nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

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

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
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN HUY BÍCH

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: ĐOÀN MINH TƯỜNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/ 04 /1982

Nơi sinh: Lâm Đồng

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:

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

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2007 – 2010 Cty. Cổ phần tư vấn xây dựng điện 2

Nhân Viên Phòng Sản Xuất

2010 – 2011

Trường Cao Đẳng Nghề Đà Lạt

Giáo Viên

Hiện nay

Trường Cao Đẳng Nghế số 8

Giáo viên

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2014
Ký tên

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

kỹ thuật cơ khí cơ bản của động cơ như: Bigi không đánh lửa, bu gi mòn điện cực,
xéc măng bị mòn.
Việc sản phẩm TVE-T01 thu nhận tín hiệu rung của động cơ và kết quả thực
nghiệm nghiên cứu chẩn đoán kỹ thuật động cơ bước đầu đạt được một số thành
công nhât định, nhưng đây là bước ngoặt mới trong kỹ thuật chẩn đoán động cơ làm
cơ sở chế tạo các thiết bị giám sát, chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ.

iv


ASTRACT
A methods technical engine diagnostics via vibration signals of the engine was
first presented in this thesis book.
The author has developed, designed and constructed the TVE-T01 to collect
vibration signals of the engine, programmable processing and analysis of engine
vibration signal in the form of frequency spectrum by FFT algorithm in LabVIEW
software environment. Empirical research was on the real engines. The results were
successfully diagnosed the faults basic of mechanical engine as: plug without
ignition, worn out spark plugs electrodes, cement rings were worn.
The TVE-T01 collected vibration signals of the engine and the experimental
results of diagnostic studies and technical engine initially achieved some limited
success, but this is a new landmark in the engine diagnostic techniques as a basis for
making monitoring devices, diagnostic status of the engine work.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

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

2.2 Rung động của động cơ.....................................................................................10
2.2.1 Hư hỏng ở bugi ................................................................................................11
2.2.2 Xéc măng bị mòn .............................................................................................11
2.2.3 Không cân bằng do quán tính ..........................................................................12
2.2.4 Phương pháp tính tần số rung của động cơ ......................................................12
2.2.5 Hậu quả của rung động ....................................................................................12
2.3 Phương pháp xử lý và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu rung ...............13
2.3.1 Lý thuyêt tín hiệu và xử lý tín hiệu ..................................................................13
2.3.2 Phương pháp phân tích tín hiệu rung động ......................................................14
2.3.2.1 Phương pháp phân tích hình bao ............................................................14
2.3.2.2 Phương pháp phân tích Kurtosis ............................................................15
2.3.2.3 Phép biến đổi Fourier FFT .....................................................................16
2.3.2.4 Ứng dụng biến đổi Fourier để phân tích tín hiệu rung động ..................18
2.3.3 Cảm biến đo rung động ....................................................................................20
2.4 Phần mềm LabVIEW .......................................................................................23
2.5 Phần mền PSoC Designer .................................................................................24
2.6 Phần mền Ocard ................................................................................................24
Chương 3. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ
...................................................................................................................................25
3.1 Tổng quan mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật của động cơ .............25
3.1.1 Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm ............................................................25
3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động mô hình thực nghiệm ..................................26
3.2 Thiết kế, chế tạo bộ TVE –T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ. .......................27
3.2.1 Quy trình thiết kế và chế tạo ............................................................................27
3.2.2 Thiết kế phần cứng ...........................................................................................27
3.2.2.1 Thiết kế khối nguồn ................................................................................27
3.2.2.2 Thiết kế khối vi điều khiển PSoC ...........................................................29
3.2.2.3 Thiết kế khối A/D ...................................................................................33
3.2.2.4 Thiết kế khối UART ...............................................................................34

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

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TVE-T01 : Test Viration Engine – Bộ thu tín hiệu rung động của động cơ
PSoC

: Programmable System on Chip – Hệ thống khả trình trên vi điều khiển

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần
mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa.
RS-232

: Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị
ngoại vi với máy tính.

UART

: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Mạch tích hợp giao
tiếp giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi

DC

: Direct Current – Dòng điện một chiều.

AC

: Alternating current – Dòng điện xoay chiều

AMP

: 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

: Revolutions Per Minute số vòng quay trong một phút

CPS

: Cycles Per Second vòng / giây

1SZ-FE

: Gasonline direct injection Supercharged Economy type engine
Electronic fuel injection Động cơ Toyota phun xăng trực tiếp.

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Các dạng đồ thị phương trình rung động máy............................................6
Hình 2.2: Các dạng rung động. ...................................................................................8
Hình 2.3: Biểu đồ rung động miền thời gian và đường cong rung động riêng, đường
cong rung động tổng hợp miền thời gian ....................................................................9
Hình 2.4: Tín hiệu rung động miền tần số ................................................................10
Hính 2.5: Nguồn gây ra rung động của động cơ ......................................................11
Hình 2.6: Mối liên hệ giữa rung động theo thời gian, rung động theo tần số ..........19
Hình 2.7: Đặc tính tần số với giới hạn ứng dụng của cảm biến. ..............................20
Hình 2.8. Đặc tính tần số của cảm biến đo điện áp ..................................................21
Hình 2.9: Cảm biến MMA7361................................................................................21
Hình 2.10: Sơ đồ khối của cảm biến MMA7361 .....................................................22

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

Hình 4.2: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động bình thường.........................45
Hình 4.3: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 46
Hình 4.4: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với máy số 1 bị mất lửa ......47
Hình 4.5: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 47
Hình 4.6: Kế quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp hai ..........................48
Hình 4.7: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với bugi máy số 1 bị mòn ...49
Hình 4.8: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 49
Hình 4.9: Kế quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp ba ...........................50
Hình 4.10: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với xéc măng máy số 1 bị mòn
...................................................................................................................................51
Hình 4.11: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên
...................................................................................................................................51
Hình 4.12: Kết quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp bốn ......................52

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4.1: Các phương án thực nghiệm ....................................................................42
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 1SZ-FE [15]. ....................................42
Bảng 4.3: Danh sách các thiết bị khác liên quan đến quá trình thực nghiệm ...........43

xii


Chương 1

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

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hiện nay, trên thế giới có nhiều nhà khoa học, nhiều kỹ sư đã nghiên cứu về
rung động của động cơ và đã đạt được những kết quả thiết thực mang tính ứng dụng
thực tiễn cao.
Hoàng Ngọc Thiên Vũ [02] đã nghiên cứu và xây dựng được phần mền chẩn
đoán hư hỏng cơ bản trong truyền động bánh răng, dựa trên phương pháp wavelet
packet. Thực nghiệm thông qua thu và xử lý tín hiệu rung động từ hệ thống cơ khí,
đã thu được những kết quả khả quan như: nhận rạng được những hư hỏng truyền
động bánh răng, thiết kế được chương trình phép biến đổi Fourier, phương pháp
wavelet packet, tạo nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu rung động. Mô hình thực
nghiệm được hư hỏng cơ bản của truyền động bánh răng như: mòn răng và tróc rỗ
bề mặt răng. Tuy nhiên chưa xây dựng được biểu đồ pha của tín hiệu dao động,
chưa phát triển rộng để chẩn đoán hư hỏng ở khớp nối, truyền đai, v.v
Nguyễn Văn Nghĩa [03] đã nghiên cứu những vấn đề chẩn đoán kỹ thuật cho
động cơ điện kéo của đầu máy và ứng dụng mạng neron, đi sâu giải quyết bài toán
chẩn đoán dựa trên khâu ước lượng thông số bằng mạng neron RBF và đã xây dựng
được mô hình cấu trúc và phân tích mô hình grap động cơ điện kéo của đầu máy
trong trạng thái hoạt động, thông số chẩn đoán phù hợp cho bài toán phát hiện lỗi và
phân biệt lỗi động cơ điện kéo của đầu máy theo khả năng thu thập dữ liệu. Đề tài
đã giải quyết được bài toán chẩn đoán kỹ thuật dựa trên khâu ước lượng thông số
bằng mạng nơron RBF, lắp đặt và thu thập số liệu trên đầu máy D14Er số hiệu 2014
của Xí nghiệp Đầu Máy Yên Viên. Tuy nhiên, đề tài chưa tìm ra được quy luật thay
đổi của từng thông số cũng như mối quan hệ giữa các thông số của động cơ điện
kéo của đầu máy.
Đặng Đình Được [04] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí
nghiệm động cơ đốt trong để chuyển đổi các thông số đo trên băng thử thủy lực
FROUDE và động cơ là lựa chọn phù hợp. Đề tài đã xác định được các thông số
trong hệ thống thí nghiệm như tốc độ, momen, nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, rung
động và sự tồn tại của ô xi trong khí thải cho phép đánh giá được chất lượng hoạt

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

tăng áp 1.4BZ120CVDC trong cùng một điều kiện như nhau. A PSV-400 Laser
Doppler vibrometer được sử dụng để đo độ rung theo vận tốc. Dữ liệu thu được
thông qua phép biến đổi FFT phân tích phổ của tần số rung động. Vận tốc tối đa và

3


rung động rất lớn khi sử dụng bộ tăng áp và xe thực nghiệm tĩnh. Vận tốc và rung
động sẽ giảm khi động cơ sử dụng bộ tăng áp và các bánh xe được kích lên. Sự
phân phối rung động không thay đổi khi kích xe lên, nhưng biên độ rung động thì
thay đổi. Đề tài chưa tìm được ảnh hưởng của rung động tới tình trạng hoạt động
của động cơ và chưa phát hiện được các hư hỏng.
Burdzik, Dolecek [08] đã nghiên cứu và thực nghiệm phân tích sự truyền rung
động trên xe. Sự rung động truyền từ động cơ tới người lái, hành khách và hàng
hóa. Có hai loại rung động cơ bản: rung động do trạng thái hoạt động, kết cấu của
động cơ và rung động gây ra bởi sự xáo trộn trong thời gian ngắn. Tác giả đã sử
dụng thiết bị đo gia tốc trên ba hướng chủ yếu đo rung động của xe phát ra, tín hiệu
được sử lý trong môi trường Matlab và biến đổi FFT trong thời gian ngắn để phân
tích phổ tần số rung. Thực nghiệm đo rung động ở các tốc độ 750, 1500, 2000, và
3000 (vòng/phút). Từ những kết quả đo trên đã đưa ra được các hướng phát triển
như sau: Thiết kế và lắp ráp kết cấu của xe nhằm giảm sự rung động và truyền rung
động cho người lái và hành khách. Áp dụng công nghệ mới và công nghệ chế tạo
vật liệu cũng giúp giảm đáng kể sự rung động. Tuy nhiên không thể loại trừ tác
động xấu trong sản xuất, chế tạo có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu, nó có thể
ảnh hưởng xấu tới rung động của xe. Nghiên cứu sự truyền rung động cũng chưa
xác định được những sự cố và chẩn đoán hư hỏng của động cơ.

4

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

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết rung động máy
2.1.1 Định nghĩa rung động
Sự rung động được định nghĩa một cách khoa học là sự dao động của vật thể về
vị trí. Trong quá trình rung động, vật thể đi qua những vị trí khác nhau và trở về lại
điểm mà ở đó nó sẵn sàng để lặp lại sự dao động và có tính chu kỳ T. Một đồ thị
hay biên dạng rung động được thể hiện trong hình 2.1a cho thấy chu kỳ T và
khoảng dịch chuyển cực đại hay biên độ X0. Nghịch đảo của chu kỳ này, được gọi
là tần số f của rung động được biểu diễn trong đơn vị của chu kỳ trong một giây
(cps) hay héc (Hertz (Hz)). [09]
Biên độ X

Biên độ X

X0

X0
Thời gian t

Thời gian t
T

T

(a)

(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

của mạch điện tử vi phân không chống nhiễu tốt như mạch tích phân.
Rung động ngẫu nhiên, thường xảy ra một cách tự nhiên và được đặc trưng
bằng quá trình chuyển động bất thường không bao giờ lặp lại một cách chính xác.
Rung động tức thời, là rung động không liên tục (tắt dần). Rung động này có
thể là xung va đập. Xung va đập là một rung động có tần số rất cao và là rung đông
tắt dần. Đo xung va đập là một trong những phương pháp phân tích rung động rất
phổ biến hiện nay.
Rung động bất quy tắc, là loại rung động mà dạng sóng chỉ có thể xác định bởi
các chỉ số thống kê như giá trị trung bình µ và hệ số phân bố σ, tại một thời điểm t
nào đó.
Nội dung của đề tài này không mô tả chi tiết bản chất của rung động. Nội dung
chủ yếu phục vụ chẩn đoán, do đó cần phải nhận biết các loại rung động tương ứng
phụ vụ cho quá trình chuẩn đoán kỹ thuật động cơ.

7


Rung động
có quy tắc

Rung động
có chu kỳ

Rung động
điều hòa
hình sin
Rung động
có chu kỳ
sóng rộng
hợp

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

bất quy tắc
chuyển tiếp

Rung động
bất quy tắc
đặc biệt

Hình 2.2: Các dạng rung động.
2.1.3 Miền thời gian
Dữ liệu rung động được vẽ theo biên độ so với thời gian được gọi là dữ liệu
miền thời gian. Một số ví dụ đơn giản và phức tạp được thể hiện trong hình 2.3. Các
biểu đồ miền thời gian phải được sử dụng cho tất cả các động cơ và máy móc
chuyển động thẳng và chuyển động qua lại. Chúng có ích trong phân tích tổng thể
của chuỗi máy để nghiên cứu những thay đổi trong điều kiện hoạt động. Tuy nhiên,
dữ liệu miền thời gian gặp khó khăn khi sử dụng. Bởi vì tất cả các dữ liệu rung động
được thêm vào để thể hiện dịch chuyển tổng tại bất kỳ thời điểm nhất định, rất khó
để xác định riêng của bất kỳ nguồn rung động xác định.

8


Rung động riêng

Rung động tổng hợp

Hình 2.3: Biểu đồ rung động miền thời gian và đường cong rung động riêng, đường
cong rung động tổng hợp miền thời gian
Nhà vật lý và nhà toán học Pháp Jean Fourier đã xác định rằng các hàm dữ liệu
không phải điều hòa như dữ liệu rung động miền thời gian, nó là những tổng hợp
toán học của các hàm dao động điều hòa đơn. Các đường cong nét đứt trong hình

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

Hình 2.4: Tín hiệu rung động miền tần số
Dữ liệu miền tần số được yêu cầu cho thiết bị hoạt động ở tốc độ chạy nhiều
hơn một và tất cả các ứng dụng quay. Bởi vì các trục X của phổ tần số bình thường
hóa tốc độ quay, một sự thay đổi trong tốc độ chạy sẽ không ảnh hưởng đến biểu
đồ. Một thành phần rung động đó là hiện diện ở tốc độ vẫn sẽ được tìm thấy trong
cùng một vị trí trên biểu đồ cho một tốc độ quay sau khi bình thường hóa, mặc dù
biên độ có thể khác nhau.
2.2 Rung động của động cơ
Trong động cơ, vì nhiên liệu được đốt trong buồng cháy và nhiều bộ phận
chuyển động, tạo ra nhiều loại lực rung. Chúng làm cho động cơ bị rung, làm cho
thân động cơ trở nên rung động. Mặc dù rung động của động cơ do nhiều nguyên
nhân khác nhau gây ra, nhưng chủ yếu là: áp suất cháy của nhiên liệu trong buồng
đốt nó ảnh hưởng từ bugi đánh lửa, mòn xec măng, không cân bằng do quán tính và
những hệ thống khác như độ cứng vững của bệ máy hay giá đỡ, v.v.

10