Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí: Cân Bằng Động Trục Khuỷu Động Cơ 6 Xylanh Sử Dụng Phương Pháp Hệ Số Ảnh Hưởng

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Đình Tuân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Thực nghiệm cân bằng động trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh sử dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu tổng thể
• 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu áp dụng cụ thể
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.7.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.7.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÂN BẰNG ĐỘNG
• 2.1. Tổng quan về cân bằng và nguyên tắc cân bằng
• 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của cân bằng rotor
• 2.1.2. Mất cân bằng của vật quay cứng
• 2.1.3. Điều kiện cân bằng vật quay
• 2.1.4. Các dạng cân bằng vật quay
• 2.1.5. Ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động
• 2.2. Phương pháp cân bằng vật quay
• 2.2.1. Phương pháp cân bằng tĩnh
• 2.2.2. Phương pháp cân bằng động
• 2.2.2.1. Cân bằng động bằng phương pháp khởi động ba lần
• 2.2.2.2. Cân bằng động bằng phương pháp khởi động hai lần
• 2.2.2.3. Cân bằng động bằng phương pháp ba lần tiếp tục gắn tải trọng thử
• 2.3. Tổng quan về ứng dụng cân bằng vật quay trên các máy cân bằng động hiện nay
• 2.3.1. Khái niệm độ tin cậy động lực học của vật quay
• 2.3.2. Phương pháp cân bằng mode
• 2.3.3. Phương pháp hệ số ảnh hưởng
• 2.3.3.1. Phương pháp cân bằng một mặt
• 2.3.3.2. Phương pháp cân bằng hai mặt
• 2.3.3.3. Khả năng cân bằng với lần chạy duy nhất
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG
• 3.1. Tổng quan về máy cân bằng động
• 3.1.1. Hệ giao động và nguyên lý làm việc của máy cân bằng động
• 3.1.2. Giới thiệu một số máy cân bằng của nước ngoài
• 3.1.3. Máy cân bằng động trong nước
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CÂN BẰNG ĐỘNG CHI TIẾT QUAY
• 4.1. Phương pháp kiểm nghiệm phương pháp các hệ số ảnh hưởng
• 4.1.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm và thu thập số liệu trong cân bằng động một mặt
• 4.1.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm và thu thập số liệu trong cân bằng động hai mặt
• 4.1.3. Phương pháp xử lý tín liệu – khử nhiễu
• 4.2. Thuật toán Fourier rời rạc (DFT)
• 4.3. Phương pháp đánh giá độ tin cậy của phương pháp hệ số ảnh hưởng
• 4.3.1. Chế độ làm việc với chất lượng cân bằng
• 4.3.2. Tiêu chuẩn cân bằng động
• 4.3.2.1. Dung sai cân bằng
• 4.3.2.2. Chỉ tiêu giao động
• 4.3.2.3. Tiêu chuẩn ISO 1940 về chất lượng cân bằng rotor cứng
• 4.4. Phương tiện thực nghiệm cân bằng động
• 4.4.1. Máy cân bằng động HnB75B
• 4.4.2. Trang thiết bị và dụng cụ đo
• 4.4.2.1. Vật quay mẫu
• 4.4.2.2. Dụng cụ đo sử dụng trong thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG CÂN BÀNG ĐỘNG TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ SÁU XY-LANH THẲNG HÀNG
• 5.1. Kết quả khảo sát thông số đo cân bằng động vật quay lên hệ giao động của máy cân bằng động
• 5.1.1. Tốc độ quay lên hệ giao động
• 5.1.2. Lượng mất cân bằng lên hệ giao động
• 5.2. Kết quả thực nghiệm trên rotor mẫu nhằm kiểm nghiệm phương pháp các hệ số ảnh hưởng
• 5.2.1. Kết quả kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng áp dụng trong cân bằng một mặt
• 5.2.2. Kết quả kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng áp dụng trong cân bằng hai mặt
• 5.3. Kết quả về việc cài đặt tiêu chuẩn ISO 1940/1 vào chương trình điều khiển
• 5.4. Ứng dụng cân bằng động trục khuỷu động cơ sáu xy-lanh thẳng hàng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết quả đạt được
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1 Kết quả khảo nghiệm
• Phụ lục 2 Hệ thống hóa các quy trình cân bằng rotor một mặt, rotor hai mặt và ứng dụng cân bằng rotor thực
• Phụ lục 3 Cấu tạo băng thử cân bằng động HnB75B và phương tiện
• Phụ lục 4 Một số quy trình vận hành máy
• 4.1. QUY TRÌNH CÂN BẰNG CHUẨN
• 4.2. HƯỚNG DẪN QUY CHUẨN ISO 1940

I. Giới thiệu về Luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Cân bằng động trục khuỷu động cơ 6 xylanh bằng phương pháp hệ số ảnh hưởng' được thực hiện bởi Nguyễn Thanh Tùng tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng để cân bằng động cho trục khuỷu của động cơ 6 xylanh, nhằm giảm thiểu rung động và tăng tuổi thọ của động cơ. Cân bằng động là một kỹ thuật quan trọng trong cơ khí động lực, đặc biệt là với các động cơ đốt trong hiện đại.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu lý thuyết về cân bằng động và ứng dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng trong việc xác định lượng mất cân bằng của trục khuỷu. Nghiên cứu cũng nhằm kiểm nghiệm phương pháp này thông qua thực nghiệm trên các vật quay mẫu và trục khuỷu thực tế, từ đó đưa ra các giải pháp cân bằng hiệu quả cho động cơ 6 xylanh.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận văn có ý nghĩa khoa học lớn khi cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm cho cân bằng động. Về mặt thực tiễn, nghiên cứu giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của động cơ đốt trong, giảm thiểu rung động và tiếng ồn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp ô tô và cơ khí.

II. Cơ sở lý thuyết về cân bằng động

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về cân bằng động, bao gồm nguyên tắc cân bằng, các dạng mất cân bằng và phương pháp cân bằng vật quay. Cân bằng tĩnh và cân bằng động được phân biệt rõ ràng, với trọng tâm là phương pháp hệ số ảnh hưởng. Phương pháp này dựa trên việc xác định các hệ số ảnh hưởng từ các thông số đo lường để tính toán lượng mất cân bằng và đưa ra giải pháp cân bằng hiệu quả.

2.1. Nguyên tắc cân bằng

Nguyên tắc cân bằng dựa trên việc xác định và loại bỏ các lực ly tâm gây ra bởi sự phân bố khối lượng không đều trên trục khuỷu. Cân bằng tĩnh được áp dụng cho các vật quay có chiều dài ngắn, trong khi cân bằng động được sử dụng cho các vật quay dài và phức tạp hơn như trục khuỷu.

2.2. Phương pháp hệ số ảnh hưởng

Phương pháp hệ số ảnh hưởng là một kỹ thuật tiên tiến trong cân bằng động, dựa trên việc đo lường các thông số dao động và tính toán các hệ số ảnh hưởng để xác định lượng mất cân bằng. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các máy cân bằng động hiện đại.

III. Thực nghiệm và kết quả

Chương này trình bày chi tiết quá trình thực nghiệm cân bằng động trên các vật quay mẫu và trục khuỷu thực tế. Các thí nghiệm được thực hiện trên máy cân bằng động HnB75B, với mục tiêu kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp hệ số ảnh hưởng. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này có độ chính xác cao và hiệu quả trong việc giảm thiểu rung động.

3.1. Thực nghiệm trên vật quay mẫu

Các thí nghiệm được thực hiện trên vật quay mẫu để kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp hệ số ảnh hưởng trong cân bằng động một mặt và cân bằng động hai mặt. Kết quả cho thấy phương pháp này đạt độ chính xác cao và có thể áp dụng hiệu quả trong thực tế.

3.2. Ứng dụng trên trục khuỷu động cơ

Nghiên cứu cũng áp dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng để cân bằng trục khuỷu của động cơ xe Daewoo Magnus 6 xylanh. Kết quả cho thấy rung động được giảm thiểu đáng kể, chứng minh tính hiệu quả của phương pháp trong thực tế.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn kết luận rằng phương pháp hệ số ảnh hưởng là một công cụ hiệu quả trong cân bằng động, đặc biệt là với các động cơ 6 xylanh. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến phương pháp và ứng dụng rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp cơ khí và ô tô.

4.1. Kết quả đạt được

Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp hệ số ảnh hưởng trong việc cân bằng trục khuỷu, giảm thiểu rung động và nâng cao hiệu suất của động cơ. Các kết quả thực nghiệm đều đạt được độ chính xác cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế.

4.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu đề xuất việc phát triển thêm các phương pháp cân bằng tiên tiến và ứng dụng rộng rãi hơn trong các ngành công nghiệp khác nhau. Đồng thời, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của phương pháp hệ số ảnh hưởng.

Tổng quan nghiên cứu

Mất cân bằng động là nguyên nhân chính gây ra rung động và hư hại trong các máy có chuyển động quay, đặc biệt là các thiết bị đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Theo ước tính, rung động do mất cân bằng có thể làm giảm tuổi thọ máy và ảnh hưởng đến chất lượng vận hành. Luận văn tập trung nghiên cứu thực nghiệm cân bằng động trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh thẳng hàng sử dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng, được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của các thông số cân bằng động như tốc độ quay và lượng mất cân bằng lên hệ dao động của máy cân bằng động HnB75B, kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng trong cân bằng động một mặt và hai mặt, đồng thời ứng dụng phương pháp này để cân bằng động trục khuỷu động cơ thực tế.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vật quay mẫu và trục khuỷu động cơ Daewoo Magnus sáu xy-lanh thẳng hàng, sử dụng máy cân bằng động HnB75B. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển lý thuyết cân bằng động mà còn góp phần nâng cao hiệu quả thực nghiệm và ứng dụng trong công nghiệp cơ khí, giúp giảm rung động, tiếng ồn, tăng tuổi thọ và độ chính xác của các chi tiết quay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết cân bằng động rotor, trong đó điều kiện cân bằng được xác định khi vector lực quán tính chính và moment chính bằng không. Đối với các máy có trục quay song song, điều kiện cân bằng được rút gọn thành bốn phương trình liên quan đến lực và moment quán tính trên các trục tọa độ. Lý thuyết phân biệt ba dạng mất cân bằng: mất cân bằng tĩnh, mất cân bằng động và mất cân bằng hỗn hợp, trong đó mất cân bằng hỗn hợp là phổ biến nhất đối với các chi tiết có kích thước dọc trục lớn như trục khuỷu.

Phương pháp cân bằng động được nghiên cứu bao gồm:

• Phương pháp cân bằng mode: dựa trên quan hệ giữa lực kích thích và dao động qua hàm truyền độ cứng động lực học, thích hợp cho cả vật quay cứng và mềm.
• Phương pháp hệ số ảnh hưởng: xác định các trọng lượng hiệu chuẩn gắn vào mặt phẳng cân bằng, đo dao động và tính toán lượng mất cân bằng dựa trên giả thuyết hệ thống tuyến tính. Phương pháp này được áp dụng phổ biến trong máy cân bằng động hiện đại do tính chính xác và khả năng tự động hóa cao.

Ba phương pháp cân bằng động truyền thống (khởi động ba lần, hai lần, ba lần tiếp tục gắn tải trọng thử) cũng được trình bày để so sánh về ưu nhược điểm và thời gian thực hiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu thực nghiệm thu thập từ máy cân bằng động HnB75B tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu bao gồm vật quay mẫu và trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh thẳng hàng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của vật quay mẫu và trục khuỷu thực tế trong các ứng dụng công nghiệp.

Phân tích dữ liệu sử dụng thuật toán Fourier rời rạc (DFT) để xử lý tín hiệu dao động, khử nhiễu và xác định biên độ, pha dao động. Các phép đo được thực hiện ở nhiều tốc độ quay và các mức mất cân bằng khác nhau để khảo sát ảnh hưởng lên hệ dao động. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý số liệu, đến ứng dụng thực nghiệm trên trục khuỷu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tốc độ quay lên hệ dao động: Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tốc độ quay tăng từ khoảng 500 đến 3000 vòng/phút, biên độ dao động của hệ thống máy cân bằng động tăng lên rõ rệt, với mức tăng dao động lên đến 35% so với tốc độ thấp nhất. Điều này chứng tỏ tốc độ quay là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến rung động do mất cân bằng.

2. Ảnh hưởng của lượng mất cân bằng lên hệ dao động: Khi lượng mất cân bằng tăng từ 5g đến 20g trên vật quay mẫu, biên độ dao động cũng tăng tương ứng khoảng 40%, cho thấy sự phụ thuộc tuyến tính giữa lượng mất cân bằng và mức độ rung động.

3. Kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng trong cân bằng một mặt: Thực nghiệm trên vật quay mẫu cho thấy phương pháp này đạt độ chính xác cao, với sai số lượng mất cân bằng còn lại sau cân bằng dưới 5% so với lượng mất cân bằng ban đầu.

4. Kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng trong cân bằng hai mặt: Ứng dụng trên trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh, phương pháp cân bằng hai mặt giảm biên độ dao động còn dưới 10% so với trước cân bằng, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 1940/1 về chất lượng cân bằng rotor cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do lực ly tâm và moment quán tính tăng theo tốc độ quay và lượng mất cân bằng, làm tăng biên độ dao động của hệ thống. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết về cân bằng động và các báo cáo thực nghiệm trong ngành cơ khí động lực. Việc áp dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng giúp giảm số lần chạy thử và tăng độ chính xác trong cân bằng động, đồng thời phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 1940/1.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quay và biên độ dao động, cũng như bảng số liệu so sánh biên độ dao động trước và sau cân bằng cho từng phương pháp. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng trong cân bằng động cho các loại rotor phức tạp nhằm nâng cao độ chính xác và giảm thời gian cân bằng, đặc biệt trong các nhà máy sản xuất động cơ và máy móc công nghiệp, trong vòng 12 tháng tới.

2. Nâng cấp và tự động hóa máy cân bằng động HnB75B bằng việc tích hợp phần mềm xử lý tín hiệu và thuật toán Fourier rời rạc để cải thiện khả năng phân tích và xử lý dữ liệu, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành máy cân bằng động về phương pháp các hệ số ảnh hưởng và kỹ thuật đo dao động hiện đại, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị, thực hiện liên tục trong các khóa đào tạo chuyên sâu.

4. Xây dựng tiêu chuẩn nội bộ và quy trình vận hành máy cân bằng động dựa trên tiêu chuẩn ISO 1940/1, đảm bảo chất lượng cân bằng đồng nhất và kiểm soát chất lượng sản phẩm, áp dụng trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư cơ khí và kỹ thuật viên vận hành máy cân bằng động: Nắm vững phương pháp các hệ số ảnh hưởng và kỹ thuật đo dao động giúp nâng cao hiệu quả cân bằng và giảm thiểu lỗi vận hành.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực cơ khí động lực: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn về cân bằng động và ứng dụng trong thiết kế máy.

3. Các doanh nghiệp sản xuất động cơ và máy móc công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật cơ khí: Là nguồn tham khảo quý giá cho luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan đến cân bằng động và phân tích dao động cơ học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp các hệ số ảnh hưởng là gì và ưu điểm của nó?
   Phương pháp các hệ số ảnh hưởng xác định lượng mất cân bằng dựa trên các trọng lượng hiệu chuẩn gắn vào rotor và đo dao động tương ứng. Ưu điểm là độ chính xác cao, phù hợp với hệ thống tuyến tính và giảm số lần chạy thử, giúp tiết kiệm thời gian.

2. Tại sao cần cân bằng động cho trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh?
   Trục khuỷu có cấu trúc phức tạp và hoạt động ở tốc độ cao, dễ bị mất cân bằng gây rung động lớn, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất động cơ. Cân bằng động giúp giảm rung động, tiếng ồn và tăng độ bền.

3. Tiêu chuẩn ISO 1940/1 áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   Tiêu chuẩn ISO 1940/1 quy định dung sai cân bằng động cho rotor cứng. Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn này để đánh giá chất lượng cân bằng sau thực nghiệm, đảm bảo kết quả đạt yêu cầu kỹ thuật quốc tế.

4. Máy cân bằng động HnB75B có những tính năng gì nổi bật?
   Máy HnB75B có hệ dao động ổn định, trang bị cảm biến áp điện và bộ khuếch đại điện tích, hỗ trợ đo dao động chính xác, tích hợp thuật toán Fourier rời rạc để xử lý tín hiệu, phù hợp cho cân bằng động rotor một mặt và hai mặt.

5. Làm thế nào để giảm thời gian cân bằng động trong thực tế?
   Áp dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng kết hợp với đo pha và biên độ dao động, sử dụng phần mềm tính toán tự động, giảm số lần chạy thử và thao tác gắn đối trọng, từ đó nâng cao năng suất và độ chính xác.

Kết luận

• Nghiên cứu đã khảo sát thành công ảnh hưởng của tốc độ quay và lượng mất cân bằng lên hệ dao động của máy cân bằng động HnB75B, với biên độ dao động tăng đến 35-40% khi các thông số này tăng.
• Phương pháp các hệ số ảnh hưởng được kiểm nghiệm và chứng minh có độ tin cậy cao trong cân bằng động một mặt và hai mặt, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 1940/1.
• Ứng dụng thực nghiệm trên trục khuỷu động cơ 6 xy-lanh thẳng hàng cho thấy phương pháp này hiệu quả trong giảm rung động và nâng cao chất lượng cân bằng.
• Đề xuất nâng cấp thiết bị, đào tạo nhân lực và xây dựng quy trình vận hành chuẩn để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
• Các bước tiếp theo bao gồm tự động hóa quy trình cân bằng, mở rộng nghiên cứu cho các loại rotor mềm và phức tạp hơn, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ phân tích dữ liệu cân bằng động.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả vận hành và độ bền của các thiết bị quay trong ngành cơ khí động lực.