Phân tích dao động máy quay bằng phép biến đổi nén đồng bộ suy rộng

Luận văn ứng dụng phép biến đổi nén đồng bộ suy rộng để nâng cao hiệu quả phân tích dao động máy quay, cải thiện độ phân giải thời gian-tần số.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hạt
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Phong Điền
• Trường học: Trường Bại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nâng Cao Hiệu Quả Của Phân Tích Thời Gian-Tần Số Dao Động Của Máy Quay Bằng Phép Biến Đổi Nén Đồng Bộ Suy Rộng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Giám Sát Và Chẩn Đoán Dao Động Máy Quay

Giám sát và chẩn đoán dao động là những công cụ thiết yếu trong bảo trì máy quay hiện đại. Máy quay xuất hiện rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như cơ khí, điện - tự động hóa và hệ thống bơm. Khi các chi tiết máy quay hư hỏng đột ngột, có thể gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Tín hiệu dao động của máy quay cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng hoạt động. Phân tích phổ dao động đã trở thành phương pháp quen thuộc và phổ biến. Tuy nhiên, khi máy quay vận hành với tốc độ biến đổi, việc nhận dạng dấu hiệu hư hỏng trở nên khó khăn hơn. Do đó, cần áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để nâng cao hiệu quả.

1.1. Giám Sát Và Chẩn Đoán Trong Hệ Thống Máy Quay

Hệ thống giám sát máy quay bao gồm đầu đo gia tốc, vận tốc và chuyển vị. Các thiết bị đo được gắn trên vỏ đỡ ô trục để thu thập dữ liệu liên tục. Quy trình giám sát - chẩn đoán giúp phát hiện sớm các hư hỏng như mài mòn răng, hỏng vòng lăn và lệch trục. Việc phân tích dữ liệu từ các cảm biến cho phép xác định tình trạng máy một cách chính xác.

1.2. Các Dấu Hiệu Hư Hỏng Điển Hình

Máy quay có thể gặp nhiều loại hư hỏng khác nhau. Hư hỏng trong ổ lăn bao gồm hỏng vòng ngoài, vòng trong và quả cầu. Hư hỏng bánh răng biểu hiện qua mài mòn, trốc mỏi và nứt răng. Lệch trục là hư hỏng phổ biến khác, chia thành lệch hướng kinh và lệch góc. Mỗi loại hư hỏng có đặc trưng tần số riêng, giúp chẩn đoán chính xác.

II. Phương Pháp Phân Tích Thời Gian Tần Số Truyền Thống

Phân tích thời gian - tần số là phương pháp kết hợp thông tin từ cả hai miền để có cái nhìn toàn diện về tín hiệu dao động. Phép biến đổi Fourier dạng cửa sổ (Windowed Fourier Transform) cho phép xác định tần số tại các thời điểm khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi nguyên lý bất định Heisenberg - không thể có độ phân giải cao đồng thời ở cả hai miền. Phép biến đổi Wavelet giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng cửa sổ có độ rộng thay đổi theo tần số. Những phương pháp này đã cải thiện đáng kể khả năng phát hiện hư hỏng máy quay, nhưng vẫn còn hạn chế về độ phân giải và tập trung năng lượng.

2.1. Fourier Dạng Cửa Sổ Và Ứng Dụng

Fourier dạng cửa sổ sử dụng một cửa sổ có độ rộng cố định để phân tích từng đoạn tín hiệu. Phương pháp này cho phép định vị sự thay đổi tần số theo thời gian. Tuy nhiên, sự cân bằng giữa độ phân giải thời gian và tần số là hạn chế lớn, đặc biệt với tín hiệu có nhiều thành phần tần số khác nhau.

2.2. Wavelet Và Ưu Điểm So Sánh

Phép biến đổi Wavelet sử dụng cửa sổ có độ rộng thay đổi - rộng ở tần số thấp và hẹp ở tần số cao. Điều này cung cấp độ phân giải tốt hơn trong cả hai miền. Wavelet đặc biệt hiệu quả để phân tích các tín hiệu có biến động nhanh, như dao động máy quay với tốc độ biến đổi.

III. Phép Biến Đổi Nén Đồng Bộ Suy Rộng GST

Phép biến đổi nén đồng bộ suy rộng (Generalized Synchrosqueezing Transform - GST) là phương pháp tiên tiến nhằm cải thiện hiệu quả phân tích thời gian - tần số. GST dựa trên nền tảng toán học vững chắc, kết hợp ưu điểm của nhiều phương pháp trước. Nguyên lý cốt lõi của GST là tập trung năng lượng của tín hiệu vào các đường cong tần số tức thời, giúp tăng cơ độ phân giải. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả khi phân tích dao động máy quay vận hành với tốc độ biến đổi. GST không chỉ cải thiện độ phân giải mà còn giảm nhiễu, tăng khả năng phát hiện các dấu hiệu hư hỏng nhỏ. Việc áp dụng GST trong giám sát và chẩn đoán máy quay đã chứng minh hiệu quả cao, cho phép phát hiện hư hỏng sớm hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của GST

Synchrosqueezing là quá trình tập trung năng lượng từ các thành phần dao động sang các đường cong tần số tức thời. GST mở rộng khái niệm này cho các phương pháp biến đổi khác nhau. Phương pháp này tính toán tần số tức thời và độ suy giảm của từng thành phần tín hiệu, giúp cải thiện độ phân giải đáng kể.

3.2. Ưu Điểm Và Ứng Dụng Thực Tiễn

GST cung cấp độ phân giải thời gian - tần số cao, tập trung năng lượng tốt, và khả năng phát hiện hư hỏng nhỏ. Phương pháp này đặc biệt hữu dụng cho máy quay vận hành ở điều kiện phức tạp. Với GST, kỹ sư bảo trì có thể phân biệt rõ ràng các loại hư hỏng và dự đoán thời gian thay thế chi tiết.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Ứng Dụng Thực Tế

Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả vượt trội của phép biến đổi nén đồng bộ suy rộng trong phân tích dao động máy quay. Quy trình giám sát và chẩn đoán dựa trên GST đã được xây dựng và kiểm chứng trên nhiều hình thức hư hỏng khác nhau. Kết quả cho thấy GST có khả năng phát hiện hư hỏng bánh răng ở cả điều kiện tốc độ quay không đổi lẫn tốc độ biến đổi. Phương pháp này cũng đặc biệt hiệu quả trong việc phân tích ổ lăn hư hỏng, cho phép xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng. Việc áp dụng GST vào thực tế bảo trì máy quay không chỉ nâng cao độ chính xác chẩn đoán mà còn tối ưu hóa chi phí bảo trì, giảm thời gian ngừng máy không dự kiến.

4.1. Kết Quả Giám Sát Bánh Răng

Thí nghiệm với bánh răng bị hư hỏng cho thấy GST có thể phát hiện các dấu hiệu hư hỏng cục bộ với độ chính xác cao. Tín hiệu trung bình hóa của bánh răng hư hỏng hiển thị rõ ràng các đỉnh tần số đặc trưng. Phương pháp này vượt trội so với phân tích phổ truyền thống, đặc biệt khi máy hoạt động ở tốc độ không ổn định.

4.2. Hiệu Quả Phát Hiện Hư Hỏng Ổ Lăn

Ổ lăn hư hỏng vòng ngoài hoặc vòng trong được phát hiện qua phổ đường bao được xử lý với GST. Các tần số đặc trưng của hư hỏng ổ lăn được làm nổi bật rõ ràng. Kết quả thực nghiệm chứng minh GST có thể phát hiện hư hỏng sớm, cho phép can thiệp bảo trì kịp thời trước khi tình trạng máy trở nên nguy hiểm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN. LJ Gidm sat va chan dodn may mắc 1.1 Một số khải niệm về giám sàt và chân đoán - 4 1.2 Giảm sát và chẩn đoán dao ding 6 1.3 Mô hình 4o dao động thu thập từ: hiện chẴn đoán. a 1211 Dẫu đo và hệ thông đo đao động.2 Da dan ding iai v6 dé 8 trục. 1 123 Hệ thống giám sát cho cde loai may quay - rR 1.3 Cúc dạng bự bồng và dẫu hiệu nhận bidt luc hong trong mdy quay.

SH nHHHeeeerdrkeeeeeooe Tể 132 Ởiữu.3 Hệ trục-rotor gỗi đỗ.4 Tổng kết các dẫu hiệu chân duản cơ bản 2 1.4 Cúc phương pháp cơ bãn đễ chân đoán hư hỗng trong máy q4) 1-41 Phân tích tin hiệu trong miễn thời gian 26 1.2 Phan tich tin hid trong nền tần số. 33 CHƯƠNG 2: GIỚI THIẾU VỆ CÁC PHÉP BIẾN DỐI TRONG MIỄN THỜI GIAN - TÂN SỐ 3.1 Pháp biến đãi Fuurier dạng cửa số.1 Phương pháp phân tích thời gian - lẫn số 4 2.2 Phép biérs dot Fourier dang cit 86.3 Cie ham của sễ.2 Phép bién adi Wavelet.3 Pháp biển đài lVavelet trong HHỄn rời rậC.3 8o sảnh bai phép biển đôi Fourier dang civa sé va Wavelet.1 Lira chon Fourier dang vita sé va Wavelet 3.32 Dã phâm giải thời gian - tần số. 38 CHƯƠNG3: PHEP BIEN DOLNEN VA NEN BONG BO SUY RONG 3-1 Nên trên cơ sỡ Fourier dạng cửa số về trên cơ sé Wavelet.1 Nân trên cơ so Fourier dang cita sd 63 3.3 Nân trên cơ dở Wavalet.2 Phép biến adi nén đông bé suy ring (Generalized Synchrosqueezed Transform - GST).1 Phép bib dbt Fourier sy VON.ccoscecscseeisteseesi sevens OD 3.2 Pháp biển đồi nên đồng hỘ xay ÔN cà. TẾ CHƯƠNG 4: MỘT SÓ KÉT QUÁ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Xây dựng quy tình giảm sát và chân đoàn trên cơ sở GST.

42 Minh bọ trên tín hiện mô phôn; 4-3 KẾ! quả giảm sát bạt hãng búnh răng.1 Mê hình thị nghiêm.32 Hư hàng trong điều kiên tốc đồ quay không déi 4ã 4.3 Hự hồng trong điều kiên vận hành với tốc độ và tài trong thay dBi .4 KẾt quả giám sát6 lan 4-4 1 DI tượng giảm sái - - 88 4.2 Kết quả phân tích. - - 89 DANH MUC CAC BANG BIEU VA HINH VE Danh muc bang biểu.: Các tần số đặc trưng hư hỏng của ổ lấn.2: Các triệu chứng chấn đoán cơ bản.3: Cac chí số thông kế thường dùng trong giám sát va chấn đoán dao động.1: Các thiết bị đúng trong thí nghiệm. co con sec 83 Bang 4.2: “Tân số đác trmg hư hỏng #8 Danh nưục hình nh Hình 1.1: Đường đặc tỉnh dé giám sắt tình trạng.2: Quy trình giám sát-chắn đoán đao động cho thiết bị 5 Tinh 1.3: TÌư hỏng phân bố (2) và hư hông cục bộ (›) trên bánh răng.4: Đầu đo gia lốc 7 Hình 1.5: Đầu do vận lốc.6: Đầu đo chuyển vị.7: Kết câu của thiết bị đo và thu thập dữ liệu.8' Gắn đầu đo trên võ đỡ ô trục.9: Phổ đao động của bô truyền bánh ring 13 Tình 1.19: Răng bị mờn (s} vàrỗ (b).11: Răng bị trốe mỗi (a) và nữi (b) ce 15 Tỉnh 1.12: Phổ của bánh răng bình thường (8) và bánh răng bi mbH ).13: Tin hiệu trung binh hóa của bánh rãng hư hỏng cục bộ. 18 Ô lần bị quá nhiệt (a) và trỏc vòng trong (b).:occe 18 Tóc vẫy và gầy vòng ngoài ö lãn.

co chen nee 19 : Kết cầu ỗ lăn.18: Phổ đường bao 4 lần hỏng vòng ngoài (a) và hỏng vòng trong (b).19: Đông trục @) lệch hướng kinh (b) v lệch góc (©). 22 TV MO DAU Ly do chon dé tai Trong céng nghiệp, hai loại cơ hệ đặc thù thường được chủ ÿ đến là các kết cầu. và máy mnóc, đặc biệt là máy quay, Máy quay xuất hiện ở hẳu khắp các lĩnh vục như cơ khí, điện - tự động hóa, các hệ thông bơm, tua-bin. Khi một chỉ tiết trong máy quay hư hỏng đột ngột có thể gây thiệt hại lớn về người và tài sản.

'Tìn hiện đao động của một máy quay cung cắp cho ta nhiễu thông tĩn về tình trạng máy. Phân tích đao động của máy quay trên cơ sở phân tích ghỗ đã trở nên khả quen thuộc và phổ biển. Những đấu liệu phổ có thể cho ta thấy đỗ đàng đâu hiệu hư hỏng của máy quay. Tuy nhiền trong những hưởng hợp đặ biệt rib may quay vận hành với tốc đỏ quay biên đối việc nhận dạng đầu hiệu hư hông trở nên khó khăn hơn.

Việc phản tích tin hiệu dao động của máy quay khi đó cần sử dụng, tới phương pháp phân tích đồng thời tín hiệu trong miễn thởi gian - tần số (gọi tất là phân tích thời gian - tan số). Vấn để nâng cao hiệu quả của phần tích thởi gian - tân số đã được quan tâm. trong những năm gần đây. Tuy nhiên còn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu nhằm cải thiện hiệu quả của phân tích thời gian - tần sô.

Phép biển đổi nén đẳng bộ suy réng (Generalized synchrosqueezing transform) dia ra cơ sở toán hoc vimg chic nhằm cải liên sỏ hiệu quả phân bố thời gian - tần số của tin hiệu đao động mày quay. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là trình bày và áp dụng phép biến đổi nên đồng bộ suy rộng nhằm nâng cao hiệu quả. phân tích thời gian - tẫn số dao động máy quay thông qua việc cải thiên đô phân giải các kết quả từ những phương pháp đã cỏ như Fourier dạng cứa số (gọi tất là Fourier cửa số) hay Wavelet. Việc kết hợp những phương pháp xử lý tin hiệu số truyền thông củng với phép biển đối nén đồng bỏ suy rộng, DANH MUC CAC BANG BIEU VA HINH VE Danh muc bang biểu.: Các tần số đặc trưng hư hỏng của ổ lấn.2: Các triệu chứng chấn đoán cơ bản.3: Cac chí số thông kế thường dùng trong giám sát va chấn đoán dao động.1: Các thiết bị đúng trong thí nghiệm.

co con sec 83 Bang 4.2: “Tân số đác trmg hư hỏng #8 Danh nưục hình nh Hình 1.1: Đường đặc tỉnh dé giám sắt tình trạng.2: Quy trình giám sát-chắn đoán đao động cho thiết bị 5 Tinh 1.3: TÌư hỏng phân bố (2) và hư hông cục bộ (›) trên bánh răng.4: Đầu đo gia lốc 7 Hình 1.5: Đầu do vận lốc.6: Đầu đo chuyển vị.7: Kết câu của thiết bị đo và thu thập dữ liệu.8' Gắn đầu đo trên võ đỡ ô trục.9: Phổ đao động của bô truyền bánh ring 13 Tình 1.19: Răng bị mờn (s} vàrỗ (b).11: Răng bị trốe mỗi (a) và nữi (b) ce 15 Tỉnh 1.12: Phổ của bánh răng bình thường (8) và bánh răng bi mbH ).13: Tin hiệu trung binh hóa của bánh rãng hư hỏng cục bộ. 18 Ô lần bị quá nhiệt (a) và trỏc vòng trong (b).:occe 18 Tóc vẫy và gầy vòng ngoài ö lãn. co chen nee 19 : Kết cầu ỗ lăn.18: Phổ đường bao 4 lần hỏng vòng ngoài (a) và hỏng vòng trong (b).19: Đông trục @) lệch hướng kinh (b) v lệch góc (©). 22 TV MO DAU Ly do chon dé tai Trong céng nghiệp, hai loại cơ hệ đặc thù thường được chủ ÿ đến là các kết cầu.

và máy mnóc, đặc biệt là máy quay, Máy quay xuất hiện ở hẳu khắp các lĩnh vục như cơ khí, điện - tự động hóa, các hệ thông bơm, tua-bin. Khi một chỉ tiết trong máy quay hư hỏng đột ngột có thể gây thiệt hại lớn về người và tài sản. 'Tìn hiện đao động của một máy quay cung cắp cho ta nhiễu thông tĩn về tình trạng máy. Phân tích đao động của máy quay trên cơ sở phân tích ghỗ đã trở nên khả quen thuộc và phổ biển.

Những đấu liệu phổ có thể cho ta thấy đỗ đàng đâu hiệu hư hỏng của máy quay. Tuy nhiền trong những hưởng hợp đặ biệt rib may quay vận hành với tốc đỏ quay biên đối việc nhận dạng đầu hiệu hư hông trở nên khó khăn hơn. Việc phản tích tin hiệu dao động của máy quay khi đó cần sử dụng, tới phương pháp phân tích đồng thời tín hiệu trong miễn thởi gian - tần số (gọi tất là phân tích thời gian - tan số). Vấn để nâng cao hiệu quả của phần tích thởi gian - tân số đã được quan tâm.

trong những năm gần đây. Tuy nhiên còn thiếu những nghiên cứu chuyên sâu nhằm cải thiện hiệu quả của phân tích thời gian - tần sô. Phép biển đổi nén đẳng bộ suy réng (Generalized synchrosqueezing transform) dia ra cơ sở toán hoc vimg chic nhằm cải liên sỏ hiệu quả phân bố thời gian - tần số của tin hiệu đao động mày quay. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là trình bày và áp dụng phép biến đổi nên đồng bộ suy rộng nhằm nâng cao hiệu quả.

phân tích thời gian - tẫn số dao động máy quay thông qua việc cải thiên đô phân giải các kết quả từ những phương pháp đã cỏ như Fourier dạng cứa số (gọi tất là Fourier cửa số) hay Wavelet. Việc kết hợp những phương pháp xử lý tin hiệu số truyền thông củng với phép biển đối nén đồng bỏ suy rộng, Xƒ&: tiếu dỗi Fourier ciia.xfaj ẩn 4ï]: tìn hiệu sau khi trung bình hóa Ar độ phân giải thời gian +: ngưỡng trong phép biến đổi nén đồng bố Af, Af đô phân giát tân số ao: HG sb Morlet +: them số địch chuyển weft): hàm Wavelet cơ sở (0: hằm Wavelst #2: biển đối Fourier cúa hàm Wavelet cơ sở Danh mục chữ viết tat BPFT. tân số bm hỏng vòng trong BPFO: tần số hư hỏng vòng ngoài BSP: tần số hư hông phần tử lăn T: phép biên đối Fourier (Tourier Transform) EET: phép biển đối Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) ETE: tần số hư hỏng vòng cách GET: phép biển đổi Fourier suy rộng (Gencralizcd Fouier Transform) GST: phép biến đồi nén đồng bộ suy rộng (Gvnerdlized Synciuosqueczdng Transform) TF tan sd tte thoi (instantaneous Frequency) H DANH MUC CAC BANG BIEU VA HINH VE Danh muc bang biểu.: Các tần số đặc trưng hư hỏng của ổ lấn.2: Các triệu chứng chấn đoán cơ bản.3: Cac chí số thông kế thường dùng trong giám sát va chấn đoán dao động.1: Các thiết bị đúng trong thí nghiệm. co con sec 83 Bang 4.2: “Tân số đác trmg hư hỏng #8 Danh nưục hình nh Hình 1.1: Đường đặc tỉnh dé giám sắt tình trạng.2: Quy trình giám sát-chắn đoán đao động cho thiết bị 5 Tinh 1.3: TÌư hỏng phân bố (2) và hư hông cục bộ (›) trên bánh răng.4: Đầu đo gia lốc 7 Hình 1.5: Đầu do vận lốc.6: Đầu đo chuyển vị.7: Kết câu của thiết bị đo và thu thập dữ liệu.8' Gắn đầu đo trên võ đỡ ô trục.9: Phổ đao động của bô truyền bánh ring 13 Tình 1.19: Răng bị mờn (s} vàrỗ (b).11: Răng bị trốe mỗi (a) và nữi (b) ce 15 Tỉnh 1.12: Phổ của bánh răng bình thường (8) và bánh răng bi mbH ).