Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các nhà máy, xí nghiệp được trang bị hệ thống máy móc, máy công cụ với số lượng ngày càng tăng và mức độ phức tạp ngày càng cao. Bên cạnh khâu thiết kế và chế tạo, công tác bảo trì, phục hồi và kéo dài tuổi thọ thiết bị đã trở thành một nhiệm vụ cấp thiết trong sản xuất công nghiệp. Trước đây, phương pháp kiểm tra truyền thống thường phụ thuộc vào việc dừng máy, tháo rời chi tiết và đánh giá trực quan dựa trên kinh nghiệm chủ quan của người thợ, gây gián đoạn sản xuất và tốn kém thời gian. Việc chuyển dịch sang phương pháp giám sát và chẩn đoán không phá hủy, không cần tháo dỡ máy móc khi đang vận hành là yêu cầu thực tiễn của ngành bảo trì công nghiệp. Đề tài "Chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của ổ lăn trên cơ sở phân tích rung động" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán chẩn đoán kỹ thuật tình trạng ổ bi trong quá trình làm việc thông qua tín hiệu dao động.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Xây dựng cơ sở lý thuyết về giám sát và phân tích rung động máy móc cơ khí.
  2. Phân tích và tìm hiểu các thông số, các yếu tố cấu thành nên phổ đồ thị dao động.
  3. Nghiên cứu, tìm hiểu các dạng phổ đồ thị và quy trình xử lý tín hiệu thu nhận từ phép đo.
  4. Xây dựng phổ đồ thị biểu diễn các dạng sai hỏng điển hình của chi tiết ổ bi.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các loại ổ lăn (trọng tâm là ổ bi đỡ và ổ bi đỡ chặn mã hiệu 7204). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thu thập và phân tích dạng phổ đồ thị tần số dao động thông qua phương pháp biến đổi Fourier nhanh (FFT), sử dụng thiết bị đo và chẩn đoán chuyên dụng CMXA_44 khảo sát trên mô hình hộp giảm tốc bánh răng hai cấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên hệ thống các định nghĩa và tiêu chuẩn về bảo trì kỹ thuật quốc tế (tiêu chuẩn AFNOR của Pháp, BS 3811:1984 của Anh, quan điểm của Total Productivity Development AB Thụy Điển và lý thuyết của Dimitri Kececioglu). Lý thuyết bảo trì được phân loại theo tiến trình phát triển qua 3 thế hệ: bảo trì sửa chữa khi hư hỏng (thế hệ 1), bảo trì phòng ngừa định kỳ theo thời gian FTC (thế hệ 2), và bảo trì trên cơ sở tình trạng CBM kết hợp bảo trì năng suất toàn bộ TPM và bảo trì tập trung vào độ tin cậy RCM (thế hệ 3).

Về mặt động học và kết cấu, tác giả vận dụng các công thức giải tích hình học để tính toán các thông số của ổ bi đỡ:

  • Công thức tính góc tiếp xúc tự do khi không tải: $$\cos \alpha_o = 1 - \frac{G_r}{2[(r_J + r_A) - D_w]}$$
  • Công thức tính khoảng hở dịch chuyển dọc trục: $$G_a = 2r_o \sqrt{1 - (1 - G_r / 2r_o)^2}$$ (trong đó $r_o = r_J + r_A - D_w$; $G_r$ là khoảng hở hướng kính; $r_J, r_A$ lần lượt là bán kính rãnh đỡ vòng trong và vòng ngoài; $D_w$ là đường kính con lăn).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết dao động cơ học và phương pháp thực nghiệm đo rung động. Tác giả khảo sát 9 phương pháp giám sát rung động trong chẩn đoán kỹ thuật:

  • Phương pháp giám sát âm.
  • Phương pháp giám sát rung động có tần số siêu âm (dải đo $36 \div 44\text{ kHz}$).
  • Phương pháp giám sát xung va đập (SPM, sử dụng cảm biến áp điện tần số cộng hưởng riêng $32\text{ kHz}$).
  • Phương pháp phân tích thống kê Kurtosis (xác định độ nhọn phân bố tín hiệu gia tốc: sóng vuông $\beta_2 = 1$, sóng hình sin $\beta_2 = 1.5$, phân bố chuẩn Gauss $\beta_2 = 3$).
  • Phương pháp giám sát rung động bằng tín hiệu âm (Acoustic Emission).
  • Phương pháp phân tích phổ tần số rung động (FFT).
  • Phương pháp phân tích dạng rung động (Mode Analysis).
  • Phương pháp phân tích tốc độ tới hạn thông qua biểu đồ Bode.
  • Phương pháp phân tích vị trí và quỹ đạo tâm trục (quỹ đạo Lissajous).

Hệ thống đo lường sử dụng cảm biến gia tốc áp điện (Piezo accelerometer), truyền tín hiệu qua cáp đến bộ khuếch đại, bộ lọc nhiễu, chuyển đổi tương tự - số (ADC) và xử lý bằng phần mềm phân tích phổ FFT. Tín hiệu rung động được tích phân từ gia tốc để suy ra vận tốc và chuyển vị nhằm tránh hiện tượng nhiễu của mạch vi phân. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ thiết bị đo CMXA_44 gắn trên mô hình hộp giảm tốc bánh răng hai cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Phần Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của công tác chẩn đoán kỹ thuật trong bảo dưỡng công nghiệp hiện đại; xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể; vạch rõ phạm vi khảo sát bằng thiết bị CMXA_44; nêu ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc nâng cao tính chủ động sửa chữa, rút ngắn thời gian ngừng máy và giảm sự phụ thuộc vào trực giác của thợ sửa chữa.

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương này phân tích toàn diện về quản lý bảo trì và kỹ thuật chẩn đoán rung động:

  • Phân loại bảo trì: Phân biệt bảo trì không kế hoạch (bảo trì phục hồi, bảo trì khẩn cấp) và bảo trì có kế hoạch (bảo trì phòng ngừa trực tiếp FTC, bảo trì phòng ngừa gián tiếp CBM, bảo trì cải tiến, bảo trì chính xác, TPM, RCM).
  • Đánh giá hiệu quả kinh tế của CBM: Dẫn chứng số liệu từ chính phủ Anh cho thấy CBM giúp ngành công nghiệp tiết kiệm khoảng 1,3 tỉ USD/năm; trong công nghiệp hóa dầu, chi phí bảo trì giảm xuống khoảng $9 \div 10\text{ USD/HP/năm}$; tính chung cứ 1 USD chi cho bảo trì theo tình trạng giúp tiết kiệm 5 USD (riêng ngành nhựa tiết kiệm $10 \div 22\text{ USD}$).
  • Tỷ lệ hoạt động giám sát: Trong bảo trì phòng ngừa dựa trên tình trạng, 70% hoạt động dựa trên đánh giá chủ quan và 30% dựa trên đo kiểm khách quan.
  • Cơ sở rung động học: Phân tích rung động áp dụng hiệu quả cho thiết bị quay có tốc độ trên 600 vòng/phút. Ba thông số cốt lõi gồm: chuyển vị (đo ở dải tần số thấp), vận tốc (dải tần số trung bình), gia tốc (dải tần số cao). Tần số chỉ ra dạng hư hỏng, biên độ chỉ mức độ nghiêm trọng, và pha mô tả trạng thái dao động.
  • Nguyên nhân và giải pháp kiểm soát rung động: Phân tích các nguyên nhân cốt lõi (mất cân bằng tĩnh/động, không đồng trục, ma sát cơ học, bánh răng mòn, độ rơ, lệch tâm ngõng trục, áp lực thủy động/khí động, biến dạng kết cấu). Đề xuất 5 giải pháp khống chế: giảm lực kích thích, tránh hiện tượng cộng hưởng, cách ly rung động, hấp thụ rung động và sử dụng các cơ cấu giảm chấn (giảm chấn giao diện ma sát khô, phủ lớp vật liệu giảm chấn).

Chương 2: Đặc điểm kết cấu và các thông số cơ bản của ổ lăn

Chương này tập trung vào cấu tạo cơ khí và các dạng hư hỏng vật liệu của ổ lăn:

  • Phân loại ổ lăn: Phân chia theo khả năng chịu tải (ổ đỡ, ổ đỡ chặn, ổ chặn), hình dạng con lăn (bi, côn, đũa, kim), khả năng tự lựa (lòng cầu, tự lựa dọc trục), và số dãy con lăn (1 dãy, 2 dãy, nhiều dãy).
  • Khả năng làm việc của các loại ổ:
    • Ổ bi đỡ 1 dãy: Cho phép trục nghiêng $15' \div 30'$, chịu lực dọc trục bằng 70% lực hướng tâm chưa sử dụng.
    • Ổ bi lòng cầu 2 dãy: Cho phép góc xoay trục đến $3^\circ$, chịu lực dọc trục bằng 20% lực hướng tâm chưa dùng.
    • Ổ đũa trụ ngắn 1 dãy: Khả năng tải hướng tâm gấp 1,7 lần ổ bi đỡ cùng kích thước, chịu va đập tốt, hầu như không chịu tải dọc trục.
    • Ổ bi đỡ chặn 1 dãy: Chế tạo với góc tiếp xúc $\alpha = 12^\circ, 26^\circ, 36^\circ$, khả năng tải gấp 1,4 lần ổ bi đỡ.
    • Ổ côn đỡ chặn 1 dãy: Góc tiếp xúc chia 2 nhóm $\alpha = 10^\circ \div 16^\circ$ và $\alpha = 25^\circ \div 30^\circ$, thuận tiện điều chỉnh khe hở.
  • Phân tích cơ chế hỏng hóc: Khảo sát hiện tượng mỏi cổ điển (rạn li ti dẫn đến rỗ bề mặt), mỏi do thiếu bôi trơn, mòn do tạp chất/chất bôi trơn nhiễm bẩn, sai lệch lắp đặt (tải trọng đặt trước hướng trục quá mức gây quá nhiệt, góc tilt làm lệch lực dẫn đến gãy vòng cách), và ảnh hưởng của độ cứng gân tăng cứng trên giá đỡ.
  • Thống kê tỷ lệ hư hỏng: Trình bày bảng dữ liệu phân bố tần suất các dạng hư hỏng chi tiết của ổ lăn.

Chương 3: Phân tích tình trạng kỹ thuật của ổ lăn bằng phương pháp phân tích phổ tần số dao động

Chương này xây dựng phương pháp luận nhận diện tín hiệu hư hỏng:

  • Cấu trúc hệ thống đo rung động: Sơ đồ đo gồm nguồn dao động $\rightarrow$ đầu đo gia tốc $\rightarrow$ cáp truyền (hữu tuyến, vô tuyến, quang) $\rightarrow$ mạch khuếch đại và lọc $\rightarrow$ bộ biến đổi ADC $\rightarrow$ khối phân tích FFT và lưu trữ.
  • Cơ chế nhận dạng hư hỏng theo phổ tần số: Phân tích dấu hiệu phổ dao động khi xuất hiện xung va đập tuần hoàn do khuyết tật trên từng bộ phận:
    • Hư hỏng vòng trong (tần số xuất hiện kèm dải biên điều chế bởi tốc độ quay trục).
    • Hư hỏng vòng ngoài (tần số xung va đập cố định theo số lượng con lăn đi qua vết hỏng).
    • Hư hỏng con lăn (tần số xoay quanh trục con lăn và tần số tiếp xúc hai bề mặt lăn).
    • Hư hỏng vòng cách (tần số thấp liên quan đến tốc độ lồng bi).
  • Dấu hiệu phổ trong các trạng thái cơ học bất thường: Phân tích đặc trưng phổ biên độ và phổ công suất đối với trường hợp ổ lăn bị mòn bề mặt, tróc vảy kim loại, ổ bi lắp lệch tâm so với trục, và ổ bi lắp lỏng cơ học so với gối đỡ/trục.

Chương 4: Xây dựng phương án thí nghiệm và khảo sát một số trường hợp điển hình

Chương này triển khai đo kiểm thực nghiệm:

  • Trang thiết bị thí nghiệm: Sử dụng thiết bị đo thu thập và phân tích phổ SKF Microlog CMXA_44 cùng cảm biến gia tốc chuyên dụng.
  • Đối tượng thử nghiệm: Ổ bi đỡ chặn mã hiệu 7204 lắp đặt trên mô hình hộp giảm tốc bánh răng hai cấp.
  • Thiết lập quy trình đo: Lựa chọn vị trí lắp đặt đầu đo trên vỏ gối đỡ theo các phương đo tiêu chuẩn (hướng kính thẳng đứng, hướng kính nằm ngang, dọc trục); kết nối cáp và thiết lập dải tần số khảo sát trên thiết bị CMXA_44.
  • Kết quả khảo sát phổ đồ thị: Ghi nhận và phân tích đồ thị phổ dao động thực tế trong 4 trường hợp làm việc điển hình:
    1. Ổ bi hoạt động bình thường ở trạng thái có tải.
    2. Ổ bi hoạt động bình thường ở trạng thái không tải.
    3. Ổ bi bị mòn sau quá trình làm việc.
    4. Ổ bi bị mòn và lỏng cơ học trong mối lắp ghép.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp các số liệu kỹ thuật và thống kê thực nghiệm về độ tin cậy và chẩn đoán hư hỏng ổ lăn:

Dạng hư hỏng của ổ lăn Tần suất xuất hiện (%)
Nứt và gãy chi tiết 49%
Tróc rỗ bề mặt làm việc 26%
Mài mòn cơ học 25%

Khóa luận đưa ra các kết quả cụ thể về mặt phương pháp và số liệu:

  • Xác lập dải thông số phân tích rung động: Khẳng định tính hiệu quả của phương pháp phân tích rung động đối với các thiết bị quay đạt vận tốc trên 600 vòng/phút.
  • Chỉ số đánh giá thống kê: Xác định tín hiệu rung động từ ổ bi ở trạng thái kỹ thuật tốt tuân theo phân bố chuẩn Gauss với hệ số Kurtosis $\beta_2 = 3$ (độc lập với kích thước và tốc độ vòng quay); sự biến đổi lệch khỏi giá trị 3 phản ánh mức độ nhọn của xung va đập do khuyết tật bề mặt.
  • Hiệu quả của phương pháp xung va đập (SPM): Dẫn chứng dữ liệu từ các nhà máy tại Thụy Sỹ cho thấy phương pháp đo xung va đập ở tần số cộng hưởng 32 kHz xác định chính xác 67% các hư hỏng ổ bi trong chu kỳ 5 năm.
  • Phổ thực nghiệm trên thiết bị CMXA_44: Tác giả đã trích xuất thành công các phổ tần số phản ánh sự khác biệt rõ rệt giữa ổ bi 7204 bình thường (có tải/không tải) và ổ bi bị khuyết tật mòn, rơ lỏng cơ học trên mô hình hộp số 2 cấp.

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Khuyến nghị áp dụng kỹ thuật đo gia tốc kết hợp tích phân tín hiệu để thu thập đồng thời chuyển vị, vận tốc và gia tốc dao động, hạn chế tối đa nhiễu tín hiệu điện tử.
  • Đề xuất quy trình chẩn đoán không phá hủy định kỳ bằng thiết bị CMXA_44 nhằm phát hiện sớm hiện tượng mòn, tróc rỗ rãnh lăn trước khi phát triển thành sự cố nứt gãy.
  • Kiểm soát chất lượng lắp ráp (khống chế góc nghiêng trục, đảm bảo độ đồng tâm) và chất lượng bôi trơn để loại trừ nguyên nhân mòn cưỡng bức và quá nhiệt.

Về mặt đóng góp học thuật và thực tiễn, đồ án đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết chẩn đoán kỹ thuật không phá hủy; cung cấp bộ dữ liệu so sánh phổ dao động của vòng bi 7204 trong các điều kiện tải trọng và mức độ sai hỏng khác nhau trên hộp giảm tốc hai cấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm khảo sát thực tế mới chỉ thực hiện trên đối tượng ổ bi đỡ chặn 7204 lắp trên mô hình hộp giảm tốc bánh răng hai cấp ở điều kiện phòng thí nghiệm; chưa tiến hành khảo sát mở rộng trên nhiều chủng loại ổ lăn khác (ổ đũa, ổ côn, ổ kim) và chưa kiểm chứng dưới điều kiện tải trọng phức tạp, biến thiên liên tục trong môi trường sản xuất công nghiệp thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng kiểm nghiệm trên các cụm trục công nghiệp có dải vận tốc và tải trọng đa dạng; kết hợp phân tích phổ dao động FFT với các phương pháp chẩn đoán bổ trợ như phân tích nhiệt độ (đồ thị nhiệt) và phân tích hạt kim loại trong dầu bôi trơn để nâng cao độ chính xác toàn diện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Cơ điện, Cơ khí Chế tạo máy và Quản trị Bảo trì Công nghiệp. Những nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Hệ thống công thức tính toán thông số hình học và góc tiếp xúc của ổ bi đỡ.
  • Bảng dữ liệu phân loại khả năng chịu tải và góc nghiêng cho phép của các loại ổ lăn.
  • Quy trình bố trí cảm biến gia tốc, kỹ thuật lọc nhiễu và phương pháp phân tích phổ tần số FFT bằng thiết bị SKF Microlog CMXA_44.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp bảo trì trên cơ sở tình trạng (CBM) mang lại hiệu quả kinh tế như thế nào theo số liệu trong tài liệu?
Theo các số liệu thống kê được nêu trong tài liệu, việc áp dụng CBM giúp nền công nghiệp tại Anh tiết kiệm khoảng 1,3 tỉ USD mỗi năm. Trong ngành hóa dầu, chi phí bảo trì giảm xuống còn $9 \div 10\text{ USD/HP/năm}$. Tổng quát, cứ 1 USD đầu tư cho bảo trì tình trạng sẽ tiết kiệm được 5 USD chi phí thiệt hại nói chung và từ $10 \div 22\text{ USD}$ trong ngành nhựa.

2. Đại lượng Kurtosis được sử dụng để đánh giá tình trạng ổ bi dựa trên nguyên lý nào?
Kurtosis phản ánh độ nhọn của đường cong mật độ phân bố xác suất biên độ gia tốc dao động. Đối với ổ bi ở trạng thái kỹ thuật tốt, tín hiệu rung động tuân theo phân bố chuẩn Gauss và có giá trị $\beta_2 = 3$ (không phụ thuộc vào kích thước và tốc độ ổ bi). Khi bề mặt ổ bi xuất hiện xung va đập do nứt rỗ, đỉnh nhọn tín hiệu tăng lên làm thay đổi giá trị này.

3. Tỷ lệ các dạng hư hỏng phổ biến nhất ở các chi tiết ổ lăn được thống kê ra sao?
Theo Bảng 2.1 trong văn bản, hư hỏng do nứt và gãy chiếm tỷ lệ cao nhất với 49%, tiếp theo là hư hỏng do tróc rỗ bề mặt chiếm 26%, và hư hỏng do mài mòn chiếm 25%.

4. Tại sao trong kỹ thuật đo rung động, việc đo gia tốc rồi tích phân lại ưu việt hơn việc lấy vi phân từ vận tốc?
Tài liệu chỉ ra rằng việc tính toán vận tốc và chuyển vị từ tín hiệu gia tốc bằng phép tích phân cho tín hiệu ổn định, do mạch điện tử tích phân có khả năng chống nhiễu tốt. Ngược lại, nếu đo vận tốc rồi lấy vi phân để suy ra gia tốc thì tín hiệu rất dễ bị méo và khuếch đại nhiễu do bản chất của mạch vi phân.

5. Phương pháp đo xung va đập (SPM) sử dụng loại cảm biến nào và có hiệu quả chẩn đoán ra sao?
Phương pháp SPM sử dụng đầu dò gia tốc áp điện có tần số cộng hưởng riêng ở mức 32 kHz để thu các xung va đập tần số cao khi con lăn chuyển động qua vùng rạn vỡ mỏi, đồng thời loại bỏ các dao động tần số thấp thông thường của máy. Theo báo cáo từ các nhà máy ở Thụy Sỹ, 67% các hư hỏng ở ổ bi trong vòng 5 năm đã được phát hiện chính xác nhờ phương pháp này.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của ổ lăn trên cơ sở phân tích rung động" đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý luận về quản lý bảo trì và các phương pháp giám sát rung động không phá hủy trong cơ khí. Nghiên cứu đã làm rõ các thông số hình học, động học và cơ chế gây hư hỏng điển hình của ổ lăn như mòn, mỏi rỗ bề mặt và lệch tâm. Thông qua việc đo đạc thực nghiệm bằng thiết bị chuyên dụng CMXA_44 trên mô hình hộp giảm tốc bánh răng hai cấp, tác giả đã xây dựng thành công các dạng phổ tần số FFT đặc trưng cho ổ bi 7204 ở trạng thái bình thường và trạng thái hư hỏng cơ học, đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị cho công tác bảo trì dự đoán.