MỞ ĐẦU I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tổng quan Trong công 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 không ít các sự cố do rung động quá mức của thiết bị quay, gây thiệt hại không chỉ cho thiết bị mà còn làm thiệt hại cho các ngành có liên quan. Muốn thiết bị làm việc an toàn, 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 thông 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 vòng bi của máy. Một rotor cân bằng thì không 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 không, còn 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 còn là nguyên 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 Luan van 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 hoàn toàn.
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 vòng/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.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 Luan van 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 không 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 đòi 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 đòi 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 yêu 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 đoán chính xác ứng xử động của các máy như vậy ngày càng trở nên quan trọng. Mặc dù mô hình hiện tại lý thuyết và kỹ thuật được phát triển tốt, ứng xử động không thể được dự đoán 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 trò quan trọng trong dự đoán 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 Luan van T2019 - 16TĐ Kết quả của một số Nhóm nghiên cứu và phương pháp tiếp cận được đề cập gần đây: 1. Không cần chạy thử / Test run, nhóm nghiên cứu Y. Không cần thêm khối lượng thử / Trial Weight, do Y. Cân bằng sử dụng phương pháp điều khiển chủ động lực kích thích trong ổ đỡ (Active Magnetic Bearings) do Yuanping Xu et.
Cân bằng rotor theo qui luật bất đẳng hướng: Genfeng Lang et. Cân bằng tốc độ thấp + sử dụng lực kích thích bên ngoài, điển hình có nhóm nghiên cứu Shachar Tresser et. Cân bằng theo phương pháp sử dụng phổ holo/ Holospectrum Method, Shi Liu et. Cân bằng rotor có khuyết tật (vết nứt) do Chao Fu et.
Cân bằng trên nhiều mặt phẳng (Multi plane), n >3 , Guangfu Bin et.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 ngoài 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. 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. Phạm Huy Hoàng, Nghiên cứu cân bằng động rotor trục mềm, ĐHBK Tp.HCM, Đề tài NCKH cấp Trường, 2012, [22]. 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 Luan van 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.