Chương 1 TỔNG QUAN 1. Như ta đã biết tất cả chuyển động quay đều có liên quan đến trục quay như trong các bộ truyền động cơ khí : bộ truyền đai, bộ truyền xích, bộ truyền bánh răng… ; và trong các bộ truyền động chuyển đổi giữa các năng lượng điện, năng lượng gió, năng lượng nhiệt,… qua chuyển động quay hoặc ngược lại. Do một số yếu tố, ngoài chuyển động truyền động chính – từ dạng chuyển động xoay sang dạng chuyển động khác – rotor có thể được kèm theo dao động có các chế độ khác nhau ( như hình 1 ). Trước tiên, dao động của rotor do tự bản thân trục gây nên với các cường độ hình thức đa dạng, và được phân ra ba chế độ dao động chính là : chế độ dao động ngang (uốn), chế độ dao dộng xoắn, chế độ dao động dọc trục trong suốt quá trình hoạt động của trục.
Trong số đó chế độ dao động ngang là mối quan tâm nhất, dao động ngang này sẽ truyền qua ổ đở và dầu bôi trơn bao quanh trục rồi tiếp tục truyền đến các chi tiết không quay khác của máy. Cuối cùng, các dao động trên truyền đến các bệ máy và gây ra rung động chính của máy.1 Các chế độ dao động trục trong quá trình truyền động của rotor. 1 Có rất nhiều yếu tố góp phần vào việc chuyển năng lượng từ các chuyển động quay qua các rung động. Một trong những yếu tố đầu tiên đó là mất cân bằng trục quay.
Sự mất cân bằng xảy ra nếu các trục quán tính của rotor không trùng với trục quay của nó. Khi quay tốc độ cao thì lực rung động gây ra chủ yếu là lực ly tâm do mất cân bằng khối lượng gây ra. Chúng quay chung với trục quay và được định hướng vuông góc với trục quay. Do đó khi trục quay mất cân bằng, với chế độ dao động ngang, sẽ như lực ly tâm kích thích bên ngoài vào trục quay, kết quả tương ứng là tần số dao động ngang của trục quay sẽ đồng bộ với tốc độ quay của trục quay.
Rotor mất cân bằng là yếu tố không thể tránh khỏi, điều quan trọng là biên độ dao động do nó gây ra vẫn đảm bảo điều kiện hoạt động của rotor và hoạt động của cả máy từ lúc mở máy đến lúc ngừng máy. Với các máy có rotor quay tốc độ cao thì biên độ dao động của rotor phải đảm bảo êm khi trục quay qua các tốc độ cộng hưởng (các tốc tộ giới hạn ). Tuy nhiên vấn đề mất cân bằng trục không phải là yếu tố duy nhất kích thích dao động cho rotor mà còn các yếu tố khác kích thích rotor theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ.2 Quan hệ vào/ra của yếu tố kích thích dao động 2 Với hình 1.2, dạng dao động gồm các nguồn kích thích có tính chu kỳ hay ngẫu nhiên tác động lên trục rotor và lực mất cân bằng của bản thân rotor. Nguồn dao động kích ngoài sẽ làm cho trục rotor dao động với tần số dao động tưng ứng với tần số nguồn kích thích.
Còn tần số dao động ngang do mất cân bằng của trục rotor sẽ tương ứng với tốc độ quay của trục. Như vậy dao động do mất cân bằng và dao động do nguồn kích thích sẽ không có liên hệ hồi tiếp nhau. Trong công nghiệp, tần số của dao động thường là quan hệ tỉ số với tốc độ quay rotor, vì vậy dao động mất cân bằng được biểu thị (1x ). Nếu hệ thống trục rotor không tuyến tính thì khi có lực kích thích ở một tần số cơ bản thì có thể sinh ra các dao động có nhiều tần số thành phần.
Vì thế khi hệ thống trục rotor không tuyến tính mất cân bằng (1x) sẽ đi kèm với các thành phần điều hòa (2x), (3x)… Hay nói cách khác trong hệ thống trục không tuyến tính mất cân bằng, khi quay ở tốc độ có tần số f thì ngoài dao động tần số f ( tương ứng 1x) thì sẽ có các dao động đa hài có các tần số 2f, 3f… Khi hệ thống trục quay không tuyến tính được lực kích thích bên ngoài có các tần số 1/2x , 1/3x… ( tần số kích thích fkt = ½ f; 1/3 f …) thì tương ứng cũng sinh ra các dao động điều hòa có tần số đa hài. Khi hệ thống rotor không tuyến tính vừa mất cân bằng vừa chịu lực kích thích bên ngoài vào thì rõ ràng dạng dao động sẽ tổng hợp các dao động thành phần. Song song với dạng dao động được mô tả ở trên, dạng thứ hai của dao động trong hệ thống cơ khí, được gọi là “dao động tự do”, xảy ra khi hệ thống được kích thích từ một tác động ngắn kéo dài, gây ra những thay đổi tức thời trong hệ thống như : gia tốc, vận tốc, vị trí ( hình 3). Hệ thống này đáp ứng tác động với dao động tự do, với tần số riêng đặc trưng cho hệ thống.
Dạng thứ ba của dao động trong cơ khí là khi nguồn cung cấp cho chuyển động quay ổn định, có nghĩa là biên độ , tần số, pha của nguồn tác động vào ổn định. Khi rotor quay với ảnh hưởng của ổ đỡ, dầu bôi trơn,. sẽ sinh ra các dao động riêng ảnh hưởng ngược lại rotor. ( minh họa trên hình 1.3 Đáp ứng của hệ thống xét đến dao động riêng.
Khi máy rung động lớn nếu tần số gần tần số riêng của một nhóm cơ cấu hoặc hệ thống máy thì hậu quả sẽ là hư hại cơ cấu cơ khí, đôi khi có thể gây nguy hiểm cho con người. Trong quá trình chế tạo, có nhiều nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng của vật như vật liệu không đồng đều về độ đặc, độ rỗng, gia công bị lệch tâm, một số lỗi khi đúc. Hoặc sau một thời gian làm việc các chi tiết bị mài mòn hay bám bẩn ở một số chỗ, biến dạng do ứng suất, khí động hay nhiệt độ thay đổi gây mất đối xứng….Và hơn nữa ổ đỡ , dầu bôi trơn,. cũng là nguyên nhân sinh ra các dao động cho hệ thống, đặc biệt là khi ổ đỡ khi mài mòn hoặc rạng nứt,.
sẽ gây ra rung động. Nếu hệ thống truyền động là truyền động xích , truyền động bánh răng, quá trình hoạt cũng sẽ sinh ra va đập tùy thuộc vào trạng thái của bộ truyền. Vì vậy tín hiệu rung động là tổng hợp rất nhiều nguồn dao động trên hệ thống, chúng ta phải chuyển tín hiệu từ miền thời gian qua miền tần số để phân tích nguyên nhân gây rung động. Trước khi thực hiện cân bằng rotor thì ta phải xác định nguyên nhân rung động là do rotor mất cân bằng.4 Năng lượng chuyển đổi bên trong máy có chuyển động quay.
Như vậy vấn đề phân tích động học cho trục quay luôn luôn được quan tâm từ rất lâu và vẫn tiếp tục nghiên cứu giải pháp phân tích rung động trên trục quay để có kết quả chính xác hơn. Với sự phát triển của công nghệ thì công cụ đo rung động ngày được cải tiến rất nhiều qua việc phát triển các các cảm biến đo gia tốc, đo vận tốc và đo chuyển vị. Tùy theo yêu cầu của bài toán phân tích rung động cho trục quay mà người ta chọn cảm biến phù hợp. Trong đó cảm biến gia tốc thường người ta sử dụng để phân tích rung động của ổ lăn và phân tích rung động do mất cân bằng.
Với cảm biến chuyển vị thường sử dụng phân tích cho đo quỹ đạo của trục quay, của ổ lăn , tức là phân tích biên độ rung của trục quay. Những năm gần đây công nghệ MEMS phát triển đã thúc đẩy các nhóm nghiên cứu phát triển cảm biến đo gia tốc dành cho lĩnh vực đo rung động máy. Công ty Analog Device và Presscale của Mỹ đã đi tiên phong trong lĩnh vực này. Giá thành của các cảm biến này khá rẽ hơn so với các cảm biến gia tốc dùng áp điện đã được thương mại.
5 Vì vậy đề tài này sẽ nghiên cứu phương pháp đo và phân tích rung động dựa theo các cảm biến gia tốc MEMS ADXL01, ADXL325,. Kết quả nghiên sẽ góp phần phát triển các hệ thống giám sát rung động trực tuyến để chẩn đoán tình trạng hoạt động của ổ lăn, của trục quay…trên các máy đang hoạt động trong nhà máy một cách linh hoạt và chi phí đầu tư thấp.2 Cơ sở nghiên cứu. Động lực học trục quay ( Rotordynamics ) đã được nghiên cứu từ rất lâu và được kết hợp lý thuyết với thực nghiệm vào trong những phương pháp phân tích. Động lực học trục quay là một nhánh của cơ học ứng dụng, có liên quan chủ yếu với các tác động và đáp ứng của cơ cấu quay.
Động lực học trục quay có liên quan chủ yếu với trục rotor quay quanh trục của bởi các ổ lăn. Các trục quay này sẽ tăng có tốc độ quay và có thể đi qua tốc độ quay giới hạn của nó trong quá trình hoạt động. Và nếu như trục quay này không cân bằng thì khi trục quay qua tốc độ giới hạn có thể gây hỏng hóc nghiêm trọng. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào việc cố gắng để phát triển phương pháp cân bằng trục quay cho các mục đích sau: • Nâng cao chất lượng tổng thể của một thiết bị • Giảm thiểu độ rung động • Giảm thiểu tiếng ồn âm thanh • Giảm thiểu ứng suất thay dổi do rung gây ra.
• Tăng tuổi thọ thiết bị • Giảm thiểu tổn thất năng lượng do rung. Vì vậy nghiên cứu động lực học trục quay không ngừng phát triển từ xưa đến nay.1 Nghiên cứu ngoài nước. a) Nghiên cứu về động lực học trục quay Năm 1869 Rankine là người đầu tiên để thực hiện một phân tích của một trục quay. Rankine gợi ý rằng tốc độ siêu giới hạn của trục không có thể đạt được 6 (Foiles, 1998).
Phân tích của Rankine sau đó được giảm xuống năm sau khi Dunkerley xuất bản một bài báo (Foiles, 1998) giải thích cách các trục đạt tốc độ siêu tới hạn. Thực hành của Dunkerley sau đó dẫn đến những người khác đạt được tốc độ siêu quan trọng thông qua các trục, bao gồm Carl Gustaf De Laval, vào năm 1889, (Foiles, 1998) chạy một động cơ hơi nước với tốc độ siêu tới hạn trong khi vào năm 1895 A. Foppl xây dựng và giải quyết các phương trình đáp ứng điều chỉnh của một khối lượng đến hệ thống rotor (Foppl, 1895). Trong suốt những năm 1919, HH Jeffcott giải thích các đáp ứng cơ bản của một khối lượng duy nhất gây mất cân bằng trên rotor trục mềm (Jeffcott, 1919).
