Thiết kế máy cân bằng động bánh đà của máy cưa cd dạng trục đứng

Máy này đưa ra hai khái niệm mới trong lĩnh vực cân bằng: - Quay rô to khi cân bằng cân bằng động - Đắp khối lượng vào cả hai đầu rô to dài cân bằng hai mặt phẳng Với sự phát triển liên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN HIỀN

VERTICAL BALANCING MACHINE DESIGN FOR FLYWHEEL

OF CD HORIZONTAL BANDSAW THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH ĐÀ CỦA MÁY CƯA

CD DẠNG TRỤC ĐỨNG

Chuyên nghành: Kỹ thuật cơ điện tử

Mã số: 13390441

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày … tháng… năm… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên nghành sau khi luận văn thạc sĩ được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HIỀN MSHV: 13390441

Ngày, tháng, năm sinh: 1985 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 60520114

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH ĐÀ CỦA MÁY CƯA CD DẠNG TRỤC ĐỨNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1 Khảo sát cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn cân bằng

2 Khảo sát đối tượng cân bằng, đề xuất và lựa chọn phương án khả thi

3 Thiết kế máy cân bằng động

a Phần lấy tín hiệu mất cân bằng

b Phần xử lý tự động lượng mất cân bằng (chỉ thiết kế phần cơ)

4 Thực nghiệm lấy tín hiệu cân bằng và xử lý

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

Từ khi còn là thí sinh thi vào trường Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM rồi suốt ba năm học tập tại tường cho đến khi hoàn thành luận văn tốt nghiệp,

em đã được Thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến quan tâm, dạy dỗ và chỉ bảo tận tình không chỉ là kiến thức chuyên môn mà còn là sự yêu nghề, tình yêu khoa học, cách giải quyết vấn đề công việc và cuộc sống Em xin chân thành cảm ơn Thầy

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến cá nhân anh Phạm Hồng Thơm – CEO, anh Phạm Hồng Thắm - Kỹ sư của công ty TNHH MTV Cơ khí & Tự động hóa Tân Phước Đông đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện về vật tư, kinh phí, tài liệu

và cả thời gian để em có thể hoàn thành được đề tài luận văn đúng tiến độ

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý thầy của Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM, đặc biệt quý thầy bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ khí đã truyền đạt những kiến thức quý báo, kỹ năng nghề nghiệp cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn, lòng yêu mến đến các em sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh của Hitech-lab (Trung tâm nghiên cứu thiết bị và công nghệ cơ khí Bách Khoa) đã giúp đỡ, hỗ trợ để tôi có thể hoàn thành đề tài

Tôi xin cảm ơn đến Ban QLBD - Nhà máy Đạm Cà Mau, cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình làm đề tài luận văn

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp, mặc dầu đã nỗ lực hết mình

để hoàn thành mọi nhiệm vụ đề ra trong luận văn nhưng sẽ không tránh khỏi các sai sót Kính mong quý thầy cô xem xét và chỉ bảo để em có thể hoàn thiện đề tài

Tp.HCM, tháng 12 năm 2016

NGUYỄN VĂN HIỀN

Luận văn trình bày một phương pháp dùng để cân bằng động bánh đà cho máy cưa CD sử dụng cảm biến tiệm cận Máy được thiết kế, chế tạo đơn giản và đã được sử dụng hiệu quả trên thực tế Biến dạng của trục cân bằng dưới tác dụng của lực quán tính sinh ra do sự mất cân bằng được đo và xử lý Từ số liệu thu nhận được, độ lệch pha và lượng mất cân bằng được xác định Kết quả thực nghiệm tại nhà máy chứng tỏ hiệu quả của giải pháp đề nghị

ABSTRACT

This thesis presents a method for balancing flywheel of CD band saw machine using inductive proximity sensor A simple design, manufactured machine is used in practice The deflection of machine shaft is measured and processed to derive the phase and magnitude of unbalancing mass Experimental results at the company shows that the proposed method can be used for balancing the flying wheel in practice

và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện

NGUYỄN VĂN HIỀN

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG MÁY 1

1.1 TỔNG QUAN 1

1.2 NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT CÂN BẰNG RÔ TO .2

1.2.1 Vật liệu không đồng nhất 2

1.2.2 Dung sai chế tạo lắp ghép 2

1.2.3 Tác động của các yếu tố bên ngoài 3

1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA LĨNH VỰC CÂN BẰNG 4

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG 7

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG 9

2.1 CÁC TRẠNG THÁI MẤT CÂN BẰNG CỦA RÔ TO 9

2.1.1 Mất cân bằng tĩnh 9

2.1.2 Mất cân bằng ngẫu lực (mất cân bằng động thuần túy) 10

2.1.3 Mất cân bằng hỗn hợp (mất cân bằng động) 11

2.1.4 Ranh giới giữa mất cân bằng động và mất cân bằng tĩnh 12

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG RÔ TO 13

2.2.1 Các phương pháp cân bằng tĩnh 13

2.2.2 Các phương pháp cân bằng động 19

2.3 TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG ĐỘNG CỦA RÔ TO CỨNG 28

2.3.1 Sơ lược về tiêu chuẩn cân bằng động 28

2.3.2 Tiêu chuẩn ISO 1940-1: 2003(E) 29

CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT ĐỐI TƯỢNG CÂN BẰNG, ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 39

3.1.3 Bánh đà trong máy cưa CD 40

3.1.4 Bánh đà của máy cưa CD tại công ty Tân Phước Đông 41

3.2 CÁC BIỆN PHÁP CÂN BẰNG HIỆN NAY VỚI BÁNH ĐÀ 42

3.2.1 Biện pháp cân bằng tĩnh 42

3.2.2 Biện pháp cân bằng động 43

3.3 ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 43

3.3.1 Các phương án thiết kế 43

3.3.2 Lựa chọn phương án 48

CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG 49

4.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 49

4.2 KHỐI MÁY CÂN BẰNG VÀ TỰ ĐỘNG KHOAN 50

4.2.1 Thông số thiết kế của máy cân máy cân bằng động 50

4.2.2 Tính toán khối lượng và góc mất cân bằng 51

4.2.3 Khối tự động khoan 55

4.2.4 Thiết kế cơ khí hoàn chỉnh của máy cân bằng động TPD1 56

4.3 KHỐI THU THẬP TÍN HIỆU 58

4.4 KHỐI XỬ LÝ VÀ HIỂN THỊ 59

CHƯƠNG 5 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 61

5.1 MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG TRỤC ĐỨNG HOÀN CHỈNH 61

5.1.1 Mô hình máy cân bằng động trên SOLIDWORKS 61

5.1.2 Máy cân bằng động được gia công hoàn chỉnh 61

5.2 THỰC NGHIỆM 63

5.2.2 Lượng mất cân bằng dư cho phép 𝑼𝒑𝒆𝒓 của bánh đà thực nghiệm 63

5.2.3 Thực hiện cân bằng bánh đà 65

CHƯƠNG 6 – KẾT LUẬN 70

6.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 70

6.2 HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 70

6.2.1 Hạn chế của đề tài 70

6.2.2 Hướng phát triển của đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 1 - THIẾT KẾ CƠ KHÍ 73

PHỤ LỤC 2 – THIẾT KẾ ĐIỆN-ĐIỆN TỬ 79

PHỤ LỤC 3 – TIÊU CHUẨN ISO 1940-1:2003(E) 99

PHỤ LỤC 3 – GA 133

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG MÁY

1.1 TỔNG QUAN

Trong quá trình vận hành, hầu hết các bộ phận quay trong máy luôn xuất hiện lực quán tính thay đổi theo chu kỳ làm việc của máy và phụ thuộc vào vị trí cơ cấu Lực quán này sẽ gây áp lực trên các khớp phụ thuộc vào lực quán tính và thay đổi có chu kỳ

Áp lực này được gọi là phản lực động phụ (phân biệt với áp lực không đổi do tải trọng tĩnh gây nên) Vì biến thiên theo chu kỳ nên lực quán tính là nguyên nhân chủ yếu gây

ra hiện tượng rung động trên máy và móng máy, làm giảm độ chính xác của máy, gây

ra tiếng ồn, tiêu tốn năng lượng giảm tuổi thọ, gây mỏi, gây gãy các chi tiết máy Đặc biệt nếu có cộng hưởng thì hậu quả vô cùng nghiêm trọng, có thể phá hủy chi tiết máy, phá hủy thiết bị, gây thiệt hại về sản xuất và con người

Do đó việc khử hoàn toàn hoặc giảm thiểu lực quán tính sinh ra trong quá trình hoạt động của máy sẽ giảm thiểu hoặc loại trừ phản lực động phụ ở các khớp động và các ổ đỡ, giảm mức độ rung động ở các bộ phận cơ cấu và máy Điều này cũng đồng nghĩa với việc tránh hư hỏng do mỏi trong kết cấu liên quan, giảm tiếng ồn, giảm rung động, làm tăng tuổi thọ và chất lượng của máy khi vận hành Để giải quyết vấn đề này

ta phải tìm ra biện pháp phân bố lại khối lượng trên các bộ phận chuyển động Công việc này gọi là cân bằng máy hay cân bằng động theo cách nói thông thông thường Cân bằng vật quay (rô to) là vấn đề cơ bản trong cân bằng máy Quá trình cân bằng rô to là tìm và đặt vào hoặc lấy đi một khối lượng phù hợp để cân bằng lực quán tính và mô-men quán tính của các rô to Hay nói khác đi cân bằng rô to là phân bố lại khối lượng trên rô to

Ngày nay việc cân bằng máy là công việc bắt buộc trong quá trình chế tạo, bảo dưỡng, sửa chữa máy, đặc biệt ở các máy, thiết bị đòi hỏi tốc độ làm việc, độ tin cậy cao như động cơ đốt trong, bơm, quạt, máy nén, tuabin hơi, tuabin khí,

1.2 NGUYÊN NHÂN GÂY MẤT CÂN BẰNG RÔ TO

1.2.1 Vật liệu không đồng nhất

Trong quá trình đúc các chi tiết máy như trục, bánh công tác, pu-li, bánh đà đặc biệt là các chi tiết bằng gang sẽ xuất hiện những lỗ hỏng, hay bọt khí Các khuyết điểm này khó có thể phát hiện bằng mắt thường Tuy nhiên, nó là nguyên nhân gây mất cân bằng rô to

1.2.2 Dung sai chế tạo lắp ghép

Một trong những nguyên nhân gây mất cân bằng là sự tích lũy dung sai cho phép khi lắp ghép chi tiết

Trục

Bách công tác

Khe hở lắp ghépTrục

Bách công tác

Khe hở lắp ghép

Chẳng hạn như khi lắp ghép bánh công tác (impeller) vào trục bơm (shaft) như Hình 1.2: Đường kính lỗ bánh công tác thường lớn hơn đường kính ngoài của trục và khi gắn then hay dùng vít khóa chặn sẽ dẫn đến làm lệch tâm bánh công tác về một bên của trục quay, gây mất cân bằng

1.2.3 Tác động của các yếu tố bên ngoài

Ngay cả khi một rô to đã được cân bằng tốt tại nơi sản xuất thì việc mất cân bằng vẫn có thể xảy ra trong quá trình hoạt động, nguồn gốc là do:

1.2.3.1 Biến dạng nhiệt:

Trong quá trình vật hành máy, khi nhiệt độ thay đổi thì rô to sẽ giãn nở Sự sai lệch

về phân bố vật liệu, sai lệch về kích thước và sự gia tăng nhiệt độ không đều sẽ làm cho vật quay giãn nở không đều Đều này dẫn đến sự phân bố khối lượng của rô to không đều gây mất cân bằng Hiện tượng này phổ biết đối với các máy vận hành ở nhiệt độ cao: tuabin hơi, tuabin khí, máy nén khí, bơm nước cấp nồi hơi (BWP)…

Hình 1.4 - Cách quạt bị bám bẩn gây mất cân bằng

Đôi khi sự bán bẩn trên bề mặt rô to tương đối đều và sự mất cân bằng chỉ xảy ra khi các lớp bám bẩn này bị bong tróc

Trên đây chỉ là một số nguyên nhân gây mất cân bằng điển hình, tuy vậy nó cũng cho chúng ta thấy sự cần thiết phải thiết kế một máy cân bằng Có một số phương pháp cân bằng được ứng dụng khá phổ biến bao gồm cả cân bằng tại chỗ hay tại các trung tâm cân bằng Trên thực tế, người ta chia ra một số dạng cân bằng điển hình như sau:

1.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA LĨNH VỰC CÂN BẰNG

Một ứng dụng đầu tiên trong việc thêm khối lượng cân bằng đó là việc phân bố các đối trọng trên các tàu thủy để tránh hiện tượng chòng chành tàu Tuy nhiên lúc đó, con người chưa ý thức đó chính là kỹ thuật cân bằng nhưng đó chính là nền tảng cho sự phát

triển của lĩnh vực cân bằng sau này Các thông số được được dùng để điều khiển tốt việc lưu thông dưới nước khi đó gồm:

- Tổng khối lượng tàu

- Vị trí trọng tâm

- Mô-men quán tính

Sự kiện tiếp theo đó là nhu cầu về cân bằng các máy tạo ra các bánh xe nhằm đảm bảo biên dạng tròn cho các bánh xe Công việc này được thực hiện đầu tiên bởi các nhà sản xuất xe ngựa ở Rome, Hy lạp, hay Ai cập Máy cân bằng đầu tiên là máy cân bằng tĩnh với chất lượng cân bằng phụ thuộc ma sát của ổ lăn trên máy cân bằng Trước năm

1850, mới chỉ có cân bằng tĩnh Các rô to khi đó gồm bánh xe lửa, động cơ hơi nước, bánh xe, bơm tốc độ thấp Do tốc độ quay của các rô to còn thấp nên nhu cầu lúc bấy giờ chỉ cần các rô to có dạng tròn đều Cùng với sự phát triển của tất cả các ngành công nghiệp, tốc độ làm việc của máy ngày càng cao, và việc mất cân bằng gây ra hư hỏng thiết bị ngày càng lớn nên đòi hỏi phải tạo ra các máy cân bằng có độ chính xác, độ tin cậy cao Năm 1870, máy cân bằng đầu tiên được ra đời bởi một người Canada, Henry Martinson Hình 1.5

Hình 1.5 - Máy cân bằng động của Henry Martinson năm 1870

Máy này đưa ra hai khái niệm mới trong lĩnh vực cân bằng:

- Quay rô to khi cân bằng (cân bằng động)

- Đắp khối lượng vào cả hai đầu rô to dài (cân bằng hai mặt phẳng)

Với sự phát triển liên tục của sản xuất, ngày càng nhiều chi tiết máy đòi hỏi phải được cân bằng và cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử, vào những năm 1950 các thiết bị cân bằng hiện đại đã được ra đời và thương mại hóa (Hình 1.6) Ngày nay máy cân bằng động đã phát triển đa dạng về chủng loại, tối ưu hóa về thiết kế và vượt trội về chất lượng

Hình 1.6 - Máy cân bằng động của SCHENCK năm 1963

Dựa vào nguyên lý đo ta phân chia máy cân bằng động thành hai loại chính: máy cân bằng động gối đỡ cứng (hard-bearing balancing machine) và máy cân bằng động gối đỡ mềm (soft-bearing balacing machine).Dựa vào phương của trục ta có hai loại máy cân bằng động: máy cân bằng động trục đứng và máy cân bằng động trục ngang Ngoài ra nếu phân theo tính di động, ta có máy cân bằng động cố định và máy cân bằng động di động

Hình 1.7 - Máy cân bằng trục đứng Hình 1.8 - Máy cân bằng di động

Hình 1.9 - Máy cân bằng động có cơ cấu khoan lấy khối lượng

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VỀ MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG

Trong những năm gần đây tình hình nghiên cứu trong nước về máy cân bằng động đã đạt được nhiều thành tựu và đã thương mại hóa nhiều sản phẩm Tiêu biểu phải

kể đến là các công trình của PGS.TS Ngô Kiều Nhi rồi đến một số công trình của TS

Lê Đình Tuân

Máy cân bằng động HnB100 là máy cân bằng động gối đỡ cứng đầu tiên được chế tạo

và sản xuất thành công ở Việt nam năm 2007 của TS Lê Đình Tuân với giá thành giảm 40% so với giá nhập ngoại từ Đức (tính tại thời điểm năm 2007) Máy cân bằng động HnB100 đã được chuyển giao cho cho một số đơn vị trong nước Máy cân bằng động HnB100 là một cơ bệ đàn hồi gồm bệ máy, hai ụ đỡ và rô to Cơ hệ đàn hồi có tần số giao động riêng xác định và cao hơn nhiều tần số quay làm việc của máy Cụm chi tiết liên quan được thiết kế rất cứng vững Máy có cơ cấu nằm ngang nên ngoài việc thao tác dễ dàng cũng đóng vai trò đáng kể trong việc tăng độ cứng vững Khi chuyển động

rô to sẽ tạo nên hệ các lực quán tính ly tâm đóng vai trò lực kích động cơ hệ đàn hồi Dưới tác dụng của lực quán tính ly tâm, cơ hệ sẽ dao động và nhờ vào cảm biến đo dao động ta dễ dàng xác định được các đặc trưng dao động của hệ

Hình 1.10 - Máy cân bằng động gối đỡ cứng HnB100

CHƯƠNG 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TIÊU CHUẨN CÂN

BẰNG

2.1 CÁC TRẠNG THÁI MẤT CÂN BẰNG CỦA RÔ TO

2.1.1 Mất cân bằng tĩnh

Đây là trường hợp đơn giản nhất của sự mất cân bằng, được áp dụng khi xét trên rô

to dạng đĩa mỏng (đường kính lớn hơn 7-10 lần độ dày) Xét một rô to gồm một đĩa tròn khối lượng 𝑀, có trục đi qua trọng tâm đĩa và vuông góc với mặt phẳng đĩa Khi cho đĩa quay quanh trục, các phần tử trên trục gây ra lực quán tính hoàn toàn cân bằng nhau, không có lực tác dụng ngoại lên trục ngoại trừ bản thân trọng lương đĩa, ta nói đĩa được cân bằng tĩnh

Hình 2.1 – Rô to ở trạng thái cân bằng tĩnh

Ta đặt khối lượng 𝑚 cách trục quay khoảng 𝑟 (Hình 2.2) Khi đó rô to ở trạng thái mất cân bằng tĩnh, trọng tâm đĩa không còn nằm trùng trục quay mà lệch một đoạn 𝑅

Khi rô to với vận tốc góc ω, lực quán tính ly tâm 𝑃𝑞𝑡 do 𝑚 sinh ra:

Lực quán tính ly tâm này có độ lớn không thay đổi (điều hoà), tác động lên các ổ trục, gây nên sự rung động Dạng mất cân bằng này có thể phát hiện mà không cần phải cho rô to quay Các dạng mất cân bằng tĩnh đặc trựng là các chi tiết như bánh đà, chi tiết dạng đĩa…

r

M

𝑃 𝑞𝑡

m

Hình 2.2 - Đĩa tròn ở trạng thái mất cân bằng tĩnh

2.1.2 Mất cân bằng ngẫu lực (mất cân bằng động thuần túy)

Với những rô to có bề dày hướng dọc trục lớn so với bán kính, dù trọng tâm có nằm trên trục quay thì rô to vẫn có thể bị mất cân bằng Trên rô to cân bằng tĩnh tuyệt đối, ta đặt hai khối lượng 𝑚1, 𝑚2 lên hai mặt phẳng khác nhau về hai phía trọng tâm, cách tâm một khoảng 𝑟1, 𝑟2 như Hình 2.3 thỏa:

Hai lực này sẽ tạo thành ngẫu lực, ngẫu lực này gây nên phản lực động phụ trên trục

Vật chỉ cân bằng ở trạng thái tĩnh mà không cân bằng ở trạng thái động Dạng mất cân bằng này chỉ được phát hiện khi quay ta gọi là mất cân bằng ngẫu lực hay mất cân bằng động thuần túy

𝑎

𝐺 𝜔

Đây là trường hợp phổ biến trong thực tế, là trạng thái mất cân bằng tổng quát của

rô to, là sự kết hợp của hai dạng cơ bản là mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng ngẫu lực Khi đó, rô to tồn tại cả lực quán tính và mô-men do ngẫu lực sinh ra

không cân bằng Cách thứ hai là lấy bớt khối lượng mất cân bằng (khoan, mài) nhằm trừ khử các lực ly tâm do các lượng mất cân bằng sinh ra

2.1.4 Ranh giới giữa mất cân bằng động và mất cân bằng tĩnh

Khi rô to mất cân bằng động thì do tồn tại hai véctơ mô-men nên không thể dùng cân bằng tĩnh để khử Chỉ khi ngẫu lực do cặp lực này sinh ra nhỏ, tức là chiều dày của

rô to nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính của nó, lúc đó vật có thể được xem là chỉ mất cân bằng tĩnh Vậy thì vấn đề đặt ra là vật mỏng bao nhiêu thì được xem là mất cân bằng tĩnh Thực tế cân bằng cho thấy rô to dày nếu quay ở tốc độ thấp thì vẫn có thể dùng phương pháp cân bằng tĩnh để cân bằng, ngược lại rô to mỏng nếu quay ở tốc độ cao thì đòi hỏi phải cân bằng động Rõ ràng ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động chưa

rõ rệt và hiện nay mỗi nước có quy ước riêng để phân loại Theo sổ tay "Mechanalysis, IRD-1977" thì ranh giới giữa cân bằng tĩnh và cân bằng động được xác định theo Hình 2.4 bên dưới

III

II

I

0.1012

• W: bề dày rô to

• D: đường kính rô to

• Miền I: rô to buộc phải cân bằng động

• Miền II: rô to có thể cân bằng tĩnh hoặc cân bằng động tuý vào độ chính xác và yêu cầu làm việc

• Miền III: rô to chỉ cần cân bằng tĩnh

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG RÔ TO

Hình 2.5 - Vật có chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với đường kính

Rô to có chiều dày nhỏ mất cân bằng do trọng tâm của chúng không trùng với trục quay, khi làm việc sẽ sinh ra lực quán tính ly tâm tác dụng lên trục, làm rô to mất cân bằng tĩnh Việc cân bằng vật dạng này thực chất là phân bố lại khối lượng sao cho trọng tâm của vật thể trùng với tâm quay để khử lực quán tính sinh ra khi làm việc

Xét một rô to gồm các khối lượng 𝑚𝑖 (𝑖 = 1,2,3 ) có trọng tâm nằm ở nút các véctơ bán kính 𝑟𝑖 Khi trục quay với vận tốc 𝜔, các khối lượng này sẽ gây ra những lực quán tính ly tâm là :

Hình 2.6 – Véc-tơ lực quán tính trên rô to mất cân bằng dạng đĩa mỏng

Để cân bằng ta cần thêm một khối lượng 𝑚 tại bán kính 𝑟 sao cho lực quán tính ly tâm do nó gây ra: 𝑃 = 𝑚𝑟 𝜔2 cân bằng với lực quán tính ly tâm do các khối lượng 𝑚𝑖gây nên:

• 𝑃 – trọng lượng chi tiết

Đặt chi tiết mất cân bằng lên ổ đỡ của đồ gá và cho chi tiết lăn từ từ Khi chi tiết dừng lại, ta đánh dấu điểm thấp nhất trên đường thẳng đứng đi qua tâm trục Tuy nhiên dưới ảnh hưởng của lực ma sát lăn, khối lượng mất cân bằng có thể không nằm trong mặt phẳng thẳng đứng mà nằm tại điểm 1 (Hình 2.7) Để xác định rõ vị trí tâm của khối

lượng mất cân bằng ta quay chi tiết đi 90°, điểm 1 lúc này nằm trên mặt phẳng nằm ngang

5

1 4

𝑟 𝑂

Hình 2.7 - Đĩa quay bị mất cân bằng tĩnh

Buông chi tiết ra Một lúc sau khi tiết dừng lại ta đánh dấu điểm 2, là điểm thấp nhất trên đường kính thẳng đứng Một lần nữa, ta quay chi tiết đi 90° theo hướng ngược lại và tương tự ta đánh dấu điểm 3 Nếu các điểm 1, 2, 3 trùng nhau thì tâm khối lượng mất cân bằng được tìm ra chính xác Nếu các điểm đo không trùng nhau thì mặt phẳng chứa tâm khối lượng mất cân bằng là mặt phẳng đối xứng của điểm 2 và điểm 3 (điểm 4) Đánh dấu điểm 5, là điểm đối diện qua tâm với điểm 4 và ta chọn khoảng cách từ trục chi tiết đến vị trí đặt đối trọng là 𝑟, xác định được điểm O để gắn đối trọng

Để xác định giá trị của đối trọng, ta quay chi tiết sao cho mặt phẳng qua điểm 4 và

5 nằm ngang Sau đó ta gắn vào điểm 𝑂 một khối lượng thử 𝑃 sao cho chi tiết quay một

góc 10° ≤ 𝛼1 ≤ 15° theo hướng đã chọn như Hình 2.8

Khi đó ta có:

Trong đó: 𝑀1𝑚𝑠 – Mô-men ma sát quy dẫn tại cổ trục chi tiết và gối đỡ

Hình 2.8 – Gắn khối lượng thử P tại điểm O

Sau đó tiếp tục quay chi tiết đi 1800 thì vị trí nó nằm như Hình 2.9 Chọn khối lượng

phụ ∆𝑃 thêm vào 𝑃 sao chi chi tiết quay đi một góc 10° ≤ 𝛼2 ≤ 15° cũng theo phương trên

𝑟𝑥

(𝑃 + ∆𝑃 2⁄ )𝑟 = 𝑄𝑥 (2.17) Chi tiết sẽ được cân bằng nếu như mô-men tĩnh của đối trọng bằng mô-men tĩnh của khối lượng mất cân bằng quy dẫn Từ phương trình trên, đối trọng cần bằng phải là:

Đối trọng này cần phải được gắn chặt ở khoảng cách 𝑟 từ trục quay của chi tiết về phía điểm 5 hoặc lấy đi ở khoảng cách 𝑟 về phía điểm 4 Để thấy rõ các điều kiện đồng nhất của quá trình cân bằng, mọi nguyên công được đề nghị tiến hành theo một phương

2.2.1.3 Phương pháp hiệu số mô-men

Chia chi tiết ra nhiều phần bằng nhau và đánh số các điểm chia Đặt chi tiết đã được chuẩn bị như vậy lên đồ gá cân bằng và quay chi tiết theo một chiều nào đó sao cho tất

cả các vị trí đánh số đều được đưa về vị trí nằm ngang Ứng với vị trí 𝑖 ta đặt đối trọng

𝑚𝑖 tại nút véctơ bán kính 𝑟 sao cho khi gắn đối trọng vào thì chi tiết quay đi một góc 10° − 15° theo chiều đã chọn Khối lượng 𝑚𝑖 được ghi lại và lập thành đồ thị

6

7

8 1

2

3 4

M

𝑚𝑚𝑖𝑛

Hình 2.10 – Đồ thị khối lượng đối trọng theo các vị trí tương ứng

Từ đồ thị ta xác định được giá trị và vị trí các khối lượng 𝑚𝑚𝑎𝑥 và 𝑚𝑚𝑖𝑛 Khi tiến hành cân bằng đúng thì hai đối trọng thí nghiệm này sẽ cùng nằm trên một đường kính

Hình 2.11 - Các mô-men không cân bằng của các trọng lực do 𝑚𝑚𝑎𝑥 và 𝑚𝑚𝑖𝑛 gây ra

Từ Hình 2.11 ta tính được các mô-men không cân bằng của các trọng lực do các đối trọng lớn nhất và nhỏ nhất sinh ra đối với trục là:

(𝐼)

(II) (i)

Hình 2.12 – Các lực quán tính gây ra trên rô to có chiều dày lớn

Giả sử rô to gồm nhiều mặt phẳng 𝑖 = 1,2,3 …có các trọng tâm 𝑚𝑖 nằm vuông góc với trục quay và được đặt ở nút các véctơ bán kính 𝑟𝑖

2.2.2.2 Cân bằng một mặt phẳng

Đây là các phương pháp thêm vào hoặc lấy ra khối lượng trên một mặt phẳng rô

to để đạt được trạng thái cân bằng bằng cách quay rô to Các phương pháp này áp dụng cho các rô to rô to dạng công-xôn (overhung) như Hình 2.13a, dạng đĩa mỏng như Hình 2.13b, và rô to có chiều dài dọc trục lớn hơn đường kính với lượng mất cân bằng tâm trung hầu hết ở một mặt phẳng hoặc có hai khối lượng mất cân bằng nằm ở hai mặt

Cân bằng một mặt phẳng chỉ áp dụng cho mất cân bằng tĩnh không áp dụng cho mất cân bằng ngẫu lực, tuy nhiên có thể áp dụng phương pháp này để lấy đi phần mất cân bằng tĩnh trong mất cân bằng hỗn hợp Để áp dụng các phương pháp này thì cần phải có 3 điều kiện:

• Rô to cứng tuyệt đối,

• Biên độ đo được ở hai gối bằng nhau,

• Hai pha đo lệch nhau không quá 300

Và một số giả định:

• Biên độ dao động tỉ lệ với khối lượng mất cân bằng

• Sự trễ pha là như nhau với mỗi biên độ

• Giá trị đo chỉ lượng mất cân bằng gây ra không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu (sử dụng các lọc số học)

a) Phương pháp cân bằng một mặt phẳng đo pha

Đây là phương pháp dùng hoạ đồ véc tơ để thể hiện sự mất cân bằng ở rô to, từ

đó tính ra được giá trị và vị trí khối lượng hiệu chỉnh Phương pháp cân bằng này thường dùng cho các máy phải thường xuyên cân bằng lại hoặc các máy cân bằng hàng loạt Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của việc đo pha mà việc đo pha thì không ổn định khi tốc độ thay đổi, nên không ổn định và các vấn đề của thiết bị

Trình tự thực hiện cân bằng một mặt phẳng đo pha:

• Phải nhận định mất cân bằng chính là vấn đề cần giải quyết (nhiều trường hợp máy chạy không êm không phải do mất cân bằng rô to) Phân tích tình trạng máy

• Đo biên độ dao động và pha

• Dừng rô to và gắn khối lượng thử

• Chạy rô to và lần nữa đo biên độ cùng với pha

• Tính toán lượng và vị trí khối lượng hiệu chỉnh

• Dừng rô to, lấy khối lượng thử đi và lắp khối lượng hiệu chỉnh

• Chạy rô to, đo biên độ dao động và pha để xem mất cân bằng được cải thiện bao nhiêu phần trăm

Rô to mất cân bằng sẽ được quay và đo biên độ dao động và pha Sau khi có kết

có được hai thông số biên độ và pha ban đầu thi dừng thiết bị lại và thêm vào khối lượng thử Ta cần chọn khối lượng thử đủ lớn sao cho tạo ra được lượng thay đổi biên độ có thể đo được nhưng không quá lớn, nếu biên độ quá nhỏ sẽ không đo được còn ngược lại biên độ quá lớn sẽ gây ra dao động không mong muốn Khối lượng thử tạo ra dao động không quá 10% khối lượng rô to, khi đó tải trọng động do khối lượng thử không vượt quá 10% tải trọng tĩnh – an toàn Khi ta thêm khối lượng thử vào rô to thì sẽ xảy ra các trường hợp:

- Khối lượng thử nằm ngay đốm nặng thì khi đó biên độ dao động sẽ tăng lên và pha không thay đổi đáng kế Lúc này để cân bằng rô to ta chỉ cần đặt khối lượng

thử đối diện vị trí ban đầu và điều chỉnh khối lượng thử để đạt được giá trị cân bằng mong muốn

- Khối lượng thử đặt đối diện đốm nặng Nếu khối lượng thử nhỏ hơn khối lượng mất cân bằng thì khi đó biên độ giao động sẽ giảm, pha không thay đổi đáng kể,

để cân bằng rô to ta chỉ cần tăng khối lượng thử để đạt giá trị cân bằng Nếu khối lượng thử lớn hơn khối lượng mất cân bằng thì điểm nặng lúc này chính là khối lượng thử, pha sẽ lệch 180° so với pha ban đầu, để cân bằng ta chỉ cần giảm khối lượng thử

- Khối lượng thử không đặt vào vị trí đốm nặng, không đặt vào vị trí đối diện đốm nặng thì khi đó cả biên độ và pha đều thay đổi và để cân bằng ta phải tính toán

độ lớn và vị trí khối lượng hiệu chỉnh dựa vào phương pháp véc tơ

Cho rô to mất cân bằng quay lần đầu ta vẽ được véc tơ 𝑉 𝑂, sau khi gắn khối lượng thử 𝑚𝑇 và cho rô to quay lần nữa ta vẽ được véc tơ 𝑉 𝑇 Để tính toán độ lớn và xác định

vị trí khối lượng hiệu chỉnh ta áp dụng các công thức:

• 𝑚𝐶𝑊, 𝑚𝑇 - khối lượng cân bằng và khối lượng thử

• 𝜑𝑂, 𝜑𝑇 - góc của véc-tơ 𝑉 𝑂 và 𝑉 𝑇 so với góc toạ độ

• 𝜑𝐶𝑊/𝑇 - góc của véc-tơ 𝑉 𝐶𝑊 so với véc-tơ 𝑉 𝑇

Hình 2.14 - Họa đồ phương pháp cân bằng một mặt phẳng có đo pha

b) Cân bằng một mặt phẳng không đo pha

Nếu gặp khó khăn trong việc đo pha trong phương pháp véc tơ trên thì ta sẽ sử dụng phương pháp 4 lần chạy không đo pha Phương pháp này không phụ thuộc vào giả định rô to cứng tuyệt đối, đồng thời chính xác hơn và hội tụ nhanh hơn phương pháp véc-tơ Phương pháp này thích hợp với việc cân bằng nhiều loại rô to khác nhau

Trình tự thực hiện cân bằng một mặt phẳng không đo pha:

• Cho rô to chạy, đo biên độ dao động Vẽ một đường tròn bán kính tương ứng biên độ dao động theo một tỉ lệ xích nào đó Trên đường tròn lấy một điểm làm móc 0 Về hai phía móc này lấy các điểm ở các góc bằng nhau +𝛿 và −𝛿 (thường là 120𝑜) tương ứng với các vị trí trên rô to (Hình 2.15a)

• Dừng rô to và gắn khối lượng thử vào vị trí 0 Cho chạy và đo biên độ lần hai Vẽ một đường tròn bán kính tương ứng với biên độ (theo tỉ lệ xích như trên) với tâm tại vị trí 0 (Hình 2.15b)

• Dừng rô to, lấy khối lượng thử ra và gắn vào vị trí +𝛿 Đo biên độ dao động cho lần chạy thứ ba và vẽ đường tròn tương ứng (Hình 2.15c)

• Dừng rô to, chuyển khối lượng thử qua vị trí −𝛿 Đo biên độ dao động cho lần chạy thứ tư và vẽ đường tròn tương ứng (Hình 2.15d) Ba đường tròn sau khi vẽ sẽ căt nhau tại điểm 𝑇 Khoảng cách 𝑂𝑇 cho ta biên độ dao động do khối lượng thử gây ra Từ vị trí của 𝑇, ta xác định được vị tri khối lượng hiệu chỉnh (Hình 2.15e) Ta tính toán ra giá trị và vị trí đặt khối lượng hiệu chỉnh

Giá trị và vị trí khối lượng hiệu chỉnh được tính theo công thức:

• 𝑉𝑂 - Biên độ ban đầu

• 𝑂𝑇 - Giá trị đoạn 𝑂𝑇 trên hoạ đồ

• 𝑥𝑂𝑇, 𝑦𝑂𝑇 - Toạ độ vị trí khối lượng hiệu chỉnh

Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào ba đường tròn cũng cắt nhau Trong các trường hợp này ta phải tìm tâm hình học của phần giao Công việc này có thể thực hiện bằng phương pháp đồ thị hoặc cũng có thể lập trình Cả hai đều phải chấp nhận sai

số Ta có các trường hợp:

Trường hợp 1: Có hai trong ba đường tròn không cắt nhau như Hình 2.16 Khi

đó cần tìm điểm cách đều 3 đường tròn Việc tìm ra điểm này có thể bằng hình vẽ hoặc bằng phần mềm

Trường hợp 2: ba đường tròn cắt nhau không tại một điểm mà tạo ra một vùng diện tích chung như Hình 2.17 Tâm hình học của vùng này là điểm cách đều 3 đỉnh Tâm này có thể được tìm ra bằng phần mềm với sai số cho phép

Hình 2.17 - Trường hợp ba đường tròn không cắt nhau tại một điểm

2.2.2.3 Các phương pháp cân bằng hai mặt phẳng

Việc tính toán cân bằng hai mặt phẳng là việc phức tạp và phương pháp cân bằng hai mặt phẳng không phải lúc nào cũng thành công Việc cân bằng hai mặt phẳng được tiến hành sau khi phương pháp cân bằng một mặt phẳng không thành công Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và tin học cùng với sự phát triển đa dạng của các loại cảm biến đã phát triển các phương pháp cân bằng tin cậy

a) Cân bằng trên máy: Rô to được tháo ra khỏi máy và đưa lên máy cân bằng động

để thực hiện cân bằng như Hình 2.18

b) Cân bằng tại chỗ: Trong trường hợp này, rô to được cân bằng ngay trên các gối

đỡ của máy, tại tốc độ làm việc như Hình 2.19 Việc cân bằng tại chỗ rất thuận tiên đối với các chi tiết có kích cở quá khổ mà việc tháo chi tiết quay khỏi máy và vận chuyển phức tạp, nhiều rủi ro, tốn kém chi phí Cân bằng tại chổ không áp dụng được cho các loại chi tiết bị bao kín hoàn toàn như mô tơ, bơm, máy nén

Lúc đó việc sử dụng máy cân bằng động là bắt buộc Việc cân bằng tại chỗ có độ chính xác cân bằng kém hơn so với cân bằng trên máy

2.3 TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG ĐỘNG CỦA RÔ TO CỨNG

2.3.1 Sơ lược về tiêu chuẩn cân bằng động

Lý tưởng mà nói một thiết bị cân bằng tuyệt đối sẽ không có một lượng mất cân bằng nào trong các chi tiết Tuy nhiên do độ chính xác gia công, biến dạng do lắp ráp, quá trình vận hành của thiết bị,…thì trạng thái cân bằng tuyệt đối không bao giờ đạt được Do đó trong chế tạo hay bảo dưỡng, người ta phải chọn lượng mất cân bằng còn lại cho phép hay chất lượng cân bằng phù hợp với điều kiện làm việc của thiết bị, chi tiết như khối lượng, tốc độ, tải trọng…và phù hợp với điều kiện kinh tế của việc xử lý mất cân bằng Vậy chất lượng cân bằng như thế nào là chấp nhận được, như thế nào là phù hợp Không có chuyện một chi tiết cân bằng tuyệt đối, việc cố gắng đạt được một

sự cân bằng gần như tuyệt đối là không thực tế hoặc không khả thi về mặt kinh tế Từ những năm 1950, nhiều công trình nghiên cứu để đưa ra một tiêu chuẩn về chất lượng cân bằng từ thực nghiệm đã được thực hiện và kết quả của nó là việc cho ra đời rất nhiều tiêu chuẩn cân bằng của các quốc gia khác nhau Các tiêu chuẩn cân bằng nổi tiếng phải

kể đến là:

Hình 2.18 - Cân bằng động rô to

máy nén trên máy cân bằng

Hình 2.19 - Cân bằng động cách quạt tại

hiện trường

- Tiêu chuẩn ANSI S2.19-175 “Balance Quality Requirements of Rigid Rotors” của American National Standards Institude – Hoa kỳ;

- Tiêu chuẩn BS 6861: Part 1 “Balance Quality Requirements of Rotating Rigid Bodies” của BRITISH Standards – Anh Quốc;

- Tiêu chuẩn VDI 2060 của GERMAN standards – Đức;

- Tiêu chuẩn ISO 1940-1: 2003(E) “Mechanical vibration — Balance quality requirements for rotors in a constant (rigid) state - Part 1:Specification and verification of balance tolerances” của The International Standards Organization (ISO)

Trong các tiêu chuẩn trên thì ISO 1940-1: 2003(E) là tiêu chuẩn về cân bằng được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giờ và được tất cả các nước chấp nhận Tiêu chuẩn này đươc ra các tiêu chuẩn đối với các rô to được coi là cứng, làm việc ở trạng thái ổn định và chỉ rõ:

- Dung sai cân bằng

- Số lượng các mặt phẳng cần thiết để điều chỉnh cân bằng

- Các phương pháp xác định khối lượng mất cân bằng

Ngoài ra tiêu chuẩn cũng đưa ra khuyến cáo liên quan tới các yêu cầu về chất lượng cân bằng theo chủng loại và tốc độ làm việc của các rô to cứng

2.3.2 Tiêu chuẩn ISO 1940-1: 2003(E)

2.3.2.1 Thuật ngữ cân bằng

Rô to cứng (rigid rotor): Một rô to được xem là cứng khi nó có thể được xử lý

cân bằng trong hai mặt phẳng bất kỳ “được chọn ngẫu nhiên” và sau khi xử lý cân bằng

sự mất cân bằng của nó không vượt quá dung sai cân bằng ở tất cả tốc độ cho đến tốc

độ vận hành tối đa

Mặt phẳng cân bằng: Một mặt phẳng cân bằng là một mặt phẳng vuông góc với

trục rô to và nằm trong chiều dài rô to, ở đó cho phép gắn thêm hoặc lấy bớt đi khối

lượng để thực hiện cân bằng

Lượng mất cân bằng dư cho phép – 𝑼𝒑𝒆𝒓

Lượng mất cân bằng dư cho phép 𝑈𝑝𝑒𝑟 được xác định theo công thức bên dưới:

𝑈𝑝𝑒𝑟 = 1000(𝑒𝑝𝑒𝑟 𝜔) 𝑚

Với:

• 𝑈𝑝𝑒𝑟 – lượng mất cân bằng dư cho phép (g.mm)

• 𝑒𝑝𝑒𝑟 – lượng mất cân bằng riêng dư cho phép (kg.m/kg)

• 𝑚 – khối lượng rô to (kg)

• 𝑈𝑝𝑒𝑟 – lượng mất cân bằng dư cho phép (g.mm)

• 𝑚 – khối lượng rô to (kg)

• 𝑒𝑝𝑒𝑟 – lượng mất cân bằng riêng dư cho phép (g.mm/kg hoặc 𝜇𝑚)

Với:

• 𝐺 – cấp độ chất lượng cân bằng;

• 𝜔 – vận tốc góc (rad/s) 𝜔 ≈ 𝑛/10 với 𝑛 – tốc độ rô to (vòng/phút)

2.3.2.2 Sử dụng tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003(E)

a) Xác định cấp độ chất lượng cân bằng 𝐺

Dựa vào thực nghiệm ISO 1940-1:2003(E) đã cung cấp các cấp độ chất lượng

cân bằng 𝐺 theo Bảng 2.1 áp dụng cho các rô to cứng thông dụng Từ cấp độ chất lượng cân bằng 𝐺 ta có thể tìm được tích 𝑒𝑝𝑒𝑟 𝜔 dựa vào Bảng 2.1 hoặc vào đồ thị Hình 2.20

để tìm giá trị 𝑒𝑝𝑒𝑟 theo tốc độ rô to

Machinery types: General examples

Balance quality grade

G

Magnitude

eper   mm/s

Crankshaft drives for large slow marine diesel engines (piston speed

below 9 m/s), inherently unbalanced

G 4000 4000

Crankshaft drives for large slow marine diesel engines (piston speed

below 9 m/s), inherently balanced

G 1600 1600 Crankshaft drives, inherently unbalanced, elastically mounted G 630 630 Crankshaft drives, inherently unbalanced, rigidly mounted G 250 250 Complete reciprocating engines for cars, trucks and locomotives G 100 100 Cars: wheels, wheel rims, wheel sets, drive shafts

Crankshaft drives, inherently balanced, elastically mounted

Aircraft gas turbines

Centrifuges (separators, decanters)

Electric motors and generators (of at least 80 mm shaft height), of maximum

rated speeds up to 950 r/min

Electric motors of shaft heights smaller than 80 mm Fans