Nghiên Cứu Phân Tích Phổ Tần Số Rung Của Động Cơ Tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• 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 Động Cơ Để Đánh Giá Tình Trạng Làm Việc
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.4.1. Nhiệm vụ đề tài
• 1.4.2. Giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Lý thuyết rung động máy
• 1.6.1. Định nghĩa rung động
• 1.6.2. Tính chất của rung động
• 1.6.3. Miền thời gian
• 1.6.4. Miền tần số
• 1.7. Rung động của động cơ
• 1.7.1. Xéc măng bị mòn
• 1.7.2. Không cân bằng do quán tính
• 1.7.3. Phương pháp tính tần số rung của động cơ
• 1.7.4. Hậu quả của rung động
• 1.8. Phương pháp xử lý và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu rung
• 1.8.1. Lý thuyết tín hiệu và xử lý tín hiệu
• 1.8.2. Phương pháp phân tích tín hiệu rung động
• 1.8.2.1. Phương pháp phân tích hình bao
• 1.8.2.2. Phương pháp phân tích Kurtosis
• 1.8.2.3. Phép biến đổi Fourier FFT
• 1.8.2.4. Ứng dụng biến đổi Fourier để phân tích tín hiệu rung động
• 1.8.3. Cảm biến đo rung động
• 1.8.4. Phần mềm LabVIEW
• 1.8.5. Phần mềm PSoC Designer
• 1.8.6. Phần mềm Ocard
• 1.9. Mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ
• 1.9.1. Tổng quan mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật của động cơ
• 1.9.2. Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm
• 1.9.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động mô hình thực nghiệm
• 1.10. Thiết kế, chế tạo bộ TVE-T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ
• 1.10.1. Quy trình thiết kế và chế tạo
• 1.10.2. Thiết kế phần cứng
• 1.10.2.1. Thiết kế khối nguồn
• 1.10.2.2. Thiết kế khối vi điều khiển PSoC
• 1.10.2.3. Thiết kế khối A/D
• 1.10.2.4. Thiết kế khối UART
• 1.10.2.5. Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc
• 1.10.2.6. Thiết kế khối truyền dữ liệu
• 1.10.3. Thiết kế phần mềm
• 1.10.3.1. Thuật toán chương trình điều khiển, xử lý dữ liệu
• 1.10.3.2. Lập trình điều khiển trên board mạch thu thập và xử lý dữ liệu
• 1.10.3.3. Lập trình điều khiển, thu thập phân tích và hiển thị kết quả
• 1.10.3.4. Bộ tích hợp TVE-T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ
• 1.11. Thực nghiệm và đánh giá kết quả
• 1.11.1. Các phương án thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ
• 1.11.2. Phương tiện thực nghiệm và điều kiện thực nghiệm
• 1.11.2.1. Động cơ dùng trong thực nghiệm
• 1.11.2.2. Bộ chẩn đoán kỹ thuật động cơ TVE-T01
• 1.11.2.3. Các thiết bị khác
• 1.11.2.4. Điều kiện thực nghiệm chung
• 1.11.3. Thực nghiệm và kết quả
• 1.11.3.1. Kiểm tra mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ
• 1.11.3.2. Trường hợp 1 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục)
• 1.11.3.3. Trường hợp 2 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục)
• 1.11.3.4. Trường hợp 3 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục)
• 1.11.3.5. Trường hợp 4 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục)
• 1.11.3.6. Tổng hợp kết quả so sánh thực nghiệm
• 1.11.4. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân Tích Rung Động

Phân tích rung động là một phương pháp quan trọng trong việc đánh giá tình trạng làm việc của động cơ. Phân tích rung động giúp xác định các tần số rung động và từ đó phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong động cơ. Việc sử dụng tần số rung động để phân tích tình trạng làm việc của động cơ đã trở thành một tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp. Các cảm biến rung được lắp đặt để thu thập dữ liệu, từ đó sử dụng các thuật toán như FFT để phân tích và đưa ra kết luận về tình trạng của động cơ. Điều này không chỉ giúp phát hiện sớm các hư hỏng mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa. Theo nghiên cứu, việc phân tích rung động có thể phát hiện các lỗi như bu gi mòn, xéc măng bị mòn, và các vấn đề khác liên quan đến động cơ.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Phân Tích Rung Động

Phân tích rung động đóng vai trò quan trọng trong việc bảo trì và sửa chữa động cơ. Đánh giá tình trạng của động cơ thông qua rung động giúp các kỹ sư phát hiện sớm các vấn đề, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng kỹ thuật rung động trong chẩn đoán động cơ có thể giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của máy móc, từ đó tăng cường hiệu quả sản xuất.

II. Phương Pháp Phân Tích Tín Hiệu Rung

Phương pháp phân tích tín hiệu rung động là một trong những bước quan trọng trong việc đánh giá tình trạng làm việc của động cơ. Sử dụng cảm biến rung để thu thập dữ liệu, sau đó áp dụng các phương pháp như biến đổi Fourier FFT để phân tích tín hiệu. Phân tích này cho phép xác định các tần số chính và cường độ rung động, từ đó phát hiện các vấn đề như mất cân bằng hoặc hư hỏng trong động cơ. Việc sử dụng phần mềm như LabVIEW để xử lý và phân tích tín hiệu rung động đã trở thành một tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp. Kết quả từ phân tích này có thể được sử dụng để lập báo cáo tình trạng làm việc của động cơ, giúp các kỹ sư đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc bảo trì.

2.1. Ứng Dụng Của Phân Tích Tín Hiệu

Phân tích tín hiệu rung động không chỉ giúp phát hiện các lỗi cơ khí mà còn có thể dự đoán các hư hỏng trong tương lai. Việc này có thể thực hiện thông qua việc theo dõi các thay đổi trong phổ tần số rung động theo thời gian. Các kỹ sư có thể sử dụng dữ liệu này để lập kế hoạch bảo trì định kỳ, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa. Hơn nữa, việc phân tích này còn giúp cải thiện thiết kế động cơ, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm.

III. Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc phân tích phổ tần số rung động có thể chẩn đoán chính xác tình trạng làm việc của động cơ. Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng, thông qua việc thu thập và phân tích tín hiệu rung động, có thể phát hiện được các lỗi như bu gi không đánh lửa, xéc măng bị mòn, và các vấn đề khác. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong công tác bảo trì mà còn góp phần vào việc phát triển các thiết bị giám sát tình trạng làm việc của động cơ. Việc áp dụng các công nghệ mới trong phân tích rung động sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp ô tô trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm và dịch vụ.

3.1. Đánh Giá Thực Tế

Đánh giá thực tế cho thấy rằng, việc sử dụng báo cáo tình trạng từ phân tích rung động đã giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc bảo trì động cơ. Các kết quả từ nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng công nghệ phân tích rung động không chỉ giúp phát hiện sớm các vấn đề mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ. Điều này chứng tỏ rằng, phân tích rung động là một công cụ không thể thiếu trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí động lực, việc chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo dưỡng và giảm thiểu chi phí sửa chữa. Theo ước tính, các công ty sản xuất ô tô hàng năm phải chi một khoản lớn cho công tác bảo dưỡng động cơ, trong khi sự cố động cơ có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho sản xuất và quản lý. Rung động của động cơ là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất làm việc của thiết bị. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích phổ tần số rung động của động cơ Toyota 1SZ-FE nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ, qua đó góp phần phát triển các phương pháp chẩn đoán kỹ thuật chính xác và kịp thời.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thu thập và phân tích tín hiệu rung động theo phương thẳng đứng (Z) của động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng, thực hiện tại trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo bộ thu tín hiệu rung động TVE-T01, ứng dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) trong môi trường LabVIEW để xử lý và phân tích phổ tần số rung động, từ đó nhận dạng các hư hỏng cơ khí cơ bản như bugi không đánh lửa, bugi mòn điện cực và xéc măng bị mòn. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển các thiết bị giám sát và chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ, góp phần nâng cao hiệu quả bảo trì và phòng ngừa hư hỏng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết rung động máy: Rung động được định nghĩa là sự dao động của vật thể về vị trí theo chu kỳ, với các đặc tính như biên độ, tần số và pha. Rung động có thể là tuần hoàn, ngẫu nhiên, tắt dần hoặc bất quy tắc. Trong đó, rung động tuần hoàn phổ biến nhất trong các thiết bị quay như động cơ.

• Phân tích tín hiệu rung động theo miền tần số: Sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) để chuyển đổi tín hiệu rung động từ miền thời gian sang miền tần số, giúp xác định các thành phần tần số đặc trưng của các hư hỏng cơ khí.

• Các nguyên nhân rung động trong động cơ: Bao gồm hư hỏng bugi (mòn, mất lửa), xéc măng bị mòn gây lọt hơi, mất cân bằng do quán tính của piston và trục khuỷu. Mỗi nguyên nhân tạo ra các tần số rung động đặc trưng, có thể được nhận dạng qua phổ tần số.

• Phương pháp phân tích tín hiệu rung động: Ngoài FFT, còn có phương pháp phân tích hình bao (envelope analysis) và phân tích Kurtosis để đánh giá mức độ hư hỏng dựa trên đặc tính thống kê của tín hiệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tín hiệu rung động được thu thập trực tiếp từ động cơ Toyota 1SZ-FE đặt trên mô hình thực nghiệm tại trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Cảm biến gia tốc MMA7361 được sử dụng để đo rung động theo phương thẳng đứng (Z).

• Thiết bị và phần mềm: Bộ thu tín hiệu rung động TVE-T01 được thiết kế và chế tạo, tích hợp vi điều khiển PSoC CY8C3245PV1 để xử lý tín hiệu. Phần mềm LabVIEW được sử dụng để lập trình xử lý tín hiệu và phân tích phổ tần số bằng thuật toán FFT.

• Phương pháp phân tích: Tín hiệu rung động thu thập được xử lý qua bộ lọc thông thấp, chuyển đổi sang dạng số bằng ADC tích hợp trên vi điều khiển, sau đó truyền dữ liệu qua giao tiếp USB đến máy tính để phân tích phổ tần số. Thuật toán FFT được áp dụng để xác định các thành phần tần số đặc trưng của các hư hỏng cơ khí.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu bao gồm các bước: khảo sát lý thuyết và công nghệ hiện có, thiết kế phần cứng và phần mềm TVE-T01, thực nghiệm thu thập dữ liệu, xử lý và phân tích tín hiệu, đánh giá kết quả và hoàn thiện báo cáo luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chẩn đoán thành công các lỗi cơ khí cơ bản: Qua phân tích phổ tần số rung động, các lỗi như bugi không đánh lửa, bugi mòn điện cực và xéc măng bị mòn được nhận dạng rõ ràng. Ví dụ, trong trường hợp bugi không đánh lửa, phổ tần số cho thấy biên độ rung động tăng lên đáng kể tại tần số tương ứng với tần số đánh lửa của động cơ, với mức tăng biên độ khoảng 30% so với trạng thái bình thường.

2. Hiệu quả của bộ thu tín hiệu TVE-T01: Thiết bị thu tín hiệu rung động TVE-T01 hoạt động ổn định, thu nhận tín hiệu chính xác và truyền dữ liệu hiệu quả qua cổng USB. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác trong việc phát hiện các hư hỏng đạt khoảng 85-90% so với các phương pháp truyền thống.

3. Phân tích phổ tần số giúp phân biệt các loại hư hỏng: Mỗi loại hư hỏng tạo ra các đỉnh phổ tần số đặc trưng khác nhau. Ví dụ, xéc măng bị mòn gây ra các đỉnh phổ tại tần số cộng hưởng cao hơn so với bugi mòn, giúp phân biệt chính xác nguyên nhân rung động.

4. Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến phổ rung động: Tín hiệu rung động thay đổi theo tốc độ động cơ, tuy nhiên nghiên cứu giới hạn ở tốc độ cầm chừng cho thấy phổ tần số ổn định và dễ phân tích, phù hợp cho việc chẩn đoán trong điều kiện vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các hư hỏng được phản ánh rõ qua các thành phần tần số trong phổ rung động, phù hợp với lý thuyết rung động máy và các nghiên cứu trước đây. Việc sử dụng thuật toán FFT trong môi trường LabVIEW cho phép phân tích nhanh và chính xác, đồng thời dễ dàng tích hợp vào hệ thống giám sát tự động. So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả nghiên cứu này có tính ứng dụng cao trong thực tế, đặc biệt trong việc phát hiện sớm các hư hỏng cơ khí cơ bản của động cơ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ tần số, thể hiện rõ sự khác biệt biên độ tại các tần số đặc trưng giữa trạng thái động cơ bình thường và các trạng thái hư hỏng. Bảng tổng hợp kết quả so sánh biên độ rung động giữa các trường hợp cũng giúp minh họa hiệu quả của phương pháp chẩn đoán.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống giám sát rung động tự động: Áp dụng bộ thu tín hiệu TVE-T01 kết hợp phần mềm phân tích FFT để giám sát liên tục tình trạng động cơ, nhằm phát hiện sớm các hư hỏng cơ khí. Mục tiêu giảm thiểu thời gian chết máy và chi phí sửa chữa trong vòng 12 tháng tới, do các đơn vị bảo trì thực hiện.

2. Mở rộng phạm vi phân tích tín hiệu rung động: Nghiên cứu thêm các phương pháp phân tích tín hiệu như phân tích hình bao và Kurtosis để nâng cao độ nhạy và khả năng phát hiện các hư hỏng phức tạp hơn. Thời gian thực hiện dự kiến 6-9 tháng, do nhóm nghiên cứu kỹ thuật đảm nhiệm.

3. Phát triển phần mềm phân tích đa nền tảng: Tối ưu hóa phần mềm LabVIEW hiện tại để có thể tích hợp trên các thiết bị di động hoặc hệ thống nhúng, giúp thuận tiện trong việc giám sát tại hiện trường. Mục tiêu hoàn thành trong 1 năm, phối hợp với các chuyên gia phần mềm.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật đo rung động và phân tích phổ tần số cho đội ngũ kỹ thuật viên bảo trì, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị và phần mềm chẩn đoán. Thời gian triển khai trong 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư bảo trì và vận hành động cơ: Nghiên cứu cung cấp phương pháp chẩn đoán rung động chính xác, giúp kỹ sư phát hiện sớm các hư hỏng cơ khí, từ đó lên kế hoạch bảo dưỡng hiệu quả, giảm thiểu sự cố ngoài ý muốn.

2. Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị đo lường: Luận văn trình bày chi tiết thiết kế phần cứng và phần mềm của bộ thu tín hiệu TVE-T01, là tài liệu tham khảo quý giá cho việc phát triển các thiết bị giám sát rung động tương tự.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Nội dung nghiên cứu cung cấp kiến thức lý thuyết và thực nghiệm về rung động động cơ, phương pháp xử lý tín hiệu và ứng dụng FFT, hỗ trợ cho việc giảng dạy và học tập chuyên sâu.

4. Các doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa ô tô: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng dịch vụ bảo dưỡng, giảm chi phí sửa chữa và tăng tuổi thọ động cơ, từ đó nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Phân tích phổ tần số rung động giúp phát hiện lỗi động cơ như thế nào?
   Phân tích phổ tần số sử dụng thuật toán FFT để chuyển tín hiệu rung động từ miền thời gian sang miền tần số, giúp xác định các tần số đặc trưng của các hư hỏng cơ khí như bugi mất lửa hay xéc măng mòn. Ví dụ, biên độ tại tần số đánh lửa tăng cao khi bugi không đánh lửa.

2. Bộ thu tín hiệu TVE-T01 có ưu điểm gì so với các thiết bị khác?
   TVE-T01 được thiết kế tích hợp vi điều khiển PSoC, có khả năng thu nhận và xử lý tín hiệu rung động chính xác, truyền dữ liệu qua USB, dễ dàng lập trình và tùy chỉnh. Thiết bị nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng thực nghiệm và giám sát thực tế.

3. Tại sao chỉ đo rung động theo phương thẳng đứng (Z)?
   Phương thẳng đứng là hướng có biên độ rung động lớn nhất do lực quán tính và áp suất cháy tác động lên piston và thân động cơ. Việc đo theo phương này giúp phát hiện các hư hỏng cơ khí hiệu quả mà không cần đo đa chiều phức tạp.

4. Phương pháp phân tích hình bao và Kurtosis có thể bổ sung gì cho FFT?
   Phân tích hình bao giúp phát hiện các xung va đập và hư hỏng dạng xung tần số cao, trong khi Kurtosis đánh giá mức độ bất thường của tín hiệu dựa trên phân bố xác suất. Kết hợp các phương pháp này với FFT nâng cao độ nhạy và chính xác trong chẩn đoán.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế bảo trì động cơ?
   Doanh nghiệp có thể trang bị hệ thống giám sát rung động sử dụng TVE-T01 và phần mềm phân tích FFT để theo dõi liên tục tình trạng động cơ, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, từ đó lập kế hoạch bảo dưỡng kịp thời, giảm thiểu chi phí và thời gian ngừng máy.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công bộ thu tín hiệu rung động TVE-T01, ứng dụng thuật toán FFT trong môi trường LabVIEW để phân tích phổ tần số rung động động cơ Toyota 1SZ-FE.
• Phương pháp phân tích phổ tần số rung động giúp chẩn đoán chính xác các hư hỏng cơ khí cơ bản như bugi không đánh lửa, bugi mòn điện cực và xéc măng bị mòn.
• Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác chẩn đoán đạt khoảng 85-90%, mở ra hướng phát triển các thiết bị giám sát và chẩn đoán tự động cho động cơ.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu với các phương pháp phân tích tín hiệu bổ sung và phát triển phần mềm đa nền tảng để nâng cao hiệu quả ứng dụng.
• Khuyến khích các đơn vị bảo trì, doanh nghiệp sản xuất và nghiên cứu tiếp tục áp dụng và phát triển công nghệ chẩn đoán rung động nhằm nâng cao hiệu quả bảo dưỡng và giảm thiểu sự cố động cơ.

Hành động tiếp theo là triển khai hệ thống giám sát rung động tự động và đào tạo kỹ thuật viên sử dụng thiết bị, đồng thời mở rộng nghiên cứu để nâng cao độ nhạy và phạm vi chẩn đoán.

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