Chuẩn đoán sai hỏng bằng thu thập và phân tích dữ liệu rung động

Chuẩn đoán sai hỏng dựa trên tín hiệu rung động phát ra từ chính các chi tiết đang làm việc là 1 trong những bước tiến quan trọng của lĩnh vực cơ khí.Nó giúp các kĩ sư tìm ra lỗi hỏng của máy móc 1 cách khoa học ,chính xác và nhanh nhất. Qua đó tiết kiệm được thời gian kiểm tra ,rà soát các lỗi sai của chi tiết máy. Giúp công nhân nhanh chóng sửa chữa để tiến trình công vc ko bị gián đoạn quá lâu.

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

PHẦN MỞ ĐẦU 9

Lý do chọn đề tài 9

Mục đích của đề tài 10

Phạm vi nghiên cứu 11

Phương pháp nghiên cứu 11

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 11

Kết quả đạt được 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG SAI HỎNG CỦA Ổ LĂN 11

1.1 Các dạng hư hỏng ổ lăn 11

1.1.1 Các dạng hư hỏng ổ lăn chính 11

1.1.2 Các nguyên nhân là giảm tuổi thọ vòng bi 13

1.1.4 Các thông số vận hành của ổ lăn : 15

1.2 Các dạng hư hỏng của bánh răng 16

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH THU THU THẬP DỮ LIỆU RUNG ĐỘNG 21

2.1 Tính toán chọn động cơ 21

2.2 Thiết kế hộp giảm tốc 21

2.2.1 Thiết kế bộ truyền bánh răng 21

2.2.2 Tính toán trục của hộp giảm tốc 23

2.2.3 Tính toán chọn ổ lăn 25

2.3 Thiết kế cụm trục 26

2.3.1 Tính toán chọn bánh đà 26

2.3.2 Tính toán chọn ổ lăn 26

2.3.3 Tính toán chọn trục 26

2.4 Chọn biến tần điều khiển tốc độ động cơ 29

2.4.2 Phân loại 29

2.4.3 Chọn biến tần cho mô hình 30

2.5 Kết luận 31

CHƯƠNG III: THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ PP XỬ LÝ DỮ LIỆU 32

3.1 Dấu hiệu nhận dạng hư hỏng của ổ lăn 32

3.1.2 Ổ lăn hư hỏng vòng trong 33

3.1.3 Ổ lăn hư hỏng vòng ngoài 33

3.1.4 Hư hỏng vòng cách 34

3.1.5 Hư hỏng con lăn 34

3.2 Dấu hiệu nhận dạng hư hỏng của bánh răng 35

3.2.1 Tần số quay của trục: 35

3.2.2 Bánh răng không hư hỏng 35

3.2.3 Mòn răng 36

3.2.4 Gãy răng 36

3.2.5 Tải trọng thay đổi 37

3.3 Tổng quan về hệ thống đo dao động của ổ đỡ 38

3.4 Các phương pháp phân tích tín hiệu dao động của ổ lăn 42

3.4.1 Các thông số đánh giá ổ lăn trong phân tích miền tần số 42

3.4.2 Phân tích phổ tần số-biên độ và phổ công suất-tần số của tín hiệu 45

3.4.3 Các thông số đánh giá ổ lăn trong phân tích miền thời gian 48

3.5 Quá trình hư hỏng của ổ lăn 53

3.6 Ứng dụng miền tần số để chuẩn đoán các dạng sai hỏng của ổ lăn trong một số trường hợp hư hỏng điển hình 56

3.6.1 Phân tích phổ tần số của ổ lăn trong trường hợp mòn 56

3.6.2 Phân tích phổ đồ thị của ổ lăn trong trường hợp tróc rỗ bề mặt56 3.6.3 Phân tích phổ đồ thị của ổ lăn trong trường hợp lệch trục 57

3.6.4 Ổ bi lắp lỏng so với trục 58

Kết luận chương 3 60

CHƯƠNG IV: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA CHI TIẾT ĐIỂN

4.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT TRỤC.61

4.1.1 Phân tích chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất 61

4.1.2 Tính chế độ cắt 66

4.1.3 Tính toán thiết kế đồ gá 101

4.2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT BÁNH RĂNG 108

4.2.1 Phân tích chi tiết gia công và xác định dạng sản xuất 108

4.2.2 Xác định phương pháp chế tạo phôi và thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi 112

4.2.3 Thiết kế quy trình công nghệ gia công bánh răng 115

4.2.4, Tính toán thiết kế đồ gá 145

KÊT LUẬN 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO 150

Sổ tay công nghệ chế tạo máy Tập 1, 2, 3 150

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- -

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở nước ta đang trên đà phát triển tiến tới công nghiệp hóa- hiện đại hóa.

Để thực hiện tốt mục tiêu đó, nước ta đã tập trung một số ngành công nghiệp, trong đó

có ngành công nghiệp chế tạo máy Đây là một trong những ngành có vai trò quan

trọng trong việc phát triển của đất nước, bởi vì vậy việc thiết kế công nghệ chế tạo

máy là một nhiệm vụ quan trong của học sinh, sinh viên trong các trường kỹ thuật Nó

giúp hệ thống lại kiến thức bài giảng, không chỉ môn học công nghệ chế tạo máy mà

người làm đồ án phải nắm vững các môn học khác, từ các bài tập thực hành, hình

thành cho họ một khả năng làm việc độc lập, làm quen với thực tế trước khi ra trường.

Sau khi học xong tất cả các môn lý thuyết và một số môn thực hành, kết hợp với

những kiến thức đã học ở xưởng, em đã được nhà trường cũng như thầy giao và hướng

dẫn đồ án với đề tài : “ Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị ứng dụng để phân tích dữ

liệu chuẩn đoán sai hỏng ổ lăn ” Đây là đồ án ứng dụng nhiều trong thực tế Việc

làm đồ án tốt nghiệp giúp chúng em tổng hợp, củng cố toàn bộ những kiến thức đã học

trong chương trình đào tạo của nhà trường Để trang bị cho chúng em một nền tảng

kiến thức chuyên ngành công nghệ chế tạo máy, tạo điều kiện cho chúng em khi ra

trường có một kiến thức nhất định để có thể đáp ứng được yêu cầu sản xuất của thực

tế Trong suốt quá trình thiết kế, em được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo

và đặc biệt là thầy giáo NGUYỄN VIỆT HÙNG là người trực tiếp hướng dẫn và giúp

đỡ chúng em làm đồ án, cùng với những ý kiến đóng góp của bạn bè, sự cố gắng của

chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Chế Tạo Máy của mình với đề

tài : “ Thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị ứng dụng để phân tích dữ liệu chuẩn đoán

sai hỏng ổ lăn ” Song do khả năng và kiến thức còn hạn chế, khối lượng công việc

lớn, đòi hỏi sự tổng hợp của tất cả các kiến thức trong suốt quá trình học Nên trong

quá trình thiết kế không thể tránh khỏi những sai sót Vậy em rất mong sự tham gia

đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè để đề tài em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Sinh viên

Nguyễn Văn Thăng

Phân tích tín hiệu dao động hiện nay là một kỹ thuật đang được phát triểnmạnh mẽ ở các nước tiên tiến nhằm theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong máymóc, thiết bị cơ khí Theo dõi và chẩn đoán hư hỏng máy móc, thiết bị bằngphân tích dao động tỏ ra là một phương pháp hiệu quả trong việc bảo dưỡng dựphòng có điều kiện, nhằm duy trì tình trạng hoạt động tốt của thiết bị, nhất là cácthiết bị của dây chuyền sản xuất tự động

Hiện nay việc chẩn đoán hư hỏng được thực hiện bằng các chuyên gianhiều kinh nghiệm Họ nhận dạng hư hỏng bằng cách quan sát các tín hiệu daođộng thu được ở hai trạng thái bình thường và hư hỏng, rồi sau đó phân tích cáctín hiệu để xác định dạng hư hỏng đã xảy ra Do vậy, để thuận tiện cho công tácchẩn đoán hư hỏng cơ khí, cần thiết phải nghiên cứu tổng hợp các dấu hiệu nhậndạng hư hỏng khác 4 nhau trong hệ truyền động cơ khí, xây dựng nên một thưviện nhỏ về cơ sở dữ liệu Trên cơ sở các dữ liệu này, có thể xây dựng một công

cụ phần mềm hỗ trợ việc chẩn đoán

Mục đích của đề tài

Nghiên cứu tổng quan các dạng hỏng cơ bản trong hệ truyền động cơ khí,tổng quan về các phương pháp phân tích tín hiệu dao động sử dụng trong chẩnđoán

Phân tích nguyên nhân xảy ra các hư hỏng nĩi trên và tổng hợp các dấuhiệu nhận dạng bằng phân tích dao động

Xây dựng phần mềm hỗ trợ chẩn đốn hư hỏng hệ truyền động cơ khí

Phạm vi nghiên cứu.

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các dạng hỏng cơ bản của hệ truyền động cơkhí bao gồm truyền động bánh răng, ổ lăn, ổ trượt, chưa nghiên cứu đến hư hỏng

hệ truyền động thủy lực và động cơ điện dẫn động

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về các kỹ thuật và phương pháp phân tích tín hiệu daođộng sử dụng trong chẩn đốn hư hỏng cơ khí, về các dạng hỏng cơ bản trong hệtruyền động cơ khí và dấu hiệu nhận dạng chúng bằng phương pháp phân tíchdao động

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Ứng dụng vào việc chẩn đốn các hư hỏng hệ truyền động cơ khí, hỗ trợcác chuyên viên bảo dưỡng nhanh chĩng nhận dạng hư hỏng hệ truyền động cơkhí, gĩp phần vào cơng tác bảo dưỡng dự phịng thiết bị, nhất là các thiết bị cơkhí sử dụng trong dây chuyền sản xuất tự động

Kết quả đạt được.

Tổng quan các dạng hỏng cơ bản trong hệ truyền động cơ khí, tổng quan vềcác phương pháp phân tích tín hiệu dao động sử dụng trong chẩn đốn, các dấuhiệu nhận dạng bằng phương pháp phân tích tín hiệu dao động Cơ sở dữ liệudấu hiệu hư hỏng và phần mềm hỗ trợ chẩn đốn hư hỏng hệ truyền động cơ khí

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG SAI HỎNG

CỦA Ổ LĂN1.1 Các dạng hư hỏng ổ lăn.

1.1.1 Các dạng hư hỏng ổ lăn chính.

a, Tróc rỗ bề mặt do mỏi.

- Do ứng suất tiếp xúc thay đổi theo thời gian Sau một thời gian làm việc, cácvết nứt tế vi phát triển thành tróc trên rãnh vòng và trên bề mặt con lăn Tróc làdạng hỏng chủ yếu của các ổ lăn làm việc với vận tốc cao, chịu tải trọng lớn,được che kín tốt

Hình 2.1: Tróc rỗ bề mặt của ổ lăn

b, Mòn con lăn và vòng ổ.

- Thường xảy ra với các ổ bôi trơn không tốt, có các hạt kim loại rơi vào ổ Mòn

là dạng hỏng chủ yếu của các ổ lăn trong ôtô, máy kéo, máy xây dựng…

Hình 2.2: Mòn con lăn và vòng ổ của ổ lăn

c, Vỡ vòng cách.

- Do lực ly tâm và tác dụng của con lăn gây nên, thường xảy ra với các ổ quaynhanh.

Hình 2.3: Vỡ vòng cách của ổ lăn

d, Vỡ con lăn và vòng ổ.

- Do động năng va đập lớn, do lắp ráp không chính xác (vòng bị lệch, con lăn bịkẹt…)

Hình 2.4: Vỡ con lăn và vòng ổ của ổ lăn

e, Biến dạng dư bề mặt rãnh vòng và con lăn.

- Thường xảy ra đối với các ổ lăn chịu tải nặng và quay chậm,…

Hình 2.5: Biến dạng dư bề mặt rãnh vòng và con lăn của ổ lăn

1.1.2 Các nguyên nhân là giảm tuổi thọ vòng bi.

a, Lắp đặt vòng bi không đúng cách.

- Khoảng 16% các trường hợp bị hư hỏng sớm là do lắp đặt không đúng cách,chủ yếu là do sử dụng lực quá mạnh, và dụng cụ lắp đặt không phù hợp.

b, Bôi trơn ổ lăn không đúng cách.

- 36% trường hợp vòng bi bị hư hỏng sớm là do việc sử dụng các chất bôi trơnkhông đúng chủng loại và không phù hợp

- Ổ lăn là một chi tiết máy khó tiếp cận trong máy nên việc bôi trơn rất khókhan, vì thế việc bôi trơn phải được làm cẩn thận, có thể sử dụng hệ thống bôitrơn tự động

c, Sự nhiễm bụi bẩn của ổ lăn.

- Do đặc thù cấu tạo, ổ lăn hầu như không được che chắn trong suốt quá trìnhhoạt động, nên dễ dính bụi bẩn, con lăn là một chi tiết có độ chính xác cao, nênrất dễ bị hỏng vì nguyên nhân này 14%

d, Hiện tượng mỏi của ổ lăn.

- Nguyên nhân chính là do máy hoạt động với tải trọng vượt quá tải trọng thiết

kế của ổ lăn, không được bão dưỡng thường xuyên, dẫn đến tuổi thọ ổ lăn giảmnhanh chóng 34%

1.1.3 Vấn đề không đồng tâm của ổ lăn.

Nguyên nhân của sự không đồng tâm

• Nguyên nhân chính là sai số do lắp đặt nằm ngoài giới hạn cho phép, gây hiệntượng rung và tiếng ồn

• Một nguyên nhân nữa là do mất đồng tâm trục giữa máy dẫn động và bị động

Cho nên để biết xem hiện tượng trên là do lệch tâm của ổ đỡ hay không thìkhông thể dựa trên mỗi số đo rung động của máy mà trước tiên nên kiểm tra lại

sự đồng tâm trục của 2 máy (alignment) Để loại bỏ nguyên nhân này trước sau

đó mới tiến hành kiểm tra sự đồng tâm của ổ lăn

- Vấn đề là khi lượng lệch tâm lớn hơn khe hở bên trong của ổ đỡ, tuổi thọ củacủa nó sẽ ngắn lại Tất cả vòng bi đều có khe hở bên trong cho phép giãn nởnhiệt và một lượng nhỏ lệch tâm khi làm việc Khi khe hở này không đủ cho sự

lệch tâm lớn sẽ dẫn tới sự tiếp xúc các bề mặt kim loại với nhau gây ra ứng suấtđộng và vòng bi bị hư nhanh chóng.

Hướng khắc phục vấn đề không đồng tâm

• Cách đơn giản để đánh giá con lăn bị lệch tâm là quay trục từ từ để cảm nhận

và dùng ống nghe để nghe Đây là cách làm hay mỗi khi tiến hành sữa chữamáy, tuy nhiên cách này phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của thợ bảo dưỡng

• Thông thường các nhà sản xuất kiểm soát độ lệch tâm của vòng bi bằng cáchkiểm soát một hoặc tất cả các thông số sau:

- Độ lắp chặt và độ chính xác gia công lỗ thân máy

- Dung sai lắp ghép

- Dụng cụ và lực ép khi lắp

- Độ vuông góc của vai trục

1.1.4 Các thông số vận hành của ổ lăn :

a, Tiếng ồn của vòng bi.

- Trong suốt quá trình vận hành, sử dụng thiết bị theo dõi âm thanh để đo âmlượng và đặc tính của tiếng ồn khi vòng bi quay Có thể phân biệt các hư hỏngcủa vòng bi như sự tróc vảy dựa trên đặc tính bất thường của tiếng ồn

b, Rung động của vòng bi.

- Một thiết bị phân tích biểu đồ tần số dạng phổ được sử dụng để đo độ lớn củarung động và sự phân bố của các tần số Các kết quả kiểm tra có thể xác địnhđược các nguyên nhân của các bất thường của vòng bi.Việc theo dõi những bấtthường về rung động từ vòng bi trong suốt thời gian vận hành là rất hữu íchtrong việc bảo trì

c, Nhiệt độ vòng bi.

- Nhiệt độ vòng bi có thể dự tính được từ nhiệt độ đo được bên ngoài vỏ của gối

đỡ, mà còn có thể đo trực tiếp từ vòng ngoài của vòng bi bằng một đầu đo đixuyên qua một lỗ dầu trên vỏ gối Thông thường nhiệt độ vòng bi tăng lên từ từsau khi khởi động máy đến khi chạy ổn định sau khoảng 1-2 tiếng đồng hồ

Nhiệt độ vòng bi khi chạy ổn định phụ thuộc vào tải, tốc độ quay và đặc tínhtruyền nhiệt của máy Sự bôi trơn không đủ hay lắp ráp không đúng có thể gây

ra nhiệt độ ổ bi tăng nhanh chóng

d, Ảnh hưởng của sự bôi trơn.

• Giảm ma sát và mài mòn: màng dầu giúp giảm ma sát, sự mài mòn và ngănngừa sự tiếp xúc trực tiếp của các chi tiết kim loại

• Kéo dài tuổi thọ mỏi của kim loại: phụ thuộc vào độ nhớt và độ dày của màngdầu giữa các bề mặt tiếp xúc Màng dầu càng dày sẽ giúp kéo dài tuổi thọ mỏi,

và nếu độ nhớt thấp sẽ dẫn đến màng dầu nhỏ và nếu độ nhớt quá thấp sẽ dẫnđến không đủ tạo màng dầu

• Giảm sự sinh nhiệt do ma sát và tác dụng làm mát

- Bôi trơn bằng dầu

1.2 Các dạng hư hỏng của bánh răng.

Các hư hỏng thường gặp đối với bộ các loại bộ truyền bánh răng, nguyênnhân, biểu hiện

Hư hỏng của truyền động bánh răng được chia thành ba loại sau đây: các

hư hỏng do chế tạo( sai số dạng răng, độ lệch tâm của các bánh ), các hư hỏng

do lắp ráp( hư hỏng về độ không song song, độ không đồng trục …, và các hưhỏng thường xuất hiện khi làm việc( mòn răng, tróc rỗ bề mặt răng, gãy răng,nứt răng

Theo các tài liệu về chi tiết máy và truyền động cơ khí, truyền động bánhrăng có những dạng chủ yếu sau đây :

a, Răng mòn nhanh

b, Gãy răng- mẻ răng

c, Tróc bề mặt làm việc của răng

d, Biến dạng dẻo

e, Răng bị dính

a,Răng mòn nhanh.

- Đây là dạng hư hỏng thường xảy ra trong các dạng bôi trơn không tốt, chế

độ chăm sóc bảo dưỡng và bôi trơn không định kỳ, dầu bôi trơn bẩn Do các bộtruyền hở không có thiết bị che chắn tốt, bụi và các hạt mài lọt vào giữa 2 mặt

ăn khớp Do ảnh hưởng của môi trường xung quanh cũng là tác nhân gây ra hiệntượng mòn nhanh, chế độ ăn khớp giảm, gây ồn

- Hiện tượng này chưa có phương pháp xác định độ mòn và tính toán độ mòn

vì hiện tượng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố mang tính chất ngẫu nhiên nênkhó xác định

- Hiện tượng mòn thường được kiểm tra bằng sự ăn khớp của 2 bánh răngbằng bột màu Khi bánh răng vượt mức giới hạn mòn, không thể sử dụng đượcthì tiến hành sửa chữa

b,Gãy răng – mẻ răng.

Gãy răng, mẻ răng là dạng hư hỏng rất nghiêm trọng không những làm bộphận mất đi khả năng làm việc mà còn có thể phá hỏng các chi tiết khác

Hình 2.6: Hiện tượng gãy răng và mẻ răng của bánh răng.

Răng bị gãy do các nguyên nhân:

- Do quá tải hoặc do sự ăn khớp quá đột ngột giữa các bánh răng.

- Do răng chịu quá tải khi làm việc, răng bị vấp vào vật lạ hay do răng đượcchế tạo bằng vật liệu không đảm bảo

- Do chế tạo và lắp ráp không đúng, kết cấu bộ truyền không hợp lý

- Do các vật nhỏ lọt vào bánh răng khi bánh răng truyền động làm mẻ răng,hoặc khi các chi tiết khác bị quá tải Nhưng hầu hết các vết gãy do quá tải,mỏi, hoặc vật liệu dòn, chế tạo lắp ghép không chính xác,…Răng thườnggãy do ứng suất Vết gãy thường bắt đầu ở góc lượn là nơi tập trung ứngsuất

c, Tróc bề mặt làm việc của răng.

- Đây là dạng hư hỏng trên bề mặt răng , thường xảy ra trong các bộ truyềnkín, không có bụi rơi vào, dầu bôi trơn tốt và đầy đủ Trong các bộ truyền ítđược bôi trơn hoặc bôi trơn không đầy đủ như bộ truyền hở thì hiện tượng tróckhông xảy ra, vì bề mặt bị mài mòn trước khi xuất hiện các vết nứt, tróc bề mặt,

do bánh răng bị mỏi vì làm việc lâu với tải trọng lớn, bề mặt lằm việc của răng

bị quá tải cục bộ

Hình 7: Tróc bề mặt làm việc của răng.

d, Biến dạng dẻo.

Đối với bánh răng thép có độ rắn thấp, chịu tải trọng lớn và vận tốc thấp Tảitrọng lớn làm răng biến dạng dẻo Do lực ma sát trên răng bánh dẫn, kim loại bịđẩy về phía chân răng và đỉnh răng, còn trên bánh bị dẫn kim loại dồn về phíagiữa răng

Hình 2.8: Hiện tượng biến dạng dẻo của bánh răng

e, Răng bị dính.

- Thường xảy ra ở các bộ truyền chịu tải trọng lớn, vận tốc cao, tại chỗ ănkhớp nhiệt độ sinh ra cao, màng dầu bôi trơn bị phá vỡ, làm cặp bánh răng ănkhớp tiếp xúc nhau do áp suất nhiệt độ cao cặp răng bị dính vào nhau, khi chúngchuyển động những mảnh kim loại nhỏ sẽ bay khỏi bánh răng này và bám vàobánh răng kia, làm cho mặt răng bị gồ ghề,dạng răng bị méo mó Dính răngthường xảy ra ở các bánh răng cùng vật liệu và không tôi cứng

- Pct là công suất cần thiết trên trục động cơ (kw).

- Plv là công suất làm việc: Plv= 1000F v = 1250.0,451000 = 0,5625 (kw)

- là hiệu suất truyền động  = η ol

4

. ηbr2.ηđ¿¿¿¿¿¿ η kn

- Trong đó

- ollà hiệu suất một cặp ổ lăn Tra bảng ol = 0,995

- br= là hiệu suấtbộ truyền bánh răng Tra bảng br = 0,98

- đ là hiệu suất bộ truyền đai Tra bảng đ= 0,96

- knlà hiệu suất của khớp nối Tra bảng kn = 0,99

- Thay số ta được: = 0,9954.0,982.0,96.0,99 = 0,895

- →Pct = 0,56260,895 = 0,63 (kw)

Do mô hình thí nghiệm chuẩn đoán sai hỏng ổ lăn có tải trọng nhỏ nên ta chọnđộng cơ với các thông số sau

- Với Pđc = 0,75 (kw); nđc = 1800 (v/ph)

2.2 Thiết kế hộp giảm tốc.

2.2.1 Thiết kế bộ truyền bánh răng.

Mô hình thíết bị ứng dụng cho thí nghiệm chẩn đoán sai hỏng ổ lăn có tải trọngnhỏ

 Z4 = Z3.u = 24.1,5= 36

 Chọn Z2 = 40 răng

Ta chọn được cặp bánh răng 1 có Z1= 24 răng và Z2 = 40 răng

lấy a W=80 sử dụng hệ số dịch chỉnhcho bánh răng

Tính toán các thông số của bánh răng:

Hình 3.1: Sơ đồ các cặp bánh răng ăn khớp

2.2.2 Tính toán trục của hộp giảm tốc.

a, Xác định đường kính và chiều dài của các trục hộp giảm tốc.

Trục I:

- Đường kính chỗ lắp ổ lăn dA = dB = 20 mm

- Chiều dài chỗ lắp bánh răng L= 48 mm

- Chiều dài chỗ lắp ổ lăn L = 15 mm

- Chiều dài chỗ lắp bánh răng L= 30 mm

- Chiều dài chỗ lắp ổ lăn L = 15 mm

- Chiều dài trục L = 188 mm

Hình 3.3: Bản vẽ trục II của hộp giảm tốc

Trục III

- Đường kính chỗ lắp bánh răng dC =30 mm

- Đường kính chỗ lắp ổ lăn dA = dB = 20 mm

- Chiều dài chỗ lắp bánh răng L= 30 mm

- Chiều dài chỗ lắp ổ lăn L = 15 mm

Khả năng tải động C = 40 kN, khả năng tải tĩnh Co = 20 kN;

Sau khi tính toán chọn bánh răng, trục, ổ lăn ta có sơ đồ lắp đặt hộp giảm tốc

2.4 Chọn biến tần điều khiển tốc độ động cơ

2.4.1 Khái niệm.

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng

điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

Hình 3.8: Sơ đồ mạch bên trong của một biến tần

2.4.2 Phân loại.

Biến tần thường được chia thành biến tần AC và biến tần DC

điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều AC

 Biến tần DC: kiểm xoát sự rẽ nhanh của động cơ điện một chiều

Ngoài ra ta cũng có thể phân loại biến tần theo công suất đáp ứng cho tải, ứngdụng đặc biệt của biến tần như thang máy, năng lượng mặt trời, cầu trục

2.5 Kết luận.

Sau khi tính toán lựa cho ta có mô hình như sau:

Hình 3.10: Mô hình chuẩn đoán sai hỏng ổ lăn

CHƯƠNG III:THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ PP XỬ

LÝ DỮ LIỆU

3.1 Dấu hiệu nhận dạng hư hỏng của ổ lăn

Đối với từng dạng sai hỏng thì trên phổ đồ thị sẽ thể hiện những đỉnh tần số khác nhau, dựa vào những đỉnh tần số này mà ta có thể xác định được nguyên nhân gây ra sai hỏng như:

- Mất cân bằng được thể hiện tại đỉnh 1X

- Lệch trục từ đỉnh 1X hoặc 2X tần số tốc độ trục

- Lỏng kết cấu từ 2X đến 10X

Bánh răng hỏng # số răng x RPM

Tần số hư hỏng vòng bi BPFO, BPFI, BSF, FTF

Hình 3.15: Đỉnh tần số sai hỏng của ô lăn 3.1.1 Ổ lăn không hư hỏng

Ổ lăn không hư hỏng lực tiếp xúc giữa các bộ phận của ổ thay đổi theo thời gian và vị trí thay đổi của con lăn là liên tục và đều

Hình 3.16: Phổ dao động của ổ lăn không hư hỏng

Trong phổ tần số dao động chỉ xuất hiện tần số bằng tần số quay của trục Không có các tần số hư hỏng khác của ổ lăn.

3.1.2 Ổ lăn hư hỏng vòng trong

Hư hỏng ở vòng trong sinh ra một dãy các xung tín hiệu năng lượng cao có giá trị bằng tần số tiếp xúc của một điểm trên vòng trong với con lăn (BPFI)

Trong vùng chụi tải thì biên độ dao động của xung là cao nhất sau đó giảm dần khi hư hỏng ra khỏi vùng chịu tải Kết quả xuất hiện tàn số điều biến biên độ tại BPFI với khoảng cách bằng tần số quay Fs.

Hình 3.17: Phổ dao động của ổ lăn hư hỏng vòng trong 3.1.3 Ổ lăn hư hỏng vòng ngoài

Hư hỏng vòng ngoài gây ra một dãy các xung tín hiệu năng lượng cao có giá trị bằng tần số tiếp xúc của một điểm trên vòng ngoài với con lăn (BPFO)

Hư hỏng trên vòng ngoài không được điều biến bởi tần số quay của trục Fs

3.1.4 Hư hỏng vòng cách

Không giống như hư hỏng vòng trong và vòng ngoài, hư hỏng vòng cách không kích thích tần số vòng quay đặc trưng Cũng như hư hỏng con lăn hư hỏng vòng cách cũng có thể được điều biến bởi tần số tần số quay của vòng cách ( FTF)

Hình 3.19: Phổ dao động của ổ lăn hư hỏng vòng cách 3.1.5 Hư hỏng con lăn

Con lăn hư hỏng gây va đập vào vòng lăn và gây ra dao động, tín hiệu dao động được tạo ra với tầ số bằng tần số tiếp xúc của một điểm trên con lăn với vòng trong hoặc vòng ngoài (BSF)

Con lăn va đập cả vòng ngoài và vòng trong nên trong phổ đồ thị thường xuất hiện tần số bằng hai lần tần số BSF, nhưng với biên độ không cao Hư hỏng của con lăn được điều biến bởi tần số quay của vòng cách (FTF)

Hình 3.20: Phổ dao động của ổ lăn hư hỏng vòng ngoài

3.2 Dấu hiệu nhận dạng hư hỏng của bánh răng.

3.2.1 Tần số quay của trục:

3.2.2 Bánh răng không hư hỏng

Mỗi dải bên ñược ñặt khoảng cách bằng tần số tốc ñộ quay của

trục vào (1x) và mỗi cặp dải bên ñối xứng qua tần số ăn khớp có biên

ñộ bằng nhau

Hình 3.2- Các dải bên ñược ghép đôi và bằng nhau

3.2.3 Mòn răng

Khoảng cách giữa các dải bên không ổn định, các dải bên xung

quanh tần số ăn khớp có khoảng cách không bằng nhau

Hình 3.3- Mòn hay khe hở vượt quá thay ñổi khoảng cách dải bên

3.2.4 Gãy răng

Dải bên ở bên phải tần số ăn khớp có biên ñộ cao hơn dải bên ở

bên trái tần số ăn khớp

Hình 3.5- Một răng bị gãy sẽ sinh ra một biên dạng dải bên

không đối xứng

3.2.5 Tải trọng thay đổi

Biên dạng dao động giống với biên dạng dao ñộng khi bánh răng

có tải nhưng với biên ñộ ñược kích thích cao hơn

Hình 3 8- Biên dạng dao động của cặp bánh răng khi tải trọng

thay đổi

3.3 Tổng quan về hệ thống đo dao động của ổ đỡ

Hình 3.1 mô tả sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo, đối tượng đo là nguồn rung động như vỏ máy, đế máy, trục Các tín hiệu rung được đầu đo ghi nhận, thông qua cáp 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 tín hiệu còn mạch lọc có tác dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết như là nhiễu, Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi số - tương tự, tín hiệu được rời rạc hóa thành tín hiệu số rồi đưa vào lưu trữ và xử lý.

Hình 3.1: Sơ đồ tổng quan của một hệ thống đo

Dưới đây ta sẽ xét tới một số thành phần chính trong một hệ thống đo là:

- Đối tượng đo.

- Đầu đo.

Đối tượng đo Đầu đo Cáp truyền tín

hiệu

Bộ khuếch đại và bộ lọc

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

Bộ chuyển đổi "số - tương tự" và các bộ lọc số đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong phân tích và xử lý tín hiệu số Do đó, chúng sẽ được xem xét tới trong mục "Tín hiệu số".

1 Đối tượng đo

Đối tượng đo là ổ lăn được lắp trên các gối đỡ, thân hộp những vật gây ra dao động trong quá trình làm việc Trong nội dung chẩn đoán rung, đối tượng đo là các máy móc, thiết bị sản xuất, tín hiệu rung từ các bộ phận bên trong máy được truyền ra

vỏ máy, đế máy Do đó, bằng các đầu đo đặt trên vỏ và đế máy, ta có thể thu được các tín hiệu này Tuy nhiên, vị trí đặt các đầu đo có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác của tín hiệu.

Hình 3.2: Các vị trí đặt đúng của đầu đo trên đối tượng đo

Trong hình 3.2 trên đầu đo 1 được đặt trên nắp ổ và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phương dọc trục còn đầu đo 2 được đặt phía dưới cốc lót và dùng để đo các tín hiệu dao động theo phương hướng kính Vị trí đặt các đầu đo 1 và 2 như trên hình là đúng cách, bảo đảm cho độ tin cậy của tín hiệu đo được.

2 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 sử dụng cảm biến piezo (còn gọi là gia tốc kế - accelerometer) Loại đầu đo này

có độ nhạy cao, 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 hiệu mẫu ví dụ được sử dông trong đồ án này đều được thu từ đầu đo gia tốc, hình 3.3.

Hình 3.3: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo

Tâm của đầu đo gia tốc là các miếng áp điện, chúng được làm từ một loại hợp kim sắt từ đã được phân cực nhân tạo Những miếng áp điện này có đặc tính là điện tích của chúng tỉ lệ thuận với độ biến dạng Trong sơ đồ thiết kế của đầu đo gia tốc, hình 3.4, khi toàn bộ đầu đo rung động thì lò xo cùng với trọng vật sẽ tạo ra lực tác động lên các miếng áp điện Khi đo những rung động có tần số thấp hơn tần số cộng hưởng của đầu đo, gia tốc của các miếng áp điện sẽ tương đương với gia tốc của đế đầu đo Do đó, tín hiệu tại đầu ra sẽ tỉ lệ với gia tốc điểm đo.

Hình 3.4: Sơ đồ cấu tạo đầu đo gia tốc

Việc chọn và sử dụng đầu đo gia tốc phải căn cứ vào khoảng tần số, độ nhạy, khối lượng và phạm vi động lực Hình 3.5 là đồ thị đặc tính của một đầu đo gia tốc kiểu áp điện f 0 là tần số cộng hưởng của hệ trọng vật - lò xo.

0 10 20 30

-10

0 -1

-3 -2

Hình 3.5: Đường đặc tính tần số của đầu đo gia tốc

Việc đo đạc thường được diễn ra trong vùng tần số có ích (vùng tuyến tính của đường đặc tính), giới hạn trên là 1/3 tần số cộng hưởng Quy tắc chung là sai số của thành phần dao động được đo tại tần số này phải bé hơn 12% Những đầu đo gia tốc có khối lượng nhỏ, tần số cộng hưởng của chúng ở vào khoảng 180 kHz còn đối với những đầu đo gia tốc có độ nhạy cao thì tần số cộng hưởng lại ở mức 20 - 30 kHz Với cùng một loại vật 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 cho tần số cộng hưởng giảm xuống, giảm giới hạn đo của đầu đo Các

§Õ

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

đo những giá trị quá thấp hoặc quá cao so với mức bình thường Giới hạn trên của phạm vi động lực là sức bền kết cấu của đầu đo Một đầu đo gia tốc bình thường có thể đạt bước nhảy từ 0 đến 50 hay 100 km/s 2 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/s 2 Ngoài ra, yếu tố môi trường cũng có ảnh hưởng rất lớn tới các loại đầu đo gia tốc, đặc biệt là yếu tố nhiệt độ Các loại đầu đo gia tốc bình thường có thể chịu được nhiệt độ đến 250 0 C Nhưng nếu nhiệt độ cao hơn, các miếng áp điện sẽ bắt đầu mất độ phân cực, làm giảm

độ nhạy Tuy nhiên, cũng có những đầu đo gia tốc được chế tạo đặc biệt để làm việc trong điều kiện nhiệt độ lên tới 400 0 C.

3.4 Các phương pháp phân tích tín hiệu dao động của ổ lăn

3.4.1 Các thông số đánh giá ổ lăn trong phân tích miền tần số

Việc xác định các thông số đánh giá ổ lăn trong phân tích phổ tần số là một vấn đề vô cùng quan trọng, từ việc xác định các thông số này mà ta có thể nhận dạng được những sai hỏng của từng bộ phận để từ đó trên phổ đồ thị ta nhận ra tín hiệu đó sinh ra từ bộ phận nào của ổ lăn.

Dưới đây là các thông số và công thức cơ bản trong việc phân tích phổ tần của ổ lăn:

- BPFO: Tần số hỏng trên rãnh lăn vòng ngoài.

- BPFI:Tần số hỏng trên rãnh lăn vòng trong

- FTF: Tần số hỏng trên vòng cách.

- BSF: Tần số hỏng của con lăn.

Công thức tính toán các tần số của các bộ phận trên ổ lăn.

 Miền tần số biến đổi Fast Fourier transform (FFT).

Từ một quan điểm thực tế, các hàm số rung động điều hòa đơn giản có liên quan đến tần số quay của các thành phần quay hoặc di chuyển Do đó, các tần số này là bội

số của tốc độ quay cơ bản của chuỗi máy, mà được thể hiện bằng số vòng mỗi phút (rpm) hoặc chu kỳ mỗi phút (cpm) Xác định các tần số này là bước cơ bản đầu tiên trong phân tích các điều kiện hoạt động của máy

Dữ liệu miền tần số thu được bằng cách chuyển đổi dữ liệu miền thời gian bằng cách sử dụng một kỹ thuật toán học gọi là biến đổi Fast Fourier transform (FFT) FFT cho phép mỗi thành phần rung động của một phổ tần số phức tạp của máy được hiển thị như là một đỉnh tần số rời rạc Biên độ miền tần số có thể được di chuyển trên một đơn vị thời gian so với một tần số cụ thể, được vẽ như trục Y so với tần số là trục

X Điều này là trái ngược với phổ miền thời gian, tổng các vận tốc của tất cả các tần số

và vẽ tổng theo trục Y so với thời gian là trục X Một ví dụ của một biểu đồ miền tần

số hay tín hiệu rung động được hiển thị trong hình 2.4

Hình 2.4: Tín hiệu rung động miền tần số

* Phép biên đổi Fourier:

Biên đổi Fourier thuận: Biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang

Dữ liệu miền tần số được yêu cầu cho thiết bị hoạt động ở tốc độ chạy nhiều hơn một

và tất cả các ứng dụng quay Bởi vì các trục X của phổ tần số bình thường hóa tốc độ quay, một sự thay đổi trong tốc độ chạy sẽ không ảnh hưởng đến biểu đồ Một thành phần rung động đó là hiện diện ở tốc độ vẫn sẽ được tìm thấy trong cùng một vị trí trên biểu đồ cho một tốc độ quay sau khi bình thường hóa, mặc dù biên độ có thể khác nhau.

3.4.2 Phân tích phổ tần số-biên độ và phổ công suất-tần số của tín hiệu

a Phân tích phổ biên độ - tần số

Phổ biên độ - tần số (trong các tài liệu kỹ thuật thường được gọi là phổ tần số hoặc phổ biên độ) của một tín hiệu cung cấp các thông tin về sự phân bố các thành phần tần số có trong tín hiệu và tương quan về mức độ biên độ của các thành phần này.

Do đó, phổ tần số được sử dụng như một công cụ để nhận dạng nguồn gây dao động trong trường hợp dao động cưỡng bức, hoặc các tần số riêng của hệ dao động trong trường hợp dao động tự do.

b Phổ biên độ của một số tín hiệu dao động thường gặp

Phổ biên độ của một tín hiệu tuần hoàn có dạng được biểu diễn trên hình dưới đây:

f1

f2

f3 1

2 3 4 5

Hình 3.6: Biểu diễn một tín hiệu tuần hoàn trong

miền thời gian và miền tần số

Trong đó thành phần tần số nhỏ nhất được gọi là thành phần tần số cơ bản Các thành phần tần số bậc cao hơn đều có tần số là số nguyên lần tần số cơ bản, chúng được gọi là các thành phần điều hòa bậc cao Các thành phần điều hòa tạo nên một cấu trúc tuần hoàn trong phổ tần số.

Hz

3f2 f1

Quan hệ giữa các thành phần tần số trong phổ biên độ của một tín hiệu điều

biến biên độ khác về cơ bản so với phổ của tín hiệu tuần hoàn Để nhận biết được quan

hệ này, ta xét một tín hiệu điều biến biên độ có dạng

2 1

trong đó A 1 , A 2 là các hằng số Ta có thể phân tích tín hiệu x(t) thành tổng của các hàm

điều hòa dưới dạng

Theo hệ thức (3.7), phổ biên độ - tần số của tín hiệu x(t) sẽ bao gồm ba thành

phần tần số tại các điểm tần số f2  f1, f 2 và f2 f1 (minh họa hình 3.7)

Hình 3.7: Phổ biên độ tần số của một tín hiệu điều biến biên độ có dạng

( ) [2+ os(2 )][0.4cos(2 )]

x t = c p f t p f t với các tần số f1= 10Hz,f2 = 40Hz

Trong trường hợp x(t)=x 1 (t).x 2 (t) với tín hiệu điều biến x 1 (t) là tín hiệu tuần

hoàn có tần số cơ bản f 1 và tín hiệu x 2 (t) là tín hiệu tuần hoàn có tần số cơ bản f 2, phổ

biên độ - tần số sẽ có dạng giống như trên hình 3.8 Ta gọi các thành phần f 2 , 2 f 2 , 3 f 2,

… là các thành phần điều hòa chính, còn các thành phần tần số khác phân bố xung quanh các điều hòa chính là các thành phần điều hòa phụ Các thành phần điều hòa phụ cách nhau một khoảng tần số đúng bằng tần số f 1.

Hình 3.8: Phổ biên độ – tần số của một tín hiệu điều biến biên độ

f1

f2-f2+f1 f1 f1