Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo nhiệt để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn

Hiện nay, việc sử dụng thiết bị đo nhiệt để giám sát, phân tích, đánh giátình trạng làm việc của thiết bị đã được nhiều nhà khoa học các nước quan tâmnghiên cứu và ứng dụng như: Việc sử

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Ổ lăn là một trong những chi tiết máy được sử dụng phổ biết nhất trongcác truyền động Độ tin cậy và độ chính xác của ổ lăn có ý nghĩa quan trọng vớihoạt động tổng thể của các thiết bị, máy móc Việc phát hiện lỗi và chẩn đoántình trạng của ổ lăn trong giai đoạn đầu là cần thiết để tránh những hỏng hóc bấtchợt trong quá trình làm việc

Trước đây, hầu hết các nghiên cứu về ổ chỉ tập trung vào tăng khả năngtải, tăng độ bền, nâng cao chất lượng làm việc bằng độ chính xác của ổ Gầnđây, các nghiên cứu đã tập trung vào hướng nghiên cứu các nguyên nhân gây saihỏng ổ bi và cách khắc phục [1-3] William H Detweiler đã đưa ra nguyên nhânphổ biến và cách khắc phục cho ổ bi quá nhiệt [4]

Thông thường, dự báo tình trạng làm việc của ổ thông qua các nhà sảnxuất nhưng trên thực tế thì không được như vậy Nếu ổ hỏng bất chợt sẽ ảnhhưởng rất lớn đến quá trình làm việc của hệ thống thiết bị, máy móc Cho nên,việc dự báo trước tình trạng của ổ để có kế hoạch khắc phục kịp thời sẽ giúp antoàn cho người và đảm bảo hệ thống thiết bị hoạt động liên tục

Khi làm việc ổ thường phát sinh rung, nhiệt, tiếng ồn, Các nhà nghiêncứu cho rằng, cần phải giám sát tình trạng ổ thông qua các yếu tố này

Cùng với rung động và tiếng ồn, nhiệt phát sinh là một yếu tố ảnh hưởnglớn đến chế độ làm việc của ổ cũng như hệ thống thiết bị, máy móc Lượng nhiệtphát sinh có thể được tạo ra bởi ma sát, chế độ bôi trơn làm nguội không đúng,tải bất thường, phản ánh rất rõ tình trạng làm việc của ổ Cho nên, cần phảiđánh giá tình trạng làm việc của ổ thông qua thông số nhiệt Giải quyết được vấn

đề này sẽ khai thác tối đa công suất và thời gian sử dụng ổ; chủ động trong việckéo dài tuổi thọ ổ trục; đảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, máymóc; giảm thiểu các sự cố đột xuất gây thiệt hại không nhỏ về chi phí bảo trì,

Hiện nay, việc sử dụng thiết bị đo nhiệt để giám sát, phân tích, đánh giátình trạng làm việc của thiết bị đã được nhiều nhà khoa học các nước quan tâmnghiên cứu và ứng dụng như: Việc sử dụng nhiệt kế hồng ngoại để phát hiện lỗicủa ổ bi trong điều kiện tải động [5]; dùng nhiệt kế hồng ngoại để kiểm tra, giámsát tình trạng của ổ bi trong giai đoạn tải trọng động [6]; phân tích các hiệu ứngnhiệt (nhiệt độ) và ma sát của vòng bi [7] nhưng ở Việt Nam có rất ít các côngtrình nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố.

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình trên, tác giả chọn đề tài:

"

Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm sử dụng thiết bị đo nhiệt để phân tích tình trạng làm việc của ổ lăn"

2 Mục tiêu của nghiên cứu

Dự kiến mục tiêu chung của đề tài: Dự báo được các sai hỏng của ổ lăn đểđảm bảo hiệu suất vận hành tối đa của các thiết bị, giảm các sự cố ngưng máybất chợt Việc này được thực hiện bằng cách giám sát, phân tích tình trạng làmviệc của ổ lăn với thông số chính là nhiệt

+ Nghiên cứu thực nghiệm.

+ Nghiên cứu cơ sở

- Phương pháp luận: Mô hình hóa và hình thành mô hình thử nghiệm

5 Nội dung luận văn

Chương 1: Ổ lăn và đánh giá tình trạng làm việc của ổ lăn

Chương này tác giả trình bày tổng quan về ổ lăn, các dạng sai hỏng vàbiện pháp khắc phục của ổ lăn, một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng của ổlăn và định hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm

Xây dựng được mô hình thí nghiệm và chuẩn bị các thiết bị thí nghiệm

Chương 3: Thí nghiệm và phân tích kết quả thí nghiệm

Tiến hành thí nghiệm đo nhiệt độ ổ bi với các mẫu đã chọn ta thu đượckết quả dưới dạng bảng biểu, xử lý và phân tích kết quả đạt được

Chương 4: Kết luận

Chương này tác giả kết luận chung về kết quả của luận văn và đề xuất cáchướng nghiên cứu

CHƯƠNG 1: Ổ LĂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC

CỦA Ổ LĂN

1.1 Ổ lăn thường dùng

1.1.1 Giới thiệu chung

Ổ lăn là một dạng của ổ đỡ trục, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực

ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của 2 bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyểnđộng thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong mộtkhung hình khuyên

Cấu tạo ổ lăn bao gồm: Vòng trong, vòng ngoài, vòng cách và con lăn.Vòng trong và vòng ngoài thường có rãnh để dẫn hướng cho con lăn và để giảmứng suất Vòng trong lắp với ngõng trục, vòng ngoài lắp với gối trục (vỏ máy,thân máy) Thường vòng trong quay cùng với trục, còn vòng ngoài thì đứng yên,nhưng cũng có khi vòng ngoài quay cùng với gối trục còn vòng trong đứng yêncùng với trục

Hình 1 1: Cấu tạo ổ lăn

1.1.2 Các thông số vận hành của vòng bi

1.2 Các tình trạng hỏng và nguyên nhân gây hỏng ổ lăn

1.2.1 Các hoạt động bất thường, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của ổ lăn

Bảng 1 1: Nguyên nhân và biện pháp khắc phục các hoạt động bất thường của ổ lăn

3 Do quá tải Điều chỉnh lại gối ổ hợp lý

4 Lỗi lắp ráp Điều chỉnh độ đồng tâm trục với lỗ gối và

độ chính xác lắp ráp.

5 Khuyết tật của

6 Dung lượng chất bôi trơn không đủ Dung lượng chất bôi trơn chính xác

7 Dầu bôi trơn không đúng Thay đổi dầu bôi trơn thích hợp

8 Phương pháp bôi trơn không đúng.

Thay đổi phương pháp bôi trơn bằng cách điều chỉnh hoặc thay thế các bộ phận mới.

9 Dầu bôi trơn

- Bôi trơn quá mức.

- Thiếu chất bôi trơn.

- Dầu bôi trơn không đúng

Giảm lượng chất bôi trơn và lựa chọn loại

mỡ rắn hơn.

Bổ sung thêm chất bôi trơn.

Dùng đúng loại dầu bôi trơn và phương pháp bôi trơn hợp lý,

10 Sự tiếp xúc bất thường với đệm kín khuất khúc và các bộ phận khác.

Làm kín hợp lý, chế độ lắp và phương pháp lắp hợp lý.

Tải bất thường Chế độ lắp, khe hở trong, tải đặt trước, vị

trí vai thân gối không hợp lý Lắp ráp sai

Độ chính xác gia công và độ đồng tâm trục với lỗ gối và độ chính xác lắp ráp chưa hợp lý.

Bôi trơn không đủ hoặc không đúng

Bổ sung chất bôi trơn hay lựa chọn chất bôi trơn khác.

Cọ xát của các chi tiết quay Thay đổi thiết kế vòng làm khuất khúc.Tiếng

ồn lớn

Vết nứt, ăn mòn hay vết xước trên rãnh

Thay mới hay làm sạch vòng bi cẩn thận, cải thiện sự làm kín và sử dụng chất bôi

Có vết nứt hoặc tạo vảy trên các viên bi Thay mới vòng bi

Giảm lượng chất bôi trơn và lựa chọn loại

mỡ rắn hơn Thay vòng bi hay chất bôi trơn Vệ sinh buồng gối và các bộ phận bên trong.

1.2.2 Các dạng hỏng thường gặp của ổ lăn

1.3 Một số giải pháp đánh giá tình trạng hỏng Ổ

1.3.1 Theo dõi (giám sát) tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trên yếu tố nhiệt độ

1.3.1.1 Khái quát chung

Tất cả các hệ thống cơ khí nói chung và ổ lăn nói riêng trong quá trìnhhoạt động bình thường tạo ra nhiệt năng nên việc theo dõi bức xạ nhiệt để đánhgiá tình trạng hoạt động của chúng là rất cần thiết Theo [7, 8] các tác giả đã tiếnhành chụp hình ảnh nhiệt bằng hồng ngoại để đánh giá, phân tích tình trạng hoạtđộng của ổ lăn: Sử dụng nhiệt kế hồng ngoại để phát hiện lỗi của ổ bi trong điềukiện tải động [7]; dùng nhiệt kế hồng ngoại để kiểm tra, giám sát tình trạng của

ổ bi trong giai đoạn tải trọng động [8] (Hình 1.10); phân tích các hiệu ứng nhiệt

(nhiệt độ) và ma sát của vòng bi [9]; Sử dụng nhiệt hồng ngoại để giám sát tìnhtrạng của ổ bi trong chuẩn đoán lỗi dưới điều kiện bôi trơn [10] (Hình 1.11)

a Hình ảnh nhiệt theo định lượng của B6204 với chế độ tải trọng động

b Đồ thị nhiệt độ của B6204 với các tải trọng khác nhau Hình 1 2: Hình ảnh nhiệt và đồ thị nhiệt độ của B6204

a Đồ thị nhiệt độ ở 1,000 rpm

b Đồ thị nhiệt độ ở 3,000 rpm Hình 1 3: Ghi nhiệt độ hồng ngoại hình ảnh của ổ bi trong chuẩn đoán lỗi

Một trong những vấn đề lớn nhất của các ổ lăn khi hoạt động đó là nhiệt

độ tăng cao quá mức Nhiệt tăng cao quá mức [5, 6] có thể được tạo ra bởi masát, bôi trơn kém, quá tải, lỗi lắp ráp,… Khi nhiệt tăng cao quá mức sẽ dẫn đếnnhững hư hỏng khó lường làm ảnh hưởng đến hoạt động của cả hệ thống máymóc

Giám sát nhiệt độ là một trong những kỹ thuật không thể thiếu của giámsát tình trạng Đối với mỗi chi tiết, nhiệt độ thay đổi có thể biểu hiện của những

hư hỏng ban đầu Nếu không được giám sát, phát hiện và hiệu chỉnh kịp thời thì

đôi khi chỉ cần một hư hỏng nhỏ của những chi tiết này cũng có thể làm cho mộtthiết bị hoặc cả nhà máy ngừng hoạt động.

Ngày nay có rất nhiều phương pháp giám sát nhiệt độ khác nhau tùy thuộcvào tình trạng của thiết bị cần giám sát như: Đang đứng yên, đang chuyển động,khó tiếp xúc hay không thể tiếp xúc mà từ đó sử dụng các phương pháp giám sátnhiệt độ thích hợp

1.3.1.2 Phương pháp theo dõi (giám sát) nhiệt độ

- Phương pháp chủ quan:

Phương pháp chủ quan chủ yếu là dùng các giác quan như: Thị giác, xúcgiác và khứu giác để kiểm tra sơ bộ nên thường kém chính xác Tuy nhiên trongmột vài trường hợp phương pháp này gần như là duy nhất

- Phương pháp khách quan:

Trong kỹ thuật giám sát nhiệt độ, phương pháp giám sát khách quan được

áp dụng cho hầu hết các thiết bị hay các hệ thống điều khiển quá trình Có haiphương pháp giám sát nhiệt độ khách quan: Phương pháp tiếp xúc và phươngpháp không tiếp xúc

+ Phương pháp tiếp xúc: Phương pháp này khá phổ biến để giám sát nhiệt

độ Những thiết bị của phương pháp này hầu hết là sử dụng đơn giản, chokết quả chính xác và đáng tin cậy Có thể dùng nhiều loại cảm biến khácnhau để nối với dụng cụ đo tùy theo hình dáng hay tính chất của môitrường đo

+ Phương pháp không tiếp xúc: Phương pháp không tiếp xúc tiến bộ nhấthiện nay là kỹ thuật dùng tia hồng ngoại Mọi vật đi qua điểm không tuyệtđối sẽ phát xạ một trường điện từ tùy theo nhiệt độ, được gọi là các tiahồng ngoại Thiết bị dùng tia hồng ngoại sẽ dò tìm các tia hồng ngoại đãphát ra từ đối tượng và chuyển thành tín hiệu để xử lý

Kỹ thuật tia hồng ngoại dùng để đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc đếnđối tượng đo Kỹ thuật này được ứng dụng rất hiệu quả trong công tác bảo trì

các chi tiết và thiết bị Bằng phương pháp này, có thể đo được nhiệt độ của thiết

bị mà không cần ngừng máy

1.3.1.3 Thiết bị giám sát nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

1.3.2 Theo dõi và phân tích rung động

1.3.3 Theo dõi và phân tích dầu bôi trơn

1.3.4 Kỹ thuật NDT

1.3.5 Kỹ thuật siêu âm

1.4 Kết luận chương

Chương này trình bày về các vấn đề sau:

- Ổ lăn là chi tiết máy có vai trò quan trọng trong hệ thông cơ khí, đặc biệt

là trong các hệ thống chuyển động quay Các hoạt động bất thường và cácsai hỏng thường gặp của Ổ lăn có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất vậnhành tối đa của các thiết bị, các sự cố ngưng máy bất chợt, chi phí sửachữa

- Một số phương pháp theo dõi (giám sát) tình trạng làm việc để chuẩnđoán hư hỏng của Ổ lăn đã được liệt kê và phân tích Hiện nay có một sốphương pháp theo dõi tình trạng làm việc để chuẩn đoán hư hỏng ổ lăntheo các yếu tố: Nhiệt độ, rung động, dầu bôi trơn, kỹ thuật NDT, kỹ thuậtsiêu âm

- Hiện nay ở nước ta việc theo dõi tình trạng làm việc của ổ lăn dựa trênyếu tố nhiệt độ còn hạn chế

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

2.1 Mô hình thí nghiệm thu nhận tín hiệu nhiệt

2.1.1 Sơ đồ chung của mô hình thí nghiệm

Hình 2 1: Mô hình thí nghiệm để đo nhiệt độ Ổ lăn trong quá trình làm việc

Hình 2 2: Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm thu nhận tín hiệu nhiệt

Các phần tử cơ bản: Động cơ điện, bộ truyền đai, trục, gối ổ và ổ bi, bộphận tạo tải, giá đỡ, thiết bị đo nhiệt (cảm biến nhiệt)

Giá đỡ

Gối ổ và

ổ bi Trục

Ngoài mô hình trên, tác giả đã sử dụng thêm mô hình máy đo ma sát –mòn của NCS Nguyễn Văn Giáp – Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp – Đại họcthái nguyên [2] có bộ phận lắp ổ bi côn 30304 và tiến hành theo dõi nhiệt độ làmviệc của ổ bi côn khi lắp đúng và khi thay đổi khe hở của nó.

Hình 2 3: Mô hình của máy đo ma sát - mòn.

2.1.2 Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc AZ8857

- AZ 8857 là thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc bằng tia hồng ngoại

Hình 2 4: Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc bằng tia hồng ngoại AZ 8857

2.1.3 Thiết kế, chế tạo các chi tiết của mô hình thí nghiệm

2.2 Lắp ghép các chi tiết để tạo thành mô hình hoàn chỉnh

Ngoài các chi tiết chính đã được thiết kế và chế tạo ở trên, để hoàn thiện

mô hình thí nghiệm này các đai ốc, vòng đệm đã được đưa vào để lắp ghép Dựa

vào bản vẽ lắp và mô hình thí nghiệm xây dựng được, tiến hành lắp ghép các chitiết đã chế tạo thành mô hình hoàn chỉnh.

Ổ truyền sang khung giá đỡ gây thất thoát nhiệt độ nhằm đảm bảo nhiệt độ đochính xác Ngoài ra tác giả cũng đưa thêm mô hình để khảo sát thêm về nhiệt độlàm việc đối với ổ bi côn khi lắp đúng và khi đã điều chỉnh khe hở của nó

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

3.1 Thiết lập thí nghiệm

3.1.1 Các trang thiết bị thí nghiệm

- Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc AZ 8857: Đây là thiết bị đo nhiệt độkhông tiếp xúc bằng tia hồng ngoại do Đài loan sản xuất với các thông số

kỹ thuật đã được thể hiện trong bảng 2.1

- Mô hình thí nghiệm để đo nhiệt độ Ổ lăn trong quá trình làm việc: Môhình này đã được thiết kế, chế tạo với độ cứng vững được đảm bảo và cóđệm lót cao su tránh sự truyền nhiệt ở Ổ lăn sang khung giá đỡ

3.1.2 Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm

3.1.3 Trình tự thực hiện thí nghiệm

3.1.3.1 Trình tự thực hiện thí nghiệm với mô hình đã thiết kế

3.1.3.2 Trình tự thí nghiệm với mô hình máy đo ma sát - mòn

3.2 Kết quả thí nghiệm

3.2.1 Kết quả thí nghiệm với mô hình thiết kế

- Thí nghiệm 1: Với tải trọng tương ứng là m = 5kg, tốc độ quay của động

cơ n = 1360 vg/ph, kết quả đo nhiệt độ các ổ bi được thể hiện ở bảng 3.2

Bảng 3 1: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng m = 5kg

Thời gian (phút) 5kg - Nhiệt độ ( o C)

100 50.9 41.1 32

Hình 3 1: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 5kg

- Thí nghiệm 2: Với tải trọng tương ứng là m = 10kg, tốc độ quay của

động cơ n = 1360 vg/ph, kết quả đo nhiệt độ các ổ bi được thể hiện trongbảng 3.3

Bảng 3 2: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng tương ứng là m = 10kg

Thời gian (phút) 10kg - Nhiệt độ ( o C)

Hình 3 2: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 10kg

- Thí nghiệm 3: Với tải trọng tương ứng là m = 15kg, tốc độ quay của

động cơ n = 1360 vg/ph, kết quả đo nhiệt độ của các ổ bi được thể hiệntrong bảng 3.4

Bảng 3 3: Kết quả đo nhiệt độ của ổ bi với tải trọng tương ứng là m = 15kg

Thời gian (phút) 15kg- Nhiệt độ ( o C)

Hình 3 3: Đồ thị mô tả nhiệt độ của ổ bi khi tải trọng tương ứng m = 15kg

Từ kết quả được thể hiện trong các bảng 3.2; bảng 3.3; bảng 3.4 và các đồthị ta thấy:

- Với cùng thời gian theo dõi nhiệt độ, cùng tải trọng tác dụng thì ổ hỏng đãlàm việc được 6000 giờ nhiệt độ sinh ra trong quá trình làm việc cao hơn

so với ổ cũ đã làm việc được 4000 giờ và ổ mới

- Nhiệt độ các ổ tăng khi tăng tải trọng tác dụng lên ổ Khi tăng tải trọng thi

ổ hỏng sinh nhiệt nhanh hơn, cao hơn ổ cũ và ổ mới

Nguyên nhân dẫn đến vấn đề trên là do các bề mặt làm việc trong, ngoài ổ

bi và bi xuất hiện mòn không đều, khe hở hướng kính lớn Cho nên, trongquá trình làm việc ma sát của các bề mặt trượt (mặt đầu của các con lănvới cạnh bên, bề mặt vòng cách với bề mặt con lăn) lớn, cộng thêm sự vađập giữa con lăn với các bề mặt tiếp xúc lớn dẫn đến việc sinh nhiệt của ổ

bi lớn

3.2.2 Kết quả thí nghiệm với mô hình máy đo ma sát - mòn

- Khi chưa điều chỉnh khe hở của ổ bi côn:

+ Thí nghiệm 1: Với tải trọng đặt lên mô hình là m = 10kg, kết quả đo

nhiệt độ ổ bi côn được thể hiện trong bảng 3.5