Nghiên cứu chế tạo mô hình cân bằng động rotor trục mềm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH
CÂN BẰNG ĐỘNG ROTOR TRỤC MỀM

MÃ SỐ:T2019 – 16TĐ

SKC 0 0 6 7 6 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2020


T2019 - 16TĐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH
CÂN BẰNG ĐỘNG ROTOR TRỤC MỀM
Mã số: T2019 – 16TĐ

Chủ nhiệm đề tài:

GVC.ThS TRẦN THANH LAM

TP. HCM, Tháng 03 / Năm 2020
1


T2019 - 16TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH
CÂN BẰNG ĐỘNG ROTOR TRỤC MỀM
Mã số: T2019 – 16TĐ

Chủ nhiệm đề tài:

GVC.ThS TRẦN THANH LAM

TP. HCM, Tháng 03 / Năm 2020

2

T2019 - 16TĐ

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH CÂN BẰNG ĐỘNG
ROTOR TRỤC MỀM

Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài :
1. Chủ trì đề tài : Trần Thanh Lam

Họ và tên

Tên đơn vị
trong và ngồi nước

Đơn vị cơng tác và

Nội dung nghiên cứu cụ thể

lĩnh vực chuyên môn

được giao

Nội dung phối hợp

Họ và tên người đại diện

nghiên cứu

đơn vị

3


T2019 - 16TĐ

MỤC LỤC
Mục lục ................................................................................................. 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................... 4
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... 6
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................... 7
PHẦN 1: MỞ ĐẦU ................................................................................. 10
I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC
CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ....................................... 10
1.1 Tổng quan ............................................................................... 10
1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .............................................. 12
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................. 13
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................... 13
III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ..................................................................... 14
IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................ 14
V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................................. 14
VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................... 14

PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN ......................................................... 15
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................15
1.1 Các khái niệm cơ bản .................................................................................................15
1.2 Cơ sở toán học của phương pháp cân bằng ................................................................ 16

Chương 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY .....................................................................22
2.1 Sơ đồ nguyên lí máy cân bằng động...........................................................................22
2.2 Thiết kế tổng thể máy .................................................................................................22
Chương 3: PHÂN TÍCH TRÊN ANSYS .........................................................................38
3.1 Xác định vận tốc tới hạn của rotor .............................................................................38
3.2 Phân tích Khung máy .................................................................................................40
4


T2019 - 16TĐ

Chương 4: CHẾ TẠO – THỰC NGHIỆM .......................................................................41
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 46
3.1 Kết quả đạt được ........................................................................................................46
3.2 Kết luận và hướng phát triển đề tài ............................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 47
Phụ lục 1: Bài báo khoa học .............................................................................................
Phụ lục 2: Bản sao thuyết minh đã được phê duyệt .........................................................

5


T2019 - 16TĐ

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
Bảng 2.1 Thông số thép hộp SS400 ............................................................................. 23
Bảng 2.2 Thành phần thép SUJ2 ................................................................................. 30
Bảng 2.3 Cơ tính của thép SUJ2 ................................................................................. 30
Bảng 2.4 Quá trình nhiệt luyện của thép SUJ2 ........................................................... 30
Bảng 2.5 Thông số gối đỡ BK12 ................................................................................. 32

Bảng 2.6 Thông số động cơ Spindle ............................................................................ 33
Bảng 2.7 Thông số biến tần Siemens V20 ................................................................... 37
Bảng 4.1 Kết quả thực nghiệm đo dao động ............................................................... 42
Bảng 4.2 Thông số máy ............................................................................................... 45
Hình 1.1 Sơ đồ phân bố lực trên 2 gối sử dụng 2 mặt phẳng cân bằng ..................... 17
Hình 1.2 Hình dạng mode 1, 2, 3, 4 của rotor trục mềm ............................................ 20
Hình 1.3 Chuyển vị của rotor tương ứng các mode trong khơng gian. ...................... 20
Hình 1.4 Vị trí và số lượng mặt phẳng hiệu chỉnh cân bằng (mode 4) ....................... 21
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mơ hình cân bằng động ..................................................... 22
Hình 2.2 Kết cấu tổng thể 3D của máy ....................................................................... 22
Hình 2.3 Thép hộp mạ kẽm .......................................................................................... 23
Hình 2.4 Bản vẽ chế tạo Khung đỡ máy ...................................................................... 23
Hình 2.5 Bản vẽ khung máy 3D ................................................................................... 24
Hình 2.6 Bản vẽ chế tạo đế máy .................................................................................. 25
Hình 2.7 Bản vẽ đế máy 3D ......................................................................................... 25
Hình 2.8 Kích thước khớp nối lị xo ............................................................................ 26
Hình 2.9 Khớp nối lị xo đàn hồi ................................................................................. 26
Hình 2.10 Bản vẽ chế tạo Chân gối đỡ BK ................................................................ 27
Hình 2.11 Bản vẽ 3D Chân gối đỡ BK ....................................................................... 27
Hình 2.12 Bản vẽ chế tạo gối đỡ Motor ...................................................................... 28
Hình 2.13 Bản vẽ 3D gối đỡ motor ............................................................................. 28
Hình 2.14 Bản vẽ chế tạo đĩa ...................................................................................... 29
Hình 2.15 Bản vẽ đĩa 3D ............................................................................................. 29

6


T2019 - 16TĐ

Hình 2.16 Trục quay mạ crom .................................................................................... 30

Hình 2.17 Gối đỡ BK12 ............................................................................................... 31
Hình 2.18 Động cơ Spinde .......................................................................................... 33
Hình 2.19 Bơm giải nhiệt ............................................................................................ 34
Hình 2.20 Biến tần Siemens V20 ................................................................................. 34
Hình 3.1 Mơ hình Jeffcott với trục, đĩa đơn ................................................................ 38
Hình 3.2 Mơ hình tại tốc độ 1 và tốc độ 2 ................................................................... 38
Hình 3.3 Phân tích mơ hình Jeffcott trên Ansys .......................................................... 39
Hình 3.4 Kết quả phân tích khung máy trên Ansys ..................................................... 40
Hình 4.1 Mơ hình rotor trục mềm (1 đĩa) ................................................................... 41
Hình 4.2 Mơ hình hoạt động tại tốc độ tới hạn 1 (mode 1) ........................................ 41
Hình 4.3 Bố trí lắp đặt Sensor LK_G30 ...................................................................... 42
Hình 4.4 Tín hiệu tại tốc độ tới hạn thực tế n = 1260 vịng/phút ............................... 43
Hình 4.5 Quỹ đạo chuyển động của tâm quay tương ứng ........................................... 43
Hình 4.6 Hình ảnh thực tế mơ hình ............................................................................. 45

7


T2019 - 16TĐ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MB: Modal Balancing
ICM: Influence Coefficients Method
UBA: Unified Balancing Approach
DBM: Dynamic Balancing Method
AMB: Active Magnetic Bearing
CAD: Computer Aided Design
CAE: Computer Aided Engineering
LK: Laser Keyence

8


T2019 - 16TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Tp. HCM, ngày 30 tháng 03 năm 2020

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MƠ HÌNH CÂN BẰNG ĐỘNG ROTOR
TRỤC MỀM
- Mã số: T2019 - 16TĐ
- Chủ nhiệm: GVC.ThS. Trần Thanh Lam
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
- Thời gian thực hiện: 05/2019 – 03/2020
2. Mục tiêu:
Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất phương án, thiết kế, chế tạo một mơ hình cân bằng
động rotor trục mềm. Mơ hình này sẽ góp phần phục vụ các nghiên cứu trong lĩnh vực đo dao
động, cụ thể là đo dao động trên đối tượng rotor trục mềm.
3. Tính mới và sáng tạo:

Kết hợp lý thuyết và thực nghiệm vào việc chế tạo mơ hình.
4. Kết quả nghiên cứu:
Mơ hình cân bằng động rotor trục mềm phục vụ nghiên cứu sinh lĩnh vực đo dao động
5. Thông tin chi tiết sản phẩm:
-

Sản phẩm khoa học:
+ Bài báo khoa học:

Trần Thanh Lam, Đặng Thiện Ngôn, Lê Chí Cương; Nghiên cứu, chế tạo, thực nghiệm mơ
hình rotor trục mềm; Tạp chí KHGDKT; số 57, 2020.
-

Sản phẩm ứng dụng:
+ Mơ hình rotor trục mềm tốc độ cao (12000 vòng/phút)

9


T2019 - 16TĐ

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
-

Mơ hình đề xuất góp phần phục vụ hiệu quả các nghiên cứu trong lĩnh vực đo dao động,
cụ thể là đo dao động trên đối tượng rotor trục mềm

-

Là tài liệu phục vụ trong giảng dạy và nghiên cứu bậc đại học và sau đại học tại Trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.

-

Địa chỉ ứng dụng: phịng thí nghiệm Trang bị điện, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Khoa
Cơ khí máy, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

10


T2019 - 16TĐ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
-

Project title: RESEARCH, MANUFACTURE THE DYNAMIC BALANCING MODEL

-

FOR FLEXIBLE ROTOR

-

Code number: T2019 - 16TĐ

-

Coordinator: Master Tran Thanh Lam

-

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education

-

Duration: from 05/2019 to 03/2020

2. Objective:
The main objective of this project is to propose the plan, design and manufacture of dynamic
balance model for flexible rotors. This model will contribute to research in the field of vibration
measurement, in particular measuring oscillations on flexible rotor.
3. Creativeness and innovativeness:
Combine theory and experiment in fabrication model.
4. Research results:
A dynamic balance model on flexible rotors for students in the field of oscillation
measurements
5. Products:
- Tran Thanh Lam, Dang Thien Ngon, Le Chi Cuong; Research, manufacture, experiment on
flexible rotor model; Journal of Technical Education Science, Vol 57, 2020.
- The high speed flexible rotor model (12000 rpm)
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
- The proposed model contributes to effectively serve researches in the field of vibration
measurement, in particular measuring vibration on flexible rotors.
- This is the document for teaching and researching at HCMC University of Technology and
Education.
- Address of application: Electrical equipments laboratory, Department of Machinery

Manufacturing Technology, Faculty of Mechanical Engineering, HCMC University of Technology
and Education.

11


T2019 - 16TĐ

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ
TÀI Ở TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.1 Tổng quan
Trong cơng nghiệp các thiết bị như máy nén, tuabin, máy bơm, động cơ phản lực, máy
tăng áp…khi vận hành đều bị rung động do chuyển động của rotor. Thực tế đã xảy ra khơng
ít các sự cố do rung động quá mức của thiết bị quay, gây thiệt hại khơng chỉ cho thiết bị mà
cịn làm thiệt hại cho các ngành có liên quan. Muốn thiết bị làm việc an tồn, tuổi thọ cao
thì chúng phải được làm việc với điều kiện độ rung trong tiêu chuẩn cho phép, việc bảo
dưỡng phải kịp thời, ngăn chặn các sự cố tiềm ẩn có thể xảy ra. Lượng mất cân bằng cho
phép của rotor được dẫn ra theo tiêu chuẩn ISO 1940/1 – 2013 [1]. Một trong những phương
pháp phổ biến dùng để đánh giá lượng mất cân bằng cho phép của các chi tiết quay (thường
gọi rotor) là sử dụng thiết bị cân bằng động.
Nguyên nhân gây ra các rung động này thường là do rotor mất cân bằng trong khi chuyển
động. Các thơng số chính để đánh giá rung động của hệ thống là tốc độ hoạt động của rotor
(tốc độ tới hạn), độ ổn định của hệ thống (không đồng tâm, dung sai chế tạo - lắp ráp, không
đồng nhất về cấu trúc vật liệu, va đập, mài mòn, lắp lỏng …) và đáp ứng mất cân bằng: động
lực học rotor [2]
Mất cân bằng là hiện tượng hư hỏng thường xuyên diễn ra đối với các rotor và trong
nhiều trường hợp đó là sự cố nguy hiểm dẫn đến các hậu quả nguy hại to lớn cho sự an toàn
của người và thiết bị. Sự mất cân bằng là trạng thái mà trong đó một rotor, do kết quả của

các lực kích thích, phát sinh một lực gây rung động truyền đến các ổ đỡ vịng bi của máy.
Một rotor cân bằng thì khơng rung động, vận hành ổn định. Trái lại, rotor ở trạng thái mất
cân bằng khi quay tạo ra nhiều rung động, tiếng ồn, không ổn định. Sự khác biệt cơ bản là
do các lực kích thích (như lực li tâm) tác động lên rotor có được bù trừ hay khơng, cịn gọi
là khử mất cân bằng. Mất cân bằng không chỉ là nguồn gây rung động thường gặp nhất trong
các máy có chuyển động quay mà cịn là ngun nhân gây ra nhiều hư hại nhất cho máy.
Nó được xem như là khuyết tật cần khắc phục trước tất cả các vấn đề khác. Mất cân bằng ở
rotor ngày càng trở nên một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các thiết bị hiện đại đặc
12


T2019 - 16TĐ

biệt đối với các thiết bị đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Sự mất cân bằng máy nói chung là
một hiện tượng có hại do đó cần phải xác định và yêu cầu phải giảm thiểu hoặc trừ khử hồn
tồn.
Chính vì thế, việc phát hiện và khắc phục sự mất cân bằng trên các máy móc thiết bị
quay thật sự rất cần thiết. Điều này cũng đồng nghĩa với việc tránh hư hỏng do mỏi trong
các kết cấu liên quan, giảm tiếng ồn và rung động, làm tăng tuổi thọ và chất lượng của máy
khi vận hành.
Các thiết bị quay hiện nay được phân thành hai loại: rotor trục cứng (rigid rotor) và
rotor trục mềm (flexible rotor). Rotor trục cứng là rotor không biến dạng khi thay đổi tốc độ
quay. Rotor trục mềm là những rotor khi vận hành có biến dạng; đặc biệt là khi thay đổi tốc
độ, hay những rotor vận hành gần tần số cộng hưởng của chúng. Với những rotor này, khi
cân bằng cần phải quay ở tốc độ cao gần với tốc độ làm việc. Theo nguyên tắc chung, các
rotor hoạt động dưới 70% tốc độ tới hạn được xem là rotor trục cứng, rotor hoạt động gần
các tốc độ tới hạn sẽ thực sự uốn cong hoặc biến dạng do đó được gọi là rotor trục mềm.
Ngày nay, đối với các thiết bị như động cơ điện, máy phát điện, máy tuabin, máy nén
khí, quạt gió…tốc độ quay lên tới 105 vịng/phút, vì vậy việc mất cân bằng ở các máy quay
ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các thiết bị hiện đại, đặc

biết đối với các thiết bị có yêu cầu tốc độ và độ tin cậy cao.
1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, nghiên cứu về động lực học rotor đã được nhiều nhóm nghiên cứu thực
hiện, điển hình R. Tiwari [4] đã thực hiện các phân tích và nhận dạng các lỗi mất cân bằng
trên hệ thống rotor; tập đoàn Bently [5] tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của rotor lên gối
đỡ và từ đó phát triển các loại gối đỡ có ứng xử phù hợp. Cân bằng là một phương pháp
quan trọng để giảm rung của thiết bị quay, và các nghiên cứu lý thuyết về phương pháp cân
bằng động giờ đây được phát triển [3].
Ba phương pháp cân bằng đã được thế giới công bố gồm:
1. Cân bằng phương thức (Modal Balancing - MB): do Bishop đề xuất [6]
2. Phương pháp hệ số ảnh hưởng (Influence Coefficients Method - ICM) do Lund và
Parkinson đề xuất [7]
3. Phương pháp cân bằng hợp nhất (Unified Balancing Approach-UBA): do Mark
Darlow và Parkinson đề xuất [8].
13


T2019 - 16TĐ

Đây được coi là 3 phương pháp nền tảng của cân bằng động. Trong đó, cân bằng phương
thức và phương pháp hệ số ảnh hưởng là hai phương pháp cân bằng cổ điển với một số lần
chạy thử nghiệm (test runs).
Đối với phương pháp cân bằng phương thức, việc xác định sự mất cân bằng rotor bị ảnh
hưởng bởi sự hỗ trợ tính chất của gối đỡ, đặc biệt là hệ số giảm chấn cao (high damping
coefficients). Đối với phương pháp hệ số ảnh hưởng (ICM), tính chất hỗ trợ của gối đỡ
không ảnh hưởng đến việc xác định mất cân bằng. Tuy nhiên, các vị trí khơng phù hợp của
phép đo có thể dẫn đến ma trận hệ số ảnh hưởng bị ràng buộc và dẫn đến sự thất bại của
phương pháp này. Hơn nữa, phương pháp này địi hỏi ít kiến thức hơn về hệ thống và đã
được phát triển tốt.Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là nó địi hỏi một số
lượng đáng kể chạy thử nghiệm, trong khi phương pháp phương thức yêu cầu chạy thử

nghiệm ít hơn.
Tương phản với phương pháp cân bằng truyền thống, phương pháp hợp nhất (UBA)
được đề xuất bởi M. Darlow yêu cầu việc sử dụng toàn bộ thông tin về rotor (yêu cầu kỹ
thuật, kết cấu, khối lượng, kích thước…). Tuy nhiên, nó vẫn u cầu ít nhất một lần chạy
thử.
Chạy thử nghiệm tốn kém chi phí và tốn thời gian. Hơn nữa, chúng làm giảm tuổi thọ
của máy quay, đặc biệt là trong trường hợp của máy phát điện turbo lớn, nơi mà thời gian
chết là rất tốn kém. Do nhu cầu ngày càng tăng về hoạt động liên tục, đáng tin cậy, công
suất cao và tốc độ cao, dự đốn chính xác ứng xử động của các máy như vậy ngày càng trở
nên quan trọng. Mặc dù mơ hình hiện tại lý thuyết và kỹ thuật được phát triển tốt, ứng xử
động không thể được dự đốn chính xác chủ yếu là do thiếu thông tin về độ mất cân bằng
và độ cứng của hệ thống giảm chấn và hệ số giảm chấn còn lại. Việc xác định mức độ tin
cậy của độ cứng K và hệ số giảm chấn C đóng một vai trị quan trọng trong dự đốn chính
xác ứng xử động học của thiết bị quay.
Trong những năm gần đây, các hướng nghiên cứu liên quan chủ yếu tập trung vào hai
khía cạnh:
-

Cải thiện hơn nữa hiệu quả cân bằng - phương pháp cân bằng không dùng phương
pháp khối lượng thử / chạy thử (no add trial mass and test runs)

-

Kiểm soát/điều khiển cân bằng chủ động (dùng Active Bearing Method)

14


T2019 - 16TĐ

Kết quả của một số Nhóm nghiên cứu và phương pháp tiếp cận được đề cập gần đây:
1. Khơng cần chạy thử / Test run, nhóm nghiên cứu Y. Xu, et. al. [9, 10]
2. Không cần thêm khối lượng thử / Trial Weight, do Y. A. Khulief et. al. [11]
3. Cân bằng sử dụng phương pháp điều khiển chủ động lực kích thích trong ổ đỡ (Active
Magnetic Bearings) do Yuanping Xu et. al. [12]
4. Cân bằng rotor theo qui luật bất đẳng hướng: Genfeng Lang et. al. [13]
5. Cân bằng tốc độ thấp + sử dụng lực kích thích bên ngồi, điển hình có nhóm nghiên
cứu Shachar Tresser et. al. [14].
6. Cân bằng theo phương pháp sử dụng phổ holo/ Holospectrum Method, Shi Liu et. al.
[15]
7. Cân bằng rotor có khuyết tật (vết nứt) do Chao Fu et. al. đề xuất [16]
8. Cân bằng trên nhiều mặt phẳng (Multi plane), n >3 , Guangfu Bin et. al., [17].
1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện tại, cân bằng động ở Việt Nam chủ yếu là cân bằng cho rotor trục cứng được
thực hiện phần lớn bởi các Hãng nước ngồi như : Bruel & Kjaer, Schencks, Oneprod… Do
đó, việc nghiên cứu chế tạo máy cân bằng động rotor trục mềm ở Việt Nam là một yêu cầu
cấp thiết, đặc biệt là lĩnh vực cân bằng tại hiện trường (field balancing).
Một số nhóm nghiên cứu tại Việt Nam về lĩnh vực này:
1. Ngô Kiều Nhi et al, Thiết kế chế tạo máy cân bằng, ĐHBK Tp.HCM, 2000 [18]
2. Nguyễn Văn Khang, Trần Văn Lượng, Nghiên cứu cân bằng động rotor trục
mềm, LVTS, ĐHBK Hà Nội, 2000 [19]
3. Lê Đình Tuân et al, Thực nghiệm cân bằng tùy động ứng dụng cho monorotor
lớn, DHBK Tp.HCM, Đề tài NCKH cấp Bộ, 2005, [20]
4. Nguyễn Tuấn Kiệt, Ma Văn Việt, Cân bằng rotor trục mềm, LVTS, DHBK
Tp.HCM 2005, [21].
5. Phạm Huy Hoàng, Nghiên cứu cân bằng động rotor trục mềm, ĐHBK Tp.HCM,
Đề tài NCKH cấp Trường, 2012, [22].
II. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, nhu cầu chế tạo, lắp đặt, vận hành, bảo trì các thiết bị quay đặc biệt (như
turbin trong các nhà máy nhiệt điện, hệ thống ly tâm…) trong nước là rất lớn [25]. Tuy

nhiên, lĩnh vực cân bằng động tại hiện trường (field balancing) toàn bộ đang sử dụng thiết
bị ngoại nhập và kinh nghiệm cân bằng của từng đơn vị. Do vậy, về lâu dài để nền sản xuất
15


T2019 - 16TĐ

công nghiệp trong nước phát triển bền vững và có thể theo kịp các nước khác trong khu vực,
chúng ta phải nghiên cứu để chủ động nắm được phương pháp, kỹ thuật, tự chế tạo các thiết
bị cân bằng động tại hiện trường đạt chất lượng, giảm giá thành, thời gian … để phục vụ
sản xuất. Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về dao động trong nước.
Với phương châm phát hiện kịp thời, chính xác các thơng số gây ra rung động trong các
thiết bị quay; đặc biệt là thông số mất cân bằng; để hạn chế tối đa hư hại gây ra cho máy
nhằm tăng tuổi thọ và chất lượng của máy khi vận hành; đồng thời từ đó giảm được chi phí
bảo trì, sửa chữa cũng như giúp tăng cường tính hiệu quả, ổn định, an tồn và tiết kiệm thời
gian. Chính vì vậy, đây là một đề tài mang tính cấp thiết khơng những trong mà ngồi nước.
III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất phương án, thiết kế, chế tạo một mô hình cân
bằng động rotor trục mềm vận hành với tốc độ cao (12.000 rpm) kết hợp đồng bộ với các
cảm biến quang đo chuyển vị. Mơ hình này sẽ góp phần phục vụ các nghiên cứu trong
lĩnh vực đo dao động, cụ thể là đo dao động trên đối tượng rotor trục mềm.
IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Trong nghiên cứu này, mơ hình được đề xuất là mơ hình Jeffcott rotor, đây là mơ hình
rotor được sử dụng nhiều trong nghiên cứu động lực học và cho phép phân tích các phản
ứng của rotor khi vận hành ở tốc độ cao.
V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đề xuất một phương pháp đồng bộ trong việc điều
khiển tốc độ vận hành của rotor cùng với các tín hiệu của sensor hồi tiếp (chuyển vị) + tín
hiệu encoder nhận biết vị trí (góc pha).
VI. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

-

Khảo sát các mơ hình rotor trục mềm hiện có trong và ngồi nước.

-

Nghiên cứu, phân tích, lựa chọn phương án thiết kế mơ hình.

-

Thiết kế và kiểm nghiệm Ansys mơ hình.

-

Chế tạo và thử nghiệm mơ hình.

-

Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

16


T2019 - 16TĐ

PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Các khái niệm cơ bản
Mục đích của phương pháp cân bằng động là tìm ra vị trí (góc pha ) và lượng dư mất
cân bằng U = W.r (với W là khối lượng mất cân bằng, r là khoảng cách từ khối lượng mất

cân bằng đến trục quay).
1.1.1 Khái niệm về rotor
Rotor (trục quay) để chỉ phần chuyển động, phần động, phần quay của máy như trong
động cơ điện hay máy phát điện.
Rotor trục cứng: là những rotor không biến dạng khi thay đổi tốc độ quay và không
vận hành tại tần số cộng hưởng của chúng, có thể cân bằng bằng cách bổ sung khối lượng
hiệu chỉnh phù hợp trong hai mặt phẳng dọc theo rotor.
Rotor trục mềm: Trường hợp cân bằng trong nhiều hơn hai mặt phẳng là cần thiết để
đạt được một điều kiện chấp nhận được trong phạm vi tốc độ hoạt động, rotor phải được
cân bằng như một rotor linh hoạt. Rotor linh hoạt là những rotor có biến dạng khi thay đổi
tốc độ quay; hay những rotor vận hành gần tần số cộng hưởng của chúng. Các trạng thái
biến dạng của rotor trục mềm:
Rotor trục mềm là mối quan tâm lớn đối với các chuyên gia về rung động và cân bằng,
khi chúng ngày càng được ứng dụng vào nhiều máy quay. Hầu hết các rotor tuabin đều
thuộc dạng rotor trục mềm, có nghĩa là chúng hoạt động ở chế độ uốn đầu tiên và đôi khi là
chế độ uốn thứ hai. Cân bằng rotor trục mềm phức tạp hơn nhiều so với cân bằng rotor trục
cứng. Rotor trục mềm liên tục thay đổi trạng thái đàn hồi của nó khi tốc độ quay thay đổi,
và đòi hỏi thêm các mặt phẳng cân bằng.
1.1.2 Cân bằng rotor trục cứng
Trong các rotor thực tế, các vị trí trục dọc và xuyên tâm khơng cân bằng và định hướng
của nó khơng xác định. Tùy thuộc vào hình dạng của các rotor trục cứng, cân bằng phương
thức một mặt phẳng hoặc hai mặt phẳng được sử dụng.

17


T2019 - 16TĐ

1.1.3 Cân bằng rotor trục mềm
Khi rotor biến dạng khi tiến tới một tốc độ tới hạn, đường trung tâm uốn cong xoay

quanh và các lực ly tâm bổ sung được thiết lập và cân bằng rotor trục cứng sẽ trở nên không
hiệu quả (đôi khi cân bằng rotor trục cứng làm giảm biên độ dao động của chế độ uốn).
1.2 CƠ SỞ TOÁN HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG
Hai phương pháp tính tốn lượng dư mất cân bằng cơ bản hiện nay là phương pháp cân
bằng phương thức (Modal Balancing) và phương pháp các hệ số ảnh hưởng (Influence
Coefficients Method-ICM). Ngoài 2 phương pháp trên, người ta còn áp dụng một số phương
pháp kết hợp khác như cân bằng hợp nhất (Unified Balancing Approach-UBA), tuy nhiên
nền tảng vẫn là dựa vào 2 phương pháp này. Hiện nay, phương pháp các hệ số ảnh hưởng
ICM đang được ứng dụng phổ biến trong các qui trình cân bằng động.
-

Cơ sở toán học của bài toán cân bằng trên 2 mặt phẳng bằng phương pháp ICM:

Lý thuyết cân bằng theo phương pháp áp dụng các hệ số ảnh hưởng ICM trên 2 mặt
phẳng xác định trước đã được các nhóm nghiên cứu ứng dụng thành công trên thế giới và
tại Việt Nam.
Phương trình vi phân chuyển động:

𝑀𝑥̈ + 𝐶𝑥̇ + 𝐾𝑥 = 𝐹0 sin 𝜔𝑡
Trong đó: M, C, K là các ma trận tương ứng khối lượng, giảm chấn, độ cứng.
𝐹(𝑡) = 𝐹0 sin 𝜔𝑡: Lực kích thích gây dao động.
Giả sử rotor bị mất cân bằng do một khối lượng W1 (chưa biết) nằm ở góc 1 (chưa biết)
ở mặt phẳng 1 và 1 khối lượng W2 (chưa biết) nằm ở góc 2 (chưa biết) ở mặt phẳng 2 của
rotor. Sơ đồ hình 3 cho thấy các lực mất cân bằng tác động lên mặt phẳng 1, gối đỡ 1, gối
đỡ 2 và mặt phẳng 2 lần lượt là các vectơ lực F, R, S và P.

18


T2019 - 16TĐ

Hình 1.1 Sơ đồ phân bố lực trên 2 gối đỡ sử dụng 2 mặt phẳng cân bằng

Ta có lực gây mất cân bằng tại các mặt phẳng1, 2 lần lượt là:
𝑊1 . 𝑎1 . ω2 𝜔2
𝐹=
=
𝑈 , 𝑈 = 𝑊1 𝑎1 ,
g
𝑔 1 1
𝑃=

𝑊2 . 𝑎2 . ω2 𝜔2
=
𝑈 , 𝑈 = 𝑊2 𝑎2 .
g
𝑔 2 2

Trong đó, với W1, W2 , a1, a2 lần lượt là khối lượng và khoảng cách lệch tâm của 2
đĩa.
Phương trình cân bằng vectơ tại 2 gối đỡ sẽ là:
𝛼11 ∙ 𝐹 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝛼12 ∙ 𝑃⃗ − 𝑅⃗ = 0

(1)

𝛼21 ∙ 𝐹 + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝛼22 ∙ 𝑃⃗ − 𝑆 = 0

(2)

Trong đó là các vectơ hệ số ảnh hưởng phụ thuộc vào các lực mất cân
bằng tại 2 gối đỡ.
Biểu diễn (1) và (2) dưới dạng số phức:
′
′ )( ′
′
′
(𝛼11
+ 𝑖𝛼11
𝐹 + 𝑖𝐹′) + (𝛼12
+ 𝑖𝛼12
)(𝑃′ + 𝑖𝑃′) = (𝑅′ + 𝑖𝑅′)

(3)

′
′ )( ′
′
′
(𝛼21
+ 𝑖𝛼21
𝐹 + 𝑖𝐹′) + (𝛼22
+ 𝑖𝛼22
)(𝑃′ + 𝑖𝑃′) = (𝑆′ + 𝑖𝑆′)

(4)

19


T2019 - 16TĐ

Khai triển phần thực và phần ảo của số phức:
′
𝛼11
′
𝛼11
′
𝛼21
′
[𝛼21

′
−𝛼11
′
𝛼11
′
−𝛼21
′
𝛼21

′
𝛼12
′
𝛼12
′
𝛼22

′
𝛼22

′
−𝛼12
𝐹′
𝑅′
′
𝑖
𝛼12 𝐹 𝑖
[ ] = [𝑅 ]
′
−𝛼22 𝑃′
𝑆′
𝑖
′
𝑆𝑖
𝛼22 ] 𝑃

(5)

Hay
[A][G] = [H]
Các hệ số ảnh hưởng được xác định bằng cách thêm đối trọng có khối lượng thử là B
lần lượt tại 2 đĩa 1 và đĩa 2, ta thu được các lực mất cân bằng mới là:
⃗⃗⃗
𝑇𝑟 =

𝜔2
⃗⃗⃗⃗

𝐵 , 𝑟 = 1, 2
𝑔 𝑟

Phương trình của lần chạy có khối lượng thử B sẽ là:
𝛼11 ∙ (𝐹 + ⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑇1 ) + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝛼12 ∙ 𝑃⃗ − ⃗⃗⃗⃗
𝑅1 = 0

(6)

⃗⃗⃗⃗⃗
𝛼21 ∙ (𝐹 + 𝑇
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝛼22 ∙ 𝑃⃗ − ⃗⃗⃗
𝑆1 = 0
1 ) + ⃗⃗⃗⃗⃗⃗

(7)

Từ (6) – (1) ta được:
𝛼11 ∙ ⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑇1 = ⃗⃗⃗⃗
𝑅1 − 𝑅⃗

(8)

Suy ra:

⃗⃗⃗⃗
𝑅1 − 𝑅⃗
𝑅1
𝑅
′
′
= 𝑒 𝑖(𝜀𝑅1 −𝜀𝑇1 ) − 𝑒 𝑖(𝜀𝑅−𝜀𝑇1 ) = 𝛼11
+ 𝑖𝛼11
⃗⃗⃗1
𝑇1
𝑇1
𝑇

𝛼11 =
⃗⃗⃗⃗⃗⃗

Tương tự với lần chạy thử 2:
𝛼21 =
⃗⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗
𝑆1 − 𝑆 𝑆1 𝑖(𝜀𝑆 −𝜀𝑇 ) 𝑆 𝑖(𝜀𝑆−𝜀𝑇 )
1 = 𝛼 ′ + 𝑖𝛼 ′
= 𝑒 1 1 − 𝑒
21
21
⃗⃗⃗1
𝑇1
𝑇1
𝑇

𝛼12 =
⃗⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗⃗2 − 𝑅⃗
𝑅
𝑅2 𝑖(𝜀𝑅 −𝜀𝑇 ) 𝑅 𝑖(𝜀𝑅−𝜀𝑇 )
2 = 𝛼 ′ + 𝑖𝛼 ′
=
𝑒 2 2 − 𝑒
12
12
⃗⃗⃗
𝑇
𝑇
𝑇2
2
2

𝛼22 =
⃗⃗⃗⃗⃗⃗

⃗⃗⃗
𝑆2 − 𝑆 𝑆2 𝑖(𝜀𝑆 −𝜀𝑇 ) 𝑆 𝑖(𝜀𝑆−𝜀𝑇 )
2 = 𝛼 ′ + 𝑖𝛼 ′
= 𝑒 2 2 − 𝑒
22
22
⃗⃗⃗2
𝑇2

𝑇2
𝑇

Do đó giải phương trình số phức ta thu được:
′
𝛼11
= 𝛼11 ∙ cos 𝜀11 =

𝑅1
𝑇1

𝑖
𝛼11
= 𝛼11 ∙ sin 𝜀11 =

𝑅1

′
𝛼21
= 𝛼21 ∙ cos 𝜀21 =

𝑆1

𝑇1
𝑇1

cos(𝜀𝑅1 − 𝜀𝑇1 ) −

𝑅
𝑇1

𝑅

sin(𝜀𝑅1 − 𝜀𝑇1 ) −

𝑇1

cos(𝜀𝑆1 − 𝜀𝑇1 ) −

𝑇1

𝑆

cos(𝜀𝑅 − 𝜀𝑇1 )

(9)

sin(𝜀𝑅 − 𝜀𝑇1 )

(10)

cos(𝜀𝑆 − 𝜀𝑇1 )

(11)

20


T2019 - 16TĐ
𝑖

𝛼21
= 𝛼21 ∙ sin 𝜀21 =

𝑆1

′
𝛼12
= 𝛼12 ∙ cos 𝜀12 =

𝑅2

𝑖
𝛼12
= 𝛼12 ∙ sin 𝜀12 =

𝑅2

′
𝛼22
= 𝛼22 ∙ cos 𝜀22 =

𝑆2

𝑖
𝛼22
= 𝛼22 ∙ sin 𝜀22 =

𝑆2

𝑇1

𝑇2
𝑇2
𝑇2
𝑇2

sin(𝜀𝑆1 − 𝜀𝑇1 ) −

𝑆
𝑇1

cos(𝜀𝑅2 − 𝜀𝑇2 ) −

𝑅

(13)

sin(𝜀𝑅 − 𝜀𝑇2 )

(14)

cos(𝜀𝑆 − 𝜀𝑇2 )

(15)

sin(𝜀𝑆 − 𝜀𝑇2 )

(16)

𝑇2

cos(𝜀𝑆2 − 𝜀𝑇2 ) −

𝑆
𝑇2
𝑆

𝑇2

(12)

cos(𝜀𝑅 − 𝜀𝑇2 )

𝑇2
𝑅

sin(𝜀𝑅2 − 𝜀𝑇2 ) −

sin(𝜀𝑆2 − 𝜀𝑇2 ) −

sin(𝜀𝑆 − 𝜀𝑇1 )

Từ phương trình (9) đến phương trình (16), ta tính được các hệ số ảnh hưởng


Từ đó:

[G] = [A]-1[H]

Tính ra:
𝐹′

𝑖
𝐹′
𝑃′
[𝐺] = [𝐹 ] , [𝐹] = [ 𝑖 ] , [𝑃] = [ 𝑖 ]
𝑃′
𝐹
𝑃
𝑃𝑖
Giá trị của lực mất cân bằng F, P sẽ là:
𝐹 = √(𝐹′)2 + (𝐹 𝑖 )2 , 𝑃 = √(𝑃′)2 + (𝑃𝑖 )2 ,
Do đó:
𝑈1 =

𝑔
𝑈1
𝐹
→
𝑊
=
1
𝜔2
𝑟1

𝑈2 =

𝑔
𝑈2
𝑃 → 𝑊2 =
2
𝜔

𝑟2

Với W1, W2 là 2 khối lượng cần thêm vào (hoặc lấy ra) tại các mặt phẳng tương ứng.
Góc điều chỉnh tương ứng W1, W2 là 1 và  được xác định:
𝐹𝑖
𝑊
𝜑𝐹 1 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( ′ ) + 1800 ,
𝐹
𝑊
𝜑𝑃 2

𝑃𝑖
= 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( ′ ) + 1800
𝑃

21


T2019 - 16TĐ

Hình 1.2 Hình dạng mode 1, 2, 3, 4 của rotor trục mềm

Hình 1.3 Chuyển vị của rotor tương ứng các mode trong không gian

22


T2019 - 16TĐ

Hình 1.4 Vị trí và số lượng mặt phẳng hiệu chỉnh cân bằng (mode 4)

23


T2019 - 16TĐ

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY
2.1 Sơ đồ nguyên lý máy cân bằng động

Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý mơ hình cân bằng động
1. Động cơ 2. Khớp nối mềm 3. Gối đỡ trục 4. Đĩa quay 5. Trục 6. Cảm biến

7. Tấm đế

2.2 Thiết kế tổng thể máy

Hình 2.2 Kết cấu tổng thể 3D của máy

24