Nghiên cứu chẩn đoán tình trạng ổ lăn bằng phương pháp phân tích rung động

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

VÕ TRỌNG THÁI

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG Ổ LĂN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG


Chuyên ngành: Chế tạo máy
Mã số ngành: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM, tháng 06 năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

VÕ TRỌNG THÁI

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG Ổ LĂN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG

Chun ngành:

Cơng nghệ chế tạo máy

Mã sớ:

60.52.04

ḶN VĂN THẠC SĨ

TP. HỜ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. BÙI TRỌNG HIẾU
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. PHAN HUY TUÂN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày . .07 . . tháng . .07 . . năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc
2. TS. Bùi Trọng Hiếu
3. TS. Lê Đình Tuân

4. TS. Trần Anh Sơn
5. TS. Phan Huy Tuân
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


HVTH: Võ Trọng Thái

GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng

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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Võ Trọng Thái
MSHV:
12184783
Ngày, tháng, năm sinh:
17/02/1988
Nơi sinh:
TP.HCM

Chuyên ngành:
Công Nghệ Chế Tạo Máy
Mã số:
60.52.04
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu chẩn đốn tình trạng ổ lăn bằng phương pháp phân tích rung động
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tổng quan về kĩ thuật chẩn đốn tình trạng;
- Các phương pháp chẩn đoán hư hỏng ổ lăn bằng phân tích rung động;
- Thuật tốn xử lý tín hiệu;
- Mơ hình thí nghiệm và phân tích tín hiệu rung động của ổ lăn;
- Kết quả thí nghiệm và nhận xét;
- Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
07/07/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

08/05/2015

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
............................................ PGS.TS Phạm Huy Hoàng ............................................
................................................................... ...................................................................
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

|| Luận văn Thạc sĩ

Trang 3


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tơi muốn cảm ơn gia đình của mình. Cảm ơn ba, mẹ, vợ và những
người thân u đã ln bên cạnh chăm sóc, động viên để tơi có thêm nhiều động
lực hồn thành khóa học Thạc sĩ này.
Trong thời gian thực hiện luận văn tôi đã gặp rất nhiều khó khăn tưởng chừng
khơng thể giải quyết được. Nhưng dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy
PGS.TS Phạm Huy Hồng tơi đã giải quyết được các vấn đề và tích lũy cho mình
nhiều kiến thức quý báu. Tôi xin gửi đến Thầy lời cảm ơn chân thành nhất.
Xin cảm ơn KS Lê Quang Ngọc, Ths. Lương Quốc Việt là những người đã giúp
đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành mơ hình và các thí nghiệm trong luận
văn.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn các Thầy Cô đã tham gia giảng dạy chương trình đào
tạo thạc sĩ ngành Cơng nghệ chế tạo máy đã truyền đạt cho tơi những kiến thức bổ
ích trong những năm học qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2015

Học Viên

Võ Trọng Thái


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu chẩn đốn tình trạng vật quay” tập trung nghiên cứu

phương pháp chẩn đoán tình trạng của ổ lăn bằng kỹ thuật phân tích rung động trong
miền tần số (kĩ thuật xử lý tín hiệu FFT). Đề tài được trình bày trong 6 chương:
Chương I: Tổng quan về kĩ thuật chẩn đốn tình trạng.
Chương II: Tìm hiểu các phương pháp chẩn đốn hư hỏng ổ lăn bằng phân tích
rung động.
Chương III: Nghiên cứu thuật tốn xử lý tín hiệu.
Chương IV: Xây dựng mơ hình thí nghiệm và phân tích tín hiệu rung động của
ổ lăn;
Chương V: Kết quả thí nghiệm và nhận xét;
Chương VI: Kết luận và hướng phát triển đề tài


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG ........... 10
1.1

Tổng quan về chẩn đốn tình trạng ......................................................................... 10

1.2

Các dạng hư hỏng thường gặp của ổ lăn ................................................................. 12

1.3

Các nguyên nhân gây hư hỏng ổ lăn ....................................................................... 14

1.4

Cấu tạo ổ lăn ........................................................................................................... 17

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐỐN HƯ HỎNG Ổ LĂN BẰNG
PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG ........................................................................................... 20
2.1

Kĩ thuật phân tích rung động trong miền thời gian................................................. 20

2.2

Kĩ thuật phân tích rung động trong miền tần số ..................................................... 23

2.3

Kĩ thuật phân tích rung động trong miền thời gian – tần số ................................... 25

2.4

Lý thuyết chẩn đoán tần số hư hỏng đặc trưng của ổ lăn ....................................... 26

2.4.1 Các tần số hư hỏng đặc trưng của ổ lăn .................................................................. 26
2.4.2 Giả thiết khi xây dựng các phương trình tần số hư hỏng của ổ lăn ........................ 34
CHƯƠNG 3: THUẬT TỐN XỬ LÝ TÍN HIỆU RUNG ĐỘNG ĐỂ CHẨN ĐỐN
HƯ HỎNG Ổ LĂN........................................................................................................... 35
3.1

Lý thuyết về tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu ............................................................... 35

3.1.1 Khái niệm về tín hiệu .............................................................................................. 35
3.1.2 Khái niệm và phân loại hệ xử lý tín hiệu ................................................................ 35
3.2
Phương pháp phân tích rung động bằng kĩ thuật xử lý tín hiệu chuyển đổi Fourier
nhanh - FFT ........................................................................................................................ 36
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH TÍN HIỆU RUNG
ĐỘNG CỦA Ổ LĂN ........................................................................................................ 44
4.3

Sơ đồ nguyên lý hệ thống theo dõi và chẩn đốn tình trạng thiết bị ...................... 44

4.4

Mơ hình thí nghiệm đo, phân tích rung động và chẩn đốn tình trạng của ổ lăn ... 45

4.4.1 Mơ tả thí nghiệm ..................................................................................................... 46
4.4.2 Thiết bị đo, phân tích rung động ............................................................................. 51
HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

4.4.3 Cảm biến gia tốc áp điện......................................................................................... 52
4.4.4 Lập trình phân tích xử lý tín hiệu rung động bằng LabView ................................. 53
4.4.5 Quy tắc chung khi gắn cảm biến ............................................................................. 54

4.4.6 Tần số hư hỏng ổ lăn lý thuyết................................................................................ 54
4.5

Phương pháp thu nhận và xử lý tín hiệu rung động ............................................... 55

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT .......................................... 58
5.5.1 Thí nghiệm 1: ổ lăn hoạt động bình thường ........................................................... 58
5.5.2 Thí nghiệm 2: ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư hỏng 1mm ...................... 59
5.5.3 Thí nghiệm 3: ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư hỏng 2mm ...................... 64
5.5.4 Thí nghiệm 4: ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư hỏng 1mm ..................... 69
5.5.5 Thí nghiệm 5: ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư hỏng 2mm ..................... 74
5.5.6 Thí nghiệm 6: ổ lăn hư hỏng con lăn, kích thước hư hỏng 1mm ........................... 79
5.5.7 Thí nghiệm 7: ổ lăn hư hỏng con lăn, kích thước hư hỏng 2mm ........................... 79
5.5.8 Nhận xét .................................................................................................................. 80
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 84
6.1

Đánh giá .................................................................................................................. 84

6.1.1 Các nhiệm vụ hồn thành........................................................................................ 84
6.1.2 Khó khăn và hạn chế ............................................................................................... 84
6.2

Hướng phát triển ..................................................................................................... 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 86
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 89

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4-1: Tổ chức thí nghiệm ................................................................................ 47
Bảng 4-2: Thơng số hình học của ổ lăn 7205C NSK ............................................. 50
Bảng 4-3: Tần số hư hỏng ổ lăn theo tính tốn lý thuyết........................................ 54
Bảng 5-5: Tổng hợp kết quả phân tích rung động ổ lăn hoạt động bình thường tại
tần số BPFI .............................................................................................................. 58
Bảng 5-6: Tổng hợp kết quả phân tích rung động ổ lăn hoạt động bình thường tại
tần số BPFO ............................................................................................................ 59
Bảng 5-7: Tổng hợp kết quả phân tích rung động ổ lăn hoạt động bình thường tại
tần số BSF ............................................................................................................... 59
Bảng 5-8: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 30Hz .......................................................................................... 60
Bảng 5-9: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 35Hz .......................................................................................... 61
Bảng 5-10: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 40Hz .......................................................................................... 62
Bảng 5-11: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 45Hz .......................................................................................... 62
Bảng 5-12: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 50Hz .......................................................................................... 63
Bảng 5-13: Bảng tổng hợp kết quả giá trị trung bình của tần số BPFI, biên độ của
ổ lăn hư hỏng vòng trong 1mm ............................................................................... 63
Bảng 5-14: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư

hỏng 2mm, tốc độ 30Hz .......................................................................................... 65
Bảng 5-15: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 35Hz .......................................................................................... 66
Bảng 5-16: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 40Hz .......................................................................................... 66
Bảng 5-17: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 45Hz .......................................................................................... 67

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

Bảng 5-18: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng trong, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 50Hz .......................................................................................... 68
Bảng 5-19: Bảng tổng hợp kết quả giá trị trung bình của tần số BPFI, biên độ của
ổ lăn hư hỏng vịng trong 2mm ............................................................................... 68
Bảng 5-20: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 30Hz .......................................................................................... 70
Bảng 5-21: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 35Hz .......................................................................................... 71
Bảng 5-22: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 40Hz .......................................................................................... 71
Bảng 5-23: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 1mm, tốc độ 45Hz .......................................................................................... 72
Bảng 5-24: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư

hỏng 1mm, tốc độ 50Hz .......................................................................................... 73
Bảng 5-25: Bảng tổng hợp kết quả giá trị trung bình của tần số BPFO, biên độ của
ổ lăn hư hỏng vịng ngồi 1mm .............................................................................. 73
Bảng 5-26: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 30Hz .......................................................................................... 74
Bảng 5-27: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 35Hz .......................................................................................... 75
Bảng 5-28: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 40Hz .......................................................................................... 76
Bảng 5-29: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 45Hz .......................................................................................... 76
Bảng 5-30: Kết quả phân tích rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi, kích thước hư
hỏng 2mm, tốc độ 50Hz .......................................................................................... 77
Bảng 5-31: Bảng tổng hợp kết quả giá trị trung bình của tần số BPFO, biên độ của
ổ lăn hư hỏng vịng ngồi 2mm .............................................................................. 78

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HỒNG
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Các bước chính của bảo trì tình trạng ..................................................... 11
Hình 1.2: Tróc rổ vịng trong .................................................................................. 12
Hình 1.3: Tróc rổ vịng ngồi.................................................................................. 13
Hình 1.4: Tróc rổ con lăn ........................................................................................ 13

Hình 1.5: Khuyết tật phân bố : a) nhấp nhơ bề mặt vịng trong và vịng ngồi; b)
sai số chế tạo con lăn .............................................................................................. 14
Hình 1.6: Cấu tạo ổ lăn ........................................................................................... 18
Hình 1.7: Hình dạng con lăn ................................................................................... 19
Hình 2.1: Mặt cắt dọc ổ lăn..................................................................................... 27
Hình 2.2: mặt cắt ngang ổ lăn ................................................................................. 28
Hình 3.2: Sơ đồ thực hiện DFT 8 điểm .................................................................. 40
Hình 3.3: Sơ đồ FFT 8 điểm phân chia theo thời gian ........................................... 41
Hình 3.4: Sơ đồ giải thuật FFT 8 điểm phân chia theo tần số ................................ 41
Hình 3.5: Sơ đồ khối phương pháp phân tích rung động bằng kĩ thuật FFT .......... 43
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống giám sát tình trạng thiết bị ..................................... 44
Hình 4.2: Sơ đồ ngun lý mơ hình thí nghiệm phân tích rung động ổ lăn ........... 45
Hình 4.3: Mơ hình thí nghiệm thực tế .................................................................... 46
Hình 4.4: Cấu tạo ổ lăn 7205C NSK ...................................................................... 48
Hình 4.5: Hư hỏng vịng ngồi ............................................................................... 49
Hình 4.6: Hư hỏng vịng trong ................................................................................ 49
Hình 4.7: Hư hỏng con lăn ...................................................................................... 50
Hình 4.8: NI cDAQ-9184 Chassis: (1) Nối đất, (2) Mô đun seri C, (3) Khe cắm
mô đun, (4) Khe cắm mạng, (5) Khe cắm nguồn 9 VDC tới 30 VDC, (6) Nút
Reset, and (7) Đèn trạng thái .................................................................................. 51
Hình 4.9: Mơ đun NI 9234...................................................................................... 52
Hình 4.10: Bốn kênh đầu vào của NI 9234............................................................. 52
Hình 4.11: Cấu tạo cảm biến gia tốc áp điện .......................................................... 53

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HỒNG

Hình 4.12: Sơ đồ khối thu nhận tín hiệu rung động ............................................... 55
Hình 4.13: Giao diện mơ đun phân tích tín hiệu lập trình bằng ngơn ngữ Labview56
Hình 4.14: Sơ đồ khối mơ đun xử lý tín hiệu ......................................................... 57
Hình 5.3: Phổ tần số rung động của ổ lăn hoạt động bình thường ......................... 58
Hình 5.4: Phổ tần số rung động của ổ lăn hư hỏng vòng trong 1mm, tốc độ trục
quay 30Hz ............................................................................................................... 60
Hình 5.5: Phổ tần số rung động của ổ lăn hư hỏng vòng trong 0.5mm, tốc độ trục
quay 30Hz ............................................................................................................... 65
Hình 5.6: So sánh tần số hư hỏng vịng trong BPFI theo lý thuyết và thực nghiệm69
Hình 5.7: Phổ tần số rung động của ổ lăn hư hỏng vòng ngồi 1mm, tốc độ trục
quay 30Hz ............................................................................................................... 70
Hình 5.8: Phổ tần số rung động của ổ lăn hư hỏng vòng ngồi 2mm, tốc độ trục
quay 30Hz ............................................................................................................... 74
Hình 5.9: So sánh tần số hư hỏng vòng trong BPFO theo lý thuyết và thực nghiệm78
Hình 5.10: Phổ tần số rung động của ổ lăn hư hỏng con lăn 1mm ......................... 79
Hình 5.11: Phổ rung động của ổ lăn hư hỏng con lăn 2mm ................................... 80
Hình 5.12: So sánh biên độ rung động của ổ lăn hoạt động bình thường và ổ lăn
hư hỏng 1mm .......................................................................................................... 81
Hình 5.13: So sánh biên độ rung động của ổ lăn hoạt động bình thường và ổ lăn
hư hỏng 2mm .......................................................................................................... 81
Hình 5.14: So sánh biên độ rung động ổ lăn hư hỏng vòng trong .......................... 81
Hình 5.15: So sánh biên độ rung động ổ lăn hư hỏng vịng ngồi ......................... 82

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 6

LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG
MỞ ĐẦU

I.

Lý do chọn đề tài
Hiện nay, chi phí bảo trì là một trong những chi phí chính để duy trì hoạt động
của các nhà máy sản xuất. Chi phí đó bao gồm chi phí cho vật tư dự phịng và chi
phí nhân công. Việc để xảy ra hư hỏng nghiêm trọng cần phải dừng máy một cách
đột ngột để thay thế, sửa chữa có thể gây ra thiệt hại lớn cho doanh nghiệp. Áp
dụng các quy trình về bảo trì phịng ngừa có thể làm giảm nhiều chi phí do các
ngun nhân trên, đồng thời giúp chun mơn hóa cơng tác quản lý bảo trì, góp
phần tăng năng suất và chất lượng cho sản phẩm. Bảo trì phịng ngừa dựa trên cơ
sở đo đạc liên tục các thông số hoạt động của các chi tiết máy như nhiệt độ, điện
năng tiêu thụ, rung động, tiếng ồn và lực phát sinh trong quá trình vận hành máy
móc.
Ổ lăn là một trong những chi tiết quan trọng thường được sử dụng trong các
ngành công nghiệp như cơng nghiệp năng lượng, cơng nghiệp hóa chất và công
nghiệp tự động với các yêu cầu về độ chính xác và vận hành hiệu quả. Ổ lăn
thường được dùng trong các thiết bị từ máy cán giấy cho đến động cơ của phi
thuyền. Ổ lăn bao gồm tất cả các loại ổ truyền chuyển động quay của một trục so
với một bộ phận khác cố định của máy. Tuy nhiên trong một vài trường hợp đặc
biệt ổ lăn cũng được dùng để truyền chuyên động tịnh tiến hoặc chuyển động vừa
tịnh tiến vừa quay giữa hai chi tiết với nhau. Do đó, việc đảm bảo cho ổ lăn hoạt
động hiệu quả, độ tin cậy cao và dễ dàng bảo trì thay thế sẽ giúp tiết kiệm một
phần lớn chi phí cho các nhà máy.
Đối với các dây chuyền sản xuất hàng loạt lớn, đa số các thiết bị được tự động

hóa hồn tồn, mơi trường làm việc cũng rất khắc nghiệt nên rất khó để đo đạc và
kiểm tra trực tiếp trong lúc máy móc đang vận hành. Vì vậy việc trang bị hệ thống
bảo trì phịng ngừa sẽ giảm thiểu các nguy cơ hư hỏng đột ngột của máy móc,
giúp đảm bảo năng suất của dây chuyền sản xuất.

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

Hệ thống giám sát tình trạng cịn đảm bảo cho ổ lăn vận hành êm ái, đảm bảo máy
móc hoạt động đúng chức năng. Để tránh dừng máy đột ngột, vấn đề quan trọng
là phải giám sát được tình trạng của các ổ lăn. Một số phương pháp giám sát tình
trạng hiện nay được dùng phổ biến bao gồm phương pháp đo rung động và đo
siêu âm bằng các kĩ thuật phân tích phổ, giám sát hệ số Kutosis, cộng hưởng cao
tần, xung nhịp, áp suất âm và cường độ âm, kĩ thuật phân tích phổ dầu. Đo rung
động và tiếng ồn là các phương pháp hiệu quả để chẩn đoán hư hỏng của ổ lăn.
Phương pháp nghiên cứu ở đây là chẩn đoán hư hỏng ổ lăn bằng cách đo rung
động, so sánh đáp ứng của các ổ lăn hoạt động bình thường và các ổ lăn có hư
hỏng.
II.

Mục đích
Nghiên cứu phương pháp chẩn đốn tình trạng của ổ lăn bằng kĩ thuật phân tích
rung động trong miền tần số. Xác định vị trí và mức độ hư hỏng cũng như đưa ra
quyết định hành động bảo trì cho máy móc.

Nghiên cứu sơ đồ thiết bị thí nghiệm thu nhận và xử lý tín hiệu rung động.
So sánh ưu nhược điểm của phương pháp phân tích rung động trong miền thời
gian và miền tần số.

III.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp chẩn đốn tình trạng của ổ lăn bằng
phương pháp phân tích rung động, xác định vị trí cũng như mức độ hư hỏng trong
ổ lăn. Từ đó đưa ra kế hoạch bảo trì sửa chữa một cách hợp lý.

IV.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết động học ổ lăn để xây dựng phương trình tần số đặc trưng
cho các dạng hư hỏng ổ lăn, cụ thể là tróc rổ vịng trong, vịng ngồi và con lăn.
Nghiên cứu lý thuyết chẩn đốn tình trạng ổ lăn, phương pháp phân tích tín hiệu
rung động bằng kĩ thuật xử lý tín hiệu trong miền tần số (chuyển đổi nhanh
Fourier - FFT).

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

Nghiên cứu xây dựng sơ đồ mơ hình thí nghiệm phân tích rung động từ hư hỏng

để chẩn đốn tình trạng ổ lăn.
V.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn tốt, đóng góp phương pháp chẩn đốn tình
trạng ổ lăn trong các bộ truyền máy móc, góp phần đảm bảo năng suất, chất lượng
và tiết kiệm chi phí bảo dưỡng cho nhà máy.

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT CHẨN ĐỐN TÌNH TRẠNG
1.1

Tổng quan về chẩn đốn tình trạng
Chẩn đốn tình trạng là một phương pháp hiệu quả của bảo trì phịng ngừa trong
đó các thơng số của các bộ phận thiết bị máy móc được đo đạc và phân tích. Kỹ
thuật giám sát tình trạng có thể được thực hiện bằng cách thủ cơng hoặc tự động
hóa bởi các thiết bị như máy phân tích rung động, thiết bị giám sát phổ nhiệt độ.
Đối với giám sát tình trạng tự động, khi các thơng số giới hạn của bộ phận bị vượt
quá, một tín hiệu sẽ được xuất ra. Tín hiệu này sẽ được gửi trực tiếp đến hệ thống
quản lý bảo trì bằng máy tính để điều khiển một trình tự cơng việc một cách tự
động. Hệ thống này rất phù hợp với các nhà máy sản xuất liên tục, nơi mà việc
dừng máy đột ngột có thể dẫn đến tổn thất lớn. Giám sát tình trạng máy móc có

thể được áp dụng cho nhiều tình trạng khác nhau. Trong đó giám sát nhiệt độ,
phân tích rung động, dịng và áp vượt và phân tích dầu là các phương pháp được
sử dụng phổ biến.
Phân tích rung động là phương pháp phổ biến nhất để giám sát tình trạng máy.
Tần số rung động có thể được thể hiện và lập thành biểu đồ khi có các tần số nào
đó xuất hiện. Các tình trạng này sẽ cho biết được về nguy cơ hư hỏng sẽ xảy ra
của hệ thống. So sánh phổ rung động của thiết bị mới với thiết bị đã được sử dụng
sẽ cung cấp thông tin khi nào sẽ cần thực hiện cơng tác bảo dưỡng. Giám sát tình
trạng bằng phương pháp đo bức xạ nhiệt giúp nhanh chóng phát hiện các hư hỏng
trong nhiều hoàn cảnh các nhau một cách an tồn. Các camera hồng ngoại hiện
đại có thể được dùng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ, một dấu hiệu cho thấy
nguy cơ xảy ra hư hỏng.
Bảo trì dựa trên tình trạng là một chương trình bảo trì nhằm đưa ra các hành động
căn cứ vào các thông tin thu thập trong suốt quá trình giám sát tình trạng. Bảo trì
tình trạng nhằm mục đích tránh các hoạt động bảo trì khơng cần thiết chỉ khi nào
phát hiện các dấu hiệu sắp xảy ra hư hỏng. Một chương trình bảo trì tình trạng nếu

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

được thiết lập và quản lý hiệu quả sẽ giúp giảm chi phí bảo trì rất nhiều bằng việc
cắt giảm các hoạt động bảo trì khơng cần thiết.
Một chương trình bảo trì phịng ngừa bao gồm 3 bước chính:
• Thu thập dữ liệu (Data Acquisition): thu thập các dữ liệu liên quan đến tình

trạng của hệ thống.
• Xử lý dữ liệu (Data Processing): lưu trữ và xử lý các tín hiệu thu thập được để
phân tích đánh giá tình trạng của hệ thống.
• Đưa ra quyết định bảo trì (Maintenance Decision-Making): đưa ra quyết định
để bảo trì hệ thống.

Hình 1.1: Các bước chính của bảo trì tình trạng
Các khía cạnh của một chương trình bảo trì tình trạng
Một chương trình bảo trì tình trạng gồm có 2 khía cạnh:
1. Chẩn đốn: nhằm phát hiện, cách ly và nhận dạng khi xảy ra hư hỏng. Phát
hiện hư hỏng là công việc xác định một yếu tố bất thường nào đó đang xảy
ra trong hệ thống được giám sát; cách ly hư hỏng là công việc xác định vị
trí của bộ phận hư hỏng; và nhận dạng hư hỏng là công việc xác định
nguồn gốc của hư hỏng khi nó được phát hiện.
2. Dự báo: nhằm xử lý nguy cơ hư hỏng trước khi nó xảy ra. Phát hiện hư
hỏng là công việc xác định khi nào hư hỏng xảy ra và đánh giá mức độ hư
hỏng sẽ xảy ra như thế nào. Chẩn đoán là bước phân tích sau và dự báo là
bước phân tích đầu.
Dự báo hư hỏng hiệu quả hơn so với chẩn đốn với ưu điểm là ngăn ngừa khơng
để xảy ra tình trạng dừng máy đột ngột. Tuy nhiên chẩn đoán hư hỏng được sử
HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

dụng khi phát hiện hư hỏng của dự báo không hiệu quả và có hư hỏng xảy ra. Một

chương trình bảo trì phịng ngừa có thể dùng chẩn đốn, dự báo hoặc cả hai khía
cạnh.
1.2

Các dạng hư hỏng thường gặp của ổ lăn
Hư hỏng ổ lăn có thể phân thành hai loại:
a) Các khuyết tật cục bộ;
b) Các khuyết tật phân bố.
Các khuyết tật cục bộ: bao gồm các vết nứt, rổ và lõm trên bề mặt ổ lăn. Dạng
hư hỏng của ổ lăn là các vết tróc rổ trên bề mặt các vòng lăn hoặc trên con lăn. Hư
hỏng này phát sinh từ một vết nứt do mỏi xuất hiện bên dưới bề mặt kim loại và
lan truyền đến bề mặt đến khi một mảnh kim loại bị tróc khỏi bề mặt, tạo một vết
tróc rổ. Hư hỏng do mỏi thường gặp khi ổ lăn chịu va đập nhiều hoặc bị quá tải.
Các vết nứt và tróc rổ thường xảy ra do tải trọng va đập vượt quá giới hạn. Khi
chỗ tróc rỗ trên bề mặt con lăn tiếp xúc với các vòng lăn sẽ sinh ra một ứng suất
tiếp xúc đột ngột và tạo thành một xung va đập trong một thời gian rất ngắn.
Xung này sinh ra rung động và tiếng ồn và có thể được giám sát để phát hiện hư
hỏng bên trong ổ lăn. Các hư hỏng cuc bộ được thể hiện trong hình 1.2, hình 1.3
và hình 1.4.

Hình 1.2: Tróc rổ vịng trong

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HỒNG

Hình 1.3: Tróc rổ vịng ngồi

Hình 1.4: Tróc rổ con lăn
Các khuyết tật phân bố: bao gồm các gợn sóng, nhấp nhơ bề mặt, các vịng lăn
khơng đồng trục và các con lăn khơng đồng đều. Nếu gợn sóng bề mặt ổ lăn có
bước sóng nhỏ hơn bề rộng tiếp xúc của tiếp xúc giữa vịng lăn và con lăn thì đó
là độ nhám, ngược lại gọi là nhấp nhơ (Hình 1.5). Khuyết tật phân bố là do lỗi của
quá trình sản xuất, lắp đặt hoặc do mài mòn. Sự thay đổi lực tiếp xúc giữa con lăn
và vòng lăn do các khuyết tật phân bố này gây ra các rung động có cường độ tăng
dần. Một số khuyết tật phân bố được thể hiện trong hình

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG
Sai số
chế tạo
con lăn

Hình 1.5: Khuyết tật phân bố : a) nhấp nhơ bề mặt vịng trong và vịng
ngồi; b) sai số chế tạo con lăn
1.3

Các nguyên nhân gây hư hỏng ổ lăn
Tuổi thọ của ổ lăn hoạt động dưới điệu kiện chịu tải trọng được xác định bằng

đánh giá mỏi vật liệu và mài mịn bề mặt vịng lăn. Có nhiều ngun nhân gây ra
hư hỏng ban đầu của ổ lăn, nguyên nhân thường gặp nhất là do mỏi, mòn cơ học,
biến dạng dẻo, ăn mịn hóa học, biến dạng Brinell, thiếu bôi trơn, sai số lắp đặt và
sai số thiết kế. Các dạng hư hỏng được trình bày chi tiết ở bên dưới:
a) Mỏi
Một ổ lăn chịu tải trọng thay đổi liên tục có thể gây ra hiện tưởng mỏi vật liệu sau
một khoảng thời gian hoạt động. Hiện tượng mỏi bắt đầu hình thành từ các vết nứt
nhỏ ở bên dưới bề mặt kim loại ổ lăn. Khi tiếp tục chịu tải, các vết nứt phát triển
tới bề mặt kim loại và làm cho vật liệu tại đó tróc ra tạo thành khuyết tật rỗ trên
bề mặt ổ lăn. Nếu ổ lăn tiếp tục được sử dụng, hư hỏng sẽ lan rộng ra do tập trung
ứng suất. Khuyết tật trên bề mặt ổ lăn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự vận
hành của máy, tạo thành các va đập tức thời lặp đi lặp lại tại các tần số hư hỏng
đặc trưng của ổ lăn. Khi khuyết tật phát triển lan truyền, các va đập lặp lại sẽ giảm
bớt khi chuyển động của con lăn trở nên bất thường và không thể phân biệt được
các va đập một cách riêng lẻ. Nếu ổ lăn tiếp tục được sử dụng, hư hỏng có thể lan

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

truyền sang các vòng lăn hoặc con lăn và từ từ dẫn tới làm tăng ma sát và nhiệt
khi kích thước chỗ khuyết tật tăng lên.
b) Mòn cơ học
Mòn cơ học là một hư hỏng phổ biến khác trong ổ lăn. Nguyên nhân gây mòn chủ
yếu do bụi bẩn hoặc các vật thể lạ bên ngồi lọt vào ổ lăn do khơng che kín ổ lăn

hoặc do chất bơi trơn chứa tạp chất. Các hạt bụi khi lọt vào trong ổ lăn sẽ làm bề
mặt ổ lăn bị mài mòn sinh ra các vết trầy mờ trên bề mặt ổ. Những ổ lăn bị mòn
nhiều sẽ dẫn tới làm thay đổi biên dạng của vịng lăn làm thay đổi biên dạng và
đường kính của con lăn, tăng khe hở trong ổ lăn. Ma sát tăng lên đáng kể và dẫn
tới hiện tượng trượt, kết quả cuối cùng là dẫn tới hư hỏng hoàn toàn phải dừng
máy.
c) Biến dạng dẻo
Biến dạng dẻo của bề mặt tiếp xúc của ổ lăn sinh ra khi ổ chịu tải trọng tĩnh vượt
quá giới hạn cho phép. Khi đó trên bề mặt vịng lăn sẽ xuất hiện vết lõm do biến
dạng dẻo. Trong quá trình hoạt động, chỗ biến dạng làm cho ổ lăn quay không
đều và sinh ra rung động rất lớn.
d) Ăn mịn hóa học
Hư hỏng do ăn mịn hóa học xảy ra khi nước, axit hoặc các chất bẩn lọt vào trong
dầu bôi trơn đi vào trong ổ lăn. Hiện tượng này thường xảy ra khi ổ lăn bị hư
hỏng mặt bích, chất bơi trơn có lẫn axit hoặc sự đóng bẩn xảy ra khi ổ lăn bị đột
ngột làm lạnh khi đang hoạt động trong mơi trường có nhiệt độ cao, độ ẩm khơng
khí lớn. Khi hiện tượng ăn mịn hóa học sinh ra, các gỉ sắt hình thành sẽ bám trên
bề mặt của vịng lăn làm cho ổ lăn hoạt động khơng đều và gây ra rung động. Các
phần tử gỉ sét này cũng gây ra hiện tượng mòn cơ học. Các vết rổ bề mặt cũng
sinh ra trên bề mặt vòng lăn, dần dần tạo thành vết lõm và tróc rổ lớn.
e) Biến dạng Brinell

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

Biến dạng Brinell là hiện tượng các vết lõm phân bố đều trên tồn chu vi của
vịng lăn, tương đương với diện tích tiếp xúc Hertzian. Ba nguyên nhân chủ yếu
gây biến dạng Brinell: (1) tải trọng tĩnh quá hạn gây ra biến dạng dẻo của các
vòng lăn, (2) Khi ổ lăn ở trạng thái tĩnh chịu tải trọng va đập đột ngột, (3) Khi ổ
lăn tạo thành một mạch dẫn điện. Trong tất cả các trường hợp, kết quả đều dẫn tới
biến dạng lõm trên vòng lăn. Trong một số trường hợp khác, nhiều biến dạng lõm
sinh ra khi ổ lăn bị xoay nhẹ. Khi hoạt động ổ lăn sinh ra tiếng ồn và rung động
bất thường do sự xuất hiện của các vết lõm với tác động của mỗi vết lõm giống
như một vị trí mỏi nhỏ gây ra các xung va đập nhọn mỗi khi nó tiếp xúc với con
lăn. Khi ổ lăn tiếp tục hoạt động các vết lõm này sẽ phát triển thành các vết tróc
rỗ.
f) Thiếu bơi trơn
Thiếu bôi trơn là nguyên nhân phổ biến gây ra các hư hỏng ban đầu trong ổ lăn
như trượt con lăn, tăng ma sát, sinh nhiệt và kẹt con lăn. Tại vùng tiếp xúc
Hertzian có ứng suất lớn và thiếu bôi trơn, các bề mặt tiếp xúc xảy ra hiện tượng
hàn dính với nhau và bị tróc ra khi con lăn di chuyển đến. Ba vị trí thiếu bơi trơn
trong ổ lăn thường là điểm tiếp xúc giữa con lăn và vòng cách, giữa con lăn và
vòng lăn và giữa vịng cách với vịng lăn. Thiếu bơi trơn hoặc lựa chọn chất bơi
trơn khơng phù hợp có thể dẫn đến các hậu quả như làm tăng nhiệt độ trong ổ lăn
làm cho các con lăn bị giảm độ cứng, giảm tuổi thọ ổ lăn và làm giảm chất lượng
chất bôi trơn. Sự mài mòn quá mức các bộ phận ổ lăn sẽ dẫn tới những hư hỏng
nghiêm trọng hơn.
g) Lỗi lắp đặt
Lỗi lắp đặt thường gây ra các hậu quả như tạo ra tải trọng đặt trước quá lớn theo
hướng dọc trục hoặc hướng kính, lệch trục, khe hở lớn hoặc hư hỏng khi dùng lực
tác động mạnh khi lắp đặt ổ lăn. Tải trọng đặt trước hướng kính gây ra tiếng ồn
khi vận hành và thường gây ra sự chênh lệch nhiệt giữa vịng trong và vịng ngồi
của ổ lăn. Sự tăng chênh lệch nhiệt độ này làm tăng tải trọng đặt trước không
HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

mong muốn, gây ra áp suất tiếp xúc lớn dẫn tới hiện tượng mỏi sớm, làm con lăn
bị mài mòn nặng và quá nhiệt. Tải trọng đặt trước dạng ô van xảy ra khi trục hoặc
lổ của gối đỡ khơng trịn dẫn tới biến dạng vịng trong hoặc vịng ngồi, sinh ra
các tải trọng đặt trước hướng kính. Một tải trọng đặt trước có thể được sinh ra bởi
sự khơng đồng trục giữa vịng trong và vịng ngồi, làm cho các con lăn chịu tải
trọng đặt trước, tạo thành một vết mài mòn đồng đều suốt cả chu vi của vòng lăn.
Đối với vịng lăn đứng n, vết mịn sẽ có bề rộng khơng đồng đều suốt cả vịng
lăn. Tải trọng đặt trước dọc trục quá lớn sinh ra do lực xiết dọc trục lớn khi lắp ổ
lăn. Hiện tượng mỏi sớm, mòn con lăn và quá nhiệt là các kết quả từ nguyên nhân
trên. Nếu ổ lăn lắp đặt không đúng phương pháp sẽ dẫn tới lõm hoặc vết xước trên
vòng lăn hoặc con lăn. Thậm chí khi vết hư hỏng nhỏ, nó cũng có thể phát triển
thành một vết rổ ban đầu.
h) Lỗi thiết kế
Lỗi trong quá trình thiết kế bao gồm lựa chọn khơng đúng kích thước, loại ổ cho
mục đích sử dụng, thiếu các chi tiết lắp ghép kẹp chặt. Lựa chọn sai ổ lăn gây ra
một số vấn đề tùy thuộc vào tải trọng và vận tốc quay. Kết quả cuối cùng là làm
giảm tuổi thọ và gây ra hư hỏng ban đầu. Thiếu các chi tiết lắp ghép dẫn tới khe
hở lớn giữa các chi tiết lắp ghép và gây ra sự chuyển động tương đối giữa các chi
tiết với nhau như hiện tượng trượt giữa vòng trong và trục quay. Sự ăn mòn ma
sát xảy ra khi hiện tượng trượt nhẹ và liên tục, sinh ra các phần tử bụi kim loại
gây mài mòn. Khe hở lớn sẽ dẫn tới sự tăng ma sát và nhiệt độ bên trong ổ.
1.4

Cấu tạo ổ lăn
Tất cả các loại ổ lăn đều có cấu tạo chung gồm 4 bộ phận cơ bản: vịng trong,
vịng ngồi, con lăn (dạng bi hoặc dạng trụ) và vịng cách (Hình 1.6). Một số loại
ổ lăn đặc biệt cịn có thêm các bộ phận khác như phớt chặn, vành dẫn hướng.

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HỒNG

Hình 1.6: Cấu tạo ổ lăn
a) Vòng trong
Vòng trong là bộ phận được lắp với trục và thường là bộ phận quay. Bề mặt tiếp
xúc của vịng trong với con lăn thường có dạng hình cầu, hình trụ trịn hoặc hình
cơn tùy theo loại ổ lăn.
b) Vịng ngồi
Vịng ngồi được lắp với gối đỡ và thường là bộ phận đứng yên. Bề mặt tiếp xúc
của vịng ngồi với con lăn cũng có nhiều hình dạng tùy thuộc vào loại ổ lăn.
c) Con lăn
Tùy vào loại ổ lăn, con lăn có nhiều hình dạng khác nhau như dạng bi, dạng đũa
trụ, dạng đũa côn, dạng đũa hình tang trống đối xứng hoặc bất đối xứng hoặc
dạng đũa kim (Hình 1.7). Các con lăn được làm bằng thép carbon crơm hay cịn
gọi là thép ổ lăn.

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HỒNG

Hình 1.7: Hình dạng con lăn
d) Vòng cách
Vòng cách được dùng để ngăn các con lăn tiếp xúc với nhau. Vật liệu chế tạo
thường là thép cán nguội. Một số ổ bi chạy tốc độ cao sử dụng vật liệu vòng cách
là nhựa polyamide.

HVTH: VÕ TRỌNG THÁI

Trang 19