Chẩn đoán hư hỏng của hộp số bánh răng bằng phân tích thời gian tần số các dao động cơ học

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

Nguyễn Trọng Du

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CỦA HỘP SỐ BÁNH RĂNG
BẰNG PHÂN TÍCH THỜI GIAN – TẦN SỐ CÁC DAO
ĐỘNG CƠ HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

Hà Nội – 2015


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

Nguyễn Trọng Du

CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CỦA HỘP SỐ BÁNH RĂNG
BẰNG PHÂN TÍCH THỜI GIAN – TẦN SỐ CÁC DAO
ĐỘNG CƠ HỌC
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN PHONG ĐIỀN

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Phong Điền
đã tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác
giả xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong Bộ mơn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ Khí đã có
nhiều ý kiến đóng góp cho luận án.
Tác giả cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới sự quan tâm của Viện Đào tạo sau đại học, và sự
ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá
trình làm luận án.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cám ơn đến gia đình đã động viên ủng hộ tác giả trong
suốt thời gian làm luận án.


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu
được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các
thơng tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Giáo viên hướng dẫn

PGS. TS. Nguyễn Phong Điền

Hà Nội, ngày......tháng……năm……
Tác giả luận án

Nguyễn Trọng Du

MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... I
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ ............................................................. IV
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 4
1.1 Giới thiệu chung về chẩn đoán kỹ thuật ............................................................. 4
1.2 Tổng quan về chẩn đoán dao động cho hộp số bánh răng ................................ 7
1.2.1 Vấn đề hư hỏng của hộp số bánh răng ......................................................... 7
1.2.2 Tín hiệu chẩn đoán và phương pháp đo ....................................................... 8
1.2.3 Các tiêu chuẩn về dao động ........................................................................ 10
1.2.4 Các phương pháp phân tích tín hiệu dao động ........................................... 11
1.3 Xác định vấn đề cần nghiên cứu ........................................................................ 14
Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 15
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG DAO ĐỘNG CỦA HỘP SỐ BÁNH
RĂNG ................................................................................................................................. 16
2.1 Các phương pháp xử lý tín hiệu cơ bản trong phân tích dao động ................ 16
2.1.1 Phân loại và cấu trúc tín hiệu dao động thường gặp ................................. 16
2.1.2 Các phương pháp xử lý tín hiệu cơ bản ...................................................... 19
2.2. Các dạng hỏng và đặc trưng dao động của trục ............................................. 32
2.2.1 Mất cân bằng .............................................................................................. 32
2.2.2 Không đồng trục ......................................................................................... 33
2.2.3 Cong trục .................................................................................................... 34
2.2.4 Một số nguyên nhân khác ........................................................................... 34
2.3 Các dạng hỏng và đặc trưng dao động bánh răng ........................................... 35
2.3.1 Thơng số hình học cơ bản bánh răng ........................................................ 35

2.3.2 Một số dạng hỏng chủ yếu của bánh răng .................................................. 36
2.3.3. Dao động do quá trình ăn khớp của bánh răng ......................................... 37
2.4 Các dạng hỏng và đặc trưng dao động ổ đỡ con lăn ........................................ 47
2.4.1 Giới thiệu chung về ổ đỡ con lăn ................................................................ 47
2.4.2 Các dạng hỏng chủ yếu của ổ đỡ con lăn ................................................... 47
2.4.3 Đặc điểm dao động ổ đỡ con lăn ................................................................ 48
2.4.4 Tần số đặc trưng hư hỏng ổ đỡ con lăn và phương pháp xác định ............ 50
2.5 Tổng kết các triệu chứng chẩn đoán cơ bản ..................................................... 54
Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 56
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH WAVELET VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN DAO
ĐỘNG ................................................................................................................................. 57


3.1 Giới thiệu chung về phép biến đổi Wavelet ...................................................... 57
3.1.1 Mở đầu ........................................................................................................ 57
3.1.2 Hàm Wavelet cơ sở ..................................................................................... 58
3.2 Phép biến đổi Wavelet liên tục........................................................................... 59
3.2.1 Cơ sở toán học ............................................................................................ 59
3.2.2 Độ phân giải thời gian – tần số .................................................................. 61
3.2.3 Tính tốn số và đánh giá định lượng phép biến đổi ................................... 63
3.2.4 Một số ví dụ áp dụng ................................................................................... 66
3.3 Phép Biến đổi Wavelet rời rạc ........................................................................... 69
3.3.1 Cơ sở toán học ............................................................................................ 69
3.3.2 Phân tích đa phân giải ................................................................................ 70
3.3.3 Thuật giải ................................................................................................... 71
3.3.4 Ví dụ áp dụng .............................................................................................. 72
3.4 Phép biến đổi Wavelet packet ............................................................................ 73
3.4.1 Cơ sở tốn học ............................................................................................ 73
3.4.2 Ví dụ áp dụng .............................................................................................. 74
3.5 Phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ .................................................................. 75

3.5.1 Cơ sở toán học ............................................................................................ 75
3.5.2 Ví dụ áp dụng .............................................................................................. 76
3.6 Phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ suy rộng .................................................. 78
3.6.1 Cơ sở toán học ............................................................................................ 78
3.6.2 Ví dụ áp dụng .............................................................................................. 79
3.7 Mạng Nơron Wavelet ......................................................................................... 80
3.7.1 Một số khái niệm chung .............................................................................. 80
3.7.2 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo ................................................................... 80
3.7.3 Kiến trúc của mạng Nơron.......................................................................... 82
3.7.4 Huấn luyện mạng nơron ............................................................................. 84
3.7.5 Mạng nơron Wavelet ................................................................................... 85
Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 86
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH HĨA TÍN HIỆU ĐỒNG BỘ CẢI TIẾN
............................................................................................................................................. 87
4.1 Trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian và phép nội suy ..................... 87
4.1.1 Trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian ............................................ 87
4.1.2 Phép nội suy ................................................................................................ 89
4.2 Kỹ thuật trung bình hóa tín hiệu đồng bộ cho hộp số bánh răng .................. 90
4.2.1 Lấy mẫu tín hiệu theo góc quay .................................................................. 90
4.2.2 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ khi có tín hiệu pha .................................. 91
4.2.3 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với nhiều trục khác nhau ........................ 94
4.2.4 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ khi khơng có tín hiệu pha ....................... 95
4.3 Chẩn đoán hư hỏng bánh răng trên cơ sở phân tích tín hiệu TSA ................ 98
4.3.1 Đánh giá định tính ...................................................................................... 99
4.3.2 Đánh giá định lượng ................................................................................. 101


4.4 Chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn trên cơ sở TSA .......................................... 103
Kết luận chương 4 ................................................................................................... 103
CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM......................................................... 104

5.1 Xây dựng chương trình xử lý tín hiệu số đa năng ......................................... 104
5.1.1 Kết cấu và giao diện chính của chương trình ........................................... 104
5.1.2 Nhập dữ liệu .............................................................................................. 105
5.1.3 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ............................................................... 106
5.1.4 Phân tích phổ ............................................................................................ 107
5.1.5 Phân tích tín hiệu trong miền thời gian-tần số ......................................... 108
5.2 Xây dựng mơ hình thí nghiệm ......................................................................... 111
5.2.1 Mơ tả thí nghiệm ....................................................................................... 111
5.2.2 Giới thiệu phần mềm đo dao động ............................................................ 113
5.3 Chẩn đoán hư hỏng trục .................................................................................. 114
5.4 Chẩn đoán hư hỏng bánh răng ........................................................................ 115
5.4.1 Hư hỏng trên hộp số một cấp .................................................................... 115
5.4.2 Hư hỏng bánh răng trên hộp số 2 cấp ...................................................... 121
5.5 Giám sát tình trạng hoạt động hộp số cơng nghiệp ....................................... 124
5.5.1 Đánh giá định tính hư hỏng ...................................................................... 125
5.5.2 Đánh giá định lượng hư hỏng ................................................................... 127
5.6 Chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn ..................................................................... 128
5.6.1 Chẩn đoán hư hỏng vịng ngồi ................................................................ 129
5.6.2 Chẩn đốn hư hỏng vịng trong ................................................................ 130
5.7 Chẩn đoán hư hỏng đồng thời bánh răng và ổ lăn ........................................ 131
5.8 Phân loại hư hỏng bằng mạng nơron Wavelet ............................................... 133
Kết luận chương 5 ................................................................................................... 136
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 137
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ...................................................... 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 140


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục ký hiệu biến

Xˆ  f 

Biến đổi Fourier suy rộng của tín hiệu x(t)

σ

Phương sai

2
x

xa (t )

Biến đổi Hilbert của tín hiệu x(t)

 * t 

Hàm phức liên hợp của   t 

SWx ( , f )

Hệ số Scalogram của tín hiệu x tại thời điểm  và tỉ lệ s

SFx ( , f )

Hệ số Spectrogram của tín hiệu x tại thời điểm  và tỉ lệ s

WTx ( , s)

x(t )

xdj  t 

Hệ số Wavelet của tín hiệu x tại thời điểm  và tỉ lệ s
Tần số trung tâm của hàm (f)
Tín hiệu giải tích của tín hiệu x(t)
Thành phần tín hiệu chi tiết tại mức tỉ lệ j của tín hiệu x(t)

xaj  t 

Thành phần tín hiệu xấp xỉ tại mức tỉ lệ j của tín hiệu x(t)



,s(t)

Góc tiếp xúc của con lăn
Tham số dịch chuyển
Hàm wavelet
Biến đổi Fourier của hàm wavelet cơ sở (t)
Pha dao động tín hiệu dao động theo thời gian
Hàm tỉ kép
Hàm wavelet cơ sở
Hàm Wavelet cơ sở
Hệ số Morlet
Độ phân giải tần số
Độ phân giải thời gian (t=T0)
Độ lệch chuẩn
Hệ số Kurtosis
Hệ số lệch
Biên độ dao động tín hiệu theo tần số

Nơ ron đầu ra thứ i
Hệ số xấp xỉ
Độ lệch
Hệ số Crest
Đường kính con lăn
Hệ số chi tiết
Đường kính vịng chia ổ đỡ con lăn
Hàm tần số theo thời gian
Tần số dao động riêng
Tần số đặc trưng hư hỏng vòng cách
Các điểm tần số rời rạc

(f)
(t)
(t)
(t)
(t)
0
f
t

x
x
x

A(f)
ai
aj,k
b
Cr

d
dj,k
Dp
f(t)
fe
fg
fk

I


fn
fr
fs
fvn
fvt
fz
g(t)
j
M
Mk
N
n
P(f)
pi
re
rg
ri
rr
s

T
t
tn
Tx(,)
V
W
W
wk,j
X(f)
x(n)
x(t)
z
Z

Tần số quay của trục
Tần số đặc trưng hư hỏng con lăn
Tần số lấy mẫu
Tần số đặc trưng hư hỏng vịng ngồi
Tần số đặc trưng hư hỏng vịng trong
Tần số ăn khớp
Hàm cửa sổ
Đơn vị ảo ( 1 )
Số khối
Mô men xoắn
Số điểm lấy mẫu
Số vịng quay
Phổ cơng suất tín hiệu
Đầu vào thứ i
Bán kính vịng ngồi
Bán kính vịng cách

Bán kính vịng trong
Bán kính con lăn
Tham số tỉ lệ
Chu kỳ tín hiệu
Thời gian
Các điểm thời gian rời rạc
Hệ số nét wavelet của tín hiệu x tại thời điểm  và tần số góc 
Khơng gian con kín
Khơng gian con wavelet
Ma trận trọng số liên kết
Trọng số liên kết của đầu vào thứ j và nơ ron đầu ra thứ k
Phổ tần số của tín hiệu x(t)
Tín hiệu số
Tín hiệu liên tục theo thời gian
Số con lăn trong ổ đỡ con lăn
Số răng trên bánh răng

Danh mục chữ viết tắt
ADC
AM
ANN
BP
CBM
CWT
DIN
DWT
FFT
FM
FSST
FT

GFT
GST
HT

Mạch chuyển đổi tương tự - số (Analog – Digital convert)
Điều biến biên độ (Amplitude Modulation)
Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Network)
Thuật tốn lan truyền ngược (Back propagation)
Chẩn đốn theo tình trạng (Condition-Based Maintenance)
Phép biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform)
Viện tiêu chuẩn Đức (Deutsche Institut fuer Normen)
Phép biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform)
Phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)
Điều biến tần số (Frequency Modulation)
Phép biến đổi nén trên cơ sở Fourier dạng cửa sổ
Phép biến đổi Fourier (Fourier Transform)
Phép biến đổi Fourier suy rộng (Generalized Fourier Transform)
Phép biến đổi nén đồng bộ suy rộng (Generalized Synchrosqueezing
Transform)
Phép biến đổi Hilbert (Hilbert Transform)
II


IF
iFT
ISO
MLP
PWM
TFR
TSA

VDI
WFT
WNN
WPT
WSST
WT
WVD

Tần số tức thời (Instantaneous Frequency)
Phép biến đổi Fourier ngược (Inverse Fourier Transform)
Tiêu chuẩn quốc tế (International Standards Organization)
Mạng truyền thẳng đa lớp (Multi – Layer Perceptron Networks)
Đồ thị hệ số Wavelet trong tọa độ cực (Polar Wavelet Map)
Độ phân giải thời gian – tần số (Time – Frequency Resolution)
Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ (Time Synchronous Averaging)
Hiệp hội kỹ sư Đức (Verein Deutscher Ingenieure)
Phép biến đổi Fourier dạng cửa sổ (Window Fourier Transform)
Mạng nơron Wavelet (Wavelet Neural Network)
Phép biến đổi Wavelet packet (Wavelet packet transforms)
Phép biến đổi nén đồng bộ Wavelet (CWT based Synchrosqueezing
Transform)
Phép biến đổi Wavelet (Wavelet Transform)
Phân bố Wigner – Ville (Wigner – Viller Distribution)

III


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

Trang

Bảng 1.1: Tần suất hư hỏng các chi tiết trong hộp số bánh răng [14] ................................... 7
Bảng 2.1: Giá trị tín hiệu đặc trưng ..................................................................................... 21
Bảng 2.2: Bảng tóm tắt các tần số đặc trưng hư hỏng của ổ đỡ con lăn.............................. 53
Bảng 2.3: Các triệu chứng chẩn đoán cơ bản ...................................................................... 55
Bảng 3.1. Một số hàm cửa số thông dụng [62].................................................................... 59
Bảng 3.2: So sánh độ phân giải thời gian – tần số ............................................................... 63
Bảng 4.1. Các thông số cơ bản để biểu diễn tín hiệu trong miền góc và miền bậc ............. 91
Bảng 5.1: Mô tả kết cấu của bộ chương trình tính ............................................................ 104
Bảng 5.2: Các thiết bị dùng trong thí nghiệm ................................................................... 111
Bảng 5.3: Thơng số kỹ thuật của hộp số ........................................................................... 112
Bảng 5.4: Danh mục các thí nghiệm ................................................................................. 112
Bảng 5.5. Thơng số hình học của ổ đỡ con lăn khảo sát ................................................... 128
Hình 1.1: Sự cố nghiêm trọng tại một tổ máy tuốc bin hơi tại Châu Âu năm 1984 .............. 4
Hình 1.2: Các bước của chẩn đốn kỹ thuật [66] .................................................................. 5
Hình 1.3: Giám sát bằng đường đặc tính của thơng số giám sát x(t) .................................... 5
Hình 1.4: Hư hỏng cục bộ (a) và hư hỏng phân bố (b)(nguồn [36]) ..................................... 8
Hình 1.5: Phổ tần số ứng với các đại lượng đo khác nhau của cùng một dao động cơ học .. 9
Hình 2.1: Phân loại tín hiệu dao động (nguồn [16]) ............................................................ 16
Hình 2.2: Tín hiệu tuần hồn hai chu kỳ ............................................................................. 17
Hình 2.3: Tín hiệu hầu tuần hồn [16]................................................................................. 17
Hình 2.4: Một số dạng tín hiệu chuyển tiếp [45] ................................................................. 17
Hình 2.5: Tín hiệu ngẫu nhiên: a) ngẫu nhiên dừng, b) ngẫu nhiên không dừng [45] ........ 18
Hình 2.6: Một tín hiệu đo có cấu trúc chồng chất: a) thành phần dao động riêng do va
chạm, b) thành phần dao động cưỡng bức do mất cân bằng, c) tín hiệu tổng hợp .............. 18
Hình 2.7: Một tín hiệu điều biến biên độ với các tần số f1 = 2 Hz, f2 =30 Hz, tín hiệu điều
biến x1(t) chính là đường bao của tín hiệu x(t) .................................................................... 19
Hình 2.8: Một tín hiệu điều biến tần số tăng tuyến tính ...................................................... 19
Hình 2.9: Thí dụ về lấy mẫu tín hiệu ................................................................................... 20
Hình 2.10: Tín hiệu thơ chưa trung bình hóa (a), và tín hiệu sau khi trung bình hóa (b) .... 22
Hình 2.11: Các bước xác định đường bao tín hiệu .............................................................. 22

Hình 2.12: Biểu diễn một tín hiệu tuần hồn trong miền thời gian và miền tần số ............. 23
Hình 2.13: Tín hiệu tuần hồn xp(t) được tạo ra từ tín hiệu khơng tuần hồn x(t) .............. 24
Hình 2.14: Sơ đồ mơ tả cơng thức FFT cơ bản ................................................................... 26
Hình 2.15: Ví dụ về phép biến đổi FFT ............................................................................... 26
Hình 2.16: Phổ biên độ - tần số của một tín hiệu điều biến biên độ với một tần số ............ 28
Hình 2.17: Phổ biên độ- tần số của một tín hiệu điều biến biên độ với nhiều thành phần tần
số.......................................................................................................................................... 28
Hình 2.18: Phổ biên độ - tần số của một tín hiệu điều biến tần số [36] .............................. 28
Hình 2.19: Phổ tần số của một tín hiệu dao động tắt dần với tần số f1................................ 29
Hình 2.20: Phổ biên độ - tần số của một tín hiệu chuyển tiếp dạng xung chữ nhật ............ 29
Hình 2.21: Phổ biên độ - tần số của một tín hiệu ngẫu nhiên dừng [45] ............................. 29
Hình 2.22: So sánh: a) phổ biên độ và b) phổ công suất của cùng một tín hiệu dao động .. 30
IV


Hình 2.23: Các bước thực hiện phân tích phổ đường bao trong một vùng tần số ............... 31
Hình 2.24: Đường bao tín hiệu và phổ đường bao của dao động tắt dần (nguồn [3]) ......... 31
Hình 2.25: Đồ thị dạng thác nước [18] ................................................................................ 31
Hình 2.26: Đồ thị quĩ đạo trục [74] ..................................................................................... 32
Hình 2.27: Phổ tần số của tín hiệu dao động đặc trưng cho hiện tượng mất cân bằng ....... 33
Hình 2.28: Hiện tượng khơng đồng trục: a) lệch hướng kính, b) lệch góc [18] .................. 33
Hình 2.29: Phổ tần số đặc trưng cho hiện tượng không đồng trục ..................................... 34
Hình 2.30: Phổ tần số của vận tốc dao động dọc trục đặc trưng cho hiện tượng cong trục 34
Hình 2.31: Thơng số hình học của bánh răng trụ răng thẳng .............................................. 35
Hình 2.32: Một số dạng hư hỏng phân bố của bánh răng (nguồn internet) ......................... 36
Hình 2.33: Một số dạng hư hỏng cục bộ của bánh răng (nguồn internet) ........................... 37
Hình 2.34: Sơ đồ một hộp số bánh răng trụ một cấp (nguồn [36])...................................... 38
Hình 2.35: Lực ăn khớp ....................................................................................................... 38
Hình 2.36: Mơ hình độ cứng ăn khớp.................................................................................. 39
Hình 2.37: Mơ hình phần tử hữu hạn tính tốn độ cứng ăn khớp (nguồn [70]) .................. 40

Hình 2.38: (a) hai cặp răng tham gia ăn khớp, (b) một cặp răng tham gia ăn khớp ............ 40
Hình 2.39: Dạng đồ thị của độ cứng ăn khớp theo thời gian. (a) bánh trụ răng thẳng, (b)
Bánh răng trụ răng nghiêng, tính tốn nhờ phần mềm [21] ................................................ 40
Hình 2.40: Mơ hình dao động ăn khớp có tính đến độ cứng ăn khớp và sai số truyền
động ..................................................................................................................................... 42
Hình 2.41: Các mơ hình dao động ăn khớp sử dụng trong [58, 70, 89] (trái) và [5, 54]
(phải).................................................................................................................................... 43
Hình 2.42: Phổ tần số của tín hiệu dao động tương ứng với các trạng thái mòn khác nhau
của hộp số: (a) mới, (b) mòn vừa phải, (c) khởi đầu mòn nghiêm trọng và (d) mịn nghiêm
trọng ..................................................................................................................................... 44
Hình 2.43: Mơ tả hiện tượng ăn khớp sớm dẫn đến va chạm ăn khớp (nguồn [36]) .......... 45
Hình 2.44: Hiện tượng mất tiếp xúc do khe hở ................................................................... 46
Hình 2.45: Mơ hình ăn khớp răng với độ cứng ăn khớp và khe hở [89] ............................. 46
Hình 2.46: Hiện tượng va chạm ăn khớp xuất hiện trên đồ thị sai số truyền động xác định
bằng thực nghiệm [96] ......................................................................................................... 46
Hình 2.47: Cấu tạo ổ đỡ con lăn (a) và các dạng con lăn (b) .............................................. 47
Hình 2.48: Thơng số hình học của ổ lăn .............................................................................. 47
Hình 2.49: Hiện tượng tróc tại vịng ngồi của ổ đỡ con lăn [23] ....................................... 48
Hình 2.50. Các vị trí đo dao động của ổ đỡ con lăn để thu thập tín hiệu chẩn đốn ........... 49
Hình 2.51: Các dạng tín hiệu đặc trưng đo được tại vị trí gần với ổ đỡ con lăn bằng gia tốc
kế [37] .................................................................................................................................. 49
Hình 2.52: Đặc điểm phổ qua các giai đoạn hoạt động của ổ đỡ con lăn [18] .................... 50
Hình 2.53: Sơ đồ động học của ổ đỡ con lăn [77] ............................................................... 51
Hình 2.54: Sơ đồ động học của ổ đỡ con lăn xét trong mặt phẳng tiếp xúc [77] ................ 52
Hình 2.55: Các bước thiết lập đồ thị Kurtogram ................................................................. 53
Hình 2.56: Cách chia vùng tần số (a) và minh họa đồ thị Kurtogram (b) ........................... 54
Hình 2.57: Phân chia vùng tần số hư hỏng của hộp số bánh răng [18] ............................... 54
Hình 2.58: Tín hiệu đo tại vỏ hộp số có ổ đỡ con lăn hư hỏng vịng ngồi [75] ................. 55
Hình 3.1: Sóng (a) và sóng nhỏ wavelet (b) [45] ................................................................ 57
Hình 3.2: Sơ đồ quá trình xử lý tín hiệu sử dụng biến đổi Wavelet .................................... 58

Hình 3.3: Một số dạng Wavelet cơ sở thông dụng [62] ...................................................... 58
Hình 3.4: Mơ phỏng phép biến đổi Wavelet liên tục [45] ................................................... 60
Hình 3.5: Hàm Morlet (phần thực) ...................................................................................... 61
Hình 3.6: Minh họa hàm cửa sổ trong phép biến đổi WFT (a) và CWT (b) ....................... 62
Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán để xác định các hệ số Wavelet ................................................. 64
V


Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn hệ số Wavelet trong mặt phẳng (a) và khơng gian (b) (nguồn
[36]) ..................................................................................................................................... 64
Hình 3.9: Ví dụ về đồ thị biểu diễn hệ số wavelet trong tọa độ cực (nguồn [36]) .............. 65
Hình 3.10: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu bằng phép biến đổi CWT và các lát cắt
song song ............................................................................................................................. 66
Hình 3.11: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu 3 thành phần tần số biến đổi dạng đa
thức ...................................................................................................................................... 67
Hình 3.12: Phân bố thời gian – tần số với các hệ số Morlet khác nhau .............................. 67
Hình 3.13: Tín hiệu tần số phi tuyến trong miền thời gian (a), trong miền tần số (b) và miền
thời gian – tần số (c) ............................................................................................................ 68
Hình 3.14: Mơ phỏng tín hiệu máy quay với ba chế độ tần số khác nhau .......................... 69
Hình 3.15: Mối quan hệ giữa các khơng gian con kín (a) và khơng gian con wavelet (b)
[45] ...................................................................................................................................... 70
Hình 3.16: Phân tích DWT bậc 4 ........................................................................................ 72
Hình 3.17:Tín hiệu miền thời gian và miền tần số sau khi phân tích DWT ........................ 73
Hình 3.18: Minh họa phép biến đổi WPT bậc 4 [45] .......................................................... 74
Hình 3.19: Tín hiệu được phân tích WPT bậc 2 .................................................................. 74
Hình 3.20: Sơ đồ thuật toán Wavelet nén đồng bộ WSST .................................................. 75
Hình 3.21: Phân tích tín hiệu bằng phép biến đổi WSST (b) và phép biến đổi CWT (a) ... 76
Hình 3.22: So sánh phân bố thời gian – tần số được xử lý bằng các phép biến đổi khác
nhau ..................................................................................................................................... 76
Hình 3.23: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu trong q trình máy tăng tốc ............... 77

Hình 3.24: Phân bố thời gian – tần số của tín hiệu khi máy vận hành có tần số thay đổi ... 77
Hình 3.25: Sơ đồ thuật tốn phép biến đổi GST ................................................................. 79
Hình 3.26: Minh họa phép biến đổi GST so sánh với các phép biến đổi khác.................... 80
Hình 3.27: Cấu trúc của một nơron [91].............................................................................. 81
Hình 3.28: Hàm tuyến tính từng đoạn (a) hàm sigmoid (b) [91]......................................... 81
Hình 3.29: Perceptron [91] .................................................................................................. 82
Hình 3.30: Phân loại các vectơ đầu vào của Perceptron...................................................... 83
Hình 3.31: Mạng nơron truyền thẳng đơn lớp (a) và đa lớp (b) [91] .................................. 84
Hình 3.32: Cấu trúc của một mạng nơron Wavelet (a) và Wavelon (b) .............................. 85
Hình 4.1: Minh họa phương pháp trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian (nguồn
[25]) ..................................................................................................................................... 87
Hình 4.2: Phổ tín hiệu trung bình hóa đồng bộ với các khối khác nhau ............................. 88
Hình 4.3: Nội suy đa thức Lagrange và đa thức bậc 3 [43] ................................................. 89
Hình 4.4: Lấy mẫu theo thời gian (a) và lấy mẫu theo miền góc (b) khi tốc độ quay thay
đổi ........................................................................................................................................ 90
Hình 4.5: Tín hiệu và phổ trong miền thời gian (a,b) và tín hiệu và phổ trong miền góc
(c,d) ...................................................................................................................................... 91
Hình 4.6: Tín hiệu gia tốc (a) và tín hiệu pha (hình b), chia khối nhờ tín hiệu pha (c) [36] 92
Hình 4.7: Sơ đồ thuật tốn trung bình hóa tín hiệu đồng bộ dựa trên tín hiệu pha ............. 92
Hình 4.8: Chia khối và trung bình hóa các khối .................................................................. 93
Hình 4.9: Kết quả trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai thành phần tín hiệu khác nhau 93
Hình 4.10: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ đối với một trục không gắn đầu đo pha ........ 94
Hình 4.11: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với nhiều trục khác nhau chỉ sử dụng một đầu
đo pha .................................................................................................................................. 94
Hình 4.12. Sơ đồ ngun lý tách tín hiệu pha từ tín hiệu gia tốc với tốc độ quay ổn định . 95
Hình 4.13: Mơ tả hiện tượng chồng lấn tần số: Khơng chồng lấn (a), có chồng lấn (b) ..... 96
Hình 4.14. Tín hiệu trước khi áp dụng GFT (a) và sau khi áp dụng GFT (b) .................... 96
VI

Hình 4.15. Tín hiệu sau khi lọc thơng dải (a) và tín hiệu có tần số được tái tạo lại ban đầu
(b) ........................................................................................................................................ 96
Hình 4.16. Sơ đồ nguyên lý tách tín hiệu pha từ tín hiệu gia tốc với tốc độ quay biến đổi 97
Hình 4.18: Trung bình hóa có pha (a) và không pha (b) với tốc độ ổn định ....................... 97
Hình 4.17: Phân bố thời gian - tần số .................................................................................. 97
Hình 4.19: Phân bố thời gian - tần số .................................................................................. 98
Hình 4.20: Trung bình hóa khơng pha (a) và có pha (b) với tốc độ quay biến đổi ............. 98
Hình 4.21: Sơ đồ thuật tốn tìm ra các đặc trưng hư hỏng bánh răng [59] ......................... 99
Hình 4.22: Minh họa về tín hiệu TSA, tín hiệu thừa và tín hiệu sai phân ........................... 99
Hình 4.23: Tín hiệu trong miền thời gian (a,b) và tín hiệu TSA (b,c) ............................... 100
Hình 4.24: PWM tín hiệu TSA bình thường (a) và tín hiệu có hư hỏng (b) ..................... 100
Hình 4.25: Tín hiệu TSA (a), các thành phần điều hòa ăn khớp (b) và tín hiệu thừa (c)
trong trường hợp bánh răng có hư hỏng ............................................................................ 100
Hình 4.26: PWM tín hiệu thừa bình thường (a) và tín hiệu thừa có hư hỏng (b) .............. 101
Hình 4.27: Tham số NA4 và NA4* (a) và tham số FM4 và FM4*(b) .............................. 102
Hình 4.28. Quy trình chẩn đốn cho ổ đỡ con lăn trên cơ sở trung bình hóa tín hiệu khơng
pha ..................................................................................................................................... 103
Hình 5.1. Cửa sổ chính của chương trình DSPT 1.0 ......................................................... 105
Hình 5.2. Cửa sổ nạp dữ liệu bằng file .............................................................................. 106
Hình 5.3. Cửa sổ nạp dữ liệu tự động có trong thư viện ................................................... 106
Hình 5.4: Cửa sổ chương trình trung bình hóa .................................................................. 107
Hình 5.5: Menu lựa chọn trung bình hóa khơng pha ......................................................... 107
Hình 5.6: Cửa sổ trung bình hóa khơng pha ...................................................................... 107
Hình 5.7. Cửa sổ phân tích phổ tín hiệu (trái) và phổ đường bao (phải) ........................... 108
Hình 5.8. Cửa sổ phân tích Wavelet .................................................................................. 108
Hình 5.9: Cửa sổ phân tích Wavelet sau TSA biểu diễn trên tọa độ Đề các (a) và và tọa độ
cực (b) ................................................................................................................................ 109
Hình 5.10: Khai báo các thơng số cho phép biến đổi WSST (trái) và GST (phải) ........... 109
Hình 5.11: Quy trình chẩn đốn trên cơ sở chương trình tính đã được xây dựng ............. 110
Hình 5.12: Mơ hình thí nghiệm được mơ phỏng 3D bằng Solidworks ............................. 111

Hình 5.13: Mơ hình thí nghiệm thực ................................................................................. 112
Hình 5.14: Các thơng số động học của hộp số 2 cấp ......................................................... 113
Hình 5.15: Giao diện làm việc phần mềm DasyLab.......................................................... 113
Hình 5.16: Thiết lập các kênh đo (trái) và các thông số kỹ thuật đo (phải) ...................... 114
Hình 5.17: Phổ tần số trục bình thường (a) và trục mất cân bằng (b) ............................... 114
Hình 5.18: Phổ tần số trục bình thường (a) và trục bị cong (b) ......................................... 115
Hình 5.19: Mơ hình thí nghiệm nứt răng trên hộp số 1 cấp .............................................. 115
Hình 5.20: Phân tích tín hiệu trong miền thời gian (a) và trong miền tần số (b) .............. 116
Hình 5.21: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai trạng thái của răng .......................... 116
Hình 5.22: Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai trạng thái của răng .......................... 117
Hình 5.23: Lát cắt song song trục tần số (a) và song song trục thời gian (b) .................... 117
Hình 5.24: Phân bố thời gian – tần số của hộp số cịn mới bằng CWT(a) và WSST(b) ... 118
Hình 5.25: Phân bố thời gian – tần số sử dụng WSST trong hai trạng thái răng .............. 118
Hình 5.26: Phân bố thời gian – tần số sử dụng GST với trường hợp bánh răng nứt ......... 119
Hình 5.27: Tín hiệu miền thời gian (a,b) và phổ tần số (c,d) với bánh răng bình thường và
nứt ...................................................................................................................................... 119
Hình 5.28: Phân bố thời gian – tần số sử dụng phép biến đổi GST trong hai trạng thái
răng .................................................................................................................................... 120
Hình 5.29: Tín hiệu TSA trong trường hợp bánh răng bình thường (a) và có hư hỏng nứt
(b) ...................................................................................................................................... 120
VII


Hình 5.30: Biểu diễn phân bố thời gian - tần số trong hai trạng thái răng trên tọa độ cực 120
Hình 5.31: Đánh giá định lượng hư hỏng bằng tham số FM0 (a) và hệ số Kurtosis (b) ... 121
Hình 5.32: Mơ hình thí nghiệm hư hỏng răng trên hộp số 2 cấp bánh răng nghiêng ........ 121
Hình 5.33: Tín hiệu dao động (thô) ứng với 3 trạng thái răng .......................................... 122
Hình 5.34: Phổ tần số ứng với ba trạng thái răng .............................................................. 123
Hình 5.35: TSA ba dạng hỏng với một vịng quay trục giữa ............................................ 123
Hình 5.37: Tham số FM4 và FM4* ................................................................................... 124

Hình 5.36: Tham số FM0 .................................................................................................. 124
Hình 5.38: Sơ đồ kết cấu hộp số cơng nghiệp ................................................................... 124
Hình 5.39: Tín hiệu trong 4 giai đoạn trong miền thời gian (a) và miền tần số (b) .......... 125
Hình 5.40: Tín hiệu sau khi trung bình hóa với 4 giai đoạn .............................................. 126
Hình 5.41: Tín hiệu TSA với 4 giai đoạn hư hỏng trên tọa độ cực ................................... 126
Hình 5.42: Tín hiệu thừa được với 4 giai đoạn hư hỏng trên tọa độ cực .......................... 127
Hình 5.43: Tham số đánh giá tín hiệu thừa (b) và tín hiệu sai phân (b) ............................ 127
Hình 5.44: Hình ảnh hộp số sau khi tháo khỏi dây truyền (a) và hư hỏng tại một răng bánh
dẫn (b) ................................................................................................................................ 128
Hình 5.45: Tín hiệu TSA (a) và tín hiệu thừa (b) sau khi bảo dưỡng hộp số .................... 128
Hình 5.46: Hư hỏng vịng ngồi (a) và hư hỏng vịng trong (b) ........................................ 129
Hình 5.47: Đồ thị Kurtogram của ổ lăn ở trạng thái hoạt động tốt ................................... 129
Hình 5.48: Kết quả phân tích phổ tần số (a) và phổ đường bao (b) .................................. 129
Hình 5.49: Kết quả phân tích Kutorgram và phân tích phổ đường bao trong vùng lựa
chọn ................................................................................................................................... 130
Hình 5.50: Phổ tần số và phổ đường bao tín hiệu hư hỏng vịng trong ............................ 130
Hình 5.51: Phổ đường bao tín hiệu hư hỏng vòng trong từ vùng tần số 5,1-7,1kHz ........ 131
Hinh 5.52: Đồ thị Kutorgram và phổ đường bao trong vùng tần số lựa chọn ................... 131
Hình 5.53. Đồ thị Kurtogram của tín hiệu (a), phân tích phổ đường bao trên vùng tần số
xác định (b) ........................................................................................................................ 132
Hình 5.54. Phân tách các nguồn tín hiệu bằng phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng
bộ ....................................................................................................................................... 133
Hình 5.55. Phổ đường bao (a) và phổ bậc đường bao (b) của tín hiệu ổ đỡ con lăn hư hỏng
vịng trong .......................................................................................................................... 133
Hình 5.56: Miêu tả phép biến đổi Wavelet packet phân ly bậc 4 và các độ lệch chuẩn tương
ứng ..................................................................................................................................... 134
Hình 5.57: Mơ hình mạng nơron truyền thẳng đa lớp MLP .............................................. 134
Hình 5.58: Sơ đồ thuật toán phân loại hư hỏng bằng ANN .............................................. 135
Hình 5.59: Kết quả huấn luyện mạng phân loại hư hỏng .................................................. 135
Hình 5.60: Kết quả kiểm tra mạng phân loại hư hỏng ...................................................... 136

VIII


MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài
Với chức năng truyền/biến đổi chuyển động và lực từ động cơ đến các bộ phận làm
việc, các hộp số bánh răng có vai trị quan trọng trong máy móc và thiết bị. Ngày nay với sự
phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực cơ khí - tự động hóa, nhiều dây chuyền máy móc được
khép kín từ khâu đầu vào tới đầu ra sản phẩm. Khi một chi tiết của hộp số bánh răng phát
sinh hư hỏng có thể làm đình trệ hoạt động của cả dây chuyền sản xuất, gây thiệt hại lớn về
kinh tế.
Lĩnh vực chẩn đoán kỹ thuật ra đời nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy và đảm bảo các
hệ thống kỹ thuật hoạt động an toàn và liên tục. Các hình thức bảo dưỡng theo tình trạng
hoạt động dựa trên các kết quả của chẩn đoán đã được áp dụng khá phổ biến và mang lại
nhiều lợi ích về kinh tế - kỹ thuật các lợi ích đó là giảm thời gian dừng máy do hỏng hóc,
giảm chi phí bảo dưỡng, chủ động trong việc chuẩn bị phụ tùng thay thế, tăng độ tin cậy của
thiết bị. Chẩn đoán dao động cho hộp số bánh răng là một giải pháp kỹ thuật có hiệu quả để
nhận dạng sớm các hư hỏng, qua đó giảm thiểu các nguy cơ sự cố, tai nạn có nguyên nhân
từ các hư hỏng xảy ra quá trình vận hành của hộp số bánh răng và cả hệ thống thiết bị.
Tuy nhiên, việc áp dụng chẩn đốn dao động sẽ làm gia tăng chi phí cho thiết bị và nhân
lực. Hơn nữa, độ chính xác của các kết quả chẩn đốn có ảnh hưởng rất lớn đến các giải pháp
xử lý sau đó. Một kết luận sai về tình trạng hư hỏng có thể dẫn đến tổn hại về kinh tế. Do
thiếu những nghiên cứu chuyên sâu nên việc áp dụng chẩn đoán kỹ thuật nói chung và chẩn
đốn dao động nói riêng ở Việt Nam cịn nhiều hạn chế. Chính vì vậy, một đề tài nghiên cứu
những giải pháp kỹ thuật chẩn đoán dao động cho các hộp số bánh răng công nghiệp, và
giảm sự phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài trong lĩnh vực này là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm đề xuất và áp dụng các phương pháp, giải pháp nâng
cao độ chính xác của chẩn đoán dao động cho các cụm chi tiết quan trọng trong các hộp số
bánh răng cơ khí bao gồm trục, ổ đỡ và bộ truyền bánh răng.
Mục tiêu thứ hai là đề xuất một quy trình chẩn đốn kết hợp giữa các phương pháp đã
biết và các phương pháp mới nhằm (i) giảm các chi phí cho chẩn đốn dao động (chỉ yêu
cầu thiết bị đo tối thiểu), (ii) áp dụng có hiệu quả trong chẩn đốn dao động của hộp số bánh
răng vận hành với tốc độ quay và tải trọng thay đổi thường xuyên, và (iii) áp dụng có hiệu
quả để phát hiện sớm hư hỏng của các hộp số bánh răng có cơng suất lớn được sử dụng tại
các nhà máy trong nước như các nhà máy điện, nhà máy xi măng, các trạm nghiền công suất
cao, vv...

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các hộp số quay phổ biến trong cơng nghiệp, trong
đó hộp số bánh răng trụ và các cụm chi tiết quay quan trọng và phổ biến như bánh răng, ổ
đỡ con lăn và trục là trọng tâm nghiên cứu về cả lý thuyết và thực nghiệm. Nội dung nghiên
cứu được giới hạn trong phân tích các đặc trưng dao động cơ học của hộp số bánh răng dựa
trên mơ hình cơ học, các phép đo thực nghiệm và các phương pháp phân tích tín hiệu số.
1


Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu đặt ra, phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, thực
nghiệm và xử lý tín hiệu số.
- Phân tích các tài liệu khoa học, các cơng trình nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực
chẩn đoán dao động nhằm tổng kết và đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp chẩn
đốn dao động hiện nay. Từ đó tập trung nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán dao động
mới cụ thể là:
+ Áp dụng các phép biến đổi thời gian-tần số tuyến tính nhằm cải thiện độ phân giải các
phân bố thời gian-tần số của tín hiệu dao động
+ Nghiên cứu một giải pháp thực hiện phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ

(TSA) cho hộp số nhiều cấp, trong đó chỉ yêu cầu một đầu đo pha duy nhất hoặc khơng cần
đầu đo pha;
+ Phân tích và đánh giá hiệu quả của TSA trong việc phát hiện các hư hỏng xảy ra đồng
thời trên các chi tiết khác nhau của hộp số.
+ Nghiên cứu khả năng áp dụng trí tuệ nhân tạo trong một hệ thống giám sát dao động
thông minh cho hộp số bánh răng.
- Xây dựng các thuật tốn và một chương trình phân tích tín hiệu số trên phần mềm tính
tốn đa năng MATLAB (gọi là bộ chương trình tính) trên cơ sở các phương pháp chẩn đoán
dao động truyền thống và các phương pháp mới đề xuất.
- Phân tích, đánh giá và tổng kết các đặc trưng dao động chủ yếu của các chi tiết quay
phổ biến trong hộp số bánh răng (trục, khớp nối, bánh răng, ổ đỡ). Từ đó tìm ra triệu chứng
hư hỏng của các chi tiết này trong hộp số vận hành với tốc độ quay ổn định và biến đổi
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình thí nghiệm tự chế tạo và tại các hộp số công
suất lớn trong nhà máy sản xuất để kiểm chứng các kết quả lý thuyết. Bộ chương trình tính
được sử dụng để phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm nhằm mục đích tìm ra triệu chứng
hư hỏng của các chi tiết quay trong hộp số bánh răng.

Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, Luận án gồm các phần chính sau đây:
Chương 1: Trình bày tổng quan về giám sát và chẩn đoán kỹ thuật, sơ lược những cơng
trình nghiên cứu và những kết quả chính đã đạt được trên thế giới. Từ đó, lựa chọn hướng đi
cho luận án sao cho có ý nghĩa khoa học và tính ứng dụng thực tiễn cao.
Chương 2: Trình bày về cấu trúc tín hiệu dao động cơ học và các dạng hỏng thường gặp
của các chi tiết quay trong hộp số bánh răng; đưa ra các triệu chứng chẩn đốn của các dạng
hỏng này dựa vào phân tích tín hiệu dao động cơ học. Các phương pháp xử lý tín hiệu số cơ
bản đã và đang được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực chẩn đoán dao động cũng được trình
bày trong chương này.
Chương 3: Nghiên cứu về cơ sở toán học các phép biến đổi trong miền thời gian – tần
số, đặc biệt đi sâu vào cải tiến độ phân giải thời gian-tần số của phép biến đổi Wavelet thông
qua phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ; kết hợp phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ với các

phép biến đổi khác, cũng như ứng dụng mạng trí tuệ nhân tạo để chẩn đoán hư hỏng các chi
tiết quay trong hộp số bánh răng.
Chương 4: Cải tiến phương pháp trung bình hóa đồng bộ tín hiệu đã được áp dụng rộng
rãi trong chẩn đốn máy quay nhằm mục đích giảm thiểu chi phí về thiết bị chẩn đốn; kết
hợp giữa phương pháp trung bình hóa đồng bộ với phân tích thời gian - tần số; xây dựng quy
trình chẩn đoán chung cho các chi tiết quay trong hộp số bánh răng. Cuối chương giới thiệu
một chương trình tính trên phần mềm tính tốn đa năng MATLAB xây dựng trên cơ sở các
thuật tốn phân tích tín hiệu số đã nghiên cứu của luận án.
2


Chương 5: Trình bày mơ hình thí nghiệm chẩn đốn hư hỏng các chi tiết quay như bánh
răng, ổ đỡ con lăn, trục với các hư hỏng được tạo ra một cách có chủ ý nhằm mục đích kiểm
chứng phương pháp chẩn đốn đề xuất. Chương này cũng trình bày một số kết quả giám sát
dao động cho một hộp số bánh răng cỡ lớn trong một dây chuyền cán thép đang vận hành.

Đóng góp của luận án
Về lý thuyết:
- Trình bày một cách có hệ thống cơ sở tốn học và thuật toán của một số phép biến đổi
thời gian - tần số tuyến tính, cụ thể là phép biến đổi Fourier dạng cửa sổ, phép biến đổi
Wavelet liên tục, phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ; xây dựng thuật tốn và chương trình
tính trên MATLAB cho các phép biến đổi này.
- Áp dụng thành công Phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ suy rộng - một phương pháp
mới được đề xuất năm 2010 bởi các nhà toán học - nhằm cải thiện độ phân giải của các phân
bố thời gian-tần số của tín hiệu dao động.
- Đề xuất một phương án kết hợp giữa Phép biến đổi Wavelet Packet và mạng trí tuệ
nhân tạo nhằm phát hiện vào phân loại tự động một số dạng hư hỏng của chi tiết quay trong
hộp số bánh răng.
Về thực tiễn:
- Áp dụng thành cơng các phương pháp phân tích thời gian - tần số mới được đề xuất

như Phép biến đổi Wavelet nén đồng bộ suy rộng để tăng độ chính xác của chẩn đoán.
- Đề xuất một phương pháp cải tiến để thực hiện trung bình hóa tín hiệu đồng bộ để
phân tích dao động hộp số nhiều cấp, trong đó chỉ yêu cầu một đầu đo pha duy nhất hoặc
khơng cần đầu đo pha. Giải pháp này có ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm chi phí thiết bị
cho hệ thống chẩn đoán dao động.
- Đề xuất một quy trình chẩn đốn dao động trên cơ sở phân tích thời gian-tần số các
dao động cơ học để phát hiện và định vị hư hỏng của hộp số bánh răng trụ vận hành trong
trạng thái tốc độ quay biến đổi và tải trọng thay đổi; đã kiểm chứng tính hiệu quả của quy
trình này trên mơ hình thí nghiệm tự chế tạo và các kết quả đo thực nghiệm tại hiện trường.
- Xây dựng được một chương trình phân tích tín hiệu trên phần mềm MATLAB, tích
hợp nhiều thuật tốn xử lý tín hiệu số trong miền thời gian-tần số, đã áp dụng thành công
trong các nghiên cứu thực nghiệm và có khả năng triển khai ứng dụng trong thực tế nhằm
phát hiện sớm và định vị các hư hỏng cục bộ, bất thường trong các chi tiết quay của hộp số
bánh răng.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về chẩn đoán kỹ thuật
Thuật ngữ chẩn đốn (diagnostics) có nguồn gốc từ lĩnh vực y học để biểu thị sự phát
hiện và nhận dạng các vấn đề về sức khỏe của con người thông qua xét nghiệm và đánh giá
các triệu chứng bệnh. Việc xác định phương pháp điều trị phụ thuộc vào kết quả chẩn đoán
y học.
Trong khi đối tượng của chẩn đoán y học là con người, chẩn đoán kỹ thuật (technical
diagnostics) nhằm phát hiện và nhận dạng các lỗi/hư hỏng của các hệ thống kỹ thuật như
máy móc, thiết bị và kết cấu cơng trình thơng qua phép đo các thông số vật lý và đánh giá
các triệu chứng hư hỏng của đối tượng chẩn đoán. Trên thế giới, chẩn đoán kỹ thuật đã trở
thành một lĩnh vực khoa học quan trọng về nhận dạng tình trạng kỹ thuật của máy móc, thiết

bị và kết cấu [31, 66]. Dựa trên các kết quả của chẩn đoán kỹ thuật, phương thức bảo dưỡng
thiết bị theo tình trạng kỹ thuật [53] đã và đang mang lại nhiều lợi ích về kinh tế - kỹ thuật
như tránh dừng máy bất thường do sự cố hỏng hóc, giảm chi phí bảo dưỡng so với phương
thức bảo dưỡng định kỳ, chủ động trong việc chuẩn bị phụ tùng thay thế và đặc biệt là giảm
thiểu các nguy cơ rủi ro cho người vận hành, tăng độ an toàn vận hành của thiết bị. Những
sự cố nghiêm trọng (tương tự như sự cố được minh họa trên hình 1.1) là hồn tồn có thể
phịng ngừa nếu thiết bị được chẩn đoán nhằm phát hiện sớm những hiện tượng bất thường
trong khi vận hành.

Hình 1.1: Sự cố nghiêm trọng tại một tổ máy tuốc bin hơi tại Châu Âu năm 1984

Do chẩn đoán kỹ thuật đã trở thành một lĩnh vực khoa học với nhiều ứng dụng quan
trọng trong kỹ thuật, nhiều chuyên gia trên thế giới đã rà sốt, nghiên cứu và chuẩn hóa hệ
thống các thuật ngữ, khái niệm và một quy trình chung cho chẩn đốn kỹ thuật với một số
cơng bố trong các tài liệu chuyên khảo [31, 48, 66] cũng như trong tiêu chuẩn quốc tế [52].
Theo các tài liệu này, chẩn đoán kỹ thuật gồm hai bước cơ bản như mơ tả trên hình 1.2.
4


Đo đạc
Phân tích tín hiệu

Giám sát

Thơng số giám sát
So sánh với chuẩn
Xác định mức thay đổi

Phát hiện sự bất thường

Phát hiện hư hỏng

Triệu chứng chẩn đốn

Trạng thái hư hỏng

Chẩn đốn

Thơng số chẩn đốn

Mơ hình
chẩn đốn

Nhận dạng hư hỏng

Hình 1.2: Các bước của chẩn đoán kỹ thuật [66]

Bước Giám sát nhằm phát hiện và theo dõi quá trình gia tăng của lỗi hoặc hư hỏng của
đối tượng cần giám sát. Mỗi hệ thống giám sát phải thu thập dữ liệu theo thời gian của các
thông số vật lý (nhiệt độ, áp suất, cường độ âm, mức dao động cơ học v.v… ) từ các kết quả
đo đạc, được gọi là các tín hiệu giám sát. Các tín hiệu này được phân tích, xử lý nhằm xác
định các thơng số giám sát. Các thông số giám sát được chọn sao cho sự biến thiên của chúng
phải tương ứng với sự thay đổi tình trạng kỹ thuật của đối tượng được giám sát. Một dạng
hư hỏng có thể được giám sát bởi một hoặc vài thông số giám sát. Sự thay đổi bất thường
của thơng số giám sát có thể là dấu hiệu phát sinh hư hỏng.
Để kết luận về trạng thái hiện thời của đối tượng (mức tốt, mức cảnh báo hoặc mức
nguy hiểm), các thông số giám sát được so sánh với các chuẩn đánh giá. Chuẩn tuyệt đối
quy định các giá trị cho phép của thông số giám sát theo tiêu chuẩn kỹ thuật được ban hành.
Chuẩn tương đối xác lập các ngưỡng cảnh báo về tình trạng hư hỏng trên cơ sở đánh giá sự
biến thiên của thông số giám sát qua các lần đo ở nhiều thời điểm khác nhau cho cùng một

đối tượng.
Hư hỏng
Mức dừng máy
Thời gian hoạt động còn
lại đến khi bảo dưỡng

Mức cảnh báo

Thời gian hoạt động t
Hình 1.3: Giám sát bằng đường đặc tính của thông số giám sát x(t)

5


Việc xây dựng đường đặc tính của thơng số giám sát trên cơ sở kết quả đo đạc và phân
tích tín hiệu giám sát (hình 1.3) cho phép theo dõi mức độ tiến triển của một dạng hư hỏng
xác định. Việc giám sát được tiến hành thường xuyên hoặc định kỳ tùy theo mức độ quan
trọng của đối tượng phải giám sát và tần suất xảy ra hư hỏng.
Bước chẩn đốn có mục tiêu nhận dạng, định vị và đánh giá mức độ của hư hỏng đã
được phát hiện qua giám sát [31]. Như vậy, nhiệm vụ của chẩn đoán phức tạp hơn nhiều so
với giám sát và do đó, có chí phí cao hơn về thiết bị và nhân lực. Theo tài liệu [66], chẩn
đốn có bốn đặc điểm cơ bản sau:
- Q trình chẩn đốn dựa trên các phép đo gián tiếp, tức là các đại lượng đo được chỉ
phán ánh một cách gián tiếp tình trạng kỹ thuật. Việc nhận dạng các hư hỏng bên trong thiết
bị dựa trên các triệu chứng bên ngồi.
- Q trình chẩn đoán được tiến hành khi thiết bị đang vận hành bình thường.
- Đối với một thiết bị cụ thể, kết quả chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật của chính
thiết bị đó và khơng thể áp dụng cho các thiết bị khác.
- Q trình chẩn đốn được tiến hành liên tục hoặc định kỳ.
Tương tự như chẩn đoán trong y học, tình trạng hư hỏng của thiết bị như dạng hư hỏng,

mức độ và phạm vi hư hỏng có thể biểu lộ qua một hoặc vài triệu chứng chẩn đốn. Triệu
chứng chẩn đốn được định lượng hóa bởi các thơng số chẩn đốn. Việc lựa chọn, phân loại
và tính tốn các thơng số chẩn đốn hồn tồn dựa trên các phương pháp xử lý, phân tích
các tín hiệu chẩn đốn đo được.
Tín hiệu chẩn đốn là các đại lượng vật lý đo được, có thể phản ánh một cách gián tiếp
trạng thái của đối tượng được giám sát hay chẩn đốn. Ta có thể phân loại tín hiệu chẩn đoán
thành một số dạng như sau:
- Các đại lượng liên quan trực tiếp đến hư hỏng (tín hiệu dao động cơ học, âm thanh,
nhiệt độ bề mặt, v.v...)
- Các đại lượng liên quan gián tiếp đến hư hỏng (mật độ hạt kim loại trong dầu bơi trơn,
màu sắc bên ngồi của đối tượng, v.v...)
- Các thông số vận hành của thiết bị (công suất, áp suất, tốc độ quay, lượng tiêu thụ
nhiên liệu, v.v...)
Một số mơ hình chẩn đốn đã được các nhà nghiên cứu đề xuất để đáp ứng với sự đa
dạng của các đối tượng chẩn đoán trong kỹ thuật. Isermann [48] đã tổng kết và phân loại
một số mơ hình chẩn đốn hiện đang sử dụng trong chẩn đốn kỹ thuật. Đối với các thiết bị
cơ khí, mơ hình chẩn đốn được sử dụng rộng rãi nhất là mơ hình trạng thái - triệu chứng,
biểu thị mối quan hệ giữa tình trạng hư hỏng và các triệu chứng chẩn đốn. Meltzer [66] tiếp
tục phân chia mơ hình chẩn đốn này thành hai dạng: Mơ hình đơn biến (một trạng thái-một
triệu chứng) và mơ hình đa biến (một trạng thái - nhiều triệu chứng). Ngồi ra, mơ hình đối
chứng cũng đang được quan tâm, trong đó đối tượng chẩn đốn được mơ hình hóa và mơ
phỏng số trên máy tính nhằm xác lập các trạng thái hư hỏng và thơng số chẩn đốn bằng lý
thuyết, sau đó sẽ kiểm chứng qua thực nghiệm [12]. Vấn đề liên quan đến tín hiệu chẩn đốn,
triệu chứng chẩn đốn, thơng số chẩn đoán sẽ được đề cập chi tiết và cụ thể hơn trong mục
tiếp theo.
Một điểm đáng chú ý là các thuật ngữ liên quan đến hoạt động chẩn đoán được sử dụng
hiện nay khá đa dạng trong các tài liệu khoa học:
- Theo mục tiêu: Chẩn đốn tình trạng (condition diagnostics) hoặc chẩn đoán lỗi (fault
diagnosis).
- Theo đối tượng chẩn đoán: Chẩn đoán máy (machinary diagnostics), chẩn đoán kết

cấu (structural diagnostics).
- Theo dạng tín hiệu chẩn đốn: Chẩn đốn dao động (vibration diagnostics), chẩn đoán
âm học (acoustic diagnostics).
6


Bên cạnh những lợi ích đã nêu ở trên, việc áp dụng chẩn đốn kỹ thuật gắn liền với chi
phí đầu tư và nhân lực. Do đó, việc lựa chọn áp dụng một hệ thống chỉ thực hiện chức năng
giám sát hay một hệ thống thực hiện đầy đủ chức năng giám sát - chẩn đoán phụ thuộc vào
giá trị, tầm quan trọng và các yêu cầu về mức độ an tồn của thiết bị.

1.2 Tổng quan về chẩn đốn dao động cho hộp số bánh răng
1.2.1 Vấn đề hư hỏng của hộp số bánh răng
Các hộp số bánh răng thực hiện đồng thời chức năng truyền lực và truyền chuyển động
(truyền công suất). Đối với các hệ truyền động quay như hộp số bánh răng q trình truyền
cơng suất diễn ra giữa các trục quay. Một hộp số gặp sự cố có thể làm đình trệ hoạt động của
máy và thậm chí, cả một dây chuyền sản xuất.
Một hộp số bánh răng gồm nhiều cụm chi tiết cấu thành như kết cấu vỏ, trục, khớp nối
trục, ổ đỡ, bánh răng. Mỗi cụm chi tiết như ổ đỡ con lăn được lắp ráp từ nhiều phần đơn lẻ.
Hư hỏng tại một chi tiết máy trong khi làm việc cũng có thể gây ra sự cố cho toàn bộ hệ
truyền động.
Do sự quan trọng của hộp số bánh răng đối với tồn bộ máy, vấn đề giám sát và chẩn
đốn cho hộp số bánh răng thực sự nhận được sự quan tâm lớn của giới nghiên cứu vào
những năm 90 của thế kỷ trước cùng với sự phát triển của kỹ thuật đo dao động bằng các đại
lượng điện và nhiều phương pháp xử lý tín hiệu số đã được đề xuất. Khi đó, những giải pháp
chẩn đốn máy quay đã được giới cơng nghiệp tại các nước phát triển đón nhận và triển khai
ứng dụng ngay với các sản phẩm cơ khí của họ. Các sách chuyên khảo [39] và [82] là tổng
kết các nguyên tắc, phương pháp cơ bản đối với giám sát và chẩn đoán máy quay, trong đó
dao động cơ học là đại lượng đo chẩn đốn. Các cơng trình của các tác giả người Đức Cempel
[27], Klein [56] và Kolerus [57] đã đặt nền móng cho sự phát triển các phương pháp chẩn

đoán dao động của máy nói chung và hộp số bánh răng nói riêng.
Bartz [14] đã tiến hành thống kê tần suất hư hỏng của các chi tiết/cụm chi tiết trong hộp
số bánh răng. Kết quả thống kê được trình bày trong bảng 1.1. Theo số liệu này, hư hỏng tại
bánh răng và ổ đỡ con lăn xảy ra với tần suất trên 70% trong khi hư hỏng của tất cả các chi
tiết con lại trong hộp số có tần suất dưới 30%. Do đó, vấn đề nhận dạng hư hỏng của bánh
răng và ổ đỡ con lăn được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. Đặc biệt, một số các luận án tiến
sĩ đã thực hiện với đề tài nghiên cứu có liên quan đến vấn đề này [11, 36, 42, 84].
Bảng 1.1: Tần suất hư hỏng các chi tiết trong hộp số bánh răng [14]

Chi tiết/cụm chi tiết
n < 3000 vòng/phút
n > 3000 vòng/phút
Bánh răng
58,2 %
31%
Ổ đỡ con lăn
12,5 %
44%
Vỏ hộp số
9,7 %
7%
Trục
6,4 %
Các chi tiết khác
13,2 %
9%
Các dạng hư hỏng do vận hành của các chi tiết trong hộp số bánh răng là rất đa dạng.
Chỉ riêng đối với bánh răng, tiêu chuẩn Đức DIN 3979 [38] đã xác định tới 27 dạng hư hỏng
khác nhau. Tuy nhiên, về phương diện chẩn đoán, các hư hỏng do vận hành được phân thành
hai loại: Hư hỏng cục bộ và hư hỏng phân bố. Các hư hỏng cục bộ (các vết nứt) của chi tiết

máy cần được phát hiện sớm để tránh nguy cơ sự cố gãy vỡ chi tiết đột ngột (hình 1.4a). Các
7


hư hỏng phân bố (thí dụ mịn, tróc) cần được giám sát để tiên liệu được thời gian hoạt động
còn lại và có kế hoạch thay thế kịp thời (hình 1.4b).
(a)

(b)

Hình 1.4: Hư hỏng cục bộ (a) và hư hỏng phân bố (b)(nguồn [36])

Ở Việt Nam những năm gần đây có một số nhóm nghiên cứu vấn đề hư hỏng của hộp
số bánh răng tuy nhiên mức độ tiếp cận cịn hạn chế. Nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu
Cơ khí đã thực hiện một đề tài cấp Nhà nước về các phương pháp giám sát tình trạng kỹ
thuật cho thiết bị cơ khí, trong đó tập trung nghiên cứu việc ứng dụng các qui trình giám sát
hộp giảm tốc bánh răng và các loại ổ đỡ dựa trên các kết quả nghiên cứu đã có của thế giới.
Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có một số kết quả bước đầu để
phát hiện hư hỏng cho các chi tiết bánh răng và ổ đỡ con lăn [3, 36, 65]. Nhóm nghiên cứu
tại Đại học Bách Khoa Đà Nẵng tập trung vào nghiên cứu hư hỏng trong các hệ truyền động
bằng phân tích tín hiệu âm thanh với công cụ chủ yếu được sử dụng là phân tích phổ tần số.
Nhìn chung, các vấn đề lý thuyết và giải pháp kỹ thuật để chẩn đoán hư hỏng hộp số
bánh răng chưa nhận được sự quan tâm rộng rãi của các nhóm nghiên cứu trong nước, bởi
vậy những hiểu biết chuyên sâu trong lĩnh vực này còn nhiều hạn chế so với thế giới. Tuy
nhiên, nhu cầu về sử dụng các hệ thống chẩn đoán dao động cho các hộp số bánh răng trong
nền công nghiệp của Việt Nam sẽ ngày càng tăng do những lợi ích mà lĩnh vực này mang
lại.
1.2.2 Tín hiệu chẩn đoán và phương pháp đo
Sau hơn 30 năm nghiên cứu và ứng dụng, chẩn đốn máy bằng phân tích dao động (gọi
tắt là chẩn đoán dao động) đã đạt nhiều thành tựu đáng kể, nhiều phương pháp và giải pháp

kỹ thuật đã được áp dụng rộng rãi để nhận dạng sớm hư hỏng của chi tiết quay (ổ bi, bánh
răng, trục,...) cho đến các cụm thiết bị và máy (bơm, động cơ đốt trong, tuốc bin, động cơ
điện, máy nén,…). Hiện nay, tín hiệu dao động cơ học đang được sử dụng như một loại tín
hiệu chẩn đốn phổ biến nhất cho chẩn đốn và giám sát tình trạng kỹ thuật của thiết bị quay.
Điều này xuất phát từ một số lý do sau đây:
- Các dao động cơ học phản ánh chính xác và rất nhạy đối với sự thay đổi trạng thái vận
hành của thiết bị, đặc biệt là các thay đổi bất thường do hư hỏng gây ra.
- Với sự phát triển của kỹ thuật đo dao động bằng các đại lượng điện và kỹ thuật số, ta
có thể thực hiện các phép đo dao động một cách tương đối dễ dàng và chính xác. Hơn nữa,
các thiết bị đo dao động hiện nay cho phép ta đo đạc và thu thập dữ liệu nhanh chóng.
- Một loạt các phương pháp phân tích tín hiệu số cơ bản đã được ứng dụng, kiểm chứng
độ tin cậy và được tích hợp trong nhiều phần mềm chuyên dụng. Điều này cho phép ta phân
tích tín hiệu dao động và xác định các thơng số chẩn đốn một cách tiện lợi.
Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, việc sử dụng tín hiệu dao động làm tín hiệu chẩn
đốn có những hạn chế nhất định. Thứ nhất, tín hiệu dao động chưa được xử lý (tín hiệu thơ)
cịn chứa q nhiều thơng tin. Lượng thông tin này không thể sử dụng hết cho mục đích giám
sát hay chẩn đốn do phản ánh nhiều nguồn dao động khác nhau, trong đó có những nguồn
dao động khơng liên quan gì đến tình trạng của thiết bị (thí dụ dao động của các thiết bị lân
8


cận) [66]. Ngoài ra, sự tồn tại của nhiễu ngẫu nhiên (nhiễu đo) cần những phương pháp xử
lý để giảm nhiễu trong tín hiệu. Thứ hai, các đại lượng dao động (vận tốc dao động, gia tốc
dao động) thay đổi quá nhanh (tần số lên đến vài kHz), không tương ứng với sự thay đổi tình
trạng của thiết bị trong thực tế (diễn ra theo ngày, tuần, tháng). Thứ ba, các điểm đo dao
động (vị trí các gắn đầu đo) phải nằm ở những chi tiết cố định của hộp số nên ở khá xa nguồn
kích động dao động. Những hạn chế này có thể khắc phục được nhờ những phương pháp
phân tích, xử lý tín hiệu phù hợp [82].
Việc lựa chọn đại lượng đo (dịch chuyển, vận tốc hay gia tốc dao động) phụ thuộc vào
đặc điểm của đối tượng đo (chế độ vận hành, cơ chế kích động dao động) và đặc tính kỹ

thuật của các loại đầu đo. Các tài liệu [56, 57] và tiêu chuẩn [49] đã đưa ra các chỉ dẫn quan
trọng về việc lựa chọn đại lượng đo dao động như đo gia tốc, vận tốc và chuyển vị được
trình bày dưới đây.
1.2.2.1 Gia tốc dao động
Gia tốc dao động là đại lượng đo phù hợp trong những trường hợp sau:
- Cần phân tích dao động của đối tượng đo tại vùng tần số cao và rất cao (đầu đo gia tốc
cho tín hiệu điện ở các tần số cao nhất so với các loại đầu đo khác).
- Cần phân tích đặc trưng tác dụng lực (tải trọng) do độ lớn của lực kích động thường
tỷ lệ với gia tốc dao động.
- Sử dụng tại điều kiện đo u cầu đầu đo có kích thước bé và trọng lượng nhẹ.
- Thích hợp với các phép đo dao động do va chạm.
- Đặc biệt phù hợp cho việc chẩn đoán và giám sát.
mm

Chuyển vị
t[s]

mm/s

Vận tốc

t[s]
mm/s2

Gia tốc

t[s]

Hình 1.5: Phổ tần số ứng với các đại lượng đo khác nhau của cùng một dao động cơ học

1.2.2.2 Vận tốc dao động
Vận tốc dao động có những ưu điểm sau:
- Phổ tần số của vận tốc dao động có tính đồng bộ cao về tần số (tức là độ lớn của các
thành phần tần số trong phổ vận tốc ít chênh lệch hơn phổ của gia tốc và dịch chuyển (thí dụ
minh họa trên hình 1.5).
9


- Sử dụng phép đo vận tốc trong trường hợp dao động cơ học có tần số nằm tại vùng
trung gian nào đó mà các đầu đo dịch chuyển hoặc đầu đo gia tốc đều khơng thích hợp cho
phép đo.
1.2.2.3 Chuyển vị
Chuyển vị dao động là đại lượng đo phù hợp trong những trường hợp sau:
- Trong trường hợp thông tin về chuyển vị của đối tượng đo là quan trọng nhất đối với
giám sát và chẩn đoán.
- Sử dụng trong trường hợp không thể gắn trực tiếp đầu đo vào đối tượng đo (với đầu
đo không tiếp xúc).
- Trong trường hợp dao động cơ học có tần số rất thấp mà các đầu đo gia tốc và vận tốc
không thích hợp cho phép đo.
- Phù hợp với các phép đo dao động tương đối giữa bộ phận quay và bộ phận khơng
quay của thiết bị.
Trên hình 1.5 là một thí dụ minh họa sự tương quan về biên độ của các thành phần tần
số trong phổ dao động ứng với các đại lượng đo khác nhau. Các phổ tần số của dao động đo
được tại cùng một đối tượng đo ứng với ba đại lượng đo chuyển vị, vận tốc và gia tốc. Ta
nhận thấy phổ vận tốc cung cấp nhiều thông tin nhất về các thành phần tần số trong phạm vi
từ 0 Hz đến 2500 Hz so với phổ của tín hiệu gia tốc và chuyển vị.
1.2.3 Các tiêu chuẩn về dao động
Hiện nay, trên thế giới đang có các hệ thống tiêu chuẩn phong phú và hết sức đa dạng
để phục vụ cho công tác phân tích, giám sát và chẩn đốn tình trạng hoạt động của thiết bị
quay. Các tiêu chuẩn luôn được nghiên cứu và thay đổi cho phù hợp với sự phát triển của

trình độ kỹ thuật và cơng nghệ. Thí dụ, trên cơ sở tiêu chuẩn rung VDI 2056 (năm 1964),
ISO đã xây dựng tiêu chuẩn ISO 2372 về dao động cơ học vào năm 1971. Sau đó, ISO đã
xây dựng hai bộ tiêu chuẩn mới ISO 7919 [49] và ISO 10816 [50] để thay thế cho ba tiêu
chuẩn đã cũ là ISO 2372, ISO 2954 và ISO 3945. Một loạt các tiêu chuẩn mới hiện vẫn còn
đang trong giai đoạn biên soạn. Do sự đa dạng của thiết bị quay về công năng, chủng loại,
công suất, kiểu dáng nên sự trùng lặp thơng tin giữa các tiêu chuẩn là điều khó tránh khỏi.
Bộ tiêu chuẩn ISO 10816 gồm 6 phần, đề cập tới việc đánh giá dao động của máy quay
thông qua các kết quả đo dao động tuyệt đối tại các cụm chi tiết không quay (vỏ máy, gối đỡ
trục, thân giá máy,...). Bộ tiêu chuẩn ISO 7919 gồm 5 phần, đề cập tới các tiêu chuẩn đánh
giá dao động của máy quay dựa trên các kết quả đo dao động tương đối của trục quay so với
thân giá máy, thực chất là dao động uốn của trục trong quá trình vận hành. Riêng ISO 79191 và ISO 10816-1 là những định hướng chung khi thực hiện các phép đo và phân tích dao
động, đồng thời định ra phạm vi sử dụng của bộ tiêu chuẩn. Điểm chung của hai bộ tiêu
chuẩn này là định ra chuẩn tuyệt đối của mức dao động đo được trong một dải tần số rộng
từ 10 Hz đến 1000 Hz. Giá trị đặc trưng của tín hiệu được chọn là giá trị trung bình hiệu
dụng (giá trị RMS). Các đại lượng đo dao động có thể là chuyển vị (µm) đối với dao động
uốn của trục quay, vận tốc dao động (mm/s) và gia tốc dao động (m/s2 hoặc g) đối với tín
hiệu đo được tại các cụm chi tiết không quay. Trong các tiêu chuẩn này, mức dao động của
thiết bị được chia thành 4 vùng A, B, C và D. Trong đó vùng A qui định phạm vi dao động
của thiết bị mới xuất xưởng và bắt đầu vận hành, vùng B ứng với mức dao động mà thiết bị
có thể vận hành tiếp tục, vùng C qui định mức dao động mà thiết bị có thể vận hành nhưng
chỉ trong thời hạn nhất định (vùng cảnh báo), và vùng D chỉ rõ dao động của thiết bị đã đạt
mức nguy hiểm và có thể gây hư hỏng thiết bị (vùng nguy hiểm).
10