Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Đoàn Minh Tường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Huy Bích
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phân Tích Phổ Tần Số Rung Của Động Cơ Nhằm Đánh Giá Tình Trạng Làm Việc Của Động Cơ
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Phổ Tần Số Rung Của Động Cơ

Phổ tần số rung của động cơ là một công cụ quan trọng trong chẩn đoán kỹ thuật hiện đại. Rung động là hiện tượng tự nhiên xuất hiện trong mọi thiết bị cơ khí, đặc biệt là các động cơ hoạt động. Khi phân tích phổ tần số rung, các kỹ sư có thể xác định được tình trạng làm việc thực tế của động cơ mà không cần tháo dỡ máy. Phổ tần số được thu nhận thông qua cảm biến gia tốc và xử lý bằng biến đổi Fourier FFT. Qua đó, tín hiệu rung động được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số, giúp phát hiện các lỗi như mất cân bằng, lỏng lẻo cơ khí, hay hư hỏng ổ trục. Đây là phương pháp không phá hủy và rất hiệu quả trong bảo trì dự phòng.

1.1. Định Nghĩa Rung Động Và Tính Chất

Rung động là chuyển động dao động của vật thể quanh vị trí cân bằng. Tính chất của rung động bao gồm biên độ, tần số và pha. Rung động có thể được biểu diễn trong miền thời gian (dạng sóng theo thời gian) hoặc miền tần số (thành phần tần số). Phổ tần số rung cho phép xác định những tần số chủ yếu trong tín hiệu, từ đó nhận biết các khuyết tật cơ khí của động cơ.

1.2. Nguồn Gốc Rung Động Trong Động Cơ

Rung động trong động cơ xuất phát từ nhiều nguyên nhân: không cân bằng quán tính, xéc măng bị mòn, lỏng lẻo cơ khí, và sai lệch trục. Phân tích phổ tần số rung giúp xác định chính xác nguyên nhân gốc rễ của vấn đề. Mỗi loại khuyết tật sẽ tạo ra đặc trưng tần số khác nhau, dễ dàng nhận diện và xử lý.

II. Phương Pháp Phân Tích Phổ Tần Số Rung

Phân tích phổ tần số rung sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu hiện đại để chuyển đổi dữ liệu rung động từ miền thời gian sang miền tần số. Phương pháp chính là biến đổi Fourier FFT (Fast Fourier Transform), cho phép phân tách tín hiệu phức tạp thành các thành phần tần số riêng lẻ. Bên cạnh đó, phân tích hình bao (Envelope Analysis) được dùng để phát hiện các khuyết tật cao tần, còn phân tích Kurtosis giúp xác định các sự kiện xung động bất thường. Những công cụ này được tích hợp trong các bộ thu thập dữ liệu kỹ thuật như TVE-T01, sử dụng cảm biến gia tốc và xử lý dữ liệu qua phần mềm LabVIEW hoặc các ứng dụng chuyên dụng khác.

2.1. Biến Đổi Fourier FFT Trong Phân Tích Tín Hiệu

Biến đổi Fourier FFT là nền tảng của phân tích phổ tần số rung. Nó chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian thành miền tần số, giúp nhận diện các thành phần tần số chủ yếu. Kỹ thuật này cho phép kỹ sư phát hiện các tần số cộng hưởng và các tần số đặc trưng của khuyết tật, từ đó đánh giá tình trạng sức khỏe động cơ một cách chính xác.

2.2. Phân Tích Hình Bao Và Kurtosis

Phân tích hình bao (Envelope Analysis) tập trung vào các tín hiệu cao tần được tạo ra bởi các khuyết tật như mòn ổ trục. Phân tích Kurtosis đo độ nhọn của phân bố tín hiệu, giúp phát hiện các sự kiện xung động bất thường. Hai phương pháp này bổ sung cho phân tích FFT trong việc chẩn đoán tình trạng động cơ toàn diện.

III. Hệ Thống Đo Lường Và Thiết Bị Chẩn Đoán

Để thực hiện phân tích phổ tần số rung của động cơ, cần có hệ thống đo lường chuyên biệt gồm cảm biến gia tốc, bộ xử lý dữ liệu và phần mềm phân tích. Cảm biến gia tốc là thiết bị chính, phát hiện dao động và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Bộ TVE-T01 là một giải pháp tích hợp bao gồm khối nguồn, vi điều khiển PSoC, mạch A/D chuyên dụng, khối lọc analog cho cảm biến, và giao diện UART để truyền dữ liệu. Các dữ liệu thu nhận được xử lý qua phần mềm LabVIEW hoặc các ứng dụng khác, cung cấp giao diện đồ họa trực quan cho kỹ sư phân tích. Hệ thống này cho phép chẩn đoán kỹ thuật động cơ nhanh chóng và chính xác.

3.1. Cảm Biến Gia Tốc Và Khối Thu Thập Dữ Liệu

Cảm biến gia tốc là thành phần cốt lõi, gắn trực tiếp trên thân động cơ để phát hiện rung động. Khối TVE-T01 tích hợp vi điều khiển PSoC, mạch chuyển đổi A/D 12-bit độ phân giải cao, và các bộ lọc analog để loại bỏ nhiễu. Dữ liệu được truyền qua cổng UART với tốc độ cao, cho phép phân tích phổ tần số rung thời gian thực.

3.2. Phần Mềm Phân Tích Và Xử Lý Tín Hiệu

Phần mềm LabVIEW cung cấp công cụ mạnh mẽ để xử lý và hiển thị phổ tần số rung. Nó tích hợp các thuật toán FFT, phân tích hình bao, và tính toán các chỉ số rung động. Giao diện thân thiện cho phép kỹ sư dễ dàng nhập dữ liệu, chạy phân tích, và xuất kết quả báo cáo chi tiết về tình trạng động cơ.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Ý Nghĩa Của Phân Tích Phổ Tần Số

Phân tích phổ tần số rung của động cơ có ứng dụng rộng rãi trong bảo trì công nghiệp hiện đại. Phương pháp này cho phép chẩn đoán sớm các khuyết tật trước khi chúng gây hư hỏng nghiêm trọng, từ đó giảm chi phí bảo trì và tăng độ tin cậy thiết bị. Qua việc theo dõi phổ tần số rung theo thời gian, kỹ sư có thể xây dựng các mô hình dự báo tuổi thọ của thiết bị và lên kế hoạch bảo trì dự phòng hợp lý. Các ngành công nghiệp như năng lượng, sản xuất, và vận tải đều áp dụng kỹ thuật này. Đặc biệt, việc sử dụng hệ thống TVE-T01 giúp tinh gọn quy trình, giảm thời gian đo lường, và cung cấp kết quả chính xác, hỗ trợ quyết định bảo trì kịp thời.

4.1. Phát Hiện Sớm Khuyết Tật Và Bảo Trì Dự Phòng

Phân tích phổ tần số rung cho phép phát hiện các dấu hiệu cảnh báo sớm trước khi động cơ hỏng. Bằng cách theo dõi sự thay đổi phổ tần số định kỳ, kỹ sư có thể xác định thời điểm tối ưu để bảo trì, tránh tình trạng máy ngừng hoạt động đột ngột. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị quan trọng trong sản xuất.

4.2. Mô Hình Dự Báo Tuổi Thọ Thiết Bị

Dữ liệu rung động và phổ tần số theo thời gian tạo nên cơ sở dữ liệu quý báu để xây dựng mô hình dự báo tuổi thọ. Các kỹ sư có thể sử dụng những số liệu này để dự đoán khi nào sẽ cần thay thế linh kiện, giúp tối ưu hóa chi phí bảo trì và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Hàng năm, các công ty sản xuất ô tô phải bỏ ra một khoản chi phí khá lớn để sửa chữa bảo dưỡng động cơ. Khi sự cố xảy ra sẽ gây ra những tổn thất rất lớn cho sản xuất cũng như công tác quản lý bảo dưỡng sửa chữa. Xuất phát từ những vấn đề này, ngành công nghiệp ô tô đã có những giải pháp chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ với sự trợ giúp của các ngành như công nghệ điện tử, công nghệ thông tin thì kỹ thuật giám sát và chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ đã có những bước tiến nhảy vọt. Các thuật toán như FFT [01] và những phần mềm quản lý đã được ứng dụng vào khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cho phép giám sát và chẩn đoán chính xác tình trạng làm việc của động cơ.

Hệ thống giám sát sẽ chịu trách nhiệm phân tích các hiện tượng xuất hiện trong quá trình làm việc của động cơ như tiếng ồn, rung động và kiểm tra tình trạng làm việc thực tế của động cơ, phát hiện các trạng thái làm việc bất thường của động cơ, từ đó có thể chẩn đoán được tình trạng làm việc của động cơ cũng như những hư hỏng. Khi động cơ làm việc, ảnh hưởng của sự rung động là rất nghiêm trọng. Động cơ có thể bị thiệt hại bởi sự rung động. Nếu sự rung động xảy ra khi có sự công hưởng tần số thì nó có thể làm nứt hoặc gãy một vài phần như là đai ốc, bu lông bởi do mỏi.

Rung động mang tính dây chuyền do đó từ một chi tiết rung động bất thường sẽ gây ra các hư hỏng cho nhiều chi tiết trên động cơ. Sự rung động nếu không được loại bỏ, cách ly thì nó truyền qua bất kỳ hệ thống nào liên kết với động cơ như hệ thống điện, hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống truyền động, hộp số, vi sai, khung sườn ô tô, v. Chính vì vậy “Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ” là một công việc hết sức quan trọng và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán, bảo dưỡng sửa chữa và phòng ngừa hư hỏng động cơ.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, trên thế giới có nhiều nhà khoa học, nhiều kỹ sư đã nghiên cứu về rung động của động cơ và đã đạt được những kết quả thiết thực mang tính ứng dụng thực tiễn cao. Hoàng Ngọc Thiên Vũ [02] đã nghiên cứu và xây dựng được phần mền chẩn đoán hư hỏng cơ bản trong truyền động bánh răng, dựa trên phương pháp wavelet packet.

Thực nghiệm thông qua thu và xử lý tín hiệu rung động từ hệ thống cơ khí, đã thu được những kết quả khả quan như: nhận rạng được những hư hỏng truyền động bánh răng, thiết kế được chương trình phép biến đổi Fourier, phương pháp wavelet packet, tạo nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu rung động. Mô hình thực nghiệm được hư hỏng cơ bản của truyền động bánh răng như: mòn răng và tróc rỗ bề mặt răng. Tuy nhiên chưa xây dựng được biểu đồ pha của tín hiệu dao động, chưa phát triển rộng để chẩn đoán hư hỏng ở khớp nối, truyền đai, v.v Nguyễn Văn Nghĩa [03] đã nghiên cứu những vấn đề chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo của đầu máy và ứng dụng mạng neron, đi sâu giải quyết bài toán chẩn đoán dựa trên khâu ước lượng thông số bằng mạng neron RBF và đã xây dựng được mô hình cấu trúc và phân tích mô hình grap động cơ điện kéo của đầu máy trong trạng thái hoạt động, thông số chẩn đoán phù hợp cho bài toán phát hiện lỗi và phân biệt lỗi động cơ điện kéo của đầu máy theo khả năng thu thập dữ liệu. Đề tài đã giải quyết được bài toán chẩn đoán kỹ thuật dựa trên khâu ước lượng thông số bằng mạng nơron RBF, lắp đặt và thu thập số liệu trên đầu máy D14Er số hiệu 2014 của Xí nghiệp Đầu Máy Yên Viên.

Tuy nhiên, đề tài chưa tìm ra được quy luật thay đổi của từng thông số cũng như mối quan hệ giữa các thông số của động cơ điện kéo của đầu máy. Đặng Đình Được [04] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong để chuyển đổi các thông số đo trên băng thử thủy lực FROUDE và động cơ là lựa chọn phù hợp. Đề tài đã xác định được các thông số trong hệ thống thí nghiệm như tốc độ, momen, nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, rung động và sự tồn tại của ô xi trong khí thải cho phép đánh giá được chất lượng hoạt 2 động của động cơ. Tuy nhiên, đề tài chưa xử lý, phân tích tín hiệu rung động để chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ.

Cần thực nghiệm thêm những thông số như: lượng tiêu hao nhiên liệu, áp suất trong xi lanh, v., Wojnar [05] đã nghiên cứu và xây dựng phương pháp phát hiện những hư hỏng trong hệ thống cơ khí của động cơ thông qua chẩn đoán tín hiệu rung động của động cơ. Đề tài chủ yếu nghiên cứu về rung động sinh ra do sự va đập giữa piston và xi lanh, nguyên nhân do khe hở giữa piston và xi lanh quá lớn trong xi lanh. Những tín hiệu rung động sẽ được phân tích qua bộ chuyển đổi loại ICP và được điều khiển bởi một chương trình trong môi trường LabVIEW. Từ kết quả thực nghiệm, thông qua sự rung động có thể chẩn đoán được sự cố xảy trên động cơ.

Tuy nhiên vẫn chưa xác định chính xác do piston hay xi lanh nào bị sự cố. Agostoni [06] tác giả nghiên cứu rung động do lực tác dụng lên các chi tiết của động cơ, chi tiết mất cân bằng quán tính và đã đưa ra được các giải pháp làm giảm rung động. Một chương trình kiểm soát rung động với sự hỗ trợ bằng máy tính để kiểm soát rung động do mất cân bằng quán tính. Thực nghiệm trên mô hình xe máy.

Thiết kế tối ưu hóa động cơ xe máy, giảm thiểu lực truyền vào khung xe, giảm sự lan truyền rung động tác dụng lên người điều khiển. Thiết kế chế tạo làm giảm sự tác dụng của lực lên các chi tiết có kết cấu liên kết. Đề tài chưa ứng dụng vào chẩn đoán những sự cố qua tín hiệu rung động, chưa đánh giá được ảnh hưởng của của rung động đến tình trạng làm việc của động cơ. Lech Sitnik, Monika Magdziak–Tokáowicz, Radosáaw Wróbel.

[07] nhóm tác giả đã nghiên cứu và so sánh được các phép đo sự rung động trên các loại động cơ khác nhau được gắn trên xe. Thực nghiệm đo rung động trong trường hợp xe tĩnh và trường hợp các bánh xe được kích lên để giảm ảnh hưởng của rung động tới kết quả đo. Thực nghiêm trên hai loại động cơ: 1.4BZ90CVCD và động cơ có trang bị bộ tăng áp 1.4BZ120CVDC trong cùng một điều kiện như nhau. A PSV-400 Laser Doppler vibrometer được sử dụng để đo độ rung theo vận tốc.

Dữ liệu thu được thông qua phép biến đổi FFT phân tích phổ của tần số rung động. Vận tốc tối đa và 3 rung động rất lớn khi sử dụng bộ tăng áp và xe thực nghiệm tĩnh. Vận tốc và rung động sẽ giảm khi động cơ sử dụng bộ tăng áp và các bánh xe được kích lên. Sự phân phối rung động không thay đổi khi kích xe lên, nhưng biên độ rung động thì thay đổi.

Đề tài chưa tìm được ảnh hưởng của rung động tới tình trạng hoạt động của động cơ và chưa phát hiện được các hư hỏng. Burdzik, Dolecek [08] đã nghiên cứu và thực nghiệm phân tích sự truyền rung động trên xe. Sự rung động truyền từ động cơ tới người lái, hành khách và hàng hóa. Có hai loại rung động cơ bản: rung động do trạng thái hoạt động, kết cấu của động cơ và rung động gây ra bởi sự xáo trộn trong thời gian ngắn.

Tác giả đã sử dụng thiết bị đo gia tốc trên ba hướng chủ yếu đo rung động của xe phát ra, tín hiệu được sử lý trong môi trường Matlab và biến đổi FFT trong thời gian ngắn để phân tích phổ tần số rung. Thực nghiệm đo rung động ở các tốc độ 750, 1500, 2000, và 3000 (vòng/phút). Từ những kết quả đo trên đã đưa ra được các hướng phát triển như sau: Thiết kế và lắp ráp kết cấu của xe nhằm giảm sự rung động và truyền rung động cho người lái và hành khách. Áp dụng công nghệ mới và công nghệ chế tạo vật liệu cũng giúp giảm đáng kể sự rung động.

Tuy nhiên không thể loại trừ tác động xấu trong sản xuất, chế tạo có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu, nó có thể ảnh hưởng xấu tới rung động của xe. Nghiên cứu sự truyền rung động cũng chưa xác định được những sự cố và chẩn đoán hư hỏng của động cơ.3 Mục đích của đề tài Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác chẩn đoán kỹ thuật, bảo dưỡng sửa chữa động cơ.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.1 Nhiệm vụ đề tài Tìm hiểu tổng quan về những hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng của các chi tiết cơ khí trên động cơ. Thu thập các số liệu rung động của động cơ. Nghiên cứu bộ xử lý tín hiệu rung, lập trình điều khiển bằng phẩn mềm PSoC Desiger và LabVIEW.

Nghiên cứu thuật toán FFT và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu. Thiết kế, thi công mô hình thực nghiệm phân tích phổ tần số rung động, làm cơ sở nhận dạng được các hư hỏng cơ khí cơ bản hoặc dự báo các hư hỏng. Thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu 1.2 Giới hạn đề tài Do điều kiện kinh tế và trình độ có hạn mà đề tài giới hạn trong phạm vi: Nghiên cứu phổ tần số rung của động cơ ảnh hưởng bởi một số chi tiết cơ khí cơ bản trên động cơ Toyota 1SZ-FE được gá lắp trên mô hình. Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng.

Chỉ thực nghiệm chẩn đoán rung động theo phương thẳng đứng (Z).5 Phương pháp nghiên cứu. Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Thực nghiệm và đánh giá kết quả thông qua việc thu nhận và xử lý tín hiệu rung động phát ra từ động cơ. So sánh đánh giá với các công trình đã nghiên cứu.

5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết rung động máy 2.