Phân tích dao động thực nghiệm trên mô hình hệ rôto –gối đỡ

Phân tích dao động thực nghiệm trên mô hình hệ rôto –gối đỡ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HỆ RÔTO – GỐI ĐỠ

2 Các số liệu ban đầu:

- Chương trình tính MATLAB, MAPLE và Signal Processing Toolbox

- Một số mô hình thí nghiệm về nhận dạng hư hỏng của ổ bi

3 Nội dung của phần thuyết minh và tính toán

Đồ án gồm trang, gồm:

+ Lời nói đầu

+ Bốn chương nội dung

Chương III - Các phương pháp phân tích tín hiệu dao động để nhận dạng hư hỏng của

hệ trục - ổ bi

Chương IV- Một số ví dụ áp dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Ngành : Cơ điện tử Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Phong Điền Cán bộ duyệt thiết kế : ………

1 Đề tài thiết kế tốt nghiệp: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HỆ RÔTO – GỐI ĐỠ 2 Nhận xét: a. Nhận xét của cán bộ hướng dẫn: ……… ……

………

………

………

…

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ hướng dẫn b Nhận xét của cán bộ duyệt thiết kế: ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ duyệt thiết kế

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT VÀ CHUẨN ĐOÁN KỸ THUẬT

BẰNG DAO ĐỘNG CƠ HỌC1.1 Các khái niệm chung

1.1.1 Giám sát và chần đoán tình trạng kỹ thuật

a) Giám sát tình trạng:

Giám sát tình trạng (condition monitoring) là các hoạt động nhằm phát hiện sự hìnhthành và quá trình phát triển của hư hỏng trong các hệ thống kỹ thuật Việc giám sát tìnhtrạng thiết bị có các ưu điểm sau:

- Loại bỏ các hư hỏng do dừng máy bất thường

- Kế hoạch bảo dưỡng được lập chính xác và hiệu quả

- Tối ưu hoá các thiết kế của thiết bị trong nhà máy

- Có được các thông tin cụ thể của thiết bị trước khi đưa vào sử dụng

- Các công nhân có trình độ không cao cũng có thể vận hành các thiết bị đắt tiền

Việc giám sát sẽ giảm thời gian và tần suất kiểm tra, bảo dưỡng thiết bị, tăng hiệu quảbảo dưỡng - kế hoạch chủ động, tiết kiệm nhân lực, vật tư, tránh các hư hỏng do chủ quangây nên, tăng mức độ sẵn sàng của thiết bị và giảm thiểu các hư hỏng lớn Ngoài ra ngườivận hành còn tăng thêm sự hiểu biết về thiết bị, dễ dàng hơn trong việc tiên liệu các hưhỏng tương tự trong tương lai

b) Chẩn đoán tình trạng

Ở một mức cao hơn, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật (diagnostic) có nhiệm vụ nhậndạng, định vị và đánh giá mức độ của hư hỏng đã được phát hiện Như vậy, chẩn đoán kỹthuật là khoa học về nhận dạng trạng thái hoạt động của các hệ thống kỹ thuật, bao gồmmáy móc, thiết bị, các cụm chi tiết máy hoặc các quá trình công nghệ (cắt gọt, vận chuyểnvật liệu, vv )

Chẩn đoán tình trạng kỹ thuật có bốn đặc điểm cơ bản sau:

- Quá trình chẩn đoán dựa trên cơ sở đo gián tiếp.

- Quá trình chẩn đoán được tiến hành ngay trong quá trình làm việc của đối tượng(không cần dừng máy hoặc tháo rời các chi tiết)

- Công việc chẩn đoán được thực hiện đối với từng thiết bị cụ thể xác định, kết quảchẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật của chính thiết bị đó và không thể áp dụng chomọi thiết bị khác

- Quá trình chẩn đoán được tiến hành liên tục hay theo từng thời điểm nhất định Kếtquả của chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật hiện thời của thiết bị và có thể chophép đánh giá thời gian hoạt động còn lại của thiết bị

1.1.2 Tín hiệu chẩn đoán và thông số chẩn đoán (giám sát)

a) Tín hiệu chẩn đoán:

Tín hiệu chẩn đoán (hay giám sát) là các đại lượng vật lý đo được, có thể phản ánh

một cách gián tiếp trạng thái của đối tượng được giám sát hay chẩn đoán Ta có thể phânloại tín hiệu chẩn đoán thành một số dạng như sau:

- Các đại lượng liên quan trực tiếp đến hư hỏng (tín hiệu dao động cơ học, âm thanh,

nhiệt độ bề mặt, vv )

- Các đại lượng liên quan gián tiếp đến hư hỏng (mật độ hạt kim loại trong dầu bôi

trơn, màu sắc bên ngoài của đối tượng, vv )

- Các thông số vận hành của thiết bị (công suất, áp suất, tốc độ quay, lượng tiêu thụ

nhiên liệu, vv )

Hiện nay, tín hiệu dao động cơ học đang được sử dụng như một loại tín hiệu chẩnđoán phổ biến nhất cho công tác chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật của thiết bịquay Điều này xuất phát từ một số lý do sau đây:

- Các dao động cơ học phản ánh chính xác và rất nhạy đối với sự thay đổi trạng tháihoạt động của thiết bị, đặc biệt là các thay đổi bất thường do hư hỏng gây ra

- Với sự phát triển của kỹ thuật đo dao động bằng các đại lượng điện và kỹ thuật số, ta

có thể thực hiện các phép đo dao động một cách tương đối dễ dàng và chính xác

Thời gian hoạt động

lý và đánh giá tín hiệu dao động đo được một cách thuận lợi

b) Thông số chẩn đoán (giám sát):

Một số loại tín hiệu chẩn đoán, thí dụ như tín hiệu dao động, khi chưa được xử lý (tínhiệu thô) còn chứa quá nhiều thông tin Lượng thông tin này không thể sử dụng hết chomục đích giám sát hay chẩn đoán do phản ánh nhiều nguồn dao động khác nhau, trong đó

có những nguồn dao động không liên quan gì đến trạng thái kỹ thuật của thiết bị (thí dụnhiễu đo) Ngoài ra, các đại lượng đo trong tín hiệu thay đổi quá nhanh (tần số lên đến vàikHz), không tương ứng với sự thay đổi trạng thái của thiết bị trong thực tế (diễn ra theo

ngày, tuần, tháng) Bởi vậy, ta cần tách ra từ tín hiệu chẩn đoán các thông số chẩn đoán

nhờ công cụ phân tích tín hiệu Các thông số chẩn đoán này thường được biểu diễn dướidạng một giá trị (bằng số) và thay đổi chậm một cách tương ứng với trạng thái kỹ thuậtcủa thiết bị Các thông số chẩn đoán thường được sử dụng là các giá trị tín hiệu đặc trưng(giá trị trung bình hiệu dụng RMS, giá trị đỉnh kép, vv )

Hình 1.1 Đường đặc tính để giám sát tình trạng thiết bịMức dừng máy

Mức cảnh báo

Trên hình 1.1 là một đồ thị (đường đặc tính) thường thấy khi thực hiện chức nănggiám sát dao động của một thiết bị quay Trong đó, một thông số duy nhất là giá trị trungbình hiệu dụng RMS của tín hiệu vận tốc dao động được sử dụng làm thông số giám sát

1.1.3 Các hệ thống bảo dưỡng

Bảo dưỡng khi hư hỏng: Thiết bị chỉ thực hiện sửa chữa khi hư hỏng mà không áp

dụng bất kỳ dạng bảo dưỡng nào Việc áp dụng hệ thống bảo dưỡng này sẽ dẫn đến hệquả là: Thiết bị phải dừng máy không định trước, gây lãng phí, mất an toàn, bảo dưỡngkhông theo kế hoạch nên dễ có các hư hỏng thứ cấp, lượng dự trữ chi tiết thay thế lớn Vìvậy hệ thông bảo dưỡng bày không nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng

Bảo dưỡng định kỳ: Thiết bị được bảo dưỡng định kỳ theo một chu kỳ nhất định được

lập trước Hệ thống bảo dưỡng cần phải có chuyên gia cho mỗi kỳ kiểm tra thiết bị, khốilượng kiểm tra định kỳ lớn, việc dừng máy định kỳ cũng không đề phòng được các hưhỏng sớm, gây ảnh hưởng đến các thiết bị còn tốt, tốn thời gian cho việc kiểm tra thiết bị

Vì vậy hệ thống bảo dưỡng này không nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng

Bảo dưỡng theo tình trạng: Thiết bị được bảo dưỡng dựa trên các thông tin dự báo về

hư hỏng Các thông tin này được thu thập trong quá trình vận hành, sử dụng thiết bị Việcgiám sát tình trạng thiết bị và dự báo thời gian hư hỏng sẽ chủ động trong việc lập kếhoạch bảo dưỡng, tiết kiệm chi phí, chỉ sửa chữa các thiết bị khi cần thiết, chỉ cần tậptrung sửa chữa những phần hư hỏng của thiết bị Việc áp dụng hệ thống bảo dưỡng dựbáo sẽ tăng công suất và độ tin cậy của nhà máy, tăng mức độ an toàn, tăng chất lượngsản phẩm, bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị được tăng cao, giảm thiểu chi phí vận hànhnhà máy Vì vậy hệ thống này nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng trong dây chuyềnsản xuất Việc bảo dưỡng theo tình trạng sẽ giảm tối đa chi phí bảo dưỡng, tăng mức độ

an toàn

1.2 Các bước thực hiện công việc giám sát và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật

1.2.1 Lựa chọn thiết bị cần giám sát và mô tả trạng thái kỹ thuật của thiết bị

Để đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm chi phí, ta không cần phải giám sát trạng thái củatất cả các máy móc được lắp đặt tại nhà máy Theo quan điểm kỹ thuật, một số máy cầnphải giám sát, một số khác lại không cần Việc lựa chọn thiết bị cần giám sát cần phải dựavào các điều kiện sau:

- Các máy liên quan trực tiếp vào dây chuyền sản xuất ra sản phẩm

- Các thiết bị được dự đoán sẽ gây ra hư hỏng ngẫu nhiên khi bị dừng bất thường

- Các thiết bị khi bị dừng bất thường sẽ gây hư hỏng cho thiết bị khác

- Các thiết bị có chi phí bảo dưỡng cao

Nhiệm vụ đầu tiên của quá trình giám sát là phân tích đối tượng cần giám sát (đặcđiểm, chế độ vận hành, các yêu cầu đặc biệt về vận hành) Qua đó, ta có thể chọn lựađược một số yếu tố để biểu thị trạng thái kỹ thuật của đối tượng cần giám sát, thí dụ nhưtình trạng tốt, sắp gãy do mỏi, có vết nứt, vv

1.2.2 Lựa chọn tín hiệu giám sát và thông số giám sát

a) Lựa chọn tín hiệu giám sát:

Sau khi đã quyết định các thiết bị cần giám sát, ta cần phải quyết định đại lượng đolàm tín hiệu giám sát để phù hợp với yêu cầu Việc lựa chọn đại lượng đo (dịch chuyển,vận tốc hay gia tốc dao động) căn cứ vào đặc điểm của đối tượng (chế độ vận hành, cơchế kích động dao động) và đặc tính kỹ thuật của các loại đầu đo

Dưới đây là một số quy tắc để tham khảo:

Đo gia tốc dao động:

- Trong trường hợp cần phân tích dao động của đối tượng đo tại vùng tần số cao vàrất cao (đầu đo gia tốc cho tín hiệu điện ở các tần số cao nhất so với các loại đầu

- Thích hợp với các phép đo dao động do va chạm.

- Đặc biệt phù hợp cho việc chẩn đoán rung và giám sát tình trạng hoạt động

Thông thường, gia tốc dao động được sử dụng để phát hiện các hư hỏng biểu thị tạivùng tần số cao lớn hơn 1kHz, thí dụ phân tích các hư hỏng tại ổ bi và bánh răng

Đo vận tốc dao động:

- Trong trường hợp đối tượng đo có phổ tần số của vận tốc dao động đồng bộ hơn

(tức là mức biên độ của các thành phần tần số trong phổ ít chênh lệch hơn) phổ củagia tốc và dịch chuyển

- Trong trường hợp dao động cơ học có tần số nằm tại vùng trung gian nào đó màcác đầu đo dịch chuyển hoặc đầu đo gia tốc đều không thích hợp cho phép đo Thông thường, vận tốc dao động được sử dụng khi phát hiện các hư hỏng ở tần sốtrung bình từ 10Hz - 1000Hz Trong các tiêu chuẩn đối với dao động của máy quay, đạilượng vận tốc dao động được sử dụng phổ biến nhất

b) Lựa chọn phương pháp đo

Sau khi đã lựa chọn tín hiệu giám sát, ta cần phải lựa chọn phương pháp đo dao động.Tùy từng loại thiết bị đã lựa chọn mà quyết định phương pháp đo thích hợp Việc thiết lập

kế hoạch đo đạc cẩn thận và chi tiết sẽ giúp ta tiết kiệm nhiều thời gian khi thực hiện phép

đo và đảm bảo nhận được các thông tin hữu ích từ tín hiệu đo được Bước đầu tiên là phảixác định được mục đích của phép đo dao động sẽ thực hiện và đối tượng đo, bao gồm cả

độ chính xác của kết quả đo cần đạt được Tiếp theo là xác định các yếu tố ảnh hưởng đếnviệc lựa chọn thiết bị đo và kỹ thuật đo Các yếu tố này bao gồm: đặc điểm của môitrường làm việc, tình hình nhân sự (kỹ thuật viên và chuyên gia), các chi phí cần thiết,khoảng thời gian phải hoàn thành và các kỹ thuật phân tích hiện có để xử lý tín hiệu.Bước tiếp theo là chọn lựa loại thiết bị đo hiện có sẽ được sử dụng Kế hoạch thực hiệnnên được trình bày bằng văn bản và đặc biệt là trong trường hợp phải thực hiện các phép

đo phức tạp cần nhiều kênh đo và yêu cầu độ chính xác cao

Có ba phương pháp đo thông dụng như sau:

- Thực hiện đo định kỳ bằng thiết bị cầm tay và phán đoán khả năng hư hỏng

- Thực hiện đo định kỳ bằng thiết bị cầm tay và dùng các thiết bị đầu cuối đặt ở vị trí

an toàn để lấy tín hiệu và phán đoán khả năng hư hỏng

- Thực hiện hoàn toàn tự động, dùng dữ liệu quan sát thường kỳ hoặc theo thời gianthực từ các đầu đo đặt trên máy cho các máy không ổn định trong điều kiện đohoặc máy có tốc độ giảm nhanh

c) Lựa chọn các thông số giám sát

Việc lựa chọn các thông số giám sát, theo đó là các phương pháp phân tích tín hiệuphù hợp để tính toán các thông số này từ tín hiệu đo phải căn cứ vào từng đối tượng cụthể

1.2.3 Xác định chuẩn đánh giá và chu kỳ đo

Sau khi đã xác định thiết bị cần kiểm tra, giám sát và phương pháp đo thì phải xácđịnh tiêu chuẩn đánh giá Người ta thường sử dụng 3 chuẩn đánh giá, các khái niệm cơbản về các chuẩn này được mô tả trong bảng 1.1 như dưới đây Mỗi một loại máy sẽ lựa

chọn các chuẩn đánh giá phù hợp Chuẩn tuyệt đối được sử dụng nhiều nhất, tuy nhiên cómột số loại máy phải sử dụng chuẩn so sánh hoặc chuẩn tương đối

Bảng 1.1 Chuẩn đánh giá tình trạng kỹ thuật

Chuẩn tuyệt đối

Giá trị đo được ở cùng một vùng được so sánh với tiêuchuẩn, và được phân loại “tốt”, “cánh báo” hay “nguyhiểm”

Chuẩn tương đối

Quá trình đo được tiến hành định kỳ tại cùng một vùng theochu kỳ các giá trị đo được so sánh theo chuỗi thời gian Khicác giá trị bình thường tương đương với giá trị ban đầu,khoảng thời gian tương ứng với giá trị này được tính toánlàm cơ sở kết luận

Chuẩn so sánh Khi có nhiều máy cùng loại, chúng được đo trong cùng điều

kiện như nhau để so sánh tương đối và đánh giá

Việc lựa chọn chu kỳ đo phụ thuộc vào tốc độ xuống cấp của trạng thái máy và phảiđược chọn để có thể phát hiện được sự thay đổi của tình trạng vận hành Nếu máy quaytốc độ cao như turbin khí, máy nén khí thì có thể lựa chọn chu kỳ đo hàng ngày Các máyquay nói chung có thể đo hàng tuần Việc quyết định chu kỳ đo dựa vào những quan sátthu thập được Nếu có dấu hiệu bất thường nào trong dữ liệu đo thì phải rút ngắn chu kỳ

đo

1.2.4 Đánh giá tình trạng kỹ thuật và chọn phương án giải quyết

Bước này bao gồm các hoạt động đo đạc để xác định giá trị của các tham số giám sát

và xây dựng các đường đặc tính mô tả trạng thái hiện thời của thiết bị (xem hình 1.1).Bằng cách so sánh với chuẩn đánh giá, ta có thể xác định được trạng thái kỹ thuật củathiết bị tại thời điểm thực hiện phép đo Qua đó có thể đưa ra cảnh báo hư hỏng xuất hiện(khi trạng thái thay đổi một cách liên tục, đều đặn), hoặc nhận dạng sớm dấu hiệu hưhỏng (khi trạng thái thay đổi đột ngột)

Các nhiệm vụ tiếp theo là phân tích xu hướng, dự báo thời gian hoạt động còn lại củathiết bị và quyết định các phương án giải quyết (dừng máy để bảo trì hay tiếp tục cho vậnhành trong một thời gian hạn định).

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG ĐỂ

NHẬN DẠNG HƯ HỎNG CỦA RÔTO – GỐI ĐỠ

2.1 Tổng quan về hệ thống đo dao động

Hình 2.1 mô tả sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo dao động, đối tượng đo là nguồnrung động như vỏ máy, đế máy, trục Các tín hiệu rung được đầu đo ghi nhận, thông quacáp truyền tín hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc Cáp truyền tín hiệu có thể

là vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang Mạch khuếch đại có tác dụng làm tăng biên độ của tínhiệu còn mạch lọc có tác dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết như là nhiễu, Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi tương tự - số, tín hiệu được rời rạc hóa thành tín hiệu số rồiđưa vào lưu trữ phục vụ cho quá trình phân tích và xử lý sau này

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo dao động

Cáp truyền tínhiệuĐầu đo

Đối tượng đo

Dưới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính trong một hệ thống đo dao động, đó

là: Đối tượng đo và đầu đo

Đây là hai đối tượng sinh ra và ghi nhận tín hiệu Cáp truyền tín hiệu và các mạchkhuếch đại đã được nghiên cứu rất kĩ trong các tài liệu chuyên ngành kĩ thuật đo lườngnên ta không xét tới ở đây

Bộ chuyển đổi "tương tự - số" và các bộ lọc số đang ngày càng được ứng dụng rộngrãi trong phân tích và xử lý tín hiệu số

2.1.1 Đối tượng đo

Đối tượng đo là những vật gây ra dao động trong quá trình làm việc và cần được chẩnđoán hỏng hóc Trong việc chẩn đoán rung, tín hiệu rung từ các bộ phận bên trong máyđược truyền ra vỏ máy, đế máy, do đó, bằng các đầu đo đặt trên vỏ và đế máy, ta có thểthu được các tín hiệu này Tuy nhiên, vị trí đặt các đầu đo có ảnh hưởng rất lớn đến độchính xác của tín hiệu

Hình 2.2 Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tượng đoTrong hình 2.2, đầu đo C, D được đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệu dao độngtheo phương dọc trục còn đầu đo A, B được đặt phía dưới cốc lót và vỏ máy dùng để đocác tín hiệu dao động theo phương hướng kính Vị trí đặt các đầu đo A, C như trên hình làđúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đo được còn vị trí đầu đo B, D là khôngđảm bảo kỹ thuật

2.1.2 Đầu đo

Đầu đo có nhiều loại với nhiều chức năng đo khác nhau như:

- Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc

- Đầu đo vận tốc dao động

- Đầu đo dao động xoắn của trục

Tuy nhiên, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sửdụng cảm biến piezo (còn gọi là gia tốc kế - accelerometer) Loại đầu đo này có độ nhạycao, ổn định, chịu được nhiệt độ lớn, khối lượng nhỏ và đặc biệt nó là dụng cụ tự phát, tức

là không cần tới bất kì một nguồn cung cấp năng lượng nào để hoạt động Các tín hiệuthực nghiệm được sử dụng trong đồ án này đều được lấy từ đầu đo gia tốc (hình 2.3)

áp điện Lực này được tính theo định luật Newton II:F ma =

Khi đo những rung động cótần số thấp hơn tần số cộng hưởng của đầu đo, tín hiệu tại đầu ra sẽ tỉ lệ với gia tốc daođộng tại điểm đo

Hình 2.4 Cấu tạo của một gia tốc kế áp điện (1: Phần vỏ, 2: Lò xo tạo lực căng ban đầu,3: Khối lượng dao động, 4: Các tấm vật liệu áp điện, 5: Phần đế, 6: Đường tín hiệu ra)

0 -1

Hình 2.5 Đường đặc tính tần số của đầu đo gia tốcViệc đo đạc thường được diễn ra trong vùng tần số có ích (vùng tuyến tính của đườngđặc tính), giới hạn trên là 1/3 tần số cộng hưởng Quy tắc chung là sai số của thành phầndao động được đo tại tần số này phải bé hơn 12% Những đầu đo gia tốc có khối lượngnhỏ, tần số cộng hưởng của chúng ở vào khoảng 180kHz còn đối với những đầu đo giatốc có độ nhạy cao thì tần số cộng hưởng lại ở mức 20kHz - 30kHz Với cùng một loạivật liệu áp điện, độ nhạy của đầu đo gia tốc là hàm đồng biến của khối lượng, do đó, tăng

độ nhạy của đầu đo đồng nghĩa với tăng khối lượng của nó Nhưng điều này lại làm chotần số cộng hưởng giảm xuống, giảm giới hạn đo của đầu đo Các đầu đo gia tốc có giớihạn đo lớn thường có kích thước nhỏ gọn, khối lượng bé nhưng lại có độ nhạy kém.Thông thường, khối lượng của đầu đo không được vượt quá 10% khối lượng của vật mà

nó được gắn lên

Phạm vi động lực của đầu đo gia tốc cũng cần phải được quan tâm khi muốn đonhững giá trị quá thấp hoặc quá cao so với mức bình thường Giới hạn trên của phạm viđộng lực là sức bền kết cấu của đầu đo Một đầu đo gia tốc bình thường có thể đạt bướcnhảy từ 0 đến 50 hay 100 km/s2 còn với những đầu đo gia tốc được thiết kế đặc biệt,chuyên dụng để đo sốc thì bước nhảy có thể là 1000 km/s2

Ngoài ra, yếu tố môi trường cũng có ảnh hưởng rất lớn tới các loại đầu đo gia tốc, đặcbiệt là yếu tố nhiệt độ Các loại đầu đo gia tốc bình thường có thể chịu được nhiệt độ đến

2500C Nhưng nếu nhiệt độ cao hơn, các miếng áp điện sẽ bắt đầu mất độ phân cực, làmgiảm độ nhạy Tuy nhiên, cũng có những đầu đo gia tốc được chế tạo đặc biệt để làm việctrong điều kiện nhiệt độ lên tới 4000C

2.2 Tổng quan về tín hiệu dao động

2.2.1 Một số khái niệm cơ bản

Tín hiệu là một đại lượng vật lý chứa thông tin (information) Về mặt toán học, tínhiệu được biểu diễn bằng một hàm của một hay nhiều biến độc lập

Tín hiệu được phân loại dựa vào nhiều cơ sở khác nhau và tương ứng có các cáchphân loại khác nhau Ở đây, ta dựa vào sự liên tục hay rời rạc của thời gian và biên độ đểphân loại Có 4 loại tín hiệu như sau:

- Tín hiệu tương tự (Analog signal): thời gian liên tục và biên độ cũng liên tục

- Tín hiệu rời rạc (Discrete signal): thời gian rời rạc và biên độ liên tục Ta có thểthu được một tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu một tín hiệu liên tục Vì vậy tínhiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu lấy mẫu (sampled signal)

- Tín hiệu lượng tử hóa (Quantified signal): thời gian liên tục và biên độ rời rạc Đây

là tín hiệu tương tự có biên độ đã được rời rạc hóa

- Tín hiệu số (Digital signal): thời gian rời rạc và biên độ cũng rời rạc Đây là tínhiệu rời rạc có biên độ được lượng tử hóa

Định lý Shanon về lấy mẫu tín hiệu: Một tín hiệu tương tự x(t) được xác đinh hoàn toàn chính xác bởi tập hợp các mẫu x(n) của nó nếu tần số lấy mẫu thỏa mãn điều kiện

Tín hiệu dao động

Tiền định Ngẫu nhiên

Tuần hoàn Không tuần hoàn

Điều hòa Nhiều tần sốHầu tuần hoàn

Ngẫu nhiên dừng

Chuyển tiếp

Ngẫu nhiênkhông dừng

2.2.2 Phân loại tín hiệu dao động

Hình 2.6 Phân loại tín hiệu dao độngCác loại tín hiệu dao động gặp phải trong thực tế rất đa dạng và việc phân loại tínhiệu có thể thực hiện theo nhiều quan điểm khác nhau Trên hình 3.6 là sơ đồ phân loại tínhiệu được dùng khá phổ biến trong các tài liệu chuyên khảo, trong đó tín hiệu đượcchiathành hai loại cơ bản: tín hiệu tiền định và tín hiệu ngẫu nhiên

a) Các tín hiệu tiền định (determining signals)

Các tín hiệu tiền định có thể biểu diễn dưới dạng một hàm của thời gian (liên tục hoặcgián đoạn) Các giá trị của tín hiệu tiền định tại một thời điểm bất kỳ có thể xác địnhchính xác hoặc ước lượng được Căn cứ vào dạng đồ thị biểu diễn tín hiệu theo thời gian,tín hiệu tiền định được chia thành hai dạng:

Các tín hiệu tuần hoàn

Đặc trưng cho quá trình dao động bình ổn của máy quay Dạng đơn giản nhất của tínhiệu tuần hoàn có dạng một hàm điều hòa (hình sin) Áp dụng phép khai triển chuổi

Fourier, tín hiệu tuần hoàn với nhiều tần số có thể được phân tích thành tổng của các tínhiệu điều hòa, trong đó tần số nhỏ nhất được gọi là tần số cơ bản Các tần số cao hơn là sốnguyên lần tần số cơ bản (được gọi là thành phần điều hòa bậc cao).

5 10 15

Hình 2.7 Một tín hiệu tuần hòa x được phân tích thành tổng của hai tín hiệu điều hòa x1

và x2 với chu kỳ T1=2T2: a) đồ thị trong miền thời gian,b) đồ thị trong miền tần số (f1=1/T1, f2=1/T2)

Các tín hiệu không tuần hoàn được phân chia tiếp thành các tín hiệu hầu tuần hoàn và các tín hiệu chuyển tiếp Tín hiệu hầu tuần hoàn cũng có thể được phân tích thành tổng

của các tín hiệu điều hòa nhờ phép khai triển Fourier (tích phân Fourier), tuy nhiên cácthành phần điều hòa bậc cao có các tần số không phải là số nguyên lần tần số cơ bản Loạitín hiệu này có dạng đồ thì gần tương tự như tín hiệu tuần hoàn và được phân tích với cácphương pháp giống nhau đối với tín hiệu tuần hoàn Một trường hợp thường gặp trongthực tế là các tín hiệu điều biến biên độ Các tín hiệu này đặc trưng cho dao động của máyquay với tốc độ và tải trọng biến đổi theo chu trình hoặc dao động của một số chi tiết nhưbánh răng, ổ bi

Các tín hiệu chuyển tiếp thường chỉ chứa các giá trị khác không trong một khoảng thời gian rất ngắn (nên còn gọi là tín hiệu ngắn – transient signals) Dạng đồ thị của tín

hiệu loại này rất phong phú (hình 2.8) Các tín hiệu chuyển tiếp thường xuất hiện tại hệ

f 1

f 2

dao động do kích động va chạm, hoặc trong quá trình mở - tắt máy Việc xử lý các tínhiệu chuyển tiếp cần có các phương pháp phân tích đặc biệt.

Hình 2.8 Một số dạng tín hiệu chuyển tiếpb) Các tín hiệu ngẫu nhiên (stochastic signal)Các tín hiệu ngẫu nhiên xuất hiện trong mọi phép đo dao động Phân bố các giá trịcủa tín hiệu tại các thời điểm khác nhau là ngẫu nhiên Do đó, loại tín hiệu này chỉ có thểbiểu diễn thông qua một quá trình ngẫu nhiêu và đặc trưng bởi các chỉ số thống kê Tín

hiệu ngẫu nhiên dừng có giá trị trung bình đại số không thay đổi theo từng khoảng thời

gian n n 1

t −t −

khác nhau

Ngược lại, tín hiệu ngẫu nhiên không dừng có giá trị trung bình đại số thay đổi theo

từng khoảng thời gian tính

2.2.3 Cấu trúc tín hiệu

Tín hiệu dao động do đầu đo dao động ghi lại trong một phép đo tổng hợp từ nhiềunguồn dao động khác nhau là ngẫu nhiên Do đó, tín hiệu dao động thường chứa nhiều

thành phần Các thành phần tín hiệu trong một tín hiệu dao động được phân loại và đặt

tên theo tần số (thành phần tần số quay, thành phần tần số riêng,…), theo dạng dao động(thành phần dao động cưỡng bức, thành phần dao động riêng) hoặc theo nguồn kích động(thành phần dao động do va chạm, thành phần dao động do ăn khớp răng,…) Đối với mộttín hiệu dao động cơ học, các thành phần tín hiệu thường liên kết với nhau theo một sốcấu trúc cơ bản được trình bày dưới đây

b) Cấu trúc điều biến

Thuật ngữ cấu trúc “điều biến” (modulation) được sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuậtthông tin Cấu trúc điều biến của tín hiệu dao động cũng có dạng tương tự Ta phân chiatín hiệu có cấu trúc điều biến thành hai loại:

Điều biến biên độ, còn được gọi là cấu trúc nhân (Ampitude Modulation – AM),

thường gặp tại các tín hiệu dao động đo được từ nhiều nguồn kích động có quan hệ về tần

số với nhau, hoặc tại các thiết bị quay làm việc trong điều kiện tải trọng thay đổi theo chu

kỳ Trường hợp đơn giản nhất của cấu trúc điều biến biên độ được biểu diễn dưới dạng

( ) ( ) ( )

x t =x t x t