Thiết lập một hệ thống giám sát tình trạng hoạt động của hộp số bánh răng chỉ với một đầu đo dao động

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu biến T x τ,f x : biến đổi nén trên cơ sở Wavelet của tín hiệu xt V x τ,f x : biến đổi nén trên cơ sở Fourier cửa sổ của tín hiệu x

MỤC LỤC Nội dung Trang

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt.……… iii

Danh mục các bảng và hình ảnh………… ……… vi

MỞ ĐẦU………1

TỔNG QUAN 3

CHƯƠNG 1: 1.1 Cơ sở lý thuyết về chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật bằng dao động cơ học 3

1.1.1 Một số khái niệm về giám sát và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật 3

1.1.2 Giám sát và chẩn đoán dao động 7

1.1.3 Phương pháp đo dao động và dấu hiệu nhận biết hư hỏng 8

1.1.4 Đo dao động tại vỏ đỡ ổ trục 12

1.1.5 Hư hỏng bánh răng và dấu hiệu nhận biết 13

1.1.6 Hư hỏng ổ lăn và dấu hiệu nhận biết 16

1.2 Các phương pháp phân tích tín hiệu cơ bản 20

1.2.1 Phân tích tín hiệu trong miền thời gian 20

1.2.2 Phân tích tín hiệu trong miền tần số 24

TRUNG BÌNH HÓA TÍN HIỆU ĐỒNG BỘ VÀ PHÂN TÍCH CHƯƠNG 2: THỜI GIAN - TẦN SỐ 30

2.1 Trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian 30

2.2 Kỹ thuật trung bình hóa tín hiệu đồng bộ cho máy quay 32

2.2.1 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ khi có tín hiệu pha 32

2.2.2 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với nhiều trục khác nhau 35

2.3 Phương pháp phân tích thời gian - tần số 37

2.3.1 Phép biến đổi Fourier dạng cửa sổ 38

2.3.2 Các hàm cửa sổ 41

2.4 Phép biến đổi Wavelet 43

2.4.1 Hàm Wavelet cơ sở 44

2.4.2 Phép biến đổi Wavelet liên tục 45

PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN DỰA TRÊN MỘT ĐẦU ĐO 53

CHƯƠNG 3: 3.1 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ khi không có tín hiệu pha 53

3.1.1 Cơ sở lý thuyết 53

3.1.2 Ví dụ áp dụng và so sánh 55

3.2 Chẩn đoán dao động trên cơ sở phân tích tín hiệu TSA 57

3.3 Đánh giá định tính 59

3.4 Đánh giá định lượng 61

3.4.1 Đánh giá định lượng trên cơ sở tín hiệu TSA 61

3.4.2 Đánh giá định lượng trên cơ sở tín hiệu thừa, tín hiệu sai phân 62

3.5 Xây dựng quy trình chẩn đoán và chương trình tính 65

3.6 Thiết kế hệ thống giám sát tình trạng hoạt động của hộp số bánh răng với một đầu đo 66

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 70

CHƯƠNG 4: 4.1 Ví dụ áp dụng 1: Hư hỏng bánh răng trên bộ số liệu đo quốc tế 70

4.1.1 Hệ thống giám sát 70

4.1.2 Đánh giá sơ bộ bằng phân tích phổ tần số 71

4.1.3 Kết quả áp dụng trung bình hóa trong miền thời gian 72

4.2 Ví dụ áp dụng 2: Hư hỏng bánh răng trên bộ số liệu đo tại Việt Nam 74

4.2.1 Hệ thống giám sát 76

4.2.2 Kết quả áp dụng trung bình hóa trong miền thời gian 77

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục ký hiệu biến

T x (τ,f x ): biến đổi nén trên cơ sở Wavelet của tín hiệu x(t)

V x (τ,f x ): biến đổi nén trên cơ sở Fourier cửa sổ của tín hiệu x(t)

WFT x (τ,f): biến đổi Fourier dạng cửa sổ của tín hiệu x(t)

WT x (τ,s): biến đổi Wavelet của tín hiệu x(t)

x(t): tín hiệu liên tục trong miền thời gian

x a (t): tín hiệu giải tích của tín hiệu x(t)

x[n]: tín hiệu rời rạc trong miền thời gian

X g (f): biến đổi Fourier suy rộng của tín hiệu x(t)

X(f): biến đổi Fourier của tín hiệu x(t)

X[k]: biến đổi Fourier của tín hiệu x[n]

y[n Δt]: tín hiệu sau khi trung bình hóa

Δt: độ phân giải thời gian

γ: ngưỡng trong phép biến đổi nén đồng bộ

Δf, Δf x : độ phân giải tần số

CWT: phép biến đổi Wavelet liên tục (Continuous Wavelet Transform) DWT: phép biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform)

FT: phép biến đổi Fourier (Fourier Transform)

FFT: phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)

FTF: tần số hư hỏng vòng cách (Fundamental Train Frequency)

GFT: phép biến đổi Fourier suy rộng (Generalized Fourier Transform) IF: tần số tức thời (Instantaneous Frequency)

iFT: phép biến đổi Fourier ngược (inverse Fourier Transform)

iFFT: phép biến đổi Fourier nhanh ngược (inverse Fast Fourier

iWT: biến đổi Wavelet ngược (inverse Wavelet Transform)

TSA: trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian (Time Synchronous

Average)

WFT: phép biến đổi Fourier cửa sổ (Window Fourier Transform)

WPT: phép biến đổi Wavelet packet (Wavelet Packet Transform) WT: phép biến đổi Wavelet (Wavelet Transform)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

Danh mục bảng biểu Trang

Bảng 1.1: Tần số đặc trưng hư hỏng của ổ lăn 19

Bảng 1.2: Các chỉ số thông kê thường dùng trong giám sát và chẩn đoán dao động 21

Bảng 2.1: Một số hàm cửa sổ thông dụng 46

Bảng 2.2: So sánh độ phân giải thời gian - tần số 49

Danh mục hình ảnh Hình 1.1 Đường đặc tính để giám sát tình trạng 3

Hình 1.2 Quy trình giám sát - chẩn đoán dao động cho thiết bị 4

Hình 1.3 Hư hỏng phân bố (a) và hư hỏng cục bộ (b) trên bánh răng 7

Hình 1.4 Kết cấu của thiết bị đo và thu thập dữ liệu 8

Hình 1.5 Đầu đo gia tốc 9

Hình 1.6 Đầu đo vận tốc 10

Hình 1.7 Đầu đo chuyển vị 11

Hình 1.8 Gắn đầu đo trên vỏ đỡ ổ trục 13

Hình 1.9 Răng bị mòn (a) và rỗ (b) 13

Hình 1.10 Răng bị tróc mỏi (a) và nứt (b) 14

Hình 1.11 Phổ của bánh răng bình thường (a) và bánh răng bị mòn (b) 15

Hình 1.12 Tín hiệu trung bình hóa của bánh răng hư hỏng cục bộ 16

Hình 1.13 Ổ lăn bị mòn 17

Hình 1.14 Ổ lăn bị quá nhiệt (a) và tróc vòng trong (b) 17

Hình 1.15 Tróc vảy và gãy vòng ngoài ổ lăn 18

Hình 1.16 Kết cấu ổ lăn 18

Hình 1.17 Phổ đường bao ổ lăn hỏng vòng ngoài (a) và hỏng vòng trong (b) 19

Hình 1.18 Phổ biên độ - thời gian của ổ lăn hỏng vòng ngoài 20

Hình 1.19 Sơ đồ lọc tín hiệu 22

Hình 1.20 Đường đặc tính tần số của bộ lọc thông thấp 23

Hình 1.21 Phổ biên độ tín hiệu x1(t)x2(t) 28

Hình 1.22 Phổ biên độ tín hiệu dao động tắt dần 29

Hình 2.1 Minh họa phép trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian 31

Hình 2.3 Tín hiệu gia tốc (a) và tín hiệu pha (b), chia khối nhờ tín hiệu pha (c) 33

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán trung bình hóa tín hiệu đồng bộ dựa trên tín hiệu pha 33

Hình 2.5 Chia khối và trung bình hóa các khối 34

Hình 2.6 Kết quả trung bình hóa tín hiệu đồng bộ với hai thành phần tín hiệu khác nhau 35

Hình 2.7 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ đối với một trục không gắn đầu đo pha 36

Hình 2.8 Trung bình hóa tín hiệu với nhiều trục khác nhau sử dụng một đầu đo pha 36

Hình 2.9 Mô tả quá trình tính toán WFT 38

Hình 2.10 Giải thuật tính toán phép biến đổi Fourier dạng cửa sổ 39

Hình 2.11 Phổ biên độ - thời gian (a), biên độ - tần số (b) 40

Hình 2.12 Biến đổi WFT của tín hiệu có tần số thay đổi theo thời gian 41

Hình 2.13 Sóng (a) và sóng nhỏ Wavelet (b) 44

Hình 2.14 Sơ đồ quá trình xử lý tín hiệu sử dụng biến đổi Wavelet 44

Hình 2.15 Một số dạng Wavelet cơ sở thông dụng 45

Hình 2.16 Mô phỏng phép biến đổi Wavelet liên tục 47

Hình 2.17 Hàm Morlet (phần thực) 48

Hình 2.18 Sơ đồ thuật toán để xác định các hệ số Wavelet 51

Hình 2.19 Biểu diễn hệ số Wavelet trên mặt phẳng (a) và không gian (b) 51

Hình 2.20 Ví dụ về đồ thị biểu diễn hệ số Wavelet trong tọa độ cực 52

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán hai bước 54

Hình 3.2 Xác định thời điểm xuất hiện các xung pha từ pha của trục 55

Hình 3.3 Trung bình hóa có pha và không pha với vận tốc quay hằng số 56

Hình 3.4 Trung bình hóa có pha và không pha với vận tốc quay biến đổi 56

Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán chẩn đoán hư hỏng bằng trung bình hóa tín hiệu đồng bộ 58

Hình 3.6 Minh họa tín hiệu sai phân 59

Hình 3.7 Tín hiệu trong miền thời gian (a, b) và tín hiệu TSA (c, d) 59

Hình 3.8 PWM tín hiệu TSA bình thường (a) và tín hiệu có hư hỏng (b) 60

Hình 3.9 Tín hiệu TSA (a), các thành phần điều hòa ăn khớp (b) và tín hiệu thừa (c) 61 Hình 3.10 PWM tín hiệu thừa bình thường (a) và tín hiệu thừa có hư hỏng (b) 61

Hình 3.11 Tham số NA4 và NA4* (a) và tham số FM4 và FM4* (b) 63

Hình 3.12 Minh họa tham số ER đánh giá tín hiệu thừa và tín hiệu sai phân

ứng với ba dạng hỏng tiến triển của răng 64

Hình 3.13 Lưu đồ quy trình chẩn đoán các chi tiết quay trong hệ truyền động 65

Hình 3.14 Thiết lập hệ thống đo 66

Hình 3.15 Thiết bị đo VIBROPORT 80 67

Hình 3.16 Sensor gia tốc ASA-063 67

Hình 3.17 Sensor pha khóa PA-98 68

Hình 3.18 Giao diện phần mềm phân tích và vẽ đồ thị ReX 69

Hình 4.1 Bánh răng dẫn bị hư hỏng 70

Hình 4.2 Tốc độ quay thực của trục 71

Hình 4.3 Phổ tần số của bánh răng còn tốt 71

Hình 4.4 Phổ tần số của bánh răng hư hỏng 72

Hình 4.5 Phân bố thời gian - tần số của tín hiệu tổng hợp 72

Hình 4.6 Điều hòa ăn khớp được lọc từ tín hiệu ban đầu 73

Hình 4.7 Tín hiệu sau khi trung bình hóa đồng bộ không sử dụng tín hiệu pha (a), có sử dụng tín hiệu pha (b) 74

Hình 4.8 (a), (b), (c) Hệ thống máy nghiền 74

Hình 4.9 Sơ đồ hệ thống nghiền 76

Hình 4.10 Phân bố thời gian - tần số của tín hiệu tổng hợp 77

Hình 4.11 Điều hòa ăn khớp được lọc từ tín hiệu ban đầu 78

Hình 4.12 Tốc độ quay của trục mang bánh răng hư hỏng 78

Hình 4.13 Kết quả trung bình hóa không sử dụng tín hiệu pha 79

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong công nghiệp, hai loại cơ hệ đặc thù thường được chú ý đến là các kết cấu và máy móc, đặc biệt là máy quay Máy quay xuất hiện ở hầu khắp các lĩnh vực như cơ khí, điện - tự động hóa, các hệ thống bơm, tua-bin Khi một chi tiết trong máy quay hư hỏng đột ngột, có thể gây thiệt hại lớn về người và tài sản

Tín hiệu dao động của một máy quay cung cấp cho ta nhiều thông tin về tình trạng máy Phân tích dao động của máy quay trên cơ sở phân tích phổ đã trở nên khá quen thuộc và phổ biến Những dấu hiệu phổ có thể cho ta thấy dễ dàng dấu hiệu hư hỏng của máy quay Tuy nhiên, trong những trường hợp đặc biệt như máy quay vận hành với tốc độ quay biến đổi, việc nhận dạng dấu hiệu hư hỏng trở nên khó khăn hơn Việc phân tích tín hiệu dao động của máy quay khi đó cần sử dụng tới phương pháp phân tích đồng thời tín hiệu trong miền thời gian - tần số (gọi tắt là phân tích thời gian - tần số) kết hợp với trung bình hóa tín hiệu đồng bộ

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là trình bày và áp dụng phép biến đổi thời gian - tần số kết hợp với phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ để xây dựng kỹ thuật chẩn đoán dựa trên một đầu đo Phương pháp này hướng đến một cách tiếp cận tiên tiến giảm thiểu chi phí trang bị đầu đo mà vẫn có thể chẩn đoán các phần tử quan trọng bên trong máy quay như bánh răng, ổ đỡ con lăn,…

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các máy quay trong công nghiệp, trong đó hộp số bánh răng trụ với các chi tiết quay quan trọng như bánh răng, ổ lăn là đối tượng nghiên cứu chính Nội dung nghiên cứu được giới hạn trong phân tích các đặc trưng cơ học của hộp số bánh răng bằng phép đo thực nghiệm và các phương pháp phân tích tín hiệu số, trọng tâm là phương pháp phân tích thời gian - tần số

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đặt ra, phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và xử lý tín hiệu số

Phân tích các tài liệu khoa học, các công trình nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực chẩn đoán dao động nhằm tổng kết và đánh giá ưu/nhược điểm của các phương pháp chẩn đoán dao động hiện nay Từ đó, tập trung nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán dao động trên cơ sở phân tích thời gian - tần số, nâng cao hiệu quả của các phương pháp này

Xây dựng thuật toán và một chương trình phân tích tín hiệu dao động trên phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình MATLAB, trên cơ sở phương pháp nén đồng bộ suy rộng

Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thí nghiệm đã có để kiểm chứng các kết quả lý thuyết Chương trình tính được sử dụng để phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm nhằm mục đích tìm ra triệu chứng hư hỏng của các chi tiết quay

Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm các phần chính sau đây: Chương 1 Trình bày tổng quan về giám sát và chẩn đoán kỹ thuật, các hệ thống giám sát cho một số loại máy quay cũng như các phương pháp xử lý tín hiệu dao động thu được

Chương 2 Trình bày về cơ sở toán học của hai phương pháp: Phân tích thời gian - tần số và trung bình hóa tín hiệu đồng bộ

Chương 3 Trình bày kỹ thuật chẩn đoán hư hỏng bánh răng trên cơ sở phương pháp trung bình hóa tín hiệu đồng bộ không sử dụng tín hiệu pha

Chương 4 Một số kết quả thực nghiệm trên cơ sở bộ số liệu đo quốc tế và bộ

số liệu đo tại một nhà máy ở Việt Nam được sử dụng để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp đề xuất

Cuối cùng là kết luận với những đánh giá những mặt đã làm được và chưa làm được của luận văn Từ đó rút ra bài học kinh nghiệm

TỔNG QUAN CHƯƠNG 1:

1.1 Cơ sở lý thuyết về chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật bằng dao động cơ học

1.1.1 Một số khái niệm về giám sát và chẩn đoán tình trạng kỹ thuật

1.1.1.1 Giám sát tình trạng kỹ thuật

Giám sát tình trạng (condition monitoring) là các hoạt động nhằm phát hiện sự

hình thành và giám sát quá trình phát triển của hư hỏng trong các hệ thống kỹ thuật Các hư hỏng cục bộ (các vết nứt, mẻ) của chi tiết máy cần được phát hiện sớm để tránh nguy cơ sự cố hư hỏng đột ngột Các hư hỏng phân bố (mòn, tróc, rỗ) cần được giám sát liên tục để dự đoán được thời gian hoạt động còn lại và có kế hoạch thay thế kịp thời (Hình 1.1)

Hình 1.1 Đường đặc tính để giám sát tình trạng

Việc giám sát tình trạng thiết bị mang lại các lợi ích sau:

- Loại bỏ các hư hỏng do dừng máy bất thường;

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

- Tối ưu hóa 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;

- Người lao động 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 quả bảo dưỡng - kế hoạch chủ động, tiết kiệm nhân lực, vật tư, tránh các

hư hỏng do chủ quan gây nên, tăng mức độ sẵn sàng của thiết bị và giảm thiểu các hư hỏng lớn Ngoài ra, người vận hành còn tăng thêm sự hiểu biết về thiết

bị, dễ dàng hơn trong việc tiên liệu các hư hỏng tương tự trong tương lai

1.1.1.2 Chẩn đoán tình trạng kỹ thuật

Ở một mức cao hơn, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật (diagnostic) có nhiệm vụ

nhận dạng, định vị và đánh giá mức độ của hư hỏng đã được phát hiện (Hình 1.2) Như vậy, chẩn đoán kỹ thuật là khoa học về nhận dạng trạng thái hoạt động của các

hệ thống kỹ thuật, bao gồm máy móc, thiết bị, các cụm chi tiết máy hoặc các quá trình công nghệ (cắt gọt, vận chuyển vật liệu, ) [2]

Hình 1.2 Quy trình giám sát - chẩn đoán dao động cho thiết bị

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 quả chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật của chính thiết bị đó và không thể áp dụng cho mọi thiết bị khác;

- Quá trình chẩn đoán được tiến hành liên tục hay theo từng thời điểm nhất định Kết quả của chẩn đoán cho biết trạng thái kỹ thuật hiện thời của thiết

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

a Tín hiệu chẩn đoán (giám sát)

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 chẩn đoán hay giám sát

Ta có thể phân loại 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, v.v.)

- 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, v.v.)

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

thụ nhiên liệu, v.v.)

Hiện nay, tín hiệu dao động cơ học đang được sử dụng như một loại tín hiệu chẩn đoán phổ biến nhất cho công tác chẩn đoán và giám sát tình trạng kỹ thuật của thiết bị quay 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 thái hoạt 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

- Một loạt các phương pháp phân tích tín hiệu số hiện đại đã được nghiên cứu, ứng dụng và được tích hợp trong nhiều phần mềm chuyên dụng Điều này cho phép ta xử 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 (tín hiệu thô) còn chứa quá nhiều thông tin Lượng thông tin này không thể sử dụng hết cho mục 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 dụ nhiễu đo) Ngoài ra, các đại lượng đo trong tín hiệu thay

đổi quá nhanh (tần số lên đến vài kHz), 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 dưới dạng một giá trị (bằng số) và thay đổi chậm một cách tương ứng với trạng thái kỹ thuật của 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 kép, v.v.)

1.1.1.4 Các hệ thống bảo dưỡng

Trên thế giới hiện có các hệ thống bảo dưỡng thiết bị như sau:

- Bảo dưỡng khi hư hỏng (Breakdown Maintenance): là thiết bị chỉ thực hiện sửa

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

- Bảo dưỡng định kỳ (Time-based Maintenance): là 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, khối lượng kiểm tra định kỳ lớn, việc dừng máy định kỳ cũng không đề phòng được các hư hỏng 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 (Condition-based Maintenance): 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 Việc giám sát tình trạng thiết bị

và dự báo thời gian hư hỏng sẽ chủ động trong việc lập kế hoạch bảo dưỡng, tiết kiệm chi phí, chỉ sửa chữa các thiết bị khi cần thiết, chỉ cần tập trung sửa chữa những phần hư hỏng của thiết bị Việc áp dụng hệ thống bảo dưỡng dự báo sẽ tăng công suất và độ tin cậy của nhà máy, tăng mức độ an toàn, tăng chất

chi phí vận hành nhà máy Vì vậy, hệ thống này nên áp dụng cho các thiết bị quan trọng trong dây chuyền sản xuất Việc bảo dưỡng theo tình trạng sẽ giảm tối đa chi phí bảo dưỡng, tăng mức độ an toàn

1.1.2 Giám sát và chẩn đoán dao động

Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để giám sát các thiết bị, máy móc quan trọng Những kỹ thuật này bao gồm phân tích dao động, siêu âm, đồ thị nhiệt, phân tích dầu, kiểm tra bằng mắt,… Trong các kỹ thuật này, phân tích dao động là phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất

Tất cả máy móc khi hoạt động đều bị rung Trong quá trình chuyển đổi năng lượng, động lực được sinh ra rồi kích thích, trực tiếp hoặc qua kết cấu, đến từng bộ phận của máy móc Vài bộ phận bên ngoài nằm trong đường lan truyền nên ta có thể dễ dàng đo dao động do lực kích thích tạo ra

Trong một thời gian dài mà quá trình này không thay đổi hoặc chỉ thay đổi trong những giới hạn nào đó thì dao động đo được là bất biến Hơn thế nữa, đối với phần lớn máy móc, phổ tần số dao động đều có một dạng đặc trưng khi máy vẫn còn tốt Khi vấn đề hư hỏng bắt đầu phát triển trong máy, một số quá trình động lực trong máy cũng thay đổi và một số lực tác động lên các bộ phận, hoặc chính các đặc tính cơ học của các bộ phận, cũng thay đổi theo và do đó ảnh hưởng đến các phổ dao động Đây chính là cơ sở cho việc đo và phân tích dao động trong việc giám sát

và chẩn đoán tình trạng máy móc

Hình 1.3 Hư hỏng phân bố (a) và hư hỏng cục bộ (b) trên bánh răng

Hầu hết máy móc khi được thiết kế chính xác sẽ cho ra mức dao động thấp Sau một thời gian hoạt động, tất cả máy móc đều chịu vấn đề mỏi, mòn, biến dạng

và lún bệ máy Những tác động kể trên gây ra sự gia tăng khoảng hở giữa các bộ phận, không đồng trục, xuất hiện các vết nứt trong các bộ phận và mất cân bằng Tất cả các vấn đề này đều dẫn đến sự tăng trưởng của mức dao động và sau đó, động lực tác dụng lên các ổ trục cũng tăng lên tương ứng Theo thời gian, các mức dao động tiếp tục tăng trưởng để cuối cùng đưa đến hư hỏng làm máy phải dừng hoạt động

Những điều vừa nêu trên cho thấy dao động chính là chìa khóa để mở cửa chứng kiến tình trạng bên trong máy móc Việc giám sát và chẩn đoán dao động được dựa trên đặc điểm là hầu hết các vấn đề hỏng máy sắp xảy ra đều phát ra các tín hiệu báo động rất sớm dưới dạng dao động và vài tín hiệu này có thể được nhận dạng tại những tần số đặc biệt Do đó, việc phân tích dao động có thể cho biết được

bộ phận nào của máy đang hoặc sẽ có vấn đề và tại sao, và khi nào thì phải sửa chữa Đây chính là mục đích của giám sát và chẩn đoán dao động

1.1.3 Phương pháp đo dao động và dấu hiệu nhận biết hư hỏng

1.1.3.1 Hệ thống đo dao động

Một hệ thống đo dao động cơ học cơ bản gồm hai phần: Các đầu đo dao động gắn tại các điểm đo và các thiết bị đo với các nhiệm vụ khuếch đại, lọc tín hiệu, lưu trữ và hiển thị Các thiết bị đo tiên tiến hiện nay được tích hợp thêm bộ chuyển đổi tương tự - số, các giao diện kết nối với máy tính có bộ vi xử lý và ổ cứng để thu thập và lưu trữ dữ liệu (Hình 1.7) [2]

 Bộ khuếch đại có hai chức năng là khuếch đại tín hiệu được cung cấp từ đầu

đo dao động và giữ ở mức ổn định tỷ lệ giữa tín hiệu hữu ích và nhiễu đo

 Bộ lọc tín hiệu (còn được gọi là bộ lọc tương tự hay bộ lọc anti-aliasing) có đặc trưng của một bộ lọc thông thấp (low-pass filter) với chức năng kiểm

soát thành phần tần số lớn nhất trong tín hiệu và giảm nhiễu Qua đó loại trừ

được hiệu ứng phổ ảo (aliasing) gây ra sự sai lệch trong phổ tần số

 Bộ chuyển đổi tương tự - số dùng để rời rạc hóa tín hiệu, sau khi được khuếch đại và lọc, cả về trị số và thời gian, quá trình này được gọi là lấy mẫu tín hiệu Tín hiệu thu thập được, dạng số, thuận tiện cho việc lưu trữ và xử lý trên máy tính

1.1.3.2 Đầu đo và hệ thống đo dao động

a Đầu đo gia tốc

Hình 1.5 Đầu đo gia tốc

Cấu tạo: Gồm khối lượng dao động (3) đặt trên các tấm vật liệu áp điện (4)

Hệ được đặt dưới lò xo (2) để tạo lực căng ban đầu (Hình 1.4) [1]

Nguyên lý hoạt động: Đầu đo hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, khi đầu đo

làm việc như một hệ dao động cưỡng bức, lượng biến dạng tuyệt đối x r của phần tử cảm biến sẽ tỷ lệ tuyến tính với lực nén trên bề mặt các tấm vật liệu áp

điện và như vậy ta thu được tín hiệu điện có cường độ tỷ lệ với x r Mặt khác,

do đầu đo làm việc ở chế độ dưới cộng hưởng, độ lớn của tín hiệu điện tại đầu

ra sẽ tỷ lệ với biên độ của gia tốc dao động tuyệt đối A của đối tượng đo

Đặc điểm

- Không cần nguồn cung cấp điện;

- Kết cấu cứng vững và nhỏ gọn, khối lượng bé;

- Phạm vi đo được (biên độ và dải tần) rất rộng;

- Dễ dàng định vị và lắp đặt trên đối tượng đo;

- Hoạt động rất ổn định trong một thời gian dài;

- Chủng loại phong phú;

- Dải tần số đo được chịu ảnh hưởng của cách thức gắn đầu đo;

- Không thích hợp khi đo dao động có tần số thấp (nhỏ hơn 5 kHz);

- Tín hiệu đầu ra có trở kháng cao

b Đầu đo vận tốc

Hình 1.6 Đầu đo vận tốc

Cấu tạo: Nam châm vĩnh cửu (2) (đóng vai trò khối lượng dao động) được đặt

trên lò xo mềm, tạo thành hệ dao động có tần số riêng nhỏ (4 ÷ 20 Hz) Cuộn

dây (3) gắn cố định với vỏ đầu đo Khi làm việc, đầu đo được gắn cố định trền

bề mặt đối tượng được đo (Hình 1.5) [1]

Nguyên lý hoạt động: Đầu đo hoạt động dựa trên hiệu tượng cảm ứng điện từ Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm sinh ra một sức điện động

tỷ lệ với vận tốc dao động

Đặc điểm

- Không cần nguồn cung cấp điện;

- Đo được vận tốc dao động (tuyệt đối);

- Dễ dàng định vị và lắp đặt trên đối tượng đo;

- Chủng loại phong phú;

- Tín hiệu đầu ra có trở kháng thấp;

- Dải tần số đo được tương đối hẹp (dưới 2 kHz);

- Hoạt động kém ổn định, dễ sai lệch do va chạm;

- Chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường làm việc

c Đầu đo chuyển vị

Cấu tạo:

- Đầu đo tiếp xúc: Lõi sắt từ (5) được gắn với thanh dẫn (2) và đầu dò (1)

- Đầu đo không tiếp xúc: Bộ phận cảm biến gồm một cuộn dây nhỏ được đặt trong một vỏ bảo vệ Trong thân đầu đo chứa một vi mạch có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ nguồn cung cấp thành sóng điện từ có tần số cao (Hình 1.6) [3]

Hình 1.7 Đầu đo chuyển vị

Nguyên lý hoạt động: Đầu đo dịch chuyển đo biên độ dao động tương đối giữa hai điểm, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (đầu đo tiếp xúc) hoặc nguyên lý dòng điện xoáy (đầu đo không tiếp xúc)

Đặc điểm (đầu đo không tiếp xúc)

- Đo trực tiếp được dịch chuyển dao động;

- Kết cấu đầu đo nhỏ gọn;

- Không tiếp xúc với đối tượng đo, thích hợp với các phép đo dao động của thiết

bị quay trong môi trường làm việc khắc nghiệt;

- Định chuẩn đầu đo khá đơn giản;

- Có nhiều chủng loại và kích cỡ;

- Đo được dao động với tần số rất thấp;

- Tín hiệu điện áp ra có trị số tương đối cao, không cần bộ khuếch đại;

- Cần nguồn cung cấp điện áp một chiều ổn định;

- Dải tần số đo được tương đối hẹp (0 ÷ 1,5 kHz);

- Khó định vị và lắp đặt;

- Nhạy với tính chất vật liệu, độ nhám và sai số hình học của bề mặt đối tượng

đo

1.1.4 Đo dao động tại vỏ đỡ ổ trục

Trong quá trình hoạt động của máy, hai dao động chính được sinh ra là dao động tương đối của rô-to đối với vỏ đặt ổ trục và dao động tuyệt đối của toàn bộ vỏ đặt ổ trục Khi cỗ máy có rô-to tương đối nhẹ hoạt động trong một giá đỡ ổ trục cứng, nặng, phần lớn lực do rô-to tạo ra sẽ bị tiêu tán thành chuyển động tương đối giữa trục và ổ trục Với những máy móc loại này (máy nén ly tâm áp suất cao, các máy móc dùng ổ trượt), việc đo chuyển vị tương đối của trục là chỉ số tốt nhất để đánh giá tình trạng rô-to Trái lại, một rô-to tương đối nặng hoạt động trong các ổ trục cứng được nâng trên kết cấu đàn hồi thì phần lớn lực do rô-to tạo ra sẽ được tiêu tán vào chuyển động kết cấu Về loại máy này (quạt, tua-bin khí và các máy móc dùng ổ lăn), đo dao động của vỏ đặt ổ trục bằng đầu đo gia tốc hoặc vận tốc là phương án thích hợp nhất [7]

Khi đo dao động của vỏ đặt ổ trục, ta cần bảo đảm là đầu đo được gắn chắc chắn và tần số riêng của đầu đo không nằm trong vùng tần số quan tâm Điều này

vô cùng quan trọng vì nếu không số liệu đo lường chỉ là đáp ứng của đầu đo mà không liên quan gì đến tình trạng máy Đầu đo thường được gắn vào chỗ cứng nhất của vỏ đỡ ổ trục Việc gắn đầu đo cần đúng phương pháp Đánh dấu vị trí những điểm đo thật chính xác là công việc tối quan trọng Hai lần đo trên cùng một ổ trục tại hai điểm cách nhau khoảng 20° vẫn có thể cho ra những kết quả khác nhau Việc

đo dao động được dựa vào phân tích sự tiến triển của mức dao động nên cần tránh mọi vấn đề liên quan đến vị trí của đầu đo (Hình 1.8)

Hình 1.8 Gắn đầu đo trên vỏ đỡ ổ trục

Để có thể so sánh kết quả đo được giữa các lần đo tại cùng một điểm đo, những điều kiện sau cần được thỏa mãn: mạch đo phải hoàn toàn tương thích và đồng nhất, việc gắn đầu đo phải giống nhau, vị trí của đầu đo không thay đổi, có cùng đơn vị và thông số và các điều kiện vận hành của máy phải giống nhau

1.1.5 Hư hỏng bánh răng và dấu hiệu nhận biết

ra Sự khác nhau giữa dính và rỗ là ở phạm vi của sự gắn kết và hậu quả của việc phá hủy gắn kết Rỗ thường được thấy trong các hộp số cao tốc, chịu tải lớn vận hành với dầu tổng hợp có độ nhớt thấp (Hình 1.9b) [3]

 Tróc mỏi bề mặt

Hình 1.10 Răng bị tróc mỏi (a) và nứt (b)

Tróc mỏi bề mặt sinh ra bởi tác dụng lặp đi lặp lại và sự di chuyển của tải trọng trên bề mặt răng mà có thể dẫn tới lỗi khi sức bền mỏi của vật liệu bị vượt quá Các lỗi khác kết hợp với tróc mỏi bề mặt là rỗ và nứt Khả năng chịu mỏi của bánh răng phụ thuộc vào tải trọng và số chu kỳ chịu tải của vật liệu (Hình 1.10a) [3]

 Lỗi chế tạo

Là các lỗi trong quá trình chế tạo và lắp đặt, chủ yếu hay xảy ra các dạng sau [3]:

- Sai lệch về các thông số hình học cơ bản của bánh răng;

- Sự không đồng đều về vật liệu chế tạo bánh răng

Các lỗi trên làm thay đổi các thông số động lực học của bánh răng, làm mất đi

sự cân bằng về hình học, động học Do đó, trong quá trình làm việc, sự mất cân bằng đó sẽ gây ra các chấn động phụ có thể phá hỏng bánh răng, trục và ổ

1.1.5.2 Dấu hiệu nhận biết

 Hư hỏng phân bố (mòn răng)

Hình 1.11 Phổ của bánh răng bình thường (a) và bánh răng bị mòn (b)

Khi bánh răng xảy ra hiện tượng mòn, phổ biên độ của tín hiệu thu được sẽ xuất hiện các thành phần dải biên xung quanh tần số ăn khớp và các điều hòa của nó cao hơn so với bánh răng bình thường Mòn càng khốc liệt, các tín hiệu dải biên này càng cao Bên cạnh đó, sự xuất hiện các điều hòa bậc cao của tần số ăn khớp với biên độ lớn hơn biên độ của tần số ăn khớp cũng là dấu hiệu của việc bánh răng bị

hư hỏng hoàn toàn (Hình 1.11) [3]; [4]

 Hư hỏng cục bộ (nứt, mẻ đỉnh răng, gãy răng…)

Hình 1.12 Tín hiệu trung bình hóa của bánh răng hư hỏng cục bộ

Khi bánh răng gặp phải các lỗi trên, đồ thị tín hiệu đo trong miền thời gian sẽ xuất hiện các xung tuần hoàn Các xung này là do va chạm khi răng bị hỏng tham gia ăn khớp, khoảng cách giữa các xung là thời gian giữa các lần tham gia ăn khớp của răng hỏng Hình 1.12 là tín hiệu gia tốc đo được từ một bánh răng bị gãy, tín hiệu đã được trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian để việc nhận dạng các xung dao động dễ dàng hơn [4]; [11]

1.1.6 Hư hỏng ổ lăn và dấu hiệu nhận biết

1.1.6.1 Các dạng hỏng

 Hư hỏng do mỏi

Mọi ổ lăn quay dưới tải trọng lớn hơn giới hạn bền mỏi đều có tuổi thọ mỏi, được xác định phụ thuộc vào số chu kỳ quay và tải trọng Ổ lăn sẽ đạt tới điểm kết thúc tuổi thọ khi mà bề mặt lăn của rãnh lăn và con lăn bị phá hủy do vật liệu bị mỏi

 Mòn

Đây là dạng hư hỏng phổ biến của ổ lăn (Hình 1.13) Mòn sinh ra chủ yếu do các hạt bụi bẩn, nước và chất làm mát vào ổ lăn do vòng kín không đảm bảo Mòn cũng thường do chất bôi trơn bị nhiễm bẩn Độ mòn tăng lên tỷ lệ với thời gian vận hành, hậu quả làm tăng khe hở hướng kính của ổ và làm tiền đề cho các dạng hỏng

tiếp theo nguy hiểm hơn Có thể giảm độ mòn bằng cách cải thiện quá trình bôi trơn

và tăng chất lượng bề mặt tiếp xúc các chi tiết trong quá trình gia công

hư hại đối với ổ lăn

Tải trọng đặt trước hướng trục gây nên tiếng ồn khi chạy và nhiệt độ vận hành cao hơn Áp suất tiếp xúc cao hơn dẫn tới mỏi sớm và quá nhiệt

 Hư hỏng do ảnh hưởng từ gối đỡ

Hình 1.15 Tróc vảy và gãy vòng ngoài ổ lăn

Hai thông số đặc biệt quan trọng trong việc bố trí ổ lăn, đó là: độ khít giữa con lăn và ổ đỡ; và độ cứng của hệ đỡ ổ lăn Nếu khe hở quá lỏng lẻo làm cho các vòng quay có thể dịch chuyển, gây nên các vết xước và mài mòn vật liệu, và khi vận hành

sẽ gây ra các tiếng ồn Nếu độ cứng ổ đỡ không đảm bảo cũng ảnh hưởng rất lớn tới tuổi thọ của ổ lăn, thông thường người ta dùng loại giá đỡ hàn hoặc đúc có các gân tăng cứng Hình 1.15 là vòng ngoài ổ lăn bị gãy và tróc vảy do thiết kế các gân tăng cứng không đảm bảo

1.1.6.2 Dấu hiệu nhận biết

Hình 1.16 Kết cấu ổ lăn

Có hai phương pháp để nhận biết khuyết tật của ổ lăn là: phân tích các tần số riêng của cơ hệ và phân tích các tần số đặc trưng của ổ Nội dung luận văn này chỉ xét đến phương pháp sau

Bảng 1.1: Tần số đặc trưng hư hỏng của ổ lăn

Tần số khuyết tật vòng ngoài (BPFO) (1 cos )

Tần số khuyết tật của vòng cách (FTF) (1 cos )

2

n c

f

D (Hz)

Mức độ hư hỏng của ổ lăn thường tùy thuộc vào số điều hòa bậc cao của tần

số đặc trưng (BPFO, BPFI, BSF, FTF) hơn là vào biên độ dao động tại những tần số

đó Khi các bộ phận của ổ lăn như vòng ngoài, vòng trong, con lăn, vòng cách bị hư hỏng, trên phổ đường bao (Hình 1.17) sẽ xuất hiện tần số hư hỏng đặc trưng và các điều hòa bậc cao của chúng Các tần số hư hỏng đặc trưng này có thể được tính toán

từ các thông số hình học của ổ lăn (Hình 1.16) và được trình bày trong Bảng 1.1

Hình 1.17 Phổ đường bao ổ lăn hỏng vòng ngoài (a) và hỏng vòng trong (b)

Với ổ lăn hư hỏng vòng trong, ngoài dấu hiệu trên, một đặc điểm khác được

sử dụng nhằm nhận dạng hư hỏng là các thành phần dải biên xung quanh tần số hư hỏng đặc trưng Các thành phần này cách đều nhau và cách tần số hư hỏng đặc trưng một lượng bằng tốc độ quay của trục [4]; [11]

1.2 Các phương pháp phân tích tín hiệu cơ bản

1.2.1 Phân tích tín hiệu trong miền thời gian

1.2.1.1 Phân tích biên độ - thời gian

Hình 1.18 Phổ biên độ - thời gian của ổ lăn hỏng vòng ngoài

Đây là phương pháp phân tích đầu tiên được sử dụng Qua sự thay đổi của tín hiệu dao động, ta có thể nhận biết sự xuất hiện của các hư hỏng Tuy nhiên, việc chẩn đoán, nhận diện dạng hỏng lại gặp rất nhiều khó khăn (Hình 1.18)

Hiện nay, phân tích phổ biên độ - thời gian tỏ ra hiệu quả trong việc xác định các dao động không đồng bộ với tốc độ quay của trục Bên cạnh đó, từ phổ thời gian, ta có thể xác định được các chỉ số thống kê [11]

sự thay đổi bất thường trong biên độ (giá trị đỉnh);

- Giá trị của các chỉ số thống kê thay đổi chậm tương ứng với sự thay đổi tình trạng của thiết bị, rất thích hợp ứng dụng trong chẩn đoán và giám sát tình trạng hoạt động;

- Các chỉ số thông kê là các giá trị bằng số nên dễ dàng lưu trữ hơn so với việc

- Các công thức tính toán các chỉ số thống kê tương đối đơn giản, cho phép tính toán nhanh nhờ chương trình máy tính

Bảng 1.2: Các chỉ số thống kê thường dùng trong giám sát và chẩn đoán dao động

(analog)

Tín hiệu rời rạc (digital)

Giá trị trung bình hiệu dụng

(root mean square – RMS)

2 0

1( )

T

T

2 1

1 ( [ ])

x C

x

p p r

x C x

Hệ số Kurtosis

0

1 ( ( ) )

T x x

x t x dt

4 4

1

1( [ ] )

N x

n x

x n x

0

1 ( ( ) )

T x

x

3 1

1( [ ] )

N x

n x

 Giá trị đỉnh kép: Nửa hiệu giá trị cực đại và cực tiểu trong tín hiệu dao động Đây không thực sự là một chỉ số thống kê nên không đáng tin cậy trong việc xác định các hư hỏng diễn ra trong thời gian dài của hệ thống

 Hệ số Crest: Tỷ số giữa giá trị đỉnh kép và giá trị trung bình hiệu dụng Hệ số Crest chỉ đáng tin cậy khi mô tả các tín hiệu dạng xung rõ rệt

 Hệ số Kurtosis: Được sử dụng tương tự như hệ số Crest để thể hiện các xung

tự nhiên trong tín hiệu Tuy nhiên, việc sử dụng lũy thừa bậc 4 giúp việc cô lập các giá trị đỉnh hiệu quả hơn

 Hệ số lệch: Hệ số này để thể hiện sự không đối xứng của tín hiệu Một tín hiệu được cho là đối xứng nếu nó phân bố giống nhau trên hai miền trái phải của điểm tâm

1.2.1.3 Lọc số

Tín hiệu đo được thường chứa nhiều thành phần có tần số khác nhau, do đó, việc lọc bỏ những thành phần tín hiệu không cần thiết sẽ cho phép ta đánh giá kết quả đo chỉ trong một dải tần số mong muốn

Phép lọc tín hiệu được thực hiện theo hai cách: sử dụng bộ lọc tương tự là các thiết bị phần cứng như mạch lọc; hoặc sử dụng bộ lọc số với thuật toán được thực hiện nhờ chương trình phần mềm Trong trường hợp thứ hai, ta nói đến quá trình lọc

số tín hiệu

Hình 1.19 Sơ đồ lọc tín hiệu

Quá trình lọc số là các thao tác, xử lý nhằm thay đổi sự phân bố tần số của tín hiệu nhờ một bộ lọc số Trong đó, bộ lọc số được hiểu là một hệ thống dùng để làm biến đổi sự phân bố tần số của tín hiệu theo các chỉ tiêu cho trước Các bộ lọc số đang là đối tượng được quan tâm hiện nay trong phương pháp phân tích tín hiệu số

Các bộ lọc số được phân loại theo chức năng lọc tín hiệu thành các kiểu như sau:

- Bộ lọc thông thấp (low-pass filter): có chức năng loại bỏ các thành phần tín hiệu lớn hơn một tần số biên định trước (f max )

- Bộ lọc thông cao (high-pass filter): có chức năng loại bỏ các thành phần tín hiệu nhỏ hơn một tần số biên định trước (f min )

- Bộ lọc thông dải (band-pass filter): có chức năng loại bỏ các thành phần tín hiệu bên ngoài một dải tần số định trước [f min ; f max]

- Bộ lọc chắn dải (band-stop filter): có chức năng loại bỏ các thành phần tín hiệu bên trong một dải tần số định trước [f min ; f max]

Một quá trình lọc số được mô tả trên Hình 1.19, trong đó x(n) là tín hiệu đo đầu vào, y(n) là tín hiệu được lọc và h(n) là hàm đáp ứng xung của bộ lọc Về mặt

toán học, quá trình lọc số được biểu diễn bởi biểu thức nhân chập giữa tín hiệu vào

và hàm đáp ứng xung của bộ lọc:

( ) ( ) * ( ) ( ) ( )

m

y n x n h n x m h n m (1.1) Các thông số của một bộ lọc số có thể được xác định nhờ đường đặc tính tần

số của bộ lọc H(f), tức là phổ tần số của hàm đáp ứng xung h(n)

Hình 1.20 Đường đặc tính tần số của bộ lọc thông thấp

Hình 1.20 biểu diễn đường đặc tính tần số của một bộ lọc thông thấp Trong

đó, ta sử dụng các ký hiệu:

- fmax, fp : tần số giới hạn của dải thông và của dải chắn (các thành phần tín hiệu

có tần số f> fp bị loại bỏ)

- Rp : độ nhấp nhô của dải thông (thường nhỏ hơn 3 dB)

- Rs : độ nhấp nhô của dải chắn (thường nhỏ hơn 20 dB)

Hiện nay, các thuật toán lọc tín hiệu số và thiết kế một bộ lọc số đã được tích hợp trong các phần mềm chuyên dùng về xử lý tín hiệu số, thí dụ MATLAB với

công cụ Signal Processing Toolbox Căn cứ vào thuật toán, các bộ lọc số được phân chia thành hai loại: Lọc số có đáp ứng xung chiều dài hữu hạn (Finite Impulse Response filter – FIR filter) và lọc số có đáp ứng chiều dài vô hạn (Infinite Impulse Response filter – IIR filter) Các đặc điểm của hai loại nêu trên được trình bày trong

nhiều tài liệu tham khảo về xử lý tín hiệu số [11]

1.2.2 Phân tích tín hiệu trong miền tần số

1.2.2.1 Biến đổi Fourier (FT)

 Phân tích tần số của một tín hiệu liên tục tuần hoàn theo thời gian – Chuỗi Fourier

Trong tính toán, ta ít gặp các dạng dao động điều hòa thuần túy mà thường hay gặp các dạng dao động phức tạp biểu diễn dưới dạng hàm tuần hoàn có chu kỳ

2

( )cos( ) , 1,2,

T k

giá trị dương và các thành phần A k nhận giá trị thực Tần số f 1 =1/T (ứng với k=1) được gọi là tần số cơ bản, các tần số khác có trị số f k =kf 1 với k nguyên dương Thành phần A 0 /2 ứng với tần số f 0 =0 là hằng số (hay là giá trị trung bình của dao động) Các hàm điều hòa có biên độ A k và tần số f k được gọi là điều hòa bậc k

Nếu biểu diễn dưới dạng phức, ta được:

0 1

k k

Công thức (1.7) còn được gọi là chuỗi Fourier hai phía, do các tần số f k nhận

giá trị trên toàn trục tần số ( ∞; +∞) và các biên độ 1

Từ công thức (1.7), ta nhận thấy ngoài các biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian, ta còn có thể biểu diễn tín hiệu theo tần số dưới dạng:

- Đồ thị biểu diễn A k (f k ) được gọi là phổ biên độ - tần số, gọi tắt là phổ biên độ

- Đồ thị biểu diễn φ k (f k ) được gọi là phổ pha - tần số, gọi tắt là phổ pha

 Phân tích tần số của tín hiệu liên tục không tuần hoàn – Biến đổi Fourier

Xét một tín hiệu không tuần hoàn có chiều dài hữu hạn (finite duration) x(t)

Từ tín hiệu không tuần hoàn này, ta có thể tạo ra một tín hiệu tuần hoàn x p (t) chu kỳ

T p bằng cách lặp lại tín hiệu x(t) với chu kỳ T p , tần số tương ứng f p =1/T p Rõ ràng, khi Tp thì x tP( ) x t ( ).

Cách biểu diễn này hàm ý rằng, ta có thể thu được phổ biên độ của x(t) từ phổ của x p (t) bằng cách cho TP

Chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn x p (t) là:

So sánh (1.9) và (1.11), ta thấy các hệ số của chuỗi Fourier X k chính là giá trị

của X(f) ở các giá trị f k =kf p khi chia cho T p Ta có:

Thay (1.12) vào (1.8), ta được:

21

- Tính nghịch đảo theo thời gian

- Tính trượt theo thời gian

0 2 0

Phổ tần số X(f) của tín hiệu x(t) cho phép ta xác định được các thành phần tần

số chứa trong tín hiệu [4]; [11]

Phổ biên độ - tần số (hay còn gọi là phổ biên độ) của một tín hiệu cung cấp thông tin về sự phân bố các thành phần tần số có trong tín hiệu và tương quan về mức biên độ của các thành phần này Do đó, phổ biên độ được sử dụng như một công cụ để nhận dạng nguồn gây rung động

Chú ý rằng, phổ biên độ - tần số của tín hiệu rời rạc có dạng đối xứng quanh

điểm tần số Nyquist với giá trị

2

s N

f

f , với fs là tần số lấy mẫu Như vậy, ta chỉ cần

biểu diễn phổ biên độ - tần số của một tín hiệu rời rạc trong phạm vi từ 0 Hz đến tần

số Nyquist

Hình 1.21 Phổ biên độ tín hiệu x 1 (t)x 2 (t)

Trong trường hợp x t( ) x t x t1( ) ( )2 với tín hiệu điều biến x t1( ) là tín hiệu tuần hoàn

có tần số cơ bản f1 và tín hiệu x t2( ) là tín hiệu tuần hoàn có tần số cơ bản f2, phổ biên độ - tần số sẽ có dạng giống như trên Hình 1.21 Ta gọi các thành phần

2 , 2 ,3 2 2

f f f 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 f1

Hình 1.22 Phổ biên độ tín hiệu dao động tắt dần

Trên Hình 1.22 là phổ biên độ của một tín hiệu dao động tắt dần mô tả dao động riêng (với tần số riêng f1 10Hz) của một hệ dao động có cản một bậc tự do

Phổ này có đặc điểm của một phổ dải hẹp (small-band spectrum), nghĩa là các thành

phần tần số với biên độ khác 0 chỉ nằm trong một dải tần số hẹp

TRUNG BÌNH HÓA TÍN HIỆU ĐỒNG BỘ CHƯƠNG 2:

VÀ PHÂN TÍCH THỜI GIAN - TẦN SỐ 2.1 Trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian

Nhìn chung, tín hiệu dao động đo được từ hệ truyền động là tổng hợp của thành phần tín hiệu tuần hoàn và nhiễu được biểu diễn bởi công thức sau:

trong đó s(t) là tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T 0 (tần số tương ứng là f 0 =1/T 0 ), w(t)

là nhiễu đo hoặc các thành phần không đồng bộ với tín hiệu tuần hoàn Trong

phương pháp trung bình hóa trong miền thời gian, tín hiệu x(t) được chia thành các khối (Hình 2.1), mỗi khối có chu kỳ T 0 , sau đó cộng các khối lại với nhau và chia

trung bình cho tổng số khối Do đó, những thành phần nhiễu và các thành phần

không đồng bộ với chu kỳ T 0 sẽ bị giảm, trong khi vẫn giữ lại các thành phần tín

hiệu tuần hoàn với chu kỳ T 0

Theo những lý luận trên, trung bình hóa trong miền thời gian của tín hiệu x(t)

được biểu diễn bằng công thức sau:

1

0 0

1 M r

Nếu r là chỉ số khối, M là tổng số khối của tín hiệu tuần hoàn, n=0, 1, …, N-1,

N là số điểm lấy mẫu trong một khối được xác định bởi công thức sau:

N=[T 0 / t]

với [.] biểu diễn hàm làm tròn tới số nguyên gần nhất

Hình 2.1 Minh họa phép trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian

Đáp ứng tần số của biểu thức (2.4) đã được chứng minh bởi Peter Donald McFadden [17]; [18] là:

N t là tần số của thành phần tuần hoàn được tách ra

Hình 2.2 Phổ tín hiệu trung bình hóa đồng bộ với các khối khác nhau

Hình 2.2 là ví dụ về đáp ứng tần số của tín hiệu sau khi trung bình hóa đồng

bộ tín hiệu trong miền thời gian với số khối khác nhau Qua ví dụ này, ta có thể thấy

phổ tần số của tín hiệu trung bình hóa (tín hiệu thu được sau khi trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian, còn gọi tắt là tín hiệu TSA) có dạng răng lược, với các

răng lược là các bậc điều hòa của tần số được đồng bộ f p (1f p , 2f p , 3f p , …), các thành phần tần số khác (như nhiễu hoặc các thành phần không đồng bộ với f p) sẽ bị làm giảm biên độ

Bên cạnh đó, ta dễ dàng nhận thấy rằng nếu chia tín hiệu với 16 khối, các thành phần tuần hoàn được tách ra sẽ có tần số tập trung quanh dải hẹp hơn so với chia 4 khối, điều đó có nghĩa là độ phân giải tần số của tín hiệu trung bình hóa sẽ

tăng cùng với sự gia tăng số khối M

2.2 Kỹ thuật trung bình hóa tín hiệu đồng bộ cho máy quay

Thành phần tín hiệu tuần hoàn là một thành phần tín hiệu thường gặp nhất được tạo ra bởi các hệ thống cơ khí, đặc biệt là trong các bộ phận quay Thành phần tuần hoàn có thể được xác định bằng động học và thông số hình học hoặc qua hệ

thống đo trực tiếp Kỹ thuật trung bình hóa tín hiệu đồng bộ là một kỹ thuật áp dụng

giữa phép trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian kết hợp với đầu đo pha Đầu

đo pha sẽ cung cấp chuỗi các tín hiệu pha, mỗi vòng quay trục sẽ xuất hiện một tín hiệu pha Trung bính hóa tín hiệu đồng bộ sẽ sử dụng các tín hiệu pha để chia tín hiệu dao động ra thành các khối, mỗi khối tương ứng với một hoặc nhiều vòng quay của trục Do tốc độ quay của trục thường biến đổi nên các khối có kích thước khác nhau Để trung bình hóa cho các khối này, ta cần phải sử dụng phép nội suy, sao cho mỗi khối có kích thước là như nhau Các bước tiếp theo được thực hiện giống như khi thực hiện trung bình hóa đồng bộ trong miền thời gian đã được trình bày ở mục trên

2.2.1 Trung bình hóa tín hiệu đồng bộ khi có tín hiệu pha

2.2.1.1 Cơ sở lý thuyết

Một tín hiệu pha có dạng một dãy các xung, khoảng thời gian T m giữa hai xung kế tiếp nhau tương ứng với khoảng thời gian trục quay được một vòng Việc phân chia các khối tín hiệu sẽ được thực hiện nhờ tín hiệu pha này, trong đó khoảng

thời gian T m chính là chiều dài của khối thứ m (Hình 2.3)