Nghiên cứu, đánh giá tình trạng của bộ truyền động bánh răng bằng phương pháp phân tích tần số dao động

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

NGUYỄN QUANG TÂN

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG CỦA BỘ TRUYỀN ĐỘNG
BÁNH RĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TẦN SỐ DAO ĐỘNG
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Trần Đức Quý
2. GSTS. Trần Văn Địch

Hà Nội – Năm 2010
2


LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN VĂN.......................7
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................9
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ ...................................................................10
MỞ ĐẦU...................................................................................................................13
Chương 1.TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG.......................16
1.1. Giới thiệu chung về bộ truyền động bánh răng..............................................16
1.2. Một số dạng hỏng thường gặp của bộ truyền bánh răng................................18
1.3. Vai trò của việc giám sát rung động ..............................................................19
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG .................................................21

2.1.
Các tham số dao động. ...............................................................................21
2.1.1. Chuyển vị ...................................................................................................21
2.1.2. Vận tốc .......................................................................................................22
2.1.3. Gia tốc ........................................................................................................23
2.1.4. Quan hệ giữa các thông số .........................................................................23
2.1.5. Một số định nghĩa khác ..............................................................................24
2.2.
Đơn vị .........................................................................................................24
2.3.
Biên độ tín hiệu dao động ..........................................................................25
2.3.1. Biên độ dao động........................................................................................25
2.3.2. Thang số .....................................................................................................27
2.3.3. Đêxiben ......................................................................................................27
2.3.4. Mức toàn bộ................................................................................................28
2.4.
Mô hình hoá sự đáp ứng của cơ hệ ............................................................29
2.4.1. Cơ hệ tuyến tính .........................................................................................29
2.4.2. Phổ sốc và đáp ứng sốc ..............................................................................37
2.5.
Phương pháp phân tích tần số dao động.....................................................41
2.5.1. Phép biến đổi Fourier .................................................................................43
2.5.2. Hàm tuần hoàn............................................................................................44
2.5.3. Hàm không tuần hoàn.................................................................................45
2.5.4. Dao động ngẫu nhiên..................................................................................49
Chương 3. PHÂN TÍCH TẦN SỐ DAO ĐỘNG ......................................................50
3.1. Các nguyên nhân gây rung động....................................................................50
3.1.1. Mất cân bằng. .........................................................................................50
3.1.2. Không đồng trục .....................................................................................54
3.1.3. Ma sát cơ học..........................................................................................55

3


3.1.4. Bánh răng bị mòn ...................................................................................55
3.1.5. Lỏng kết cấu ...........................................................................................55
3.1.6. Lực khí động và áp lực thuỷ động ..........................................................56
3.1.7. Sự biến dạng ...........................................................................................56
3.1.8. Lựa chọn thiết bị không phù hợp............................................................57
3.1.9. Cộng hưởng ............................................................................................57
3.2. Phương pháp phân tích phổ tần số dao động .................................................57
3.2.1. Thu thập các thông tin cần thiết để phân tích.........................................58
3.2.2. Nhận dạng phổ tần số rung động ............................................................58
3.2.3. Phân tích phổ tần số của bánh răng ........................................................59
3.2.4. Phân tích phổ tần số của ổ bi ..................................................................67
3.2.5. Phân tích phổ tần số của Động cơ ..........................................................73
3.3. Chẩn đoán dao động máy quay ......................................................................76
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA
BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG ...................................................................................83
4.1. Đầu dò, thiết bị và mạch đo dao động ...........................................................83
4.1.1. Cảm biến đo rung ...................................................................................84
4.1.2. Gia tốc kế................................................................................................87
4.1.3. Bộ lọc......................................................................................................90
4.1.4. Bộ tích phân............................................................................................91
4.1.5. Các bộ xử lý và hiển thị..........................................................................93
4.1.6. Thiết bị đo dao động ...............................................................................93
4.2. Mô hình, thiết bị nghiên cứu thực nghiệm.....................................................96
4.3. Tiến hành thực nghiệm ..................................................................................96
4.3.1. Tính toán các tần số có thể xuất hiện trong quá trình thí nghiệm ..........96
4.3.2. Xác định vị trí đo ....................................................................................97
4.3.3. Thiết lập thông số đo cho thiết bị CMXA44 ..........................................98

4.3.4. Thu thập kết quả đo ..............................................................................100
4.3.5. Phân tích kết quả đo..............................................................................102
4.4. Kết luận thí nghiệm......................................................................................107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................109

4


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, những số liệu và kết quả thực nghiệm được nghiên
cứu trong luận văn là hoàn toàn thực tế khách quan. Những kết quả tương tự chưa
từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện luận văn này đều
đã chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Tân

5


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS.
Trần Văn Địch_Trường Đại học Bách khoa HN, TS.Trần Đức Quý_Trường Đại
học Công nghiệp HN đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi về chuyên môn trong suốt thời

gian nghiên cứu và xây dựng nội dung luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, cô trong Viện Cơ khí – Trường
ĐHBK Hà nội đã nhiệt tình giảng dạy, cung cấp cho tôi những kiến thức cần

thiết trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đang công tác tại
Khoa Cơ khí Động lực, Trung tâm Đào tạo & Thực hành Công nghệ Cơ khí –
trường ĐHSP Kỹ thuật Hưng Yên đã hỗ trợ về mặt chuyên môn cũng như
thời gian giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, nội dung và phạm vi
nghiên cứu đề tài là tương đối rộng và khá mới mẻ với tôi. Vì vậy, trong quá
trình nghiên cứu, xây dựng nội dung luận văn chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu sót. Tôi mong muốn nhận được sự góp ý của các Thầy, các Cô và
bạn bè đồng nghiệp trong chuyên môn để có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn
về đề tài đã chọn.
Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Tân

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Ý nghĩa

a(t)

Gia tốc m.s-2

are

Gia tốc tham khảo m.s-2

C

Hệ số giảm chấn nhớt, N.s/m

cc

Hằng số giảm chấn nhớt tới hạn ( = 2mωn = 2(km)1/2), N.s/m

A0

Biên độ của a(t)

f

Tần số dao động, tần số kích thích (f = 1/T), Hz

f(t)

Lực, N: hàm thời gian của F(ω)

F(ω),F(t)

Hàm tần số của f(t), phổ xung sốc

G

Gia tốc trọng lực (g = 9,81 m.s-2)

h(t)

Đáp ứng xung, hàm truyền

H(f), H(iω)

Đáp ứng tần số [phức]

i

=

i(t)

Hàm nhập

I(f)

Hàm tần số của i(t)

Im()

Phần ảo

K

Độ cứng của lò xo

N

= rpm/1000

o(t)

Hàm xuất

O(t)

Hàm tần số của o(t)

Q

Hệ số chất lượng

R

Tỉ số tần số

Re()

Phần thực

S(f)

Phổ sốc thặng dư

Sp

Độ nhạy của gia tốc kế pC/ms-2

t

Thời gian. S

−1

7


T

Chu kỳ ( = 1/f)

v(t)

Vận tốc m/s

V0

Trị số của v lúc t = 0 m/s

vre

vận tốc tham khảo m/s

x(t)

Chuyển vị. m

xp(t)

Lời giải đặc biệt

X0

Trị số của x khi t = 0, m

xre

Chuyển vị tham khảo

X

Biên độ của x(t)

XRMS

Mức biên độ quân phương, m

Xpeak

Mức biên độ đỉnh, m

Xpeak to peak

Mức biên độ đỉnh đến đỉnh, m

Xaverage

Mức biên độ trung bình, m

X(ω), X(f)

Hàm tần số của x(t)

Z,Z(iω)

Trở kháng cơ học, N/m

δ(t)

Hàm Dirac, sốc lý tưởng

φ,φm

Góc pha, rad

λ

Tần số sốc, Hz

ζ

Hệ số giảm chấn (= c/cc)

ω

Tần số góc (= 2πf, rad)

ωn,ωm

Tần số riêng (=2πf0 = (k/m)1/2)

∃(t)

Hàm lược

∃(f)

Hàm lược của ∃(t)

RMS

Giá trị quân phương

RPM

Số vòng quay, v/p’

GMF

Tần số ăn khớp răng, Hz

RPMG

Số vòng quay của bánh răng chủ động, v/p’

RPMP

Số vòng quay của bánh răng bị động, v/p’
8

BPFO

Tần số trên rãnh lăn vòng ngoài của ổ lăn, Hz

BPFI

Tần số trên rãnh lăn vòng trong của ổ lăn, Hz

FTF

Tần số trên vóng cách, Hz

BSF

Tần số của con lăn, Hz

Nb

Số viên bi trong ổ

Bd

Kích thước viên bi, mm

Pd

Khoảng cách giữa các viên bi, mm

θ

Góc tiếp xúc

DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Chú thích nội dung

Bảng 1.1

Dung sai đảo hướng kính của vành bánh răng trụ ( µ m)

Bảng 1.2

Dung sai của sai số hướng răng, độ không song song và độ xiên
của các đường tâm bánh răng trụ

Bảng 2.1

Các đơn vị tham số

Bảng 2.2

Dạng tín hiệu và hệ số đỉnh Fc

Bảng 3.1

Tóm tắt sự cố ở tần số quay

Bảng 3.2

Tóm tắt vấn đề không đồng trục

Bảng 3.3

Tóm tắt về sự cố các bánh răng

9


DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
TT

Chú thích nội dung

Hình 1.1

Các bộ truyền động bánh răng

Hình 1.2

Các dạng mòn của bánh răng

Hình 1.3

Răng bị rạn, gẫy

Hình 2.1

Thí dụ về tín hiệu dao động điều hòa

Hình 2.2

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cùng một chuyển động

Hình 2.3

Các loại biên độ của tín hiệu điều hòa

Hình 2.4.

Các loại biên độ của tín hiệu ngẫu nhiên

Hình 2.5

Hai loại thang số (a) tuyến tính và (b) loga

Hình 2.6

Một hệ thống gồm khối lượng – lò so - giảm chấn

Hình 2.7

Chuyển động tự do của hệ thống với các loại giảm chấn khác nhau

Hình 2.8

Khái niệm về đặt chồng trong miền thời gian

Hình 2.9

Ví dụ về đường cong cộng hưởng

Hình 2.10

Biến thiên của hàm đáp ứng theo tần số

Hình 2.11

Đáp ứng của hệ một bậc tự do đối với sốc kích thích

Hình 2.12

Các phổ sốc cho một xung sốc

Hình 2.13

Hệ thuyến tính với đáp ứng xung

Hình 2.14

Sơ đồ đáp ứng liên quan đến xung lượng Dirac

Hình 2.15

Đáp ứng của hàm lược trong miền thời gian

Hình 2.16

Đáp ứng của hàm lược theo miền tần số

Hình 2.17

Minh hoạ về một tín hiệu được biến đổi từ (a) miền thời gian sang
miền (b) miền tần số

Hình 2.18

Phổ tần của một hàm thời gian tuần hoàn

Hình 2.19

Các tín hiệu tuần hoàn và phổ tương ứng

Hình 2.20

Hàm Dirac và phổ Fourier tương ứng

Hình 2.21

Hàm lược thời gian và phổ Fourier tương ứng

Hình 2.22

Một ví dụ tiêu biểu về sốc cứng

Hình 2.23

Dao động nhất thời và phổ Fourier tương ứng

Hình 2.24

Một xung sốc có miền thời gian tỉ lệ nghịch với miền tần số

10


Hình 2.25

Sốc chữ nhật tuần hoàn và phổ Fourier tương ứng

Hình 3.1

Đốm nặng gây ra mất cân bằng

Hình 3.2

Đáp ứng biên độ của rôto không cân bằng

Hình 3.3

Phá hỏng bơm và gối đỡ do mất cân bằng

Hình 3.4

Đặc tính của mất cân bằng

Hình 3.5

Dạng sóng và quỹ đạo của mất cân bằng

Hình 3.6

Đặc tính của không đồng trục

Hình 3.7

Phổ tiêu biểu của vấn đề lỏng cơ học

Hình 3.8

FFT(Fast Fourier Transform) Spectrum

Hình 3.9

Phân biệt và nhận dạng phổ

Hình 3.10

Dải tần số chuẩn của bánh răng khi nó hoạt động bình thường

Hình 3.11

Phổ đồ thị của bánh răng bị mòn

Hình 3.12

Phổ đồ thị của bánh răng bị biến dạng

Hình 3.13

Phổ đồ thị của bánh răng bị lệch trục

Hình 3.14

Phổ đồ thị của bánh răng bị nứt, gãy hoặc rạn

Hình 3.15

Phổ đổ thị khi bánh răng bị lệch tâm và lỏng ổ trục

Hình 3.16

Phổ đồ thị chuẩn của Ổ bi ở trạng thái ban đầu (đạt tiêu chuẩn)

Hình 3.17

Phổ đồ thị thể hiện sự mài mòn và phát sinh sự mất cân bằng

Hình 3.18

Phổ đồ thị của ổ bi đang trong giai đoạn phá hủy

Hình 3.19

Phổ đồ thị thể hiện sự hư hỏng ca ngoài của ổ bi

Hình 3.20

Broken / Cracked rotor bar

Hình 3.21

Broken / Cracked rotor bar, loose rotor bar joints

Hình 3.22

Eccentric rotor

Hình 3.23

Stator eccentricity, soft foot, Shorted stator laminations

Hình 3.24

Grounding fault or tunning fault

Hình 3.25

Phase losse

Hình 3.26

Shorts in control card, loose connector and more

Hình 3.27

Faults in comparitor card (speed fluctuation)

Hình 4.1

Tầm tần số và tầm năng động

Hình 4.2

Hệ cơ bản đo lường dao động

11


Hình 4.3

Cảm biến vận tốc tiêu biểu

Hình 4.4

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo rung

Hình 4.5

Các loại gia tốc điển hình

Hình 4.6

Hai dạng gia tốc kê thường dùng

Hình 4.7

Đặc tính tần số của một gia tốc kế áp điện

Hình 4.8

Tín hiệu chuyển vị của một trục quay

Hình 4.9

Tín hiệu chuyển vị của một trục quay

Hình 4.10

Một mạng tích phân RC đơn giản

Hình 4.11

Chất lượng của tín hiệu được tích phân

Hình 4.12

Một bộ thiết bị xách tay dùng để đo và phân tích dao động

Hình 4.13

Thiết bị đo và phần mền xử lý

Hình 4.14

Mô hình nghiên cứu thực nghiệm

Hình 4.15

Các vị trí, phương đo kiểm

Hình 4.16

Vị trí gắn gia tốc kế

Hình 4.17

Cổng kết nối thiết bị ngoại vi

Hình 4.18

Màn hình chính của thiết bị CM-XA44

Hình 4.19

Màn hình Analyzer

Hình 4.20

Màn hình Analyzer-Setup

Hình 4.21

Quá trình thí nghiệm đo rung động

Hình 4.22

Phổ tần số đo được hiển thị trên màn hình

Hình 4.23

Chuyển dữ liệu đo về máy tính

Hình 4.24

Phổ đồ thị chuẩn của bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc

Hình 4.25

Phổ đồ thị của hộp giảm tốc trường hợp cặp răng bị mòn

Hình 4.26

Phổ đồ thị của hộp giảm tốc trường hợp lệch trục

Hình 4.27

Phổ đồ thị trường hợp bánh răng biến dạng

12


MỞ ĐẦU
-

Lý do chọn đề tài
Trong thực tế, hầu hết máy móc khi được thiết kế chính xác thì trong quá trình

hoạt động sẽ có mức dao động thấp. Tuy nhiên, trong suốt thời gian hoạt động, tất

cả các máy móc, thiết bị đều phải chịu vấn đề mỏi, mòn, biến dạng …, những vấn
đề này tạo ra sự gia tăng khe hở giữa các bộ phận lắp ráp, sự cố không đồng trục,
mất cân bằng... và hệ quả là dẫn đến sự thay đổi của mức dao động. Theo thời gian,
các mức dao động tiếp tục tăng lên và cuối cùng dẫn đến các hiện tượng hư hỏng
cho máy móc và thiết bị.
Mặt khác, tất cả các máy và
cụm các chi tiết máy khi chuyển
động đều gây ra các dao động có
tính chấ lặp lại tại một dải tần số
nào đó. Các tần số dao động này
có thể xác định từ đặc tính hình
học của các chi tiết máy và có
thể được vẽ thành các đồ thị mô tả độ lớn của dao động tại từng giá trị tần số cụ thể.
Các đồ thị này được gọi là các phổ tần số của dao động.
Có nhiều nhân tố có thể gây ra dao
động cho máy và thiết bị công nghiệp,
trong đó dao động do bộ truyền động bánh
răng tạo ra thường ảnh hưởng rất lớn đến
hiệu quả làm việc của máy và gây ồn trong
môi trường làm việc. Tần số ăn khớp răng,
đó chính là âm thanh do bánh răng phát ra
và có thể chứa đựng một khối lượng thông
tin về chất lượng, tình trạng thực của bánh răng đó.
Dựa trên các cơ sở phân tích trên, tôi quyết định chọn nội dung này làm cơ sở,
hướng nghiên cứu cho đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.
13


-

Lịch sử nghiên cứu.
Đây là một nội dung nghiên cứu còn khá mới. Ở trong nước và trên thể giới

có rất ít các đề tài nghiên cứu về dao động máy. Ngày nay, cùng với những đòi hỏi
về khả năng sẵn sàng của máy móc, thiết bị. Các chuyên gia trong lĩnh vực công
nghệ chế tạo máy, bảo trì máy móc, thiết bị đã và đang nghiên cứu các chương
trình, kế hoạch bảo trì có hiệu quả và đáp ứng được các yêu cầu cao về khả năng
sẵn sàng của các máy móc, thiết bị. Đi cùng với sự phát triển đó thì vấn đề nghiên
cứu, đánh giá tính trạng của máy móc thông qua phương pháp phân tích tần số dao
động của máy đã trở thành nội dung không thể thiếu trong công tác bảo trì máy nói
riêng và trong nghiên cứu về Dao động máy nói chung.
-

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là : Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về dao động,

phương pháp phân tích dao động của máy.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu, phân tích phổ tần số dao động
của bộ truyền động bánh răng qua đó đánh giá tình trạng của nó. Thực nghiệm với
các thiết bị đo và phần mền phân tích dao động, phân tích phổ tần số qua đó chẩn
đoán tình trạng của bộ truyền bánh răng trên mô hình thí nghiệm phân tích rung
động tại trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên.
-

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Thứ nhất: Hầu hết các vấn đề hỏng hóc trên máy và thiết bị công nghiệp khi

sắp xảy ra đều phát ra các tín hiệu báo động rất sớm dưới dạng dao động và vài tín
hiệu này có thể nhận dạng được tại các tần số đặc biệt.
Thứ nhất: Dao động chính là chìa khoá để mở cửa chứng kiến tình trạng bên

trong của máy móc. Do đó việc phân tích dao động có thể cho biết bộ phận nào của
máy đang hoặc sẽ có vấn đề và tại sao và khi nào thì cần phải tiến hành sửa chữa,
thay thế.
Thứ ba: Bằng phương pháp phân tích phổ tần số dao động, cho phép chúng
ta nhận biết và phân biệt được các nguồn phát sinh dao động. Đồng thời, có thể phát
hiện kịp thời hư hỏng và dự đoán thời điểm xảy ra hư hỏng hoàn toàn.

14


Thứ tư: Bằng kỹ thuật phân tích phổ tần số dao động có thể đánh giá được
tình trạng thực của bộ truyền động bánh răng trên máy và thiết bị công nghiệp,
tương tự như vậy cũng có thể áp dụng cho các bộ truyền động khác với kết quả tốt.
Thứ năm: Có thể ứng dụng kỹ thuật phân tích phổ tần số dao động là nền
tảng cho kỹ thuật giám sát tình trạng của máy móc, thiết bị công nghiệp và làm cơ
sở vững chắc cho công tác “Bảo trì dự đoán’’. Trên cơ sở đó chúng ta có thể dự
đoán trước những hư hỏng có thể, lập được kế hoạch bảo trì tối ưu, khai thác tối đa
hiệu suất sử dụng thiết bị, máy móc và hệ thống sản xuất, nâng cao độ tin cậy, khả
năng sẵn sàng của máy móc, thiết bị và dây truyền sản xuất.
-

Phương pháp nghiên cứu.
+ Nguyên cứu cơ sở luyết thuyết về dao động của máy.
+ Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình “Phân tích rung động” tại Trường
ĐHSP Kỹ thuật Hưng Yên

15


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG
Sự phát triển của dao động máy gắn liền với sự phát triển của ngành chế tạo
máy, từ máy quay chậm đến máy quay cực nhanh và từ máy có kết cấu đơn giản
đến máy có cấu trúc phức tạp. Như vậy, trong tính toán thiết kế, lắp đặt máy cũng
như trong các biện pháp kỹ thuật và công nghệ, người kỹ sư cơ khí phải làm chủ
được cơ cấu gây ra dao động để làm giảm tác dụng của động lực lên máy và công
trình. Mặt khác, người kỹ sư cơ khí cũng cần phải biết cách khai thác và sử dụng
mặt có ích của dao động trong công nghệ rung và trong thiết kế chế tạo các loại máy
công nghiệp và dân dụng.
Có nhiều nhân tố có thể gây ra dao động cho máy và thiết bị công nghiệp,
trong đó dao động do bộ truyền động bánh răng tạo ra thường ảnh hưởng rất lớn đến
hiệu quả làm việc của máy và môi trường làm việc trong Doanh nghiệp.
1.1.

Giới thiệu chung về bộ truyền động bánh răng
Bộ truyền bánh răng được

dùng để truyền chuyển động
(truyền mô men xoắn) từ trục này
đến trục khác (Hình 1.1), hoặc
dùng để biến chuyển động quay
thành chuyển động tịnh tiến ( bộ
truyền bánh răng thanh răng ).v.v.
Bộ truyền động bánh răng có một
số ưu điểm sau:
- Ăn khớp êm và tải trọng động
giảm
- Tỉ số truyền không thay dổi

Hình 1.1 Các bộ truyền động bánh răng

- Lắp ghép đơn giản
Tuy nhiên, bên cạnh nó còn có một số nhược điểm là
- Thường ăn khớp một nửa răng do vậy răng bị mòn ,bị gẫy
16


- Khi làm việc ở tốc độ cao thường gây ra tiếng ồn
- Khó chế tạo
- Truyền lực không cao do mài mòn cao
- Có thể sinh ra lực dọc trục
Một số yêu cầu kỹ thuật chung đối với bộ truyền động bánh răng
Bảng 1.1: Dung sai đảo hướng kính của vành bánh răng trụ ( µ m)
Cấp

Mô

Dung sai đường kính vòng chia, µm

chính

đun

50

50-80 80-120 120-200 200-320 320-500 500-800

xác

mm

6

1-1,6

20

26

32

38

45

50

58

7

1-3,0

32

42

50

58

70

80

95

8

1-5,0

50

65

80

95

110

120

150

9

2,5-5,0

80

105

120

180

180

200

240

10

2,5-5,0

120 170

200

240

280

320

380

11

2,5-5,0

200 260

320

380

450

500

600

Bảng 1.2 Dung sai của sai số hướng răng, độ không song song và độ xiên của các
đường tâm bánh răng trụ
Cấp

Mô đun

chính xác

mm

Dung sai, ( µ m) theo chiều rộng vành răng , mm
55

55-110

110-160

160-220

220-320

6

1-1,6

13

15

17

19

22

7

1-3,0

17

19

21

24

28

8

1-5,0

21

24

26

30

36

9

2,5-5,0

26

30

34

38

45

10

2,5-5,0

34

38

42

48

55

11

2,5-5,0

42

48

52

58

70

17


1.2.

Một số dạng hỏng thường gặp của bộ truyền bánh răng
Trong quá trình làm việc, khả năng làm việc và tuổi thọ của bộ truyền động

bánh răng phụ thuộc vào một số yếu tố như: tải trọng, chế độ bôi trơn, hoạt động
bảo trì....Ảnh hưởng của các yếu tố đó thường gây ra một số dạng hỏng cho bộ
truyền như: răng bị mòn, biến dạng, nứt, vỡ, mẻ răng.v.v..
Trong trường hợp răng bị mòn ít: Nếu ở đó, bộ truyền không đòi hỏi các yêu
cầu kỹ thuật cao, ta có thể kéo dài thời gian làm việc bằng cách tăng cường bôi trơn

Hình 1.2 Các dạng mòn của bánh răng
Trường hợp răng bị mòn nhiều: Thay mới (thông thường thay cả bộ ). Đối với
bộ truyền có răng chênh lệch nhiều nếu thay thì phải thay bánh răng nhỏ và cần chú
ý đến chiều dày của răng để đảm bảo khe hở của răng. Có trường hợp bánh răng
làm việc một chiều ta có thể đảo lại bánh răng (với điều kiện moay ơ ở hai bên răng
có kích thước như nhau).
Trường hợp răng bị rạn hoặc gẫy (Hình 1.3)
Khi bánh răng bị gẫy một răng có thể hàn đắp và gia công cơ hoặc có thể gia
công một răng mối rồi định vị bằng bu lông hoặc bằng hàn.Còn gẫy vài răng liền
nhau thì dùng phương pháp ép một đoạn vành răng (Phay hoặc bào). Gia công chỗ
18


răng gẫy thành một vành đuôi én 750 rồi gia công miếng thép đó lắp kín vào rãnh
này, cố định bằng vít chìm hoặc hàn rồi gia công răng trên đó (phương pháp này
thường áp dụng đối với các bánh răng có kích thước lớn, làm việc với vận tốc thấp,

không đòi hỏi cao về độ chính xác).
Như vậy, tất cả các hư hỏng trên đều gây
lãng phí rất nhiều thời gian (thời gian ngừng máy,
thời gian chờ, thời gian sửa chữa…), thiệt hại lớn về
mặt kinh tế cho Doanh nghiệp.
1.3.

Hình 1.3 Răng bị rạn, gẫy

Vai trò của việc giám sát rung động
Theo truyền thống, phân tích rung động bao gồm việc đánh giá các mức rung

động, sau đó so sánh chúng với các mức báo động, từ đó có các biện pháp phù hợp
để khắc phục hoặc phòng ngừa. Do có mối tương quan giữa các mức rung động và
tuổi thọ của thiết bị hoặc chi tiết, nên nếu chúng ta có các biện pháp giám sát tình
trạng đúng mức sẽ có thể kéo dài tuổi thọ và thời gian làm việc của thiết bị qua đó
giảm được rất nhiều chi phí cho công tác bảo trì, sửa chữa. Phạm vi ứng dụng của
giám sát rung động cũng khá rộng, các lĩnh vực có thể kể đến như:
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng (Civil Engineering)
Ví dụ như trong khi thiết kế một cây cầu, mô hình phân tích đảm bảo tránh
khỏi (ngăn ngừa) sự kích thích khác nhau của sự rung động trong quá trình sử dụng.
Sự ổn định động học cũng phải được kiểm tra tính toán trong quá trình thiết kế.
Trong lĩnh vực khoa học hàng không (Aeronautical and Aerospace
Engineering)
Trong thiết kế máy bay và tàu vũ trụ, phân tích dao động là cần thiết để ngăn
ngừa sự kích thích cộng hưởng bởi các yếu tố như sự rung động của máy, kích thích
của khí quyển, bề mặt, như vậy việc cô lập và điều khiển những dao động này là cần
thiết.
Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, điện tử (Electrical Engineering)
Các bộ phận điện, điện tử (phần cứng) có thể hỏng rất nhanh do ảnh hưởng

của dao động máy. Ví dụ như các thiết bị trong máy tính, các thiết bị điều
khiển.v.v..trên các máy móc và thiết bị cơ khí ứng dụng công nghệ cao.
19


Trong lĩnh vực Chế tạo máy (Manufacturing Engineering)
Rung động trong máy công cụ sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm và gia tăng
sự hao mòn, tần số rung động của các hư hỏng, của dụng cụ sẽ tạo nên tiếng ồn
trong quá trình hoạt động của máy. Thiết kế máy công cụ, chi tiết máy và các bộ
phận giảm chấn, cách ly dao động là một nhiệm vụ quan trọng.
Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí (Mechanical Engineering)
Rung động của các thiết bị cơ khí phải được ngăn chặn một cách thích hợp
để giảm bớt công việc bảo trì và sửa chữa đồng thời cải tiến chất lượng làm việc của
thiết bị. Khi thiết kế hệ thống treo, thân máy, cân bằng máy,….tất cả đều cần phải
quan tâm đến vấn đề dao động máy.
Như vậy, có thể nói phân tích rung động của máy là cơ sở của kỹ thuật giám
sát tình trạng của máy và thiết bị, nghĩa là tình trạng máy lúc đang hoạt động hay
ngừng hoạt động, nếu có một vấn đề nào xẩy ra thì thiết bị giám sát sẽ phát hiện và
cung cấp thông tin để có kế hoạch xử lý kịp thời đối với từng vấn đề cụ thể trước
khi máy bị hư hỏng. Ngoài ra giám sát rung động còn cho phép chúng ta nâng cao
được hiệu suất hoạt động của máy và thiết bị công nghiệp. Từ kết quả của việc giám
sát rung động của máy có thể cho phép chúng ta:
+ Can thiệp trước khi xẩy ra hư hỏng xuất hiện.
+ Thực hiện công tác bảo trì máy vào thời điểm cần thiết.
+ Giảm số lần hư hỏng và số lần ngừng máy.
+ Giảm chi phí bảo trì và các chi phí thiệt hại do ngừng sản xuất.
+ Tăng tuổi thọ của thiết bị.
Ngày nay, trong hoạt động giám sát rung động của máy, các nhà nghiên cứu
đã cố gắng nâng cao độ chính xác khi xác định thời gian hoạt động của các chi tiết,
bộ phận trong máy móc và thiết bị cơ khí bằng cách sử dụng các thiết bị đo và phần

mềm phân tích có độ tin cậy cao.

20


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG
Dao động máy là một bộ phận của dao động cơ học, nhưng là một bộ phận
quan trọng vì nó áp dụng các kiến thức lý thuyết của dao động vào tính toán, mô
phỏng và giải thích các hiện tượng thực tế của dao động trong máy và thiết bị.
Dao động được mô tả là sự chuyển động của một phần tử hoặc một vật thể
quanh vị trí cân bằng, hay còn gọi là vị trí quy chiếu. Đối với một máy quay, vị trí
cân bằng này tương ứng với vị trí máy lúc chưa vận hành.
Nếu chuyển động tương tự lặp lại giống hệt sau mỗi chu kỳ ta có hiện tượng
chuyển động tuần hoàn. Dạng đơn giản nhất của chuyển động tuần hoàn là chuyển
động điều hòa.
2.1.

Các tham số dao động.
Dao động thường được diễn tả bằng nhiều cách thức khác nhau như chuyển

vị, vận tốc hoặc gia tốc. Tuy nhiên, vấn đề chọn thông số dao động cho việc đo
lường và phân tích còn phụ thuộc vào số lượng dữ kiện chính xác từ cơ cấu máy.
Việc lựa chọn tham số dao động thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chẩn
đoán, sau đây là một số tham số dao động phổ biến.
2.1.1. Chuyển vị
Ta xét chuyển động của một ổ trục dưới tác động của một roto không cân
bằng. Từ một số điều kiện nào đó ta có thể mô hình hóa sự mất cân bằng này qua
hình ảnh một khối lượng (mất cân bằng) tại một điểm trên chu vi của trục như minh
họa trong hình 2.1(a).

Khi trục được khởi động quay, khối lượng mất cân bằng sẽ tác động một lực
ly tâm lên ổ trục, như vậy ổ trục phải chịu một sự chuyển động cưỡng bức. Chuyển
động đó khi chiếu lên tọa độ chuyển vị theo thời gian sẽ có dạng như trong hình
2.1(b). Trong hình này, những điểm từ 1 đến 4 tương ứng với những điểm mà khối
lượng mất cân bằng, sau một vòng quay, đi qua các vị trí từ 1 đến 4 như đã ghi
trong hình 2.1(a). Ta có thể thấy sau mỗi vòng quay của rôto, chuyển động của ổ
trục sẽ lặp lại giống hệt như trước. Đó chính là ví dụ về chuyển động tuần hoàn.
21


Hình 2.1 Thí dụ về tín hiệu dao động điều hòa
(a) Vectơ chuyển động, (b) Đồ thị chuyển động
Về mặt toán học người ta miêu tả chuyển động tuần hoàn bằng phương trình
sau:
x(t ) = X sin(ωt )

Với

(2.1)

x – chuyển vị của ổ trục
t – thời gian
X – biên độ chuyển động
ω – tần số góc
Hình 2.1(b) cho thấy chu kỳ chuyển động – ở đây là một vòng quay

của rôto – là T, nghĩa là chuyển động được lặp lại khi t = T, và có đơn vị là giây (s).
Ngược lại với chu kỳ là tần số f =

1

, đơn vị đo tần số là Hertz (Hz).
T

Tần số góc ω được đo bẳng đơn vị rad/s.
Biểu thức quan hệ giữa các đại lượng trên:
ω = 2πf =

2π
T

(2.2)

2.1.2. Vận tốc
Vì vận tốc của dao động tương ứng với tiến độ thay đổi của chuyển vị theo
thời gian, chuyển động cũng có thể được biểu thị bằng số hạng vận tốc.
22


v(t ) =

dx
π⎞
⎛
= x& = ωX cos(ωt ) = ωX sin ⎜ ωt + ⎟
2⎠
dt
⎝

(2.3)

2.1.3. Gia tốc
Gia tốc là tiến độ thay đổi của vận tốc theo thời gian và được diễn tả bằng
công thức sau:
dx
d 2x
&
= v = 2 = &x& = −ω 2 X cos(ωt ) = ω 2 X sin(ωt + π )
a (t ) =
dt
dt

(2.4)

2.1.4. Quan hệ giữa các thông số
Từ những phương trình trước ta thấy rõ là dạng và chu kỳ dao động của
chuyển vị, vận tốc và gia tốc đều giống nhau, tuy nhiên biên độ của mỗi thông số là
khác nhau và sự khác biệt chủ yếu là pha của các thông số này lệch nhau. Cụ thể là
vận tốc đi trước chuyển vị một góc pha π/2, gia tốc đi trước vận tốc một góc pha
π/2, nghĩa là gia tốc đi trước chuyển vị góc pha π. Hình 2.2 cho ta thấy đồ thị của
chuyển vị x(t), vận tốc v(t), gia tốc a(t) của cùng một chuyển động.
Xsinωt

Biên độ

ωXsinωt

Gia tốc, a
Vận tốc, v
Chuyển vị, x

Thời gian

-ω2Xsinωt

Hình 2.2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của cùng một chuyển động
(a), Các vecto chuyển vị, vận tốc, gia tốc
(b), Đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc
Như vậy, với các tín hiệu hình sin, chuyển vị, vận tốc và gia tốc liên kết với
nhau bằng một hàm tần số và thời gian. Nếu không quan tâm đến góc pha của tín
hiệu – đây là trường hợp thông thường của việc đo được tích phân theo thời gian, ta
23


có thể tính được vận tốc bằng cách chia tín hiệu gia tốc cho một hệ số tỉ lệ với tần
số
v=

a
= adt
2πf ∫

(2.5)

Và tính chuyển vị bằng cách chia gia tốc cho một tỉ lệ với bình phương tần số
x=

a
= vdt
(2πf ) 2 ∫

(2.6)

Đối với các thiết bị đo lường, các phép chia này được thực hiện bằng các bộ tích
phân điện tử.
2.1.5. Một số định nghĩa khác
Tần số (f): Số lần hoàn thành một chu kỳ dao động trong một đơn vị thời
gian
Chu kỳ (T): Thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ của dao động
Tần số cưỡng bức (f): Được định nghĩa như là số lầ dao động trong một đơn
vị thời gian của một ngoại lực tác động lên hệ thống
Tần số riêng (f0): Tần số daô động tự do của hệ thống
Biên độ (A): là một hoạ âm dao động như sự chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc
từ điểm zero tới đỉnh tương ứng với giá trị lớn nhất.
Cộng hưởng: Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi tần số cưỡng bức trùng với
tần số riêng của hệ thống
2.2.

Đơn vị
Các thông số dao động thường được đo theo hệ thống đơn vị mét phù hợp

với tiêu chuẩn quốc tế ISO 1000, như được cho trong Bảng 2.1. Đối với gia tốc,
hằng số g được dùng rất phổ biến.
Bảng 2.1 Các đơn vị tham số
Thông số

Đơn vị SI

Đơn vị dao động

Tương ứng

Chuyển vị, x

M

µm

1 µm = 10-6m

Gia tốc, v

m/s

mm/s

1 mm/s = 10-3m/s

Gia tốc, a

m/s2

G

1 g = 9,81 m/s

24


2.3.

Biên độ tín hiệu dao động

2.3.1. Biên độ dao động
Biên độ dao động là tham số dùng để miêu tả tính chất quan trọng của dao
động. Có nhiều cách thức khác nhau để xác định biên độ dao động. Hình 2.3 cho
thấy sự liên quan giữa các mức đỉnh – đến – đỉnh (peak – to – peak value), mức
trung bình (average value) và mức quân phương (root mean square value – RMS).
Trong những giá trị vừa kể, chỉ có hai loại thường được dùng nhiều nhất là trị số
quân phương và trị số đỉnh.
Trong hai loại giá thông dụng vừa nói ở trên, trị số quân phương là mức đo
biên độ được dùng nhiều nhất vì ngoài đặc tính xác định tín hiệu theo thời gian, trị
số này còn liên quan đến trực tiếp đến năng lượng của tín hiệu, và từ đó là khả năng
phá hoại của dao động. Trị số quân phương được xác định bằng biểu thức.
T

X RMS =

1 2
x (t )dt
T ∫0

(2.7)

Trị số đỉnh được dùng nhờ đặc tính cho biết giá trị cực đại tức thời mà không
cần xét đến thời gian sản sinh ra nó. Chính vì điều này mà trị số đỉnh rất cần thiết
cho việc xác định mức độ của các loại sốc có thời gian xảy ra rất ngắn.
Biên độ
T

X

average

X

X

peak

RMS

Thời gian
X

peak-to-peak

Hình 2.3 Các loại biên độ của tín hiệu điều hòa
Đối với một tín hiệu hình sin, mối liên hệ giữa hai loại trị số quân phương và
trị số đỉnh được diễn tả bằng:
25


X RMS =

1
2

(2.8)

X peak

Với bất kỳ loại tín hiệu nào, dạng tổng quát của mối liên hệ này là
X RMS =

1
X peak
Fc

(2.9)

Trong đó Fc là hệ số đỉnh (crest factor) và là một chỉ số về dạng sóng của
dao động của dao động cần quan tâm. Như vậy, từ biểu thức (2.8) và (2.9) ta nhận
thấy hệ số đỉnh của một tín hiệu điều hoà là

2 ≈ 1,4142 . Trong Bảng 2.2 trình bày

vài dạng tín hiệu và hệ số đỉnh tương ứng.
Bảng 2.2 Dạng tín hiệu và hệ số đỉnh Fc

Hình 2.4. Các loại biên độ của tín hiệu ngẫu nhiên
26