Nhu cầu về việc cân bằng động các chi tiết máy tham gia vào chuyển động quay trong lĩnh vực công nghiệp nói chung và hàng hải nói riêng ngày càng gia tăng. Rotor tua bin tăng áp khí xả, cánh quạt thông gió, cánh bơm, rotor động cơ điện, puly truyền động… là các chi tiết máy thường được cân bằng động khi tiến hành công việc bảo dưỡng, sửa chữa. Một vài đơn vị đã đầu tư máy móc, thiết bị để cung cấp dịch vụ cân bằng động. Tuy nhiên, hiện trong nước chưa có phòng thử nghiệm đạt chuẩn Vilas cung cấp dịch vụ kiểm định máy cân bằng động.
Trang 1KIỂM ĐỊNH MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG TRỤC NGANG THEO TIÊU
CHUẨN ISO 21940-21
VERIFICATION TESTS FOR HORIZONTAL DYNAMIC BALANCING
MACHINES ACCORDING TO ISO 21940-21
Phan Cao An Trường
Khoa Máy tàu thủy, trường ĐH Giao thông vận tải Tp.HCM
Tóm tắt: Nhu cầu về việc cân bằng động các chi tiết máy tham gia vào chuyển động quay trong
lĩnh vực công nghiệp nói chung và hàng hải nói riêng ngày càng gia tăng Rotor tua bin tăng áp khí
xả, cánh quạt thông gió, cánh bơm, rotor động cơ điện, puly truyền động… là các chi tiết máy thường được cân bằng động khi tiến hành công việc bảo dưỡng, sửa chữa Một vài đơn vị đã đầu tư máy móc, thiết bị để cung cấp dịch vụ cân bằng động Tuy nhiên, hiện trong nước chưa có phòng thử nghiệm đạt chuẩn Vilas cung cấp dịch vụ kiểm định máy cân bằng động Vì vậy, bài viết đưa ra quy trình hướng dẫn kiểm định máy cân bằng động trục ngang dựa theo tiêu chuẩn ISO 21940-21 nhằm kiểm tra, đánh giá định kỳ các chức năng của máy cân bằng động trong quá trình sử dụng, từ đó đi đến kết luận về tính chính xác của phương tiện đo này, nhằm đảm bảo tính chính xác của kết quả đo
Từ khóa: Máy cân bằng động, rotor chuẩn, ISO 21940-21
Abstract: Balancing demands for the rotating parts in general industrial fields, or restricted
marine fields have rapidly become rasing Turbo charger rotor, ventilation fan, pump impeller, electric rotor shaft, drive pulley… are the key parts proceeded with dynamic balance in the maintenance and repairing progress Several people and organizations have invested machines to provide dynamic balancing services However, there are not any Vilas laboratory supplying the verification services for balancing machines Therefore, this paper presents a procedure to guide for verification tests according to ISO 21940-21 in order to check and evaluate periodically the performance of horizontal balancing machines during operation The findings helps to conclude with the accuracy of measuring mean, so that the measuring results will be realiable
Keywords: Balancing machine, test rotor, ISO 21940-21
1 Giới thiệu
Khi tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa định
kỳ, việc cân bằng động cho các chi tiết máy
chuyển động quay trong lĩnh vực công
nghiệp hay hàng hải như: Trục rotor tua bin
tăng áp khí xả, cánh quạt thông gió, cánh
bơm ngày càng trở nên phổ biến, nhằm
đảm bảo các chi tiết có thể chuyển động cân
bằng trên các gối đỡ, ít rung động, kéo dài
tuổi thọ của ổ đỡ trục, ngăn ngừa hư hỏng
Từ nhu cầu thực tiễn, nhiều đơn vị đã đầu tư
thiết bị, máy móc để cung cấp dịch vụ cân
bằng động rotor
Tuy nhiên, hiện trong nước vẫn chưa có
phòng thử nghiệm đạt chuẩn Vilas cung cấp
dịch vụ kiểm định máy cân bằng động Vì
vậy, nhiều máy cân bằng động hiện không
được kiểm tra định kỳ (6 tháng hoặc 1 năm)
theo quy định đối với các phương tiện đo
lường, dẫn đến tính chính xác của kết quả đo
chưa được đảm bảo
Bài viết trình bày quy trình hướng dẫn kiểm tra định kỳ máy cân bằng động trục ngang theo tiêu chuẩn ISO 21940-21 Việc kiểm tra để đánh giá lại các chức năng của máy cân bằng động, nhằm đảm bảo chất lượng của phương tiện đo mặt khác thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật sau một thời gian đưa vào khai thác, sử dụng, từ đó khẳng định tính chính xác của kết quả đo lường từ phương tiện đo
Các nội dung kiểm tra sẽ được tiến hành thực nghiệm trên máy cân bằng động trục ngang của hãng Cemb, Italia, đặt tại Phòng thí nghiệm cơ khí động lực và kiểm định thiết bị thuộc Khoa kỹ thuật tàu thủy, Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM)
2 Quy trình kiểm định 2.1 Rotor chuẩn
Máy cân bằng động cần thiết phải được tiến hành kiểm tra định kỳ để đảm bảo rằng
Trang 2máy đang hoạt động ổn định và duy trì tốt
các chức năng Việc kiểm tra, đánh giá máy
cân bằng động có thể dễ dàng được thực hiện
bằng cách sử dụng rotor chuẩn Rotor chuẩn
được phân chia thành ba loại:
Loại A: Loại rotor không có cổ trục,
dùng trong kiểm tra máy cân bằng động trục
đứng
Hình 1 Rotor chuẩn loại A
1, 2, 3 - vị trí các mặt phẳng kiểm tra
I, II - vị trí mặt phẳng gối đỡ
Loại B: Loại rotor phía trong cổ trục,
dùng trong kiểm tra các máy cân bằng động
trục ngang, thường tại hai mặt phẳng giữa
các gối đỡ
Hình 2 Rotor chuẩn loại B
Rotor chuẩn loại C: Loại rotor phía
ngoài cổ trục, dùng trong kiểm tra các máy
cân bằng động trục ngang, tại hai mặt phẳng
ở phía đầu trục
Hình 3 Rotor chuẩn loại C
2.2 Thông số kỹ thuật của rotor
chuẩn loại B
Hình 4 Bản vẽ thiết kế rotor chuẩn loại B, số hiệu 5
Rotor chuẩn loại B gồm bảy loại, số hiệu
từ 1 đến 7, khối lượng từ 0,5 đến 500 kg Tác
giả bài viết đã lựa chọn và gia công, chế tạo
một rotor chuẩn loại B, số hiệu 5, theo bản vẽ
thiết kế và thông số như ở hình 4
2.3 Thao tác kiểm tra
Tiêu chuẩn ISO 21940-21 yêu cầu việc đánh giá chức năng làm việc của máy cân bằng động phải thực hiện các thử nghiệm sau:
- Kiểm tra lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được Umar
- Kiểm tra độ giảm mất cân bằng URR Trong quá trình kiểm tra, nếu kết quả không đạt, máy cân bằng cần được kiểm tra
kỹ thuật và hiệu chỉnh, sau đó tiến hành lại các thử nghiệm nói trên nhằm đảm bảo chất lượng và các chức năng của máy cân bằng được thỏa mãn
2.3.1 Phương pháp kiểm tra U mar
Việc kiểm tra nhằm xác nhận khả năng của máy có thể cân bằng đến giá trị lượng cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được như khai báo
Umar = emar m
Umar: Lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được (khai báo) [g.mm];
emar: Độ lệch tâm nhỏ nhất [microns] hoặc lượng mất cân bằng riêng [g.mm/kg]; m: Khối lượng rotor [kg]
Thao tác thực hiện
Đặt một khối lượng thử bằng 10Umar lên
vị trí mặt phẳng giữa P3 của rotor chuẩn Tiến hành chạy máy, ghi lại giá trị mất cân bằng ở các mặt phẳng kiểm tra P1 và P2 Tiếp tục di chuyển khối lượng thử này đến tất cả các vị trí lỗ sẵn có trên mặt phẳng P3 Tiến hành chạy máy, ghi lại giá trị mất cân bằng ở cả hai mặt phẳng P1 và P2 ứng với vị trí đặt khối lượng thử
Giá trị đo đạc ghi vào bảng dữ liệu và lượng mất cân bằng chuẩn được dùng để vẽ
đồ thị
Hình 5 Đồ thị kiểm tra, đánh giá U mar
Trang 3 Đánh giá đồ thị kiểm tra U mar
Máy cân bằng được xem là thỏa mãn
bước kiểm tra Umar hay nói cách khác là
lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể
đạt được theo khai báo của máy là đảm bảo
nếu tất cả các điểm hoặc có duy nhất một
điểm được vẽ trên đồ thị đều nằm trong khu
vực giữa hai đường giới hạn (0,88 và 1,12)
2.3.2 Phương pháp kiểm tra U RR
Thử nghiệm nhằm kiểm tra máy cân
bằng động về độ chính xác tổng hợp của kết
quả đo lượng mất cân bằng, vị trí mất cân
bằng và khả năng phân tách ảnh hưởng giữa
các mặt phẳng kiểm tra
Thao tác thực hiện
Sử dụng hai khối lượng tĩnh, mỗi khối
lượng bằng 20 đến 60 Umar và hai khối
lượng động, mỗi khối lượng động bằng 5 lần
khối lượng tĩnh
Chọn vị trí bất kỳ trên mặt phẳng kiểm
tra thứ nhất và hai để đặt các khối lượng thử
tĩnh thứ nhất và hai, nhưng không được chọn
cùng vị trí hoặc đối diện
Chọn vị trí bất kỳ trên mặt phẳng kiểm
tra thứ nhất và hai (trong số 11 vị trí còn lại)
làm điểm đặt (bắt đầu) của khối lượng thử
động thứ nhất và hai
Tiến hành chạy máy ở lượt thứ nhất, ghi
lại kết quả đo lượng mất cân bằng và vị trí
góc mất cân bằng
Thay đổi vị trí của các khối lượng thử
động cho các lần chạy kế tiếp theo quy tắc
như sau:
+ Ở mặt phẳng kiểm tra thứ nhất: Theo
chiều tăng với khoảng chia 30o
+ Ở mặt phẳng kiểm tra thứ hai: Theo
chiều giảm với khoảng chia 30o
Lấy giá trị mất cân bằng đo được chia
cho khối lượng thử tĩnh Ustation và biểu diễn
tương ứng các vị trí trên đồ thị đường tròn
giới hạn URR
Vẽ đồ thị đường tròn giới hạn U RR
Sử dụng phần mềm Autocad vẽ đồ thị
đường tròn giới hạn URR
Chọn tỷ lệ thích hợp theo đơn vị Ustation
trên trục 0o biểu diễn lượng mất cân bằng của
rotor chuẩn
Véctơ khối lượng thử tĩnh ms: Gốc trùng gốc tọa độ, độ lớn bằng một đơn vị, hợp với trục 0o một góc bằng góc đặt khối lượng thử tĩnh trên rotor chuẩn
Xác định điểm gốc của đường tròn giới hạn URR: Trùng với ngọn của vector khối lượng thử tĩnh mS
Vẽ 12 đoạn thẳng xuất phát từ điểm gốc của đường tròn giới hạn hướng ra phía ngoài, với khoảng chia bằng nhau 30o, độ lớn bằng
5 đơn vị
Tâm của các đường tròn giới hạn nằm trên đường thẳng xuất phát từ điểm gốc của đường tròn giới hạn, cách điểm gốc một khoảng cách bằng năm đơn vị Từ tâm này,
vẽ các đường tròn đồng tâm (đường tròn giới hạn URR) với bán kính r
Công thức tính toán đường tròn giới hạn
Khoảng cách R từ điểm gốc của đồ thị đến tâm của đường tròn giới hạn URR:
R = m + m + 2m m cosα
mS : Khối lượng thử tĩnh (1 Ustation);
mT : Khối lượng thử động (5 Ustation);
α : Góc hợp bởi vectơ khối lượng thử tĩnh và khối lượng thử động
Công thức xác định góc γ giữa véctơ khối lượng thử tĩnh mS và vectơ hợp lực R như sau:
s
m + R - m cosγ =
2m R Với mS, mT, R và r là các bội số của
viết lại như sau:
R = 26 + 10cosα
2
R - 24 cosg =
2 R Bán kính r của đường tròn giới hạn URR:
mar RR
station
U
r = R(1 - U ) +
2U
Đánh giá đồ thị U RR
Nếu điểm kiểm tra nằm hoàn toàn bên trong vòng tròn trong cùng (hoặc nằm trên đường tròn), giá trị đọc sẽ là vòng tròn 95%
Trang 4(URR = 95%) Nếu điểm kiểm tra nằm giữa
vòng tròn 95% và vòng tròn 90% (hoặc nằm
trên đường tròn 95%), giá trị đọc tương ứng
sẽ là URR = 90%
Máy cân bằng được xem là thỏa mãn
kiểm tra URR nếu tất cả các điểm kiểm tra
trên đồ thị đánh giá đều rơi vào trong các
đường tròn giới hạn URR tương ứng với giá
trị URR khai báo, hoặc chấp nhận chỉ có duy
nhất một điểm nằm ngoài
3 Kết quả thực nghiệm
3.1 Thông số máy cân bằng động
- Model: ZB750 / TG/GV (truyền động
đai)
- Loại: máy cân bằng trục ngang, ổ đỡ
mềm
- Hãng/Năm sản xuất: Cemb, Italia /
2014
- Lượng mất cân bằng riêng còn lại nhỏ
nhất có thể đạt được: emar = 0,3 g.mm/kg
- Độ giảm mất cân bằng URR = 90%
3.2 Chất lượng của máy cân bằng
động
Lượng mất cân bằng nhỏ nhất máy có
thể đo đối với rotor chuẩn loại B, số 5, tính
bằng gram cho từng mặt phẳng kiểm tra:
m mar rotor
mar
3.3 Chất lượng của rotor chuẩn
Lượng mất cân bằng tối đa của rotor
chuẩn, tính bằng gram, cho từng mặt phẳng
kiểm tra, ứng với mức chất lượng G = 0,16:
mar
rotor
m
Bảng 1 Lượng mất cân bằng thực tế của rotor chuẩn.
Lượt
quay
Kết quả đo
trên
mặt phẳng 1
Kết quả đo trên mặt phẳng 2
Hiệu chỉnh
U mar (g) Vị trí ( o ) U mar (g) Vị trí ( o )
3.4 Thực nghiệm kiểm tra U mar
Dùng một khối lượng thử bằng 1,8 g đặt
tại các vị trí trên mặt phẳng thứ ba, cách đều
nhau góc 30o
Hình 6 Kiểm tra U mar trên máy cân bằng động
ZB750
Bảng 2 Kết quả kiểm tra thực nghiệm U mar
Rotor chuẩn loại: B(5) Khối lượng: 54 kg
U mar = e mar x m rotor = 16,2 g.mm Khối lượng thử: 1,8 g
Tốc độ thử = 10% x 4.500 = 450 v/p
Vị trí thử
Lượng mất cân bằng
đo được (g) Lượng mất cân bằng chuẩn U Lần
thử o P1
(1)
P2 (2)
P1 (5)=(1)/(
4)
P2 (6)=(2)/(4)
1 0 0,78 0,74 1,03 0,95
2 30 0,70 0,85 0,92 1,09
3 60 0,83 0,72 1,09 0,93
4 90 0,75 0,77 0,99 0,99
5 120 0,81 0,72 1,07 0,93
6 150 0,70 0,81 0,92 1,04
7 180 0,81 0,80 1,07 1,03
8 210 0,72 0,73 0,95 0,94
9 240 0,69 0,73 0,91 0,94
10 270 0,79 0,82 1,04 1,05
11 300 0,77 0,84 1,01 1,08
12 330 0,76 0,81 1,00 1,04 Tổng (3) 9,11 9,34
Trung bình:
(4)=(3)/12 0,76 0,78
Hình 7 Đồ thị thực nghiệm kiểm tra, đánh giá U mar
Nhận xét: Từ đồ thị hình 7, nhận thấy
tất cả các điểm mất cân bằng chuẩn của rotor đều nằm lọt vào bên trong của hai đường giới hạn U = 0,88 và U = 1,12 Vì vậy, máy cân bằng thỏa mãn kết quả kiểm tra Umar, nghĩa
là lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được của rotor khi cân bằng trên máy,
emar = 0,3 g.mm/kg theo công bố của nhà chế tạo, là đảm bảo Nói cách khác, máy cân bằng động vẫn còn đảm bảo yêu cầu chất lượng kỹ thuật của nhà sản xuất và có thể tiếp tục được sử dụng cho các hoạt động
Trang 5kiểm tra cân bằng mà không yêu cầu bất kỳ
một thao tác hiệu chuẩn nào khác
3.5 Thử nghiệm kiểm tra U RR
Đặt lần lượt hai khối lượng thử tĩnh bằng
5,5 g ở mặt phẳng thứ 1, 2 tại vị trí 0o và60o
Tiếp tục đặt lần lượt hai khối lượng thử động bằng 27,6 g ở mặt phẳng thứ 1, 2 tại vị trí 30o
và 90o
Bảng 3 Kết quả kiểm tra thực nghiệm U RR
Rotor chuẩn: B(5); Khối lượng: 54 kg; U mar : 16,2 g.mm U station = 30U mar = 486 g.mm;
U travel = 5 x U station = 2.430 g.mm
Khối lượng thử tĩnh: 5,5 g; Khối lượng thử động: 27,5 g
Lượt
chạy
thứ
Vị trí khối lượng thử (góc) Lượng mất cân
bằng
RU 1 /
U station
Lượng mất cân bằng
RU 2 /
U station
Tĩnh
( o )
Động ( o )
Tĩnh ( o )
Động ( o )
U 1
(g) (
(g) (
o )
10 0 300 60 150 31,1 307 5,65 29,8 141 5,42
11 0 330 60 120 33,0 333 6,00 31,9 112 5,80
Nhận xét: Từ đồ thị hình 8, các điểm 1,
2, 3, 8, 9, 10, 11 nằm trong vòng tròn giới
hạn 95% URR và các điểm còn lại nằm trong
vòng tròn giới hạn 90% URR. Do đó, độ giảm
mất cân bằng URR trên mặt phẳng thứ 1 đạt
được là 90%
Từ hình 9, các điểm 3 và 11 nằm trong
vòng tròn giới hạn 95% URR và các điểm còn
lại nằm trong vòng tròn giới hạn 90% URR
Do đó, độ giảm mất cân bằng URR trên mặt
phẳng thứ 2 là 90%
Tổng hợp, không có điểm kiểm tra nào
trên mặt phẳng 1 và 2 nằm ngoài vòng tròn
giới hạn URR = 90%, do đó máy cân bằng
thỏa mãn thử nghiệm với giá trị độ giảm mất
cân bằng URR = 90% đúng như chất lượng kỹ
thuật đã công bố của nhà chế tạo
Hình 8 Đồ thị đánh giá Hình 9 Đồ thị đánh
U RR trên mặt phẳng thứ 1 giáURR trên mặt phẳng
thứ 2
4 Kết luận
Với các kết quả thu được, nội dung trình bày có thể được tiếp tục phát triển và biên soạn thành quy trình kiểm định máy cân bằng động Giới hạn của phần trình bày này chỉ dừng ở mức kiểm tra, đánh giá cho máy cân bằng động trục ngang
Tài liệu tham khảo
[1] Cemb S.p.A, (2014), Introductory Booklet, Z750 Basic operations, Use and Maintenance manual
[2] Ing Giordano Manni, (2013), Dynamic Balancing (Basic course – R1.1) Cemb, Italy
[3] Ing Giordano Manni, (2013), Dynamic Balancing (Advanced course – R1.) Cemb, Italy
[4] ISO 1940-1, (2003), Mechanical vibration – Balancing quality requirements for rotors in s constant (rigid) state – Part 1: Specification and verification of balamce tolerances [5] ISO 19499, (2007), Mechanical vibration – Balancing – Guidance on the use and application of balamcing standards [6] ISO 21940-21, (2012), Mechanical vibration – Rotor balancing – Part 21: Description and evaluation of balancing machines
Ngày nhận bài: 26/9/2016 Ngày chuyển phản biện: 29/9/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 20/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2016