Luận văn thạc sĩ về phương pháp cân bằng rotor mềm trong kỹ thuật cơ khí

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu phương pháp cân bằng tại chỗ cho rotor mềm, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Tác giả: Cung Nguyễn Bảo Khoa
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Huy Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Cân Bằng Rotor Mềm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời cam đoan của tác giả
• Danh mục hình ảnh
• Danh mục bảng
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài và trong nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
• 1.2.2. Nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết rung động
• 2.1.1. Hệ một bậc tự do
• 2.1.2. Hệ nhiều bậc tự do
• 2.2. Cơ sở lý thuyết Phân tích phương thức thực nghiệm (Experimental modal analysis - EMA)
• 2.2.1. Thu thập dữ liệu hàm đáp ứng theo tần số (FRF)
• 2.2.2. Những giả định cơ bản của phân tích phương thức
• 2.2.3. Các sai số trong quá trình EMA
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG
• 3.1. Cân bằng phương thức
• 3.1.1. Phương pháp cân bằng của Bishop, Gladwell và Parkinson [12]
• 3.1.2. Ưu điểm và nhược điểm của cân bằng phương thức [1]
• 3.2. Phương pháp hệ số ảnh hưởng
• 3.2.1. Phương pháp bình phương cực tiểu cho việc tối ưu khối lượng cân chỉnh [12]
• 3.2.2. Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp hệ số ảnh hưởng [1]
• 3.3. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG KHÔNG DÙNG KHỐI LƯỢNG THỬ
• 4.1. Quy trình cân bằng không dùng khối lượng thử
• 4.2. Mô phỏng xác minh
• 4.2.1. Xác minh quá trình cân bằng không khối lượng thử
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI
• 5.1. Các nhiệm vụ hoàn thành
• 5.2. Hướng phát triển trong tương lai
• Danh mục các công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp cân bằng rotor mềm

Rotor là một trong những thành phần truyền động quan trọng trong các máy móc cơ khí. Để đảm bảo máy hoạt động trơn tru và hiệu quả, rotor yêu cầu độ chính xác cao và độ rung động thấp trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, sau một thời gian vận hành hoặc qua các đợt bảo trì, rotor có khả năng sẽ xuất hiện các khối lượng dư gây ra sự không đồng tâm của trục quán tính và trục quay của rotor, dẫn đến lực ly tâm trong lúc quay làm rotor bị mất cân bằng. Việc này gây ra rung động trên rotor, có thể truyền tới ổ bi và các bộ phận khác, tạo tiếng ồn, giảm hiệu suất và thậm chí làm hư hỏng rotor. Do đó, cần thiết phải thực hiện quá trình cân bằng rotor để giảm rung động và đưa rotor về trạng thái ổn định. Hiện nay, có hai loại cân bằng: cân bằng tĩnh và cân bằng động, trong đó cân bằng động được ưu tiên hơn vì đánh giá rotor trong lúc quay giúp đạt hiệu quả tốt hơn. Quy trình cân bằng tại chỗ cho rotor được xác định dựa trên đặc tính động học của rotor, được chia thành hai loại: rotor cứng và rotor mềm. Việc cân bằng rotor mềm cần có quy trình riêng để khắc phục các hạn chế của rotor cứng.

1.1 Tình hình nghiên cứu về cân bằng rotor

Nghiên cứu về cân bằng rotor đã bắt đầu từ những năm 1919 với Jeffcott, nhưng chỉ đến năm 1930 mới có những đóng góp đáng kể. Trước những năm 1950, tài liệu chủ yếu tập trung vào cân bằng rotor cứng và một số trường hợp đơn giản cho rotor mềm. Các rotor mềm đầu tiên, như trong tua bin hơi nước, được cân bằng bằng quy trình đơn giản cho rotor cứng. Tuy nhiên, khi rotor trở nên linh hoạt hơn và hoạt động ở tốc độ cao, các quy trình này không còn phù hợp. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của một số phương pháp cân bằng được thiết kế riêng cho rotor mềm, chủ yếu là cân bằng phương thức và cân bằng hệ số ảnh hưởng. Những phương pháp này đã giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu quả trong quá trình cân bằng, đồng thời giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của máy móc.

II. Phương pháp cân bằng rotor mềm

Phương pháp cân bằng rotor mềm không sử dụng khối lượng thử đã được nghiên cứu và trình bày trong luận văn này. Phương pháp này dựa trên lý thuyết cân bằng phương thức và không yêu cầu khối lượng thử, giúp giảm thiểu thời gian dừng máy và không cần các lần chạy thử. Để thực hiện phương pháp này, cần có một mô hình toán chính xác để xác định các thông số phương thức trong việc tính toán khối lượng cân bằng. Mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) đã được sử dụng và được cập nhật từ dữ liệu phân tích phương thức thực nghiệm (EMA) nhằm đảm bảo tính xác thực cao. Quy trình này không chỉ giúp giảm thời gian và số lượng đo rung động mà còn nâng cao hiệu quả trong việc cân bằng rotor. Việc xác minh quy trình cân bằng được thực hiện bằng mô phỏng trên các phần mềm như COMSOL và MATLAB, từ đó cung cấp một cơ sở vững chắc cho việc thực hiện thực nghiệm sau này.

2.1 Quy trình cân bằng rotor mềm

Quy trình cân bằng rotor mềm được xây dựng dựa trên các lý thuyết phân tích phương thức thực nghiệm. Quy trình này bao gồm các bước xác định thông số phương thức, chạy mô phỏng để thu thập dữ liệu rung động và xác định khối lượng cân bằng cần thiết. Mô hình được cập nhật từ dữ liệu thực nghiệm giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định các thông số. Việc áp dụng quy trình này không chỉ giúp giảm thiểu thời gian dừng máy mà còn đảm bảo hiệu suất hoạt động của rotor sau khi cân bằng. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo trì máy móc, giảm thiểu chi phí và thời gian cho các hoạt động sửa chữa, đồng thời nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống máy móc.

III. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về phương pháp cân bằng rotor mềm không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp cơ khí. Quy trình cân bằng không sử dụng khối lượng thử giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho các nhà máy trong việc bảo trì và vận hành máy móc. Bằng cách giảm rung động, quy trình này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của rotor mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị, giảm thiểu hư hỏng và chi phí sửa chữa. Các phương pháp được nghiên cứu trong luận văn này có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến các hệ thống năng lượng, nơi mà rotor đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động. Sự phát triển của các phương pháp cân bằng hiện đại sẽ tiếp tục đóng góp vào sự tiến bộ của công nghệ và cải thiện hiệu quả sản xuất trong tương lai.

3.1 Tác động đến ngành cơ khí

Phương pháp cân bằng rotor mềm có tác động lớn đến ngành cơ khí, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất và bảo trì máy móc. Sự cải tiến trong quy trình cân bằng giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu thời gian dừng máy, từ đó cải thiện hiệu suất sản xuất. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp tăng cường độ tin cậy của máy móc mà còn giảm thiểu rủi ro hư hỏng và chi phí bảo trì. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao và hoạt động liên tục, như năng lượng, chế tạo máy và sản xuất ô tô.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống máy móc công nghiệp hiện đại, hơn 70% các sự cố rung động nguy hiểm xuất phát từ hiện tượng mất cân bằng khối lượng của rotor. Đối với các thiết bị quay tốc độ cao như tuabin khí, máy nén ly tâm và máy phát điện, khi vận tốc làm việc vượt quá 70% tốc độ cộng hưởng thứ nhất, trục quay sẽ biến dạng đàn hồi và chuyển sang trạng thái rotor mềm. Sự mất cân bằng này tạo ra lực ly tâm lớn, gây hư hại nghiêm trọng cho hệ thống gối đỡ và làm suy giảm hiệu suất vận hành. Các phương pháp cân bằng truyền thống đòi hỏi phải dừng máy nhiều lần để gắn tải trọng thử, làm tăng thời gian ngừng sản xuất từ 30% đến 50% và tiêu tốn nhiều chi phí bảo dưỡng.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm xây dựng và xác minh quy trình cân bằng tại chỗ cho rotor mềm mà không cần sử dụng khối lượng thử, dựa trên nền tảng lý thuyết cân bằng phương thức kết hợp mô hình phần tử hữu hạn được hiệu chỉnh từ dữ liệu thực nghiệm. Đề tài được triển khai từ tháng 02/2022 đến tháng 12/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả của luận văn mang lại giải pháp kỹ thuật giúp triệt tiêu rung động uốn, giảm biên độ dao động tại các chế độ tới hạn từ 80% đến hơn 90%, đồng thời cắt giảm hoàn toàn các chu kỳ chạy thử nghiệm tại hiện trường, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ cho các hệ thống máy quay công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết dao động cơ học tuyến tính và động lực học rotor nâng cao. Mô hình động lực học của hệ nhiều bậc tự do chịu lực cưỡng bức mất cân bằng được mô tả qua phương trình vi phân bậc hai kết hợp ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản nhớt với tỷ số giảm chấn nhỏ hơn 10%.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng lý thuyết cân bằng phương thức của Bishop, Gladwell và Parkinson cùng kỹ thuật cân bằng toàn diện N+2 mặt phẳng (với N là số tốc độ tới hạn nằm trong dải vận hành). Các khái niệm cốt lõi được sử dụng bao gồm: rotor mềm đàn hồi (vận hành trên 70% tốc độ tới hạn), hàm đáp ứng tần số (FRF), tính trực giao của các dạng dao động riêng, khối lượng phương thức và tốc độ tới hạn uốn. Ngoài ra, lý thuyết phân tích phương thức thực nghiệm (EMA) dựa trên kỹ thuật kích thích xung lực và biến đổi Fourier nhanh (FFT) được tích hợp để nhận dạng chính xác các thông số động lực học của kết cấu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được xây dựng thông qua việc mô phỏng động lực học trên phần mềm COMSOL Multiphysics kết hợp lập trình thuật toán phân tích trên môi trường MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào mô hình rotor mềm điển hình gồm trục đàn hồi gắn 3 đĩa quán tính (D1, D2, D3), phân tích chi tiết tại 2 chế độ uốn nguy hiểm nhất (chế độ 1 tại 1560 vòng/phút và chế độ 2 tại 6037 vòng/phút), đồng thời khảo sát kiểm chứng tại 3 mốc tốc độ vận hành thực tế là 900 vòng/phút, 2700 vòng/phút và 3500 vòng/phút. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu định hướng kỹ thuật theo các mode dao động riêng biệt của trục quay.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phương thức thực nghiệm kết hợp thuật toán vi phân tiến hóa (Differential Evolution - DE) là vì thuật toán DE có khả năng tối ưu hóa toàn cục vượt trội, giúp cập nhật chính xác các thông số độ cứng và giảm chấn của ổ đỡ từ dữ liệu FRF mà không bị rơi vào điểm cực trị cục bộ. Quy trình nghiên cứu được thực hiện bài bản trong suốt 10 tháng với các bước từ xây dựng mô hình toán, trích xuất dữ liệu FRF có nhiễu, cập nhật mô hình phần tử hữu hạn đến tính toán khối lượng bù trừ trực tiếp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc kết hợp mô phỏng COMSOL và thuật toán vi phân tiến hóa đã xác định chính xác các tần số tự nhiên và dạng dao động riêng của rotor, với tốc độ tới hạn chế độ 1 đạt 1560 vòng/phút và chế độ 2 đạt 6037 vòng/phút thông qua biểu đồ Campbell.

Thứ hai, thuật toán cập nhật mô hình từ dữ liệu đáp ứng tần số FRF cho thấy độ hội tụ cao, sai số nhận dạng thông số hệ thống được kiểm soát ở mức dưới 3,5% ngay cả khi dữ liệu đo đạc bị tác động bởi nhiễu ngẫu nhiên mô phỏng điều kiện nhà xưởng.

Thứ ba, khi áp dụng khối lượng cân chỉnh tính toán được cho chế độ 1 (thực hiện tại đĩa D1 ở góc pha 180 độ), biên độ rung động phương Z và phương Y giảm hơn 82% tại tốc độ 900 vòng/phút và 2700 vòng/phút so với trạng thái ban đầu.

Thứ tư, khi tiến hành cân bằng đồng thời cho cả chế độ 1 và chế độ 2 trên nhiều mặt phẳng (kết hợp đĩa D1 và D2), biên độ rung động tổng thể tại tốc độ vận hành 3500 vòng/phút giảm sâu từ 88% đến 94%, đưa rung động của hệ thống về ngưỡng an toàn theo tiêu chuẩn kỹ thuật máy quay.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đạt hiệu quả cao là nhờ mô hình phần tử hữu hạn sau khi cập nhật bằng dữ liệu EMA đã mô phỏng chính xác đáp ứng động lực học của rotor thực tế. Ma trận khối lượng phương thức và các vector dạng riêng phản ánh đúng sự phân bố mất cân bằng, cho phép tính toán trực tiếp vector khối lượng bù mà không cần bước chạy thử với tải trọng mẫu.

Dữ liệu phân tích có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ Campbell thể hiện sự thay đổi tần số dao động theo vận tốc góc, các đồ thị đáp ứng biên độ rung động phương Y và Z theo dải tốc độ từ 0 đến 7000 vòng/phút, cùng bảng tổng hợp giá trị dịch chuyển RMS tại các vị trí đĩa D1, D2, D3. So với phương pháp hệ số ảnh hưởng truyền thống cần từ 3 đến 5 lần chạy thử, giải pháp này loại bỏ 100% các lần dừng máy thử nghiệm, giúp tiết kiệm hơn 60% tổng thời gian thực hiện cân bằng tại hiện trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình phân tích phương thức thực nghiệm (EMA) tại hiện trường bằng cách trang bị búa kích xung lực tiêu chuẩn và cảm biến gia tốc đa trục, nhằm duy trì sai số thu thập hàm FRF dưới 2% trong thời gian bảo dưỡng định kỳ 6 tháng một lần do các kỹ sư vận hành nhà máy phụ trách.

Thứ hai, tích hợp thuật toán vi phân tiến hóa (DE) vào các phần mềm chẩn đoán và giám sát rung động trực tuyến, giúp tự động hóa quá trình tính toán khối lượng cân bằng trong vòng dưới 15 phút, với lộ trình phát triển phần mềm trong 3 tháng do phòng nghiên cứu kỹ thuật đảm nhận.

Thứ ba, triển khai chương trình đào tạo kỹ thuật cân bằng phương thức N+2 mặt phẳng cho 100% đội ngũ kỹ thuật viên bảo trì máy quay trong quý 2 năm 2024, nhằm nâng cao năng lực xử lý các sự cố rung động uốn phức tạp trên trục đàn hồi.

Thứ tư, mở rộng thử nghiệm thực tế quy trình cân bằng không tải trọng thử trên các hệ thống tuabin và máy nén công nghiệp công suất lớn trên 500 kW, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các ổ đỡ có tính chất phi tuyến trong khung thời gian 12 tháng do ban kỹ thuật phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư bảo dưỡng và chẩn đoán rung động tại các nhà máy điện, lọc dầu, hóa chất: Tham khảo quy trình cân bằng tại chỗ không dùng khối lượng thử để xử lý nhanh sự cố rung động rotor máy nén, quạt công nghiệp và tuabin, giảm thời gian ngừng máy từ 48 giờ xuống dưới 12 giờ.

Nhóm nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên môn sâu về động lực học rotor mềm, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), thuật toán tối ưu hóa vi phân tiến hóa và kỹ thuật đo đạc EMA.

Các đơn vị sản xuất và chế tạo thiết bị quay tốc độ cao: Ứng dụng mô hình toán học và phương pháp cân bằng phương thức để tối ưu hóa quy trình kiểm định, cân bằng động xuất xưởng cho các dòng rotor hoạt động ở dải vận tốc trên 3000 vòng/phút.

Các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ bảo trì kỹ thuật công nghiệp: Khai thác các giải pháp thuật toán để nâng cấp gói dịch vụ cân bằng hiện trường, giảm chi phí nhân công và nâng cao độ chính xác lên trên 90% cho khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

Rotor mềm khác gì so với rotor cứng trong kỹ thuật cân bằng động? Rotor mềm là rotor vận hành ở tốc độ vượt quá 70% tốc độ tới hạn uốn đầu tiên, khiến trục bị biến dạng đàn hồi trong quá trình quay. Khác với rotor cứng có hình dạng không đổi, rotor mềm có độ lệch trục thay đổi theo tốc độ, đòi hỏi phải cân bằng theo từng dạng dao động riêng biệt thay vì chỉ dùng 2 mặt phẳng tĩnh - động thông thường.

Tại sao phương pháp cân bằng không dùng khối lượng thử lại tối ưu hơn phương pháp truyền thống? Phương pháp truyền thống cần lắp tải trọng thử và thực hiện ít nhất 3 đến 5 lần chạy thử để đo hệ số ảnh hưởng, gây mất nhiều thời gian và tăng nguy cơ mỏi trục. Phương pháp không dùng khối lượng thử tính toán trực tiếp lượng mất cân bằng qua mô hình toán chính xác, giúp loại bỏ hoàn toàn các lần chạy thử và giảm 60% thời gian dừng máy.

Thuật toán vi phân tiến hóa (Differential Evolution) đóng vai trò gì trong luận văn? Thuật toán DE được sử dụng để tối ưu hóa việc cập nhật các tham số độ cứng và giảm chấn trong mô hình phần tử hữu hạn dựa trên dữ liệu đo FRF thực nghiệm. Thuật toán này có khả năng tìm kiếm toàn cục mạnh mẽ, giúp sai số nhận dạng mô hình đạt dưới 3,5% ngay cả khi tín hiệu đo chứa nhiễu.

Phương pháp cân bằng phương thức N+2 mặt phẳng áp dụng khi nào? Phương pháp N+2 mặt phẳng được áp dụng khi rotor mềm vận hành qua N tốc độ tới hạn uốn. Quy trình này kết hợp việc cân bằng rotor ở tốc độ thấp như một rotor cứng (2 mặt phẳng), sau đó cân bằng độc lập cho N mode uốn tốc độ cao, đảm bảo triệt tiêu hoàn toàn lực kích thích truyền xuống ổ đỡ.

Phương pháp trong luận văn có thể áp dụng cho rotor có gối đỡ phi tuyến không? Mô hình hiện tại giả định gối đỡ tuyến tính và không có tính ghép chéo để đơn giản hóa quá trình nhận dạng phương thức. Đối với các hệ thống có ổ trượt màng dầu phi tuyến mạnh, cần mở rộng thuật toán cập nhật mô hình để tính toán thêm các ma trận liên kết chéo trước khi xác định khối lượng cân bằng.

Kết luận

• Luận văn đã tổng quan toàn diện các cơ sở lý thuyết về động lực học rotor mềm, kỹ thuật phân tích phương thức thực nghiệm EMA và các phương pháp cân bằng phương thức hiện đại.
• Xây dựng thành công quy trình cân bằng tại chỗ cho rotor mềm không cần sử dụng khối lượng thử dựa trên việc cập nhật mô hình phần tử hữu hạn từ dữ liệu đáp ứng tần số FRF.
• Ứng dụng hiệu quả thuật toán vi phân tiến hóa (DE) trong việc hiệu chỉnh thông số mô hình với độ chính xác cao, sai số nhận dạng được kiểm soát dưới mức 3,5%.
• Kết quả mô phỏng trên COMSOL và MATLAB chứng minh khả năng giảm biên độ rung động từ 82% đến 94% tại các tốc độ vận hành 900, 2700 và 3500 vòng/phút.
• Đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc để triển khai các thử nghiệm thực tế tại hiện trường trên các thiết bị quay công nghiệp trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo.

Các kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể áp dụng ngay quy trình tính toán này vào các bài toán chẩn đoán rung động và tối ưu hóa bảo dưỡng thiết bị quay tại cơ sở sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Rotor là một trong những thành phần truyền động quan trọng trong các loại máy móc cơ khí. Để đảm bảo máy hoạt động trơn tru và hiệu quả, rotor yêu cầu độ chính xác cao và độ rung động thấp trong quá trình hoạt động. Nhưng sau một khoảng thời gian vận hành hoặc qua các đợt bảo trì, rotor có khả năng sẽ xuất hiện các khối lượng dư tạo ra sự không đồng tâm của trục quán tính của rotor và trục quay của rotor, gây ra lực ly tâm trong lúc quay làm rotor bị mất cân bằng. Sự mất cân bằng của rotor trong lúc hoạt động, gây ra sự rung động trên rotor, rung động này có thể truyền tới ổ bi và các bộ phận khác, điều này tạo tiếng ồn, làm giảm hiệu suất và tệ hơn là làm hư hỏng rotor và các bộ phận khác.

Vì thế, yêu cầu rotor cần phải trải qua một quá trình cân bằng để giảm rung động, đưa rotor về trạng thái ổn định nhằm khắc phục các sự cố kể trên. Hiện nay, có hai loại cân bằng là cân bằng tĩnh và cân bằng động. Cân bằng động được ưu tiên hơn cả vì rotor được cân bằng và đánh giá trong lúc quay giúp cho việc cân bằng mang lại hiểu quả tốt hơn. Cân bằng động có hai xu hướng: cân bằng động trên máy chuyên dụng và cân bằng tại chỗ (hay cân bằng động tại hiện trường).

Cân bằng động trên máy chuyên dụng yêu cầu phải tháo rotor ra khỏi máy, đem đến các cơ sở cân bằng máy và thường được cân bằng ở tốc độ thấp, thấp hơn tốc độ hoạt động thực tế của rotor. Sau khi cân bằng, rotor sẽ được lắp lại trên máy, điều này dẫn đến rủi ro do sai số trong quá trình lắp đặt và chưa tính tới các ảnh hưởng khác tại hiện trường như ổ bi, tốc độ làm việc … của rotor. Trong khi đó, cân bằng tại chỗ yêu cầu sự tháo lắp là ít nhất đảm bảo cho việc tiếp cận rotor để đo đạc và cân bằng mà không tháo rời rotor ra khỏi máy. Điều này giúp khắc phục các nhược điểm của cân bằng động trên máy chuyên dụng: không cần tháo lắp rotor nhằm giảm thời gian ngừng sản xuất, tính toán đến các yếu tố tại hiện trường, các ảnh hưởng từ ổ bi, tổng thể máy được cân bằng và có thể cân bằng trong chế độ hoạt động thường ngày giúp việc cân bằng mang lại kết quả tốt hơn, đáng tin cậy hơn.

1 HVTH: Cung Nguyễn Bảo Khoa GVHD: PGS. Phạm Huy Hoàng Quy trình cân bằng tại chỗ cho rotor được xác định dựa trên đặc tính động học của rotor. Trong đó, rotor được chia làm hai loại chính: rotor cứng và rotor mềm (hay rotor đàn hồi). Khi cân bằng rotor cứng, hình dạng của trục quay được xem như không đổi theo tốc độ của trục.

Đối với rotor mềm, hình dạng trục chính thay đổi theo tốc độ quay, vì vậy sự phân bố mất cân bằng cũng thay đổi theo [1]. Sự khác biệt này là do các rotor mềm hoạt động ở tốc độ cao như máy nén, máy phát điện có xu hướng có đường kính nhỏ hơn, do đó mà càng đàn hồi hơn (dễ biến dạng khi chịu tác dụng bởi lực mất cân bằng), ngược lại các rotor cứng hoạt động trong các chế độ tốc độ thấp. Do sự khác biệt này, các quy trình cân bằng trên rotor cứng không thể áp dụng để cân bằng cho rotor mềm, do đó cần phải có quy trình cân bằng riêng cho rotor mềm. Hiện nay, các quy trình cân bằng tại chỗ cho rotor mềm đã được nghiên cứu và áp dụng trong thực tế, phần nào đã giải quyết thành công sự mất cân bằng.

Nhưng vẫn còn các nhược điểm như sai số, số lần cân bằng còn lớn. Vì vậy cân bằng tại chỗ cho rotor mềm cần được nghiên cứu và phát triển để khắc phục các hạn chế trên. Trong luận văn này, phương pháp cân bằng rotor mềm không sử dụng khối lượng thử sẽ được trình bày và xác minh bằng phương pháp mô phỏng. Phương pháp này có tính đến việc cập nhật mô hình toán bằng dữ liệu thu thập được qua quá trình phân tích thực nghiệm phương thức.

Nhờ phương pháp này, mô hình mô phỏng sẽ được xác thực và tính chính xác cao hơn.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài và trong nước 1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài Trong khi sự cần thiết của cân bằng rotor được trình bày bởi Jeffcott trong bài báo được xuất bản năm 1919, những nghiên cứu có đóng góp đáng kể chỉ xuất hiện sau năm 1930. Trước những năm 1950, những tài liệu về cân bằng chỉ quan tâm về cân bằng roto cứng và một số ít các trường hợp là những rotor mềm đơn giản. Vào lúc đó, không có một tài liệu nào trình bày một quy trình cân bằng nào sử dụng nhiều hơn hai mặt phẳng. Các rotor mềm đầu tiên là rotor trong tua bin hơi nước.

Ban đầu, những rotor này được cân bằng bằng quy trình đơn giản cho rotor cứng. Tuy nhiên, vì những rotor này trở nên linh hoạt hơn, và thường vận hành ở tốc độ trên tốc độ 2 HVTH: Cung Nguyễn Bảo Khoa GVHD: PGS. Phạm Huy Hoàng cộng hưởng, những quy trình cân bằng lúc bấy giờ không còn phù hợp nữa. Điều này dẫn đến sự phát triển về một số phương pháp cân bằng được thiết kế riêng biệt cho những rotor mềm này.

Quy trình cân bằng rotor mềm có thể chia làm hai nhóm: Cân bằng phương thức, và Cân bằng dùng hệ số ảnh hưởng. Cân bằng phương thức được phát triển đầu tiên, ở đầu những năm 1950. Nhưng ban đầu, vì các thiết bị còn bị giới hạn nên cân bằng phương thức phụ thuộc các tính toán đơn giản và trình độ hiểu biết của người vận hành, thay vì số lượng lớn các dữ liệu về rung động. Cân bằng hệ số ảnh hưởng được phát triển vài năm sau đó, cùng với sự cải thiện về các thiết bị và sự xuất hiện của máy tính kỹ thuật số.

Do đó, việc sử dụng các dữ liệu lớn được thay thế cho trình độ hiểu biết của người vận hành trong quy trình cân bằng máy. Sau cùng, phương pháp cân bằng hợp nhất được phát triển như là một phương pháp thực nghiệm, dựa trên nền cân bằng hệ số ảnh hưởng. Nó được tạo ra để tận dụng các đặc tính phương thức của đáp ứng rotor và tránh các nhược điểm của cân bằng hệ số ảnh hưởng.1 Cân bằng phương thức [2] Phương pháp cân bằng phương thức chia các chế độ rung động thành các chế độ riêng biệt và cân bằng chúng độc lập với nhau. Phương pháp này dựa trên quy luật biến dạng đàn hồi của rotor mất cân bằng.

Để phân tích các chế độ rung động và cân bằng chúng thì những phương pháp phân tích phương thức cần được sử dụng. Urbikain và cộng sự đã trình bày phương trình rung động và dao động trong quá trình quay. Họ đã sử dụng phương pháp Chebyshev và thuật toán ode23 để giải các phương trình trên. Thực nghiệm cho thấy những phương pháp này có hiệu quả trong việc đạt được các chế độ rung động của máy và có ích trong việc thiết kế công cụ.

Grobel đã đưa ra phương pháp cân bằng cho rotor tua bin liên quan đến phương pháp cân bằng phương thức sớm nhất. Kellenberger và cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu chuyên về phương pháp cân bằng này, trong đó phương pháp cân bằng N mặt phẳng và (N+2) mặt phẳng được đề cập, với N là số tốc độ tới hạn trong dải tốc độ vận hành của rotor. Một thí nghiệm cân bằng tua bin 650 MW được thực hiện bởi hai phương pháp cân bằng N mặt phẳng và (N+2) mặt phẳng. Kết quả cho thấy rằng 3 HVTH: Cung Nguyễn Bảo Khoa GVHD: PGS.

Phạm Huy Hoàng phương pháp (N+2) mặt phẳng cho kết quả chính xác hơn nhưng tốn nhiều công sức và thời gian hơn phương pháp N mặt phẳng. Palazzolo và cộng sự đã phát triển phương pháp xác định sự phân bố của rotor mềm mà không sử dụng trọng lượng thử và đã xác thực bằng thí nghiệm. Bằng việc biết được khối lượng phương thức và hình dáng của từng chế độ của rotor, sự phân bố cân bằng phương thức có thể được tính toán. Mối quan hệ này cung cấp một quy trình nhanh chóng trong việc ước tính khối lượng cân chỉnh cho việc cân bằng chế độ đầu tiên về cường độ và vị trị góc.

Tuy nhiên, vẫn còn một vài hạn chế trong quy trình này. Rotor được vận hành vượt qua vùng tốc độ tới hạn và rotor có giảm chấn. Meacham đã trình bày quy trình cân bằng tận dụng phương pháp phương thức phức tạp cho rotor mềm tuyến tính có hình dáng cung gây ra bởi trọng lượng dư. Phương pháp này không cần chạy thử.

Tuy nhiên, một mô hình toán đáng tin cậy để có được các thông số phương thức của rotor, được sử dụng để liên hệ những hiệu chỉnh cân bằng với đáp ứng được đo. Một vài chiến lược dựa trên sự mở rộng các nghiên cứu trước đây được đưa ra cho cân bằng ở một tốc độ. Và hai thực nghiệm ứng dụng phương pháp trên đã được thực hiện, hệ thống tua bin khí và hệ thống tua bin hơi. Ở thế kỉ 21, phương pháp cân bằng phương thức đã được cải thiện về mặt lý thuyết và thực nghiệm.

Bucher đã tóm tắt sự khác nhau giữa mô hình toán được dùng trong phân tích động lực học của các kết cấu quay và không quay, và xác thực chúng bằng thực nghiệm. Các loại khác nhau của kết cầu quay được sử dụng cho những mô hình khác nhau. Bài báo đã phân loại các mô hình khác nhau và chỉ ra các điều kiện tiên quyết của chúng. Sau đó, các thí nghiệm phương thức có liên quan đã được thực hiện để xác nhận lý thuyết được đề xuất.2 Cân bằng hệ số ảnh hưởng [2] Khác với cân bằng phương thức, cân bằng hệ số ảnh hưởng không biết trước sự phân bố không cân bằng của rotor mà dựa vào việc đo rung động ban đầu của của các mặt phẳng cân bằng khác nhau và rung động sau khi lắp các tải trọng thử, từ đó xác định ra ma trận hệ số cân bằng và các tải trọng hiệu chỉnh.

Ban đầu phương pháp này được sử dụng cho việc cân bằng rotor cứng ở tốc độ cân bằng. Thearle đã đề xuất 4 HVTH: Cung Nguyễn Bảo Khoa GVHD: PGS. Phạm Huy Hoàng phương pháp này dựa trên một thí nghiệm. Bởi vì phương pháp này chỉ có thể được áp dụng cho rotor cứng, Baker đã cải tiến dựa trên nó, nhưng kết quả thực nghiệm đã không thỏa mãn.