Thiết kế máy cân bằng động bánh đà của máy cưa cd dạng trục đứng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN HIỀN

VERTICAL BALANCING MACHINE DESIGN FOR FLYWHEEL
OF CD HORIZONTAL BANDSAW
THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH ĐÀ CỦA MÁY CƯA
CD DẠNG TRỤC ĐỨNG

Chuyên nghành: Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số: 13390441

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: ...................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..........................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ..........................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
…..tháng…..năm….
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. .............................................................................
2. .............................................................................
3. .............................................................................
4. .............................................................................
5. .............................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau

khi luận văn thạc sĩ được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ..................


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HIỀN ....................... MSHV: 13390441................
Ngày, tháng, năm sinh: 1985 .......................................... Nơi sinh: Cà Mau.................
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử ................................ Mã số: 60520114 .................
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH ĐÀ CỦA MÁY
CƯA CD DẠNG TRỤC ĐỨNG
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Khảo sát cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn cân bằng ..............................................
2. Khảo sát đối tượng cân bằng, đề xuất và lựa chọn phương án khả thi..............
3. Thiết kế máy cân bằng động..............................................................................
a. Phần lấy tín hiệu mất cân bằng...............................................................
b. Phần xử lý tự động lượng mất cân bằng (chỉ thiết kế phần cơ) .............
4. Thực nghiệm lấy tín hiệu cân bằng và xử lý .....................................................
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 ...............................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016.............................................
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN ..............................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Từ khi cịn là thí sinh thi vào trường Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG
Tp.HCM rồi suốt ba năm học tập tại tường cho đến khi hoàn thành luận văn tốt nghiệp,
em đã được Thầy PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến quan tâm, dạy dỗ và chỉ bảo tận tình khơng
chỉ là kiến thức chun mơn mà cịn là sự yêu nghề, tình yêu khoa học, cách giải quyết
vấn đề công việc và cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn Thầy.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến cá nhân anh Phạm Hồng Thơm – CEO,
anh Phạm Hồng Thắm - Kỹ sư của công ty TNHH MTV Cơ khí & Tự động hóa Tân
Phước Đơng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện về vật tư, kinh phí, tài liệu
và cả thời gian để em có thể hồn thành được đề tài luận văn đúng tiến độ.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy của Trường Đại học Bách Khoa –
ĐHQG Tp.HCM, đặc biệt quý thầy bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ khí đã truyền đạt
những kiến thức quý báo, kỹ năng nghề nghiệp cho em trong suốt quá trình học tập tại
trường.
Tơi xin gửi lời cảm ơn, lịng u mến đến các em sinh viên, học viên, nghiên cứu

sinh của Hitech-lab (Trung tâm nghiên cứu thiết bị và công nghệ cơ khí Bách Khoa) đã
giúp đỡ, hỗ trợ để tơi có thể hồn thành đề tài.
Tơi xin cảm ơn đến Ban QLBD - Nhà máy Đạm Cà Mau, cảm ơn đến gia đình,
bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q trình học tập cũng như
trong quá trình làm đề tài luận văn.
Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, mặc dầu đã nỗ lực hết mình
để hồn thành mọi nhiệm vụ đề ra trong luận văn nhưng sẽ không tránh khỏi các sai
sót. Kính mong q thầy cơ xem xét và chỉ bảo để em có thể hồn thiện đề tài.
Tp.HCM, tháng 12 năm 2016

NGUYỄN VĂN HIỀN


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn trình bày một phương pháp dùng để cân bằng động bánh đà cho máy
cưa CD sử dụng cảm biến tiệm cận. Máy được thiết kế, chế tạo đơn giản và đã được sử
dụng hiệu quả trên thực tế. Biến dạng của trục cân bằng dưới tác dụng của lực quán tính
sinh ra do sự mất cân bằng được đo và xử lý. Từ số liệu thu nhận được, độ lệch pha và
lượng mất cân bằng được xác định. Kết quả thực nghiệm tại nhà máy chứng tỏ hiệu quả
của giải pháp đề nghị.

ABSTRACT
This thesis presents a method for balancing flywheel of CD band saw machine
using inductive proximity sensor. A simple design, manufactured machine is used in
practice. The deflection of machine shaft is measured and processed to derive the phase
and magnitude of unbalancing mass. Experimental results at the company shows that
the proposed method can be used for balancing the flying wheel in practice.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực
và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ cơng trình khoa học nào.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện

NGUYỄN VĂN HIỀN


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG MÁY ...................................................1
1.1. TỔNG QUAN ..........................................................................................................1
1.2. NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT CÂN BẰNG RƠ TO. .............................................2
1.2.1. Vật liệu khơng đồng nhất ...................................................................................... 2
1.2.2. Dung sai chế tạo lắp ghép ...................................................................................... 2
1.2.3. Tác động của các yếu tố bên ngoài ........................................................................ 3
1.3. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA LĨNH VỰC CÂN BẰNG .................................................4
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG .....7
CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG ........................9
2.1. CÁC TRẠNG THÁI MẤT CÂN BẰNG CỦA RÔ TO ..........................................9
2.1.1. Mất cân bằng tĩnh .................................................................................................. 9
2.1.2. Mất cân bằng ngẫu lực (mất cân bằng động thuần túy) ...................................... 10
2.1.3. Mất cân bằng hỗn hợp (mất cân bằng động) ....................................................... 11
2.1.4. Ranh giới giữa mất cân bằng động và mất cân bằng tĩnh ................................... 12
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG RÔ TO. ...................................................... 13
2.2.1. Các phương pháp cân bằng tĩnh. ......................................................................... 13
2.2.2. Các phương pháp cân bằng động ........................................................................ 19
2.3. TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG ĐỘNG CỦA RÔ TO CỨNG ................................. 28
2.3.1. Sơ lược về tiêu chuẩn cân bằng động .................................................................. 28
2.3.2. Tiêu chuẩn ISO 1940-1: 2003(E) ........................................................................ 29

CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG CÂN BẰNG, ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN............................................................................................................... 39
3.1. KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG CÂN BẰNG .............................................................. 39


3.1.1. Giới thiệu máy cưa xẻ gỗ CD nằm ngang ........................................................... 39
3.1.2. Cấu tạo máy cưa xẻ gỗ CD nằm ngang ............................................................... 40
3.1.3. Bánh đà trong máy cưa CD ................................................................................. 40
3.1.4. Bánh đà của máy cưa CD tại công ty Tân Phước Đông ...................................... 41
3.2. CÁC BIỆN PHÁP CÂN BẰNG HIỆN NAY VỚI BÁNH ĐÀ ............................ 42
3.2.1. Biện pháp cân bằng tĩnh ...................................................................................... 42
3.2.2. Biện pháp cân bằng động .................................................................................... 43
3.3. ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ........................................................ 43
3.3.1. Các phương án thiết kế ........................................................................................ 43
3.3.2. Lựa chọn phương án ............................................................................................ 48
CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG ................................................ 49
4.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ........................................................................................... 49
4.2. KHỐI MÁY CÂN BẰNG VÀ TỰ ĐỘNG KHOAN............................................ 50
4.2.1. Thông số thiết kế của máy cân máy cân bằng động ............................................ 50
4.2.2. Tính tốn khối lượng và góc mất cân bằng ......................................................... 51
4.2.3. Khối tự động khoan ............................................................................................. 55
4.2.4. Thiết kế cơ khí hồn chỉnh của máy cân bằng động TPD1 ................................. 56
4.3. KHỐI THU THẬP TÍN HIỆU .............................................................................. 58
4.4. KHỐI XỬ LÝ VÀ HIỂN THỊ ............................................................................... 59
CHƯƠNG 5 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................ 61
5.1. MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG TRỤC ĐỨNG HỒN CHỈNH................................. 61
5.1.1. Mơ hình máy cân bằng động trên SOLIDWORKS............................................. 61
5.1.2. Máy cân bằng động được gia công hoàn chỉnh ................................................... 61
5.2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................... 63

5.2.1. Thông số bánh đà thực nghiệm ........................................................................... 63
5.2.2. Lượng mất cân bằng dư cho phép 𝑼𝒑𝒆𝒓 của bánh đà thực nghiệm ................... 63
5.2.3. Thực hiện cân bằng bánh đà ................................................................................ 65
CHƯƠNG 6 – KẾT LUẬN .......................................................................................... 70
6.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ........................................................................................ 70
6.2. HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................... 70
6.2.1. Hạn chế của đề tài................................................................................................ 70
6.2.2. Hướng phát triển của đề tài ................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 72
PHỤ LỤC 1 - THIẾT KẾ CƠ KHÍ .............................................................................. 73
PHỤ LỤC 2 – THIẾT KẾ ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ................................................................ 79
PHỤ LỤC 3 – TIÊU CHUẨN ISO 1940-1:2003(E) .................................................... 99
PHỤ LỤC 3 – GA ...................................................................................................... 133


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG MÁY
1.1. TỔNG QUAN
Trong quá trình vận hành, hầu hết các bộ phận quay trong máy luôn xuất hiện lực
quán tính thay đổi theo chu kỳ làm việc của máy và phụ thuộc vào vị trí cơ cấu. Lực
quán này sẽ gây áp lực trên các khớp phụ thuộc vào lực qn tính và thay đổi có chu kỳ.
Áp lực này được gọi là phản lực động phụ (phân biệt với áp lực không đổi do tải trọng
tĩnh gây nên). Vì biến thiên theo chu kỳ nên lực quán tính là nguyên nhân chủ yếu gây
ra hiện tượng rung động trên máy và móng máy, làm giảm độ chính xác của máy, gây
ra tiếng ồn, tiêu tốn năng lượng giảm tuổi thọ, gây mỏi, gây gãy các chi tiết máy. Đặc
biệt nếu có cộng hưởng thì hậu quả vơ cùng nghiêm trọng, có thể phá hủy chi tiết máy,

phá hủy thiết bị, gây thiệt hại về sản xuất và con người.
Do đó việc khử hồn tồn hoặc giảm thiểu lực qn tính sinh ra trong q trình
hoạt động của máy sẽ giảm thiểu hoặc loại trừ phản lực động phụ ở các khớp động và
các ổ đỡ, giảm mức độ rung động ở các bộ phận cơ cấu và máy. Điều này cũng đồng
nghĩa với việc tránh hư hỏng do mỏi trong kết cấu liên quan, giảm tiếng ồn, giảm rung
động, làm tăng tuổi thọ và chất lượng của máy khi vận hành. Để giải quyết vấn đề này
ta phải tìm ra biện pháp phân bố lại khối lượng trên các bộ phận chuyển động. Công
việc này gọi là cân bằng máy hay cân bằng động theo cách nói thông thông thường. Cân
bằng vật quay (rô to) là vấn đề cơ bản trong cân bằng máy. Quá trình cân bằng rơ to là
tìm và đặt vào hoặc lấy đi một khối lượng phù hợp để cân bằng lực quán tính và mơmen qn tính của các rơ to. Hay nói khác đi cân bằng rơ to là phân bố lại khối lượng
trên rô to.
Ngày nay việc cân bằng máy là cơng việc bắt buộc trong q trình chế tạo, bảo
dưỡng, sửa chữa máy, đặc biệt ở các máy, thiết bị đòi hỏi tốc độ làm việc, độ tin cậy cao
như động cơ đốt trong, bơm, quạt, máy nén, tuabin hơi, tuabin khí,....

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

1.2. NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT CÂN BẰNG RƠ TO.
1.2.1. Vật liệu khơng đồng nhất
Trong q trình đúc các chi tiết máy như trục, bánh công tác, pu-li, bánh đà.. đặc
biệt là các chi tiết bằng gang sẽ xuất hiện những lỗ hỏng, hay bọt khí. Các khuyết điểm
này khó có thể phát hiện bằng mắt thường. Tuy nhiên, nó là ngun nhân gây mất cân
bằng rơ to.
Rỗ to

Tâm hình học

Trọng tâm

Hình 1.1 - Rỗ trong quá trình đúc rơ to dẫn đến sự khơng đồng tâm giữa trọng tâm và
tâm hình học
1.2.2. Dung sai chế tạo lắp ghép
Một trong những nguyên nhân gây mất cân bằng là sự tích lũy dung sai cho phép
khi lắp ghép chi tiết.
Khe hở lắp ghép
Trục

Bách cơng tác

Hình 1.2 - Dung sai lắp ghép giữa bánh công tác và trục dẫn đến mất cân bằng

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

Chẳng hạn như khi lắp ghép bánh cơng tác (impeller) vào trục bơm (shaft) như
Hình 1.2: Đường kính lỗ bánh cơng tác thường lớn hơn đường kính ngồi của trục và
khi gắn then hay dùng vít khóa chặn sẽ dẫn đến làm lệch tâm bánh cơng tác về một bên
của trục quay, gây mất cân bằng.
1.2.3. Tác động của các yếu tố bên ngoài
Ngay cả khi một rô to đã được cân bằng tốt tại nơi sản xuất thì việc mất cân bằng
vẫn có thể xảy ra trong quá trình hoạt động, nguồn gốc là do:

1.2.3.1. Biến dạng nhiệt:
Trong quá trình vật hành máy, khi nhiệt độ thay đổi thì rơ to sẽ giãn nở. Sự sai lệch
về phân bố vật liệu, sai lệch về kích thước và sự gia tăng nhiệt độ không đều sẽ làm cho
vật quay giãn nở không đều. Đều này dẫn đến sự phân bố khối lượng của rô to không
đều gây mất cân bằng. Hiện tượng này phổ biết đối với các máy vận hành ở nhiệt độ
cao: tuabin hơi, tuabin khí, máy nén khí, bơm nước cấp nồi hơi (BWP)…
1.2.3.2. Sự ăn mịn, mài mịn.
Các rơ to trong q trình vận hành sẽ bị ăn mịn, mày mịn, bong tróc…do ma sát,
xâm thực, va đập…Điều này sẽ gây mất vật liệu trên rô to, làm mất cân bằng khi quay.

Hình 1.3 - Xâm thực, ăn mịn gây mất cân bằng trên bánh công tác.
1.2.3.1. Sự bám bẩn.
Các rô to có thể mất cân bằng do sự bán bẩn khơng đều trên bề mặt làm việc dẫn
đến khối lượng phân bố khơng đều như Hình 1.4

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

Hình 1.4 - Cách quạt bị bám bẩn gây mất cân bằng
Đôi khi sự bán bẩn trên bề mặt rô to tương đối đều và sự mất cân bằng chỉ xảy ra
khi các lớp bám bẩn này bị bong tróc.
Trên đây chỉ là một số nguyên nhân gây mất cân bằng điển hình, tuy vậy nó cũng
cho chúng ta thấy sự cần thiết phải thiết kế một máy cân bằng. Có một số phương pháp
cân bằng được ứng dụng khá phổ biến bao gồm cả cân bằng tại chỗ hay tại các trung
tâm cân bằng. Trên thực tế, người ta chia ra một số dạng cân bằng điển hình như sau:
-

Cân bằng một mặt phẳng:
•

Phương pháp véc-tơ

•

Phương pháp 4 lần chạy khơng đo pha,

•

Phương pháp thử dần

-

Cân bằng hai mặt phẳng (phương pháp hệ số ảnh hưởng)

-

Cân bằng hỗn hợp

1.3. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA LĨNH VỰC CÂN BẰNG
Một ứng dụng đầu tiên trong việc thêm khối lượng cân bằng đó là việc phân bố các
đối trọng trên các tàu thủy để tránh hiện tượng chòng chành tàu. Tuy nhiên lúc đó, con
người chưa ý thức đó chính là kỹ thuật cân bằng nhưng đó chính là nền tảng cho sự phát

Trang 4

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

triển của lĩnh vực cân bằng sau này. Các thông số được được dùng để điều khiển tốt việc
lưu thơng dưới nước khi đó gồm:
-

Tổng khối lượng tàu

-

Vị trí trọng tâm

-

Mơ-men qn tính

Sự kiện tiếp theo đó là nhu cầu về cân bằng các máy tạo ra các bánh xe nhằm đảm
bảo biên dạng tròn cho các bánh xe. Công việc này được thực hiện đầu tiên bởi các nhà
sản xuất xe ngựa ở Rome, Hy lạp, hay Ai cập. Máy cân bằng đầu tiên là máy cân bằng
tĩnh với chất lượng cân bằng phụ thuộc ma sát của ổ lăn trên máy cân bằng. Trước năm
1850, mới chỉ có cân bằng tĩnh. Các rơ to khi đó gồm bánh xe lửa, động cơ hơi nước,
bánh xe, bơm tốc độ thấp. Do tốc độ quay của các rơ to cịn thấp nên nhu cầu lúc bấy
giờ chỉ cần các rơ to có dạng trịn đều. Cùng với sự phát triển của tất cả các ngành công
nghiệp, tốc độ làm việc của máy ngày càng cao, và việc mất cân bằng gây ra hư hỏng
thiết bị ngày càng lớn nên đòi hỏi phải tạo ra các máy cân bằng có độ chính xác, độ tin
cậy cao. Năm 1870, máy cân bằng đầu tiên được ra đời bởi một người Canada, Henry
Martinson Hình 1.5

Hình 1.5 - Máy cân bằng động của Henry Martinson năm 1870

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

Máy này đưa ra hai khái niệm mới trong lĩnh vực cân bằng:
-

Quay rô to khi cân bằng (cân bằng động)

-

Đắp khối lượng vào cả hai đầu rô to dài (cân bằng hai mặt phẳng)

Với sự phát triển liên tục của sản xuất, ngày càng nhiều chi tiết máy đòi hỏi phải
được cân bằng và cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, vào những năm 1950
các thiết bị cân bằng hiện đại đã được ra đời và thương mại hóa (Hình 1.6). Ngày nay
máy cân bằng động đã phát triển đa dạng về chủng loại, tối ưu hóa về thiết kế và vượt
trội về chất lượng.

Hình 1.6 - Máy cân bằng động của SCHENCK năm 1963
Dựa vào nguyên lý đo ta phân chia máy cân bằng động thành hai loại chính: máy
cân bằng động gối đỡ cứng (hard-bearing balancing machine) và máy cân bằng động
gối đỡ mềm (soft-bearing balacing machine).Dựa vào phương của trục ta có hai loại
máy cân bằng động: máy cân bằng động trục đứng và máy cân bằng động trục ngang.
Ngồi ra nếu phân theo tính di động, ta có máy cân bằng động cố định và máy cân bằng

động di động.

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.7 - Máy cân bằng trục đứng

CHƯƠNG 1

Hình 1.8 - Máy cân bằng di động

Hình 1.9 - Máy cân bằng động có cơ cấu khoan lấy khối lượng
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ MÁY CÂN BẰNG
ĐỘNG
Trong những năm gần đây tình hình nghiên cứu trong nước về máy cân bằng
động đã đạt được nhiều thành tựu và đã thương mại hóa nhiều sản phẩm. Tiêu biểu phải
kể đến là các cơng trình của PGS.TS. Ngơ Kiều Nhi rồi đến một số cơng trình của TS.
Lê Đình Tuân.

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 1

Máy cân bằng động HnB100 là máy cân bằng động gối đỡ cứng đầu tiên được chế tạo
và sản xuất thành công ở Việt nam năm 2007 của TS. Lê Đình Tuân với giá thành giảm

40% so với giá nhập ngoại từ Đức (tính tại thời điểm năm 2007). Máy cân bằng động
HnB100 đã được chuyển giao cho cho một số đơn vị trong nước. Máy cân bằng động
HnB100 là một cơ bệ đàn hồi gồm bệ máy, hai ụ đỡ và rô to. Cơ hệ đàn hồi có tần số
giao động riêng xác định và cao hơn nhiều tần số quay làm việc của máy. Cụm chi tiết
liên quan được thiết kế rất cứng vững. Máy có cơ cấu nằm ngang nên ngồi việc thao
tác dễ dàng cũng đóng vai trị đáng kể trong việc tăng độ cứng vững. Khi chuyển động
rô to sẽ tạo nên hệ các lực qn tính ly tâm đóng vai trị lực kích động cơ hệ đàn hồi.
Dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm, cơ hệ sẽ dao động và nhờ vào cảm biến đo dao
động ta dễ dàng xác định được các đặc trưng dao động của hệ.

Hình 1.10 - Máy cân bằng động gối đỡ cứng HnB100

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TIÊU CHUẨN CÂN
BẰNG
2.1. CÁC TRẠNG THÁI MẤT CÂN BẰNG CỦA RÔ TO
2.1.1. Mất cân bằng tĩnh
Đây là trường hợp đơn giản nhất của sự mất cân bằng, được áp dụng khi xét trên rô
to dạng đĩa mỏng (đường kính lớn hơn 7-10 lần độ dày). Xét một rơ to gồm một đĩa trịn
khối lượng 𝑀, có trục đi qua trọng tâm đĩa và vng góc với mặt phẳng đĩa. Khi cho đĩa
quay quanh trục, các phần tử trên trục gây ra lực qn tính hồn tồn cân bằng nhau,
khơng có lực tác dụng ngoại lên trục ngoại trừ bản thân trọng lương đĩa, ta nói đĩa được
cân bằng tĩnh.

Hình 2.1 – Rơ to ở trạng thái cân bằng tĩnh
Ta đặt khối lượng 𝑚 cách trục quay khoảng 𝑟 (Hình 2.2). Khi đó rơ to ở trạng thái
mất cân bằng tĩnh, trọng tâm đĩa khơng cịn nằm trùng trục quay mà lệch một đoạn 𝑅.
𝑅=

𝑚
𝑟 ≠0
𝑀+𝑚

(2.1)

Khi rô to với vận tốc góc ω, lực qn tính ly tâm 𝑃𝑞𝑡 do 𝑚 sinh ra:
𝑃𝑞𝑡 = 𝑚𝑟𝜔2 = (𝑀 + 𝑚)𝑅𝜔2 ≠ 0

Trang 9

(2.2)


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

Lực quán tính ly tâm này có độ lớn khơng thay đổi (điều hồ), tác động lên các ổ
trục, gây nên sự rung động. Dạng mất cân bằng này có thể phát hiện mà khơng cần phải
cho rô to quay. Các dạng mất cân bằng tĩnh đặc trựng là các chi tiết như bánh đà, chi
tiết dạng đĩa….

𝑃𝑞𝑡

m
r

M

Hình 2.2 - Đĩa trịn ở trạng thái mất cân bằng tĩnh
2.1.2. Mất cân bằng ngẫu lực (mất cân bằng động thuần túy)
Với những rơ to có bề dày hướng dọc trục lớn so với bán kính, dù trọng tâm có nằm
trên trục quay thì rơ to vẫn có thể bị mất cân bằng. Trên rô to cân bằng tĩnh tuyệt đối, ta
đặt hai khối lượng 𝑚1 , 𝑚2 lên hai mặt phẳng khác nhau về hai phía trọng tâm, cách tâm
một khoảng 𝑟1 , 𝑟2 như Hình 2.3 thỏa:
𝑚1 𝑟1 = −𝑚2 𝑟2

(2.3)

Trọng tâm của rô to không thay đổi:
𝑟𝐺 =

𝑚1 𝑟1 + 𝑚2 𝑟2
=0
𝑚1 + 𝑚2 + 𝑀

(2.4)

Khi rô to với vận tốc ω sẽ sinh ra hai lực quán tính ly tâm:
1
𝑃𝑞𝑡
= 𝑚1 𝑟1 𝜔2

{ 2

𝑃𝑞𝑡 = 𝑚2 𝑟2 𝜔2

Trang 10

(2.5)


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

Hai lực này sẽ tạo thành ngẫu lực, ngẫu lực này gây nên phản lực động phụ trên
trục.
1
2
𝑀𝑞𝑡 = 𝑃𝑞𝑡
𝑎 + 𝑃𝑞𝑡
𝑎≠0

(2.6)

Vật chỉ cân bằng ở trạng thái tĩnh mà không cân bằng ở trạng thái động. Dạng mất
cân bằng này chỉ được phát hiện khi quay ta gọi là mất cân bằng ngẫu lực hay mất cân
bằng động thuần túy.
𝑷𝟐𝒒𝒕

𝑚2

𝑹𝟏

𝜔

𝑟1

𝑚1

𝑟2

𝐺

𝑹𝟐

𝑎

𝑷𝟏𝒒𝒕

Hình 2.3 - Rơ to mất cân bằng động thuần túy
2.1.3. Mất cân bằng hỗn hợp (mất cân bằng động)
Đây là trường hợp phổ biến trong thực tế, là trạng thái mất cân bằng tổng quát của
rô to, là sự kết hợp của hai dạng cơ bản là mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng ngẫu lực.
Khi đó, rơ to tồn tại cả lực qn tính và mơ-men do ngẫu lực sinh ra.
𝑃𝑞𝑡 ≠ 0; 𝑀𝑞𝑡 ≠ 0

(2.7)

Mất cân bằng hỗn hợp thường thấy ở các chi tiết có bề dày hướng dọc trục lớn rất
nhiều so với bán kính (tuabin, trục khuỷu, rơ to điện, trụ bánh răng…). Sự mất cân bằng
có thể trừ khử bằng cách đưa vào các khối lượng phụ hay còn gọi là đối trọng (đắp, hàn
thêm). Lực ly tâm do đối trọng này sinh ra sẽ cân bằng với lực ly tâm của các khối lượng

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

không cân bằng. Cách thứ hai là lấy bớt khối lượng mất cân bằng (khoan, mài) nhằm
trừ khử các lực ly tâm do các lượng mất cân bằng sinh ra.
2.1.4. Ranh giới giữa mất cân bằng động và mất cân bằng tĩnh
Khi rô to mất cân bằng động thì do tồn tại hai véctơ mơ-men nên không thể dùng
cân bằng tĩnh để khử. Chỉ khi ngẫu lực do cặp lực này sinh ra nhỏ, tức là chiều dày của
rô to nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính của nó, lúc đó vật có thể được xem là chỉ mất
cân bằng tĩnh. Vậy thì vấn đề đặt ra là vật mỏng bao nhiêu thì được xem là mất cân bằng
tĩnh. Thực tế cân bằng cho thấy rơ to dày nếu quay ở tốc độ thấp thì vẫn có thể dùng
phương pháp cân bằng tĩnh để cân bằng, ngược lại rô to mỏng nếu quay ở tốc độ cao thì
địi hỏi phải cân bằng động. Rõ ràng ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động chưa
rõ rệt và hiện nay mỗi nước có quy ước riêng để phân loại. Theo sổ tay "Mechanalysis,
IRD-1977" thì ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động được xác định theo Hình
2.4 bên dưới.

2

W/D

I

II

1

III

0

0.1

1
n x 1000

Hình 2.4 – Ranh giới giữa mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động
Trong đó:

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

•

W: bề dày rơ to

•

D: đường kính rơ to.

•

Miền I: rơ to buộc phải cân bằng động.

•

Miền II: rơ to có thể cân bằng tĩnh hoặc cân bằng động tuý vào độ chính
xác và yêu cầu làm việc.

•

Miền III: rơ to chỉ cần cân bằng tĩnh.

2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG RÔ TO.
2.2.1. Các phương pháp cân bằng tĩnh.
2.2.1.1. Nguyên tắc cân bằng
Cân bằng tĩnh được áp dụng cho các rơ to có kích thước chiều dọc trục tương đối
nhỏ so với kích thước đường kính sao cho có thể giả thiết khối lượng rơ to được phân
bố chỉ trên một mặt phẳng vng góc với trục quay. Các chi tiết như pu-li, bánh răng,
bánh công tác...được xem như là rơ to có chiều dày nhỏ.

𝐷

ℎ≪𝐷
ℎ

Hình 2.5 - Vật có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính
Rơ to có chiều dày nhỏ mất cân bằng do trọng tâm của chúng không trùng với trục
quay, khi làm việc sẽ sinh ra lực quán tính ly tâm tác dụng lên trục, làm rô to mất cân
bằng tĩnh. Việc cân bằng vật dạng này thực chất là phân bố lại khối lượng sao cho trọng
tâm của vật thể trùng với tâm quay để khử lực quán tính sinh ra khi làm việc.

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

Xét một rô to gồm các khối lượng 𝑚𝑖 (𝑖 = 1,2,3. . ) có trọng tâm nằm ở nút các
véctơ bán kính 𝑟𝑖 . Khi trục quay với vận tốc 𝜔, các khối lượng này sẽ gây ra những lực
quán tính ly tâm là :
𝑃𝑖 = 𝑚𝑖 𝑟𝑖 𝜔2

(2.8)

Trọng tâm của rô to:
𝑟𝐺 =

∑ 𝑚𝑖 𝑟𝑖
≠0
∑ 𝑚𝑖

(2.9)

𝑃2
𝑚2

𝑃1

𝑟2
𝑚1 𝑟1

𝑟
𝐴

B

𝑃𝑖
𝑟𝑖

𝑟𝑛

𝑚

𝑃

𝑚𝑖
𝑚𝑛

𝑃𝑛

Hình 2.6 – Véc-tơ lực qn tính trên rô to mất cân bằng dạng đĩa mỏng
Để cân bằng ta cần thêm một khối lượng 𝑚 tại bán kính 𝑟 sao cho lực qn tính ly
tâm do nó gây ra: 𝑃 = 𝑚 𝑟𝜔2 cân bằng với lực quán tính ly tâm do các khối lượng 𝑚𝑖
gây nên:
𝑃 + ∑ 𝑃𝑖 = 𝑚 𝑟𝜔2 + ∑ 𝑚𝑖 𝑟𝑖 𝜔2 = 0
(2.10)
⟺ 𝑚 𝑟 + ∑ 𝑚𝑖 𝑟 𝑖 = 0
Giải phương trình bằng đa giác lực ta xác định được vị trí và lượng mất cân bằng
thêm vào 𝑚 𝑟. Khi phương trình trên thoả, trọng tâm của các khối lượng 𝑚 𝑖 và khối
nặng 𝑚 thêm vào sẽ tiến về trùng với tâm quay:

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

𝑟𝐺 =

𝑚 𝑟 + ∑ 𝑚𝑖 𝑟𝑖
=0
𝑚 + ∑ 𝑚𝑖

(2.11)

Tổng ∑ 𝑚 𝑟 được gọi là lượng mất cân bằng của rô to và khối lượng 𝑚 thêm vào là
đối trọng. Ta có thể lấy thêm vào đối trọng m ở 𝐴 hoặc hoặc lấy đi một khối lượng 𝑚 ở
𝐵, xuyên tâm với 𝐴. Có thể dùng nhiều đối trọng 𝑚𝑖′ thay cho một đối trọng 𝑚 và đặt
tại các nút véctơ có bán kính ri′ sao cho:
𝑚 𝑟 = ∑ 𝑚𝑖′ 𝑟𝑖′

(2.12)

2.2.1.2. Phương pháp dị trực tiếp.
Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị đơn giản, rẻ tiền và dễ thực hiện, tuy
nhiên sẽ mất thời gian và thiếu chính xác do ln tồn tại ma sát lăn gối đỡ.
Gọi 𝑚 là khối lượng mất cân bằng của chi tiết, 𝑥 là khoảng cách từ khối lượng
này tới trục quay của chi tiết, và 𝑄 = 𝑚𝑔 là trọng lực của khối lượng mất cân bằng. Khi
đó mơ-men lớn nhất của trọng lực này đối với trục quay khi ổn định là:
𝑀 = 𝑄𝑥 = 𝑚𝑔𝑥

(2.13)

Các lực ma sát lăn của ổ đỡ sẽ tạo ra mơ-men cản.
𝑀𝑚𝑠 = 𝑓𝑃

(2.14)

Trong đó:
•

𝑓 – hệ số ma sát lăn.

•

𝑃 – trọng lượng chi tiết.

Đặt chi tiết mất cân bằng lên ổ đỡ của đồ gá và cho chi tiết lăn từ từ. Khi chi tiết
dừng lại, ta đánh dấu điểm thấp nhất trên đường thẳng đứng đi qua tâm trục. Tuy nhiên
dưới ảnh hưởng của lực ma sát lăn, khối lượng mất cân bằng có thể không nằm trong
mặt phẳng thẳng đứng mà nằm tại điểm 1 (Hình 2.7). Để xác định rõ vị trí tâm của khối

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG 2

lượng mất cân bằng ta quay chi tiết đi 90°, điểm 1 lúc này nằm trên mặt phẳng nằm

ngang.
5

𝑂
𝑟

2

1 4

3

Hình 2.7 - Đĩa quay bị mất cân bằng tĩnh
Buông chi tiết ra. Một lúc sau khi tiết dừng lại ta đánh dấu điểm 2, là điểm thấp
nhất trên đường kính thẳng đứng. Một lần nữa, ta quay chi tiết đi 90° theo hướng ngược
lại và tương tự ta đánh dấu điểm 3. Nếu các điểm 1, 2, 3 trùng nhau thì tâm khối lượng
mất cân bằng được tìm ra chính xác. Nếu các điểm đo khơng trùng nhau thì mặt phẳng
chứa tâm khối lượng mất cân bằng là mặt phẳng đối xứng của điểm 2 và điểm 3 (điểm
4). Đánh dấu điểm 5, là điểm đối diện qua tâm với điểm 4 và ta chọn khoảng cách từ
trục chi tiết đến vị trí đặt đối trọng là 𝑟, xác định được điểm O để gắn đối trọng.
Để xác định giá trị của đối trọng, ta quay chi tiết sao cho mặt phẳng qua điểm 4 và
5 nằm ngang. Sau đó ta gắn vào điểm 𝑂 một khối lượng thử 𝑃 sao cho chi tiết quay một
góc 10° ≤ 𝛼1 ≤ 15° theo hướng đã chọn như Hình 2.8.
Khi đó ta có:
𝑀1𝑚𝑠 = (𝑄𝑥 − 𝑃𝑟) 𝑐𝑜𝑠 𝛼1
Trong đó: 𝑀1𝑚𝑠 – Mơ-men ma sát quy dẫn tại cổ trục chi tiết và gối đỡ

Trang 16

(2.15)