho phép đo.

Thông thường, vận tốc dao động được sử dụng khi phát hiện các hư hỏng ở tần số
trung bình từ 10Hz - 1000Hz. Trong các tiêu chuẩn đối với dao động của máy quay, đại
lượng vận tốc dao động được sử dụng phổ biến nhất.
Đo dịch chuyển:
-

Trong trường hợp thông tin về lượng dịch chuyển của đối tượng đo là quan trọng
nhất.

-

Sử dụng trong trường hợp không thể gắn trực tiếp đầu đo vào đối tượng đo (với
đầu đo không tiếp xúc).

-

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.

Dịch chuyển của dao động thường được lựa chọn khi dùng để phát hiện các hư hỏng
biểu thị trong dải tần số thấp từ 0Hz - 10Hz, dùng để giám sát các chuyển vị của trục
turbin hoặc máy nén có tốc độ cao.
b) Lựa chọn phương pháp đo

11

Sau khi đã lựa chọn tín hiệu giám sát, ta cần phải lựa chọn phương pháp đo dao động.
Tùy từng loại thiết bị đã lựa chọn mà quyết định phương pháp đo thích hợp. Việc thiết lập
kế hoạch đo đạc cẩn thận và chi tiết sẽ giúp ta tiết kiệm nhiều thời gian khi thực hiện phép
đo và đảm bảo nhận được các thông tin hữu ích từ tín hiệu đo được. Bước đầu tiên là phải
xác định được mục đích của phép đo dao động sẽ thực hiện và đối tượng đo, bao gồm cả
độ chính xác của kết quả đo cần đạt được. Tiếp theo là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến
việc lựa chọn thiết bị đo và kỹ thuật đo. Các yếu tố này bao gồm: đặc điểm của môi
trường làm việc, tình hình nhân sự (kỹ thuật viên và chuyên gia), các chi phí cần thiết,
khoảng thời gian phải hoàn thành và các kỹ thuật phân tích hiện có để xử lý tín hiệu.
Bước tiếp theo là chọn lựa loại thiết bị đo hiện có sẽ được sử dụng. Kế hoạch thực hiện
nên được trình bày bằng văn bản và đặc biệt là trong trường hợp phải thực hiện các phép
đo phức tạp cần nhiều kênh đo và yêu cầu độ chính xác cao.
Có ba phương pháp đo thông dụng như sau:
-

Thực hiện đo định kỳ bằng thiết bị cầm tay và phán đoán khả năng hư hỏng.

-

Thực hiện đo định kỳ bằng thiết bị cầm tay và dùng các thiết bị đầu cuối đặt ở vị trí
an toàn để lấy tín hiệu và phán đoán khả năng hư hỏng.

-

Thực hiện hoàn toàn tự động, dùng dữ liệu quan sát thường kỳ hoặc theo thời gian
thực từ các đầu đo đặt trên máy cho các máy không ổn định trong điều kiện đo
hoặc máy có tốc độ giảm nhanh.
c) Lựa chọn các thông số giám sát

Việc lựa chọn các thông số giám sát, theo đó là các phương pháp phân tích tín hiệu
phù hợp để tính toán các thông số này từ tín hiệu đo phải căn cứ vào từng đối tượng cụ
thể.
1.2.3 Xác định chuẩn đánh giá và chu kỳ đo
Sau khi đã xác định thiết bị cần kiểm tra, giám sát và phương pháp đo thì phải xác
định tiêu chuẩn đánh giá. Người ta thường sử dụng 3 chuẩn đánh giá, các khái niệm cơ
bản về các chuẩn này được mô tả trong bảng 1.1 như dưới đây. Mỗi một loại máy sẽ lựa
12

chọn các chuẩn đánh giá phù hợp. Chuẩn tuyệt đối được sử dụng nhiều nhất, tuy nhiên có
một số loại máy phải sử dụng chuẩn so sánh hoặc chuẩn tương đối.
Bảng 1.1. Chuẩn đánh giá tình trạng kỹ thuật
Giá trị đo được ở cùng một vùng được so sánh với tiêu
Chuẩn tuyệt đối

chuẩn, và được phân loại “tốt”, “cánh báo” hay “nguy
hiểm”.
Quá trình đo được tiến hành định kỳ tại cùng một vùng theo
chu kỳ các giá trị đo được so sánh theo chuỗi thời gian. Khi

Chuẩn tương đối

các giá trị bình thường tương đương với giá trị ban đầu,
khoảng thời gian tương ứng với giá trị này được tính toán
làm cơ sở kết luận.

Chuẩn so sánh

Khi có nhiều máy cùng loại, chúng được đo trong cùng điều
kiện như nhau để so sánh tương đối và đánh giá.

Việc lựa chọn chu kỳ đo phụ thuộc vào tốc độ xuống cấp của trạng thái máy và phải
được chọn để có thể phát hiện được sự thay đổi của tình trạng vận hành. Nếu máy quay
tốc độ cao như turbin khí, máy nén khí thì có thể lựa chọn chu kỳ đo hàng ngày. Các máy
quay nói chung có thể đo hàng tuần. Việc quyết định chu kỳ đo dựa vào những quan sát
thu thập được. Nếu có dấu hiệu bất thường nào trong dữ liệu đo thì phải rút ngắn chu kỳ
đo.
1.2.4 Đánh giá tình trạng kỹ thuật và chọn phương án giải quyết
Bước này bao gồm các hoạt động đo đạc để xác định giá trị của các tham số giám sát
và xây dựng các đường đặc tính mô tả trạng thái hiện thời của thiết bị (xem hình 1.1).
Bằng cách so sánh với chuẩn đánh giá, ta có thể xác định được trạng thái kỹ thuật của
thiết bị tại thời điểm thực hiện phép đo. Qua đó có thể đưa ra cảnh báo hư hỏng xuất hiện
(khi trạng thái thay đổi một cách liên tục, đều đặn), hoặc nhận dạng sớm dấu hiệu hư
hỏng (khi trạng thái thay đổi đột ngột).
13

Các nhiệm vụ tiếp theo là phân tích xu hướng, dự báo thời gian hoạt động còn lại của
thiết bị và quyết định các phương án giải quyết (dừng máy để bảo trì hay tiếp tục cho vận
hành trong một thời gian hạn định).

14

CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG ĐỂ
NHẬN DẠNG HƯ HỎNG CỦA RÔTO – GỐI ĐỠ
2.1 Tổng quan về hệ thống đo dao động

Hình 2.1 mô tả sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo dao động, đối tượng đo là nguồn
rung động như vỏ máy, đế máy, trục... Các tín hiệu rung được đầu đo ghi nhận, thông qua
cáp truyền tín hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc. Cáp truyền tín hiệu có thể
là vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang. Mạch khuếch đại có tác dụng làm tăng biên độ của tín
hiệu còn mạch lọc có tác dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết như là nhiễu,...
Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi tương tự - số, tín hiệu được rời rạc hóa thành tín hiệu số rồi
đưa vào lưu trữ phục vụ cho quá trình phân tích và xử lý sau này.

Đối tượng đo

Đầu đo

Bộ chuyển đổi

Cáp truyền tín
hiệu

Bộ khuếch đại
và bộ lọc

"Tương tự - Số"
(Analog Digital
Converter - ADC)
Số hóa

Phân tích
lưu trữ

Hình 2.1. Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo dao động
15

Dưới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính trong một hệ thống đo dao động, đó
là: Đối tượng đo và đầu đo.
Đây là hai đối tượng sinh ra và ghi nhận tín hiệu. Cáp truyền tín hiệu và các mạch
khuếch đại đã được nghiên cứu rất kĩ trong các tài liệu chuyên ngành kĩ thuật đo lường
nên ta không xét tới ở đây.
Bộ chuyển đổi "tương tự - số" và các bộ lọc số đang ngày càng được ứng dụng rộng
rãi trong phân tích và xử lý tín hiệu số.
2.1.1 Đối tượng đo
Đối tượng đo là những vật gây ra dao động trong quá trình làm việc và cần được chẩn
đoán hỏng hóc. Trong việc chẩn đoán rung, tín hiệu rung từ các bộ phận bên trong máy
được truyền ra vỏ máy, đế máy, do đó, bằng các đầu đo đặt trên vỏ và đế máy, ta có thể
thu được các tín hiệu này. Tuy nhiên, vị trí đặt các đầu đo có ảnh hưởng rất lớn đến độ
chính xác của tín hiệu.

16

Hình 2.2. Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tượng đo
Trong hình 2.2, đầu đo C, D được đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệu dao động
theo phương dọc trục còn đầu đo A, B được đặt phía dưới cốc lót và vỏ máy dùng để đo
các tín hiệu dao động theo phương hướng kính. Vị trí đặt các đầu đo A, C như trên hình là
đúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đo được còn vị trí đầu đo B, D là không
đảm bảo kỹ thuật.
2.1.2 Đầu đo
Đầu đo có nhiều loại với nhiều chức năng đo khác nhau như:
-

Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc

Đầu đo vận tốc dao động
Đầu đo dao động xoắn của trục

Tuy nhiên, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sử
dụng cảm biến piezo (còn gọi là gia tốc kế - accelerometer). Loại đầu đo này có độ nhạy
cao, ổn định, chịu được nhiệt độ lớn, khối lượng nhỏ và đặc biệt nó là dụng cụ tự phát, tức
là không cần tới bất kì một nguồn cung cấp năng lượng nào để hoạt động. Các tín hiệu
thực nghiệm được sử dụng trong đồ án này đều được lấy từ đầu đo gia tốc (hình 2.3).

17

Hình 2.3. Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo
Tâm của đầu đo gia tốc là các miếng áp điện, chúng được làm từ một loại hợp kim sắt
từ đã được phân cực nhân tạo. Những miếng áp điện này có đặc tính là điện tích của
chúng tỉ lệ thuận với độ biến dạng. Trong sơ đồ thiết kế của đầu đo gia tốc (hình 2.4), khi
toàn bộ đầu đo dao động thì lò xo cùng với trọng vật sẽ tạo ra lực tác động lên các miếng
áp điện. Lực này được tính theo định luật Newton II:

F = ma

. Khi đo những rung động có

tần số thấp hơn tần số cộng hưởng của đầu đo, tín hiệu tại đầu ra sẽ tỉ lệ với gia tốc dao
động tại điểm đo.

Hướng đo

Hình 2.4. Cấu tạo của một gia tốc kế áp điện (1: Phần vỏ, 2: Lò xo tạo lực căng ban đầu,
3: Khối lượng dao động, 4: Các tấm vật liệu áp điện, 5: Phần đế, 6: Đường tín hiệu ra)

18

Việc chọn và sử dụng đầu đo gia tốc phải căn cứ vào khoảng tần số, độ nhạy, khối
lượng và phạm vi động lực. Hình 2.5 là đồ thị đặc tính của một đầu đo gia tốc kiểu áp
điện. f0 là tần số cộng hưởng của hệ trọng vật m - lò xo.
Độ nhạy tương đối (dB)

30

fo

f0 /3

20

Vùng tần số có ích

10
0

-4

-3

-2

lg (f / f0)
-1

0

1

12%

-10

Hình 2.5. Đường đặc tính tần số của đầu đo gia tốc
Việc đo đạc thường được diễn ra trong vùng tần số có ích (vùng tuyến tính của đường
đặc tính), giới hạn trên là 1/3 tần số cộng hưởng. Quy tắc chung là sai số của thành phần
dao động được đo tại tần số này phải bé hơn 12%. Những đầu đo gia tốc có khối lượng
nhỏ, tần số cộng hưởng của chúng ở vào khoảng 180kHz còn đối với những đầu đo gia
tốc có độ nhạy cao thì tần số cộng hưởng lại ở mức 20kHz - 30kHz. Với cùng một loại
vật liệu áp điện, độ nhạy của đầu đo gia tốc là hàm đồng biến của khối lượng, do đó, tăng
độ nhạy của đầu đo đồng nghĩa với tăng khối lượng của nó. Nhưng điều này lại làm cho
tần số cộng hưởng giảm xuống, giảm giới hạn đo của đầu đo. Các đầu đo gia tốc có giới
hạn đo lớn thường có kích thước nhỏ gọn, khối lượng bé nhưng lại có độ nhạy kém.
Thông thường, khối lượng của đầu đo không được vượt quá 10% khối lượng của vật mà
nó được gắn lên.
Phạm vi động lực của đầu đo gia tốc cũng cần phải được quan tâm khi muốn đo
những giá trị quá thấp hoặc quá cao so với mức bình thường. Giới hạn trên của phạm vi
động lực là sức bền kết cấu của đầu đo. Một đầu đo gia tốc bình thường có thể đạt bước
nhảy từ 0 đến 50 hay 100 km/s 2 còn với những đầu đo gia tốc được thiết kế đặc biệt,
chuyên dụng để đo sốc thì bước nhảy có thể là 1000 km/s2.
19

Ngoài ra, yếu tố môi trường cũng có ảnh hưởng rất lớn tới các loại đầu đo gia tốc, đặc

biệt là yếu tố nhiệt độ. Các loại đầu đo gia tốc bình thường có thể chịu được nhiệt độ đến
2500C. Nhưng nếu nhiệt độ cao hơn, các miếng áp điện sẽ bắt đầu mất độ phân cực, làm
giảm độ nhạy. Tuy nhiên, cũng có những đầu đo gia tốc được chế tạo đặc biệt để làm việc
trong điều kiện nhiệt độ lên tới 4000C.
2.2 Tổng quan về tín hiệu dao động
2.2.1 Một số khái niệm cơ bản
Tín hiệu là một đại lượng vật lý chứa thông tin (information). Về mặt toán học, tín
hiệu được biểu diễn bằng một hàm của một hay nhiều biến độc lập.
Tín hiệu được phân loại dựa vào nhiều cơ sở khác nhau và tương ứng có các cách
phân loại khác nhau. Ở đây, ta dựa vào sự liên tục hay rời rạc của thời gian và biên độ để
phân loại. Có 4 loại tín hiệu như sau:
-

Tín hiệu tương tự (Analog signal): thời gian liên tục và biên độ cũng liên tục.
Tín hiệu rời rạc (Discrete signal): thời gian rời rạc và biên độ liên tục. Ta có thể
thu được một tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu một tín hiệu liên tục. Vì vậy tín

-

hiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu lấy mẫu (sampled signal).
Tín hiệu lượng tử hóa (Quantified signal): thời gian liên tục và biên độ rời rạc. Đây

-

là tín hiệu tương tự có biên độ đã được rời rạc hóa.
Tín hiệu số (Digital signal): thời gian rời rạc và biên độ cũng rời rạc. Đây là tín
hiệu rời rạc có biên độ được lượng tử hóa.

Định lý Shanon về lấy mẫu tín hiệu: Một tín hiệu tương tự x(t) được xác đinh hoàn
toàn chính xác bởi tập hợp các mẫu x(n) của nó nếu tần số lấy mẫu thỏa mãn điều kiện

sau:

f s ≥ 2 f max
Trong đó fs là tần số lấy mẫu và fmax là tần số lớn nhất có trong tín hiệu x(t).

20

2.2.2 Phân loại tín hiệu dao động
Tín hiệu dao động

Ngẫu nhiên

Tiền định
Tuần hoàn

Không tuần hoàn

Ngẫu nhiên dừng

Ngẫu nhiên
không dừng

Điều hòa Nhiều tần sốHầu tuần hoàn Chuyển tiếp

Hình 2.6. Phân loại tín hiệu dao động
Các loại tín hiệu dao động gặp phải trong thực tế rất đa dạng và việc phân loại tín
hiệu có thể thực hiện theo nhiều quan điểm khác nhau. Trên hình 3.6 là sơ đồ phân loại tín
hiệu được dùng khá phổ biến trong các tài liệu chuyên khảo, trong đó tín hiệu được
chiathành hai loại cơ bản: tín hiệu tiền định và tín hiệu ngẫu nhiên.

a) Các tín hiệu tiền định (determining signals)
Các tín hiệu tiền định có thể biểu diễn dưới dạng một hàm của thời gian (liên tục hoặc
gián đoạn). Các giá trị của tín hiệu tiền định tại một thời điểm bất kỳ có thể xác định
chính xác hoặc ước lượng được. Căn cứ vào dạng đồ thị biểu diễn tín hiệu theo thời gian,
tín hiệu tiền định được chia thành hai dạng:
Các tín hiệu tuần hoàn
Đặc trưng cho quá trình dao động bình ổn của máy quay. Dạng đơn giản nhất của tín
hiệu tuần hoàn có dạng một hàm điều hòa (hình sin). Áp dụng phép khai triển chuổi
21

Fourier, tín hiệu tuần hoàn với nhiều tần số có thể được phân tích thành tổng của các tín
hiệu điều hòa, trong đó tần số nhỏ nhất được gọi là tần số cơ bản. Các tần số cao hơn là số
nguyên lần tần số cơ bản (được gọi là thành phần điều hòa bậc cao).
(a)

20

x

15

x2

10

f1

10
A( f )

5
x( t )

(b)

15

0
-5

f2

5

-10

x1

-15
-20

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0

0.1

t(s)

0

10

20

30
fk[Hz]

40

50

Hình 2.7. Một tín hiệu tuần hòa x được phân tích thành tổng của hai tín hiệu điều hòa x 1
và x2 với chu kỳ T1=2T2: a) đồ thị trong miền thời gian,
b) đồ thị trong miền tần số (f1=1/T1, f2=1/T2)
Các tín hiệu không tuần hoàn được phân chia tiếp thành các tín hiệu hầu tuần hoàn và
các tín hiệu chuyển tiếp. Tín hiệu hầu tuần hoàn cũng có thể được phân tích thành tổng
của các tín hiệu điều hòa nhờ phép khai triển Fourier (tích phân Fourier), tuy nhiên các
thành phần điều hòa bậc cao có các tần số không phải là số nguyên lần tần số cơ bản. Loại
tín hiệu này có dạng đồ thì gần tương tự như tín hiệu tuần hoàn và được phân tích với các
phương pháp giống nhau đối với tín hiệu tuần hoàn. Một trường hợp thường gặp trong

thực tế là các tín hiệu điều biến biên độ. Các tín hiệu này đặc trưng cho dao động của máy
quay với tốc độ và tải trọng biến đổi theo chu trình hoặc dao động của một số chi tiết như
bánh răng, ổ bi.
Các tín hiệu chuyển tiếp thường chỉ chứa các giá trị khác không trong một khoảng
thời gian rất ngắn (nên còn gọi là tín hiệu ngắn – transient signals). Dạng đồ thị của tín
hiệu loại này rất phong phú (hình 2.8). Các tín hiệu chuyển tiếp thường xuất hiện tại hệ

22

dao động do kích động va chạm, hoặc trong quá trình mở - tắt máy. Việc xử lý các tín
hiệu chuyển tiếp cần có các phương pháp phân tích đặc biệt.

Hình 2.8. Một số dạng tín hiệu chuyển tiếp
b) Các tín hiệu ngẫu nhiên (stochastic signal)
Các tín hiệu ngẫu nhiên xuất hiện trong mọi phép đo dao động. Phân bố các giá trị
của tín hiệu tại các thời điểm khác nhau là ngẫu nhiên. Do đó, loại tín hiệu này chỉ có thể
biểu diễn thông qua một quá trình ngẫu nhiêu và đặc trưng bởi các chỉ số thống kê. Tín
hiệu ngẫu nhiên dừng có giá trị trung bình đại số không thay đổi theo từng khoảng thời

gian

tn − tn−1

khác nhau.

Ngược lại, tín hiệu ngẫu nhiên không dừng có giá trị trung bình đại số thay đổi theo
từng khoảng thời gian tính.
2.2.3 Cấu trúc tín hiệu
Tín hiệu dao động do đầu đo dao động ghi lại trong một phép đo tổng hợp từ nhiều

nguồn dao động khác nhau là ngẫu nhiên. Do đó, tín hiệu dao động thường chứa nhiều
thành phần. Các thành phần tín hiệu trong một tín hiệu dao động được phân loại và đặt
tên theo tần số (thành phần tần số quay, thành phần tần số riêng,…), theo dạng dao động
(thành phần dao động cưỡng bức, thành phần dao động riêng) hoặc theo nguồn kích động
(thành phần dao động do va chạm, thành phần dao động do ăn khớp răng,…). Đối với một
tín hiệu dao động cơ học, các thành phần tín hiệu thường liên kết với nhau theo một số
cấu trúc cơ bản được trình bày dưới đây.
23

a) Cấu trúc chồng chất
Cấu trúc chồng chất (còn gọi là cấu trúc cộng xếp chồng – superposition) là cấu trúc
tín hiệu phổ biến nhất. Tín hiệu đo là tổng của các tín hiệu đơn thành phần:
n

x ( t ) = x1 (t ) + x2 (t ) + ... + xn (t ) = ∑ xk (t )
k =1

Hình 2.9.
b) Cấu trúc điều biến
Thuật ngữ cấu trúc “điều biến” (modulation) được sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật
thông tin. Cấu trúc điều biến của tín hiệu dao động cũng có dạng tương tự. Ta phân chia
tín hiệu có cấu trúc điều biến thành hai loại:
Điều biến biên độ, còn được gọi là cấu trúc nhân (Ampitude Modulation – AM),
thường gặp tại các tín hiệu dao động đo được từ nhiều nguồn kích động có quan hệ về tần
số với nhau, hoặc tại các thiết bị quay làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu
kỳ. Trường hợp đơn giản nhất của cấu trúc điều biến biên độ được biểu diễn dưới dạng
x(t ) = x1 (t ). x2 (t )

24

trong đó

x1 (t )

được gọi là tín hiệu điều biến (modulation signal) và có tần số nhỏ hơn
x2 (t )

nhiều tần số của tín hiệu

. Hình 1.4 minh họa một tín hiệu có cấu trúc điều biến dưới

dạng

x(t ) = ( 1 + A1cos2π f1t ) cos ( 2π f 2t ) , f1 = f 2
1 4 4 2 4 43 1 4 2 4 3
x1( t )

x2 (t )

50

x (t)

x1(t)
0

-5 0

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1
t(s)

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

2

f1 = 2 Hz , f 2 = 35 Hz

Hình 2.10. Một tín hiệu điều biến biên độ với các tần số
x1 (t )
Tín hiệu điều biến
chính là đường bao (envelope) của tín hiệu x(t)

Điều biến tần số (Frequency Modulation): thường gặp tại các tín hiệu dao động đo
được tại thiết bị quay với vận tốc góc biến đổi (thí dụ giai đoạn tăng tốc hoặc giảm tốc).
Một thí dụ đơn giản cho cấu trúc này là tín hiệu dao động hình sin
x(t ) = A sin [ 2π f (t )t + ϕ ]

(3.5)

trong đó biên độ A là hằng số, tần số f có giá trị biến đổi. Hình 3.11 mô tả đồ thị của một
tín hiệu điều biến tần số với tần số tăng tuyến tính theo thời gian.

25

Phân tích dao động thực nghiệm trên mô hình hệ rôto –gối đỡ

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về