TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Lý do chọn đề tài
Tình hình nghiên cứu
Phân tích tín hiệu dao động là một kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ tại các quốc gia tiên tiến, được sử dụng để theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong máy móc và thiết bị cơ khí Phương pháp này cho phép bảo trì dự phòng có điều kiện, giúp duy trì hiệu suất hoạt động của thiết bị, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất tự động Hiện nay, việc chẩn đoán hư hỏng do rung động được thực hiện bởi các chuyên gia có kinh nghiệm, họ phân tích tín hiệu dao động từ các trạng thái bình thường và hư hỏng để xác định loại hư hỏng xảy ra.
Độ rung của máy trong quá trình gia công, như khoan, tiện, phay và mài, được gây ra bởi sự tương tác giữa dụng cụ cắt và phôi Mức độ rung động cao sẽ ảnh hưởng rõ rệt đến bề mặt sản phẩm sau khi gia công.
Rung động trong quá trình cắt máy công cụ CNC ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công và sản phẩm, đồng thời tác động đến tuổi thọ máy và năng suất sản xuất Mặc dù các mô hình mô phỏng có thể tính toán rung động một cách chính xác, việc xác định nguồn gốc và nguyên nhân gây rung trong thực tế lại rất khó khăn Do đó, các nguyên nhân gây rung động luôn được các nhà sản xuất máy công cụ CNC chú trọng và ưu tiên hàng đầu.
Hiện nay, việc giải quyết các vấn đề rung động của máy và cải thiện cấu trúc máy là rất quan trọng Tối ưu hóa kết cấu máy giúp nâng cao khả năng gia công các sản phẩm có độ phức tạp cao.
- 12 - tạp cao, đồng thời nâng cao độ chính xác của sản phẩm luôn là mục tiêu hướng đến của các nhà sản xuất máy công cụ
Tại các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật Bản và các nước Châu Âu, việc phát triển máy công cụ với độ chính xác cao đang được thử nghiệm mạnh mẽ Nhiều dòng máy từ các hãng nổi tiếng như DMG, Okuma và Haas đã giải quyết gần như triệt để vấn đề rung động, nâng cao hiệu suất sản xuất.
Các nhà sản xuất máy công cụ và các nhà khoa học từ các trường đại học kỹ thuật công nghệ trên toàn thế giới đều đặc biệt quan tâm đến việc giải quyết vấn đề rung động cho máy Nhiều nghiên cứu, mô hình thí nghiệm và triển khai thực nghiệm đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế, chứng tỏ rằng nghiên cứu và tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề rung động luôn là một bài toán hấp dẫn và thiết thực.
Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa mạnh mẽ tại Việt Nam, nhiệm vụ hàng đầu của các nhà sản xuất và nhà khoa học là nghiên cứu và sản xuất sản phẩm chất lượng cao Hiện nay, quá trình chế tạo máy công cụ và máy CNC chủ yếu diễn ra tại các phòng thí nghiệm của trường đại học, với nhiều nghiên cứu và mô hình thực nghiệm vẫn chỉ dừng lại ở lý thuyết Theo Ngô Kiều Nhi và Nguyễn Quốc Hưng, để nâng cao chất lượng sản phẩm từ máy CNC, cần phải cải thiện độ cứng vững của máy, vì đây là yếu tố quyết định sự rung động trong quá trình gia công Nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục, khảo sát độ chính xác trong điều kiện không tải và trong quá trình gia công thực tế Kết luận nghiên cứu hướng đến việc cải thiện độ ổn định của máy trong thời gian dài và khả năng đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế Nhóm tác giả đã đề xuất nhiều biện pháp truyền thống để nâng cao chất lượng và độ cứng vững của khung máy phay CNC nhiều trục, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của tối ưu hóa bằng phương pháp số.
- 13 - phỏng (3) (4) (5) hay kết hợp với các giải thuật cao cấp như mang thần kinh nhân tạo
(2) vẫn chưa đem lại kết quả như mong muốn, máy vẫn chưa đạt được trạng thái tốt nhất để gia công.
Các thông số đánh giá rung động của một hệ máy
Vận hành máy cho đến khi hư hỏng có thể chấp nhận với máy dùng một lần, nhưng hầu hết máy móc đều có giá thành cao và không dùng một lần Theo dõi tình trạng máy liên tục giúp phát hiện sớm các vấn đề, từ đó có thể sửa chữa kịp thời Nếu không theo dõi, máy sẽ vận hành cho đến khi hư hỏng Việc theo dõi rung động máy giúp phát hiện các rung động gây hư hỏng tiềm tàng, từ đó ngăn ngừa hư hỏng, tiết kiệm thời gian và chi phí Để phân tích chính xác tình trạng máy, cần mô tả rõ ràng các triệu chứng và trạng thái của máy Quan sát, cảm nhận và lắng nghe rung động có thể giúp xác định mức độ rung động tương đối Tuy nhiên, mô tả rung động một cách chung chung là không chính xác và phụ thuộc vào đánh giá chủ quan Để phân tích rung động hiệu quả, cần sử dụng mô tả bằng con số thay vì lời nói, đảm bảo độ tin cậy và chính xác trong việc truyền đạt thông tin.
Hai yếu tố chính mô tả rung động máy là biên độ và tần số Biên độ cho biết mức độ rung động, trong khi tần số thể hiện tốc độ dao động Cả hai yếu tố này đều đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nguyên nhân gốc rễ của rung động.
Biên độ rung động là thước đo độ lớn của sự rung động trong máy móc Một máy có biên độ rung động lớn sẽ tạo ra chuyển động dao động mạnh mẽ, nhanh chóng và lớn hơn Khi biên độ tăng, mức độ chuyển động và ứng suất gây ra cũng lớn hơn, dẫn đến nguy cơ hư hỏng máy cao hơn Do đó, biên độ rung động phản ánh mức độ "khốc liệt" của rung động, và nó còn liên quan đến nhiều yếu tố khác trong quá trình vận hành.
(a) khoảng chuyển động rung động
(b) tốc độ của chuyển động
Tốc độ và biên độ vận tốc của máy cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng hoạt động của nó Biên độ vận tốc có thể được mô tả bằng nhiều thuật ngữ khác nhau, giúp người sử dụng hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng vận hành của máy.
Giá trị đỉnh (peak value) hoặc giá trị hiệu dụng (RMS - Root-Mean-Square) là những khái niệm quan trọng trong phân tích rung động Biên độ vận tốc tối đa hay giá trị đỉnh của một máy rung động được định nghĩa là tốc độ rung động lớn nhất mà máy đạt được trong một chu kỳ thời gian.
Hình 1.2: Biểu đồ biên độ vận tốc, [1]
Biên độ vận tốc RMS của rung động máy cung cấp thông tin về năng lượng rung động, với mối liên hệ rằng năng lượng rung động càng lớn thì biên độ RMS càng cao.
Khi một thành phần máy rung động, nó sẽ thực hiện các chu kỳ chuyển động lặp đi lặp lại Tốc độ dao động phụ thuộc vào lực gây ra rung động, với tần số dao động nhanh hơn tương ứng với chuyển động nhanh hơn Tần số rung động, hay tần số dao động, là chỉ số cho biết tốc độ mà một thành phần máy dao động.
RMS Biên độ đỉnh (peak)
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết động học của máy phay CNC
Sơ đồ cơ cấu máy nhiều bậc tự do
2.1.1.1.Sơ đồ cơ cấu máy
Trước khi tiến hành khảo sát động học cho máy nhiều trục, việc xây dựng sơ đồ cơ cấu máy là rất cần thiết Sơ đồ này không chỉ thể hiện mối liên kết và chuyển động tương đối giữa các khâu thao tác, mà còn xác định vị trí chính xác của khâu giá và mũi dao trong không gian máy.
Khi xây dựng sơ đồ cho chi tiết gia công, trước tiên cần xác định hình dáng và chọn loại máy CNC phù hợp Sau đó, ta xem xét kích thước tối đa của chi tiết để ước lượng kích thước sơ bộ cho sơ đồ Tiếp theo, cần thiết lập hệ tọa độ cố định và hệ quy chiếu trên khâu giá, đồng thời đặt các tọa độ cục bộ lên từng khâu cho đến khâu cuối cùng Một yếu tố quan trọng trong sơ đồ là vị trí mũi dao trong hệ tọa độ cố định, được biểu diễn bằng một vec-tơ định vị chứa ba thông số vị trí của mũi dao Vec-tơ này đóng vai trò quan trọng trong sơ đồ động học và sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.
2.1.1.2.Vec-tơ định vị và toạ độ thuần nhất
Mũi dao được xác định bằng một vec-tơ định vị, dùng để mô tả vị trí của điểm trong không gian ba chiều Để làm rõ, ta xem xét điểm mũi dao N trong hệ tọa độ cố định Oxyz, với vị trí của điểm N được biểu diễn bằng vec-tơ r.
Hệ tọa độ thuần nhất giúp thuận tiện cho việc tính toán, trong đó vecto định vị r được biểu diễn trong không gian tọa độ này Để hoàn thiện hơn, vecto r được mở rộng bằng cách thêm các thành phần phù hợp.
- 16 - phần thứ tư vào vecto định vị r, r r x , r y , r z , T (2.2) Vec-tơ mở rộng này được gọi là vec-tơ thuần nhất được biểu diễn trong (H.2.1.1)
Có nhiều cách để biểu diễn tọa độ một điểm trong không gian tọa độ thuần nhất, tùy thuộc vào giá trị của hệ số tỉ lệ μ Khi μ = 1, tọa độ sẽ được biểu diễn bằng tọa độ thực, và vector mở rộng sẽ được viết lại tương ứng.
Khi sử dụng tọa độ r = (x, y, z) T với μ ≠ 1, các tọa độ này sẽ được biểu diễn gấp μ lần tọa độ thực Sau khi hình thành khái niệm về vec-tơ thuần nhất để xác định vị trí mũi dao trong hệ tọa độ cố định, chúng ta sẽ tiến hành khảo sát động học của điểm mũi dao.
Phương pháp khảo sát điểm
2.1.2.1 Ma trận chuyển hệ trục khảo sát về hệ trục cố định
Trong bước đầu khảo sát, cần xác định vị trí của mũi dao so với hệ tọa độ cố định bằng cách chuyển hệ trục từ khâu cuối về tọa độ cố định Quá trình này yêu cầu thực hiện các phép biến đổi hệ trục, bao gồm phép quay và tịnh tiến, được biểu diễn bằng các ma trận biến đổi Mỗi ma trận biến đổi H_i được thiết lập dựa trên vị trí tương đối của các hệ trục, và cuối cùng, các ma trận này được nhân lại để tạo ra ma trận biến đổi cuối cùng, chuyển hệ trục khâu cuối về hệ tọa độ cố định D_n = H.H H_1_2_n.
Sau đây ta xem xét cách thức xác định các ma trận chuyển trục, H i , tại các khâu
Phép quay hệ toạ độ dùng ma trận 3x3
Trong không gian ba chiều, xét hai hệ tọa độ Oxyz và Oτϕψ có gốc O trùng nhau nhưng các trục không trùng nhau và quay tương đối với nhau Điều này cho phép chúng ta thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ này.
Hình 2.1.2: Hình mô tả phép quay hệ toạ độ Đặt i j k , , và u, w, v là các vector đơn vị chỉ phương tương ứng của các trục Oxyz và O
Xét một điểm D bất kỳ được biểu diễn trong hệ tọa độ Oxyz bằng vector
, , T xyz x y z r r r r (2.5) còn trong hệ toạ độ là vector r r r r , , T (2.6)
Từ đó ta suy ra quan hệ hai vector
Gọi R ma trận quay 3x3 với các phần tử là tích vô hướng 2 vector chỉ phương các trục tương ứng của 2 hệ tọa độ O xyz và O
Ta viết lại (2.8) như sau: 1
Ta biểu diễn lại ma trận R và R 1 :
cos , cos , cos , cos y, cos y, cos y, cos z, cos z, cos z, x x x
1 cos , cos , cos , cos , y cos , y cos , y cos , z cos , z cos , z x x x
Biến đổi tọa độ dùng ma trận thuần nhất
Thiết lập quan hệ biến đổi giữa hai hệ tọa độ Oxyz và Oxyz mới là cần thiết, trong đó hai hệ tọa độ này không chỉ quay tương đối mà còn có sự tịnh tiến gốc tọa độ.
Hình 2.3: Hình mô tả phép biến đổi hệ toạ độ
Gốc O j xác định trong hệ tọa độ O x y z i i i i bằng vector p: p a , b c , ,1 T (2.13)
Giả sử vị trí của điểm M trong hệ tọa độ O x y z j j j j được xác định bằng vec-tơ định vị r j : r j x y z j , j , j ,1 T (2.14) Và trong hệ tọa độ O x y z i i i i được xác định bằng vector điểm r i : r i x y z i , , ,1 i i T (2.15)
Dễ dàng thiết lập được quan hệ giữa các tọa độ: cos sin 2.16
Phương trình trên gọi là phương trình biến đổi toạ độ
Sắp xếp các hệ số ứng với , y ,x j j z j và tj thành một ma trận:
Phương trình biến đổi tọa độ được viết lại: r i T r ij j (2.18)
Ma trận T ij biểu thị bằng ma trận 4x4 được gọi là ma trận thuần nhất Được viết lại như sau :
Việc sử dụng ma trận thuần nhất trong phép biến đổi hệ tọa độ mang lại nhiều lợi ích, nhờ vào khả năng bao gồm thông tin về cả sự quay và dịch chuyển tịnh tiến trong ma trận 4x4 Điều này cho phép chúng ta chuyển đổi vec-tơ mở rộng một cách hiệu quả giữa các hệ tọa độ khác nhau.
Ma trận thuần nhất T ij được viết rút gọn:
R ij : Ma trận quay 3x3 P: Ma trận 3x1 biểu thị tọa độ của điểm gốc hệ tọa độ j j j j
Ma trận thuần nhất T 4 4 x hoàn toàn xác định vị trí (ma trận P) và hướng (ma trận R) của hệ tọa độ O x y z j j j j đối với hệ tọa độ O x y z i i i i
Các phép biến đổi cơ bản
Từ ma trận (2.18) ở trên ta đưa ra được một số phép biến đổi cơ bản như sau + Phép biến đổi tịnh tiến:
Ta thực hiện tịnh tiến a đơn vị dọc theo trục x, b đơn vị dọc theo trục y, c đơn vị dọc theo trục z, khi đó:
+ Phép quay quanh các trục tọa độ
Quay quanh trục y góc α, cos 0 sin 0
Quay quanh trục z góc , cos sin 0 0 sin cos 0 0 z, 0 0 1 0
Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg
Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg là kỹ thuật gắn hệ trục tọa độ lên các khâu chuyển động, giúp chuyển đổi tọa độ của điểm thao tác về hệ tọa độ cố định Hệ tọa độ Denavit-Hartenberg được xây dựng theo một quy trình cụ thể, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích và mô phỏng chuyển động.
Hình 2.1.4: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ các khâu
Xét 2 khâu kế tiếp nhau là khâu thứ i–1 và khâu thứ i như hình Gốc O i của hệ trục tọa độ O i x i y i z i được gắn liền với khâu thứ i (hệ tọa độ thứ i) và được đặt tại giao điểm của trục khớp động thứ i+1 với đường vuông góc chung của các trục khớp động thứ i và thứ i+1 Trường hợp 2 trục khớp động giao nhau thì gốc tọa độ là điểm giao nhau đó, còn nếu chúng song song nhau thì gốc tọa độ là điểm bất kỳ trên trục khớp động thứ i+1
+ Trục zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1
Trục x i trong hệ tọa độ thứ i được định hướng dọc theo đường vuông góc chung của hai trục khớp động là khớp thứ i và i+1, hướng từ khớp động thứ i tới khớp động thứ i+1 Nếu hai trục khớp động giao nhau, trục x i sẽ có hướng trùng với hướng của tích véc tơ zi x z i-1.
+ Trục y i được chọn sao cho hệ tọa độ O i x i y i z i là hệ tọa độ thuận
Hệ tọa độ Denavit-Hartenberg có thể không được xác định duy nhất do quy tắc thiết lập trục, vì vậy cần bổ sung thêm một số điều kiện để đảm bảo tính chính xác.
Hệ tọa độ Oxyz với điểm gốc 0 0 0 0 được thiết lập dọc theo trục của khớp động thứ nhất, trong đó trục z0 đã được xác định theo nguyên tắc đã nêu Trục x0 có thể được chọn tùy ý do không có khớp động thứ 0, nhưng cần phải đảm bảo nó vuông góc với trục z0.
Trong hệ tọa độ Oxyz gắn với khâu thứ n, khâu cuối cùng, trục zn không được xác định duy nhất do không có khớp động thứ n+1 Ta có thể chọn trục zn tùy ý sao cho phù hợp với phép chuyển trục, trong khi trục xn được xác định theo pháp tuyến của trục zn-1 Nếu khớp n là khớp quay, ta có thể chọn trục zn song song với trục zn-1.
Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến, ta có thể tùy ý chọn trục z i 1 Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, trục z i 1 thường được chọn dọc theo trục của khớp tịnh tiến.
Các tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg
Sau khi hoàn tất việc thiết lập các hệ tọa độ, vị trí của hệ tọa độ O x y z i i i i được xác định so với hệ tọa độ O x y z i 1 i 1 i 1 i 1 thông qua bốn tham số cụ thể.
+ i là góc quay trục x i-1 xung quanh trục z i-1 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ để phương của các trục tọa độ x i-1 và x i trùng nhau
Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục z i-1 được xác định bởi công thức d i O O i 1 i ' , trong đó gốc tọa độ O i-1 chuyển đến O i ‟ - giao điểm của trục x i với z i-1 Trong nghiên cứu này, chuyển động được thực hiện theo ba trục x, y, z i với các tham số lần lượt là a, b, c i, do đó tam số d i được thay thế bằng c i.
+ a i là khoảng dịch chuyển dọc theo trục x i để đưa O i
’ tới điểm O i + α i là góc quay quanh trục x i sao cho trục z i-1 chuyển đến trục z i
Các tham số động học Denavit-Hartenberg, bao gồm \( \alpha_i, a_i, d_i \) và \( \theta_i \), được sử dụng để chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ Oxyz Để thực hiện điều này, cần áp dụng bốn phép biến đổi cơ bản nhằm chuyển đổi từ hệ tọa độ Oxyz của khớp i sang hệ tọa độ Oxyz của khớp i-1.
+ Quay xung quanh trục z i 1 một góc i thì ma trận biến đổi toạ độ là:
+ Di chuyển tịnh tiến dọc trục z i 1 một đoạn c i thì ma trận biến đổi toạ độ là:
+ Di chuyển tịnh tiến dọc trục x i một đoạn a i thì ma trận biến đổi toạ độ là:
+ Di chuyển quay xung quanh trục x i một góc i thì ma trận biến đổi toạ độ là:
Ta ký hiệu ma trận của phép biến đổi tọa độ từ hệ tọa độ O x y z i i i i về hệ toạ độ
O x y z là i 1 H i , sử dụng các toạ độ thuần nhất thì H i là tích của bốn ma trận theo bốn phép biến đổi cơ bản ở trên đó là:
1 cos sin 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 sin cos 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 cos sin 0
1 cos sin cos sin sin a cos sin cos cos cos sin a sin
Bằng cách áp dụng công thức (2.24), chúng ta có thể chuyển đổi tọa độ giữa các hệ tọa độ khác nhau, từ khâu động học này sang khâu động học khác Công thức này cho phép chuyển đổi tọa độ từ hệ tọa độ Oxyz sang hệ tọa độ mới một cách chính xác.
2.1.2.2 Xác định vị trí và hướng của khâu thao tác
Xét một mô hình tổng quát của một cơ cấu có n khâu như hình vẽ dưới đây (H.2.1.5)
Hình 2.1.5: Mô hình cánh tay rôbốt có n khâu
Như đã trình bày ở trên, ma trận H i cho ta biết :
+ Vị trí điểm gốc hệ toạ độ R O x y z i i i i i , O i , trong hệ toạ độ R i 1 O x y z i 1 i 1 i 1 i 1
+ Hướng của khâu(vật rắn)B i thuộc hệ toạ độ R O x y z i i i i i , trong hệ toạ độ
Hiện tượng rung động và các biện pháp giảm rung trong máy CNC
Để tính được gia tốc của mũi dao ta chỉ việc đạo hàm hệ thức (2.36) theo thời gian
q x J q qJ q (2.39) Để có J q ta chỉ việc đạo hàm các thành phần của nó
2.2 Hiện tƣợng rung động và các biện pháp giảm rung trong máy CNC
2.2.1 Khái niệm rung động máy
Rung động máy là hiện tượng di chuyển qua lại của máy hoặc các bộ phận của nó Tất cả các thành phần của máy khi di chuyển hoặc dao động đều được coi là đang rung động.
Rung động máy có nhiều dạng khác nhau, với các thành phần máy có thể dao động ở khoảng cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm, và có thể cảm nhận được âm thanh và nhiệt Những rung động này thường được tạo ra cố ý thông qua thiết kế máy, phục vụ cho các mục đích như sàng rung, phễu nạp liệu, băng tải, máy đánh bóng, và máy dầm đất Tuy nhiên, hầu hết rung động máy là không mong muốn và có thể gây ra hư hỏng cho thiết bị.
Hình 2.1: Một số dạng rung động của các thành phần máy, [1]
2.2.2 Các nguyên nhân gây ra rung động máy
Hầu hết các rung động máy là do một trong những nguyên nhân sau:
Có các lực tác động lặp đi lặp lại
Hầu hết là do: sự mất cân bằng động, mất đồng tâm trục, sự mài mòn, các bộ phận máy được dẫn động không hợp lý
+ Sự mất cân bằng động:
Các bộ phận máy bị mất cân bằng động do sự hiện diện của các điểm nặng, gây ra lực tác động lặp lại khi quay Nguyên nhân chính của sự mất cân bằng này thường là do mật độ vật liệu phân bố không đồng đều và sự thay đổi kích thước của bu-lông.
- 27 - cân bằng về trọng lượng, cân bằng sai, cánh mô tơ điện không đồng đều, bị gẫy, bị biến dạng, ăn mòn…
Hình 2.2: Mất cân bằng động các chi tiết quay, [1]
+ Mất đồng tâm trục quay:
Các thành phần không đồng tâm của máy gây ra lực tác động lặp lại trong quá trình quay Nguyên nhân chính dẫn đến sự mất đồng tâm bao gồm lắp ráp không chính xác, bệ đặt máy không phẳng, giãn nở nhiệt, xoắn do siết quá chặt và gắn khớp nối sai Sự mài mòn cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
Sự mài mòn tạo ra lực lặp lại trên máy do cọ xát giữa các bề mặt, thường xảy ra ở vòng bi, bánh răng và dây đai Nguyên nhân chính bao gồm lắp ráp không đúng, bôi trơn kém, khuyết tật trong sản xuất và tình trạng quá tải.
Hình 2.3: Các chi tiết bị ăn mòn, [1]
Sự mất liên kết giữa các chi tiết
Sự mất liên kết của các chi tiết máy, hay còn gọi là sự lỏng, có thể dẫn đến rung động máy không kiểm soát Khi các chi tiết máy trở nên lỏng, rung động có thể vượt quá mức cho phép, ảnh hưởng đến cả máy quay và máy không quay Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này bao gồm khe hở vòng bi quá lớn, lỏng bu-lông móng, sự tách rời của các chi tiết lắp ghép, cũng như sự ăn mòn và nứt của các kết cấu kim loại.
Hình 2.4: Rung động do mất liên kết, [1]
Máy có khuynh hướng rung ở các vận tốc dao động riêng, được gọi là vận tốc dao động riêng của máy Đây là vận tốc mà máy có thể duy trì rung động tự do, thường có từ hai vận tốc dao động riêng trở lên Ví dụ, một máy với hai nền móng có vận tốc dao động riêng khác nhau sẽ có ít nhất hai vận tốc dao động riêng Nhìn chung, máy càng có nhiều thành phần tổ hợp thì càng có nhiều vận tốc dao động riêng.
Máy rung sẽ gia tăng độ rung động khi lực kích thích lặp lại gần với vận tốc riêng, dẫn đến rung động mạnh mẽ và vượt quá giới hạn cho phép Khi máy rung theo cách này, nó được coi là đã bị cộng hưởng Lực lặp lại gây ra cộng hưởng có thể rất nhỏ, thường xuất phát từ chuyển động của một thành phần trong máy Mặc dù lực nhỏ này không gây ra vấn đề ngay lập tức, nhưng khi bắt đầu gây ra cộng hưởng, nó có thể dẫn đến hư hỏng và phá hủy Do đó, việc xác định sự cộng hưởng là rất cần thiết để bảo vệ máy khỏi những thiệt hại.
CÁC BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG CHO HỆ MÁY 3.1 Giảm khả năng gây dao động tại nguồn
Giảm khả năng dao động của hệ
Trong các tình huống như động đất hoặc dao động tại nguồn, việc can thiệp để giảm thiểu dao động là rất phức tạp Do đó, cần áp dụng những biện pháp hiệu quả để tác động lên hệ khảo sát (máy) nhằm hạn chế khả năng dao động của nó hoặc truyền dao động sang vật liên kết Một số biện pháp có thể được thực hiện bao gồm việc cải tiến thiết kế, sử dụng vật liệu hấp thụ dao động, hoặc lắp đặt các thiết bị giảm chấn.
Để tránh hiện tượng cộng hưởng, cần điều chỉnh tần số riêng của máy sau khi đã xác định được các tần số dao động riêng thông qua thí nghiệm đo.
Để ngăn ngừa biên độ cao, đặc biệt khi hệ thống hoạt động tại vùng cộng hưởng, cần đưa thêm vào hệ khảo sát lực cản nhớt hoặc sử dụng các thiết bị tiêu hao năng lượng.
- Giảm khả năng truyền dao động bằng các bộ phận gọi là bộ cách ly
- Giảm biên độ bằng cách đưa thêm khối lượng phụ gọi là thiết bị hấp thụ dao động
Điều chỉnh tần số riêng
Khi tần số lực cưỡng bức trùng với tần số riêng của hệ, hiện tượng cộng hưởng xảy ra, dẫn đến biến dạng và ứng suất lớn, có thể gây hại cho máy móc Để ngăn chặn hiện tượng này, cần điều chỉnh tần số của lực cưỡng bức sao cho không trùng với bất kỳ tần số riêng nào của hệ Trong thực tế, số lượng tần số riêng là vô hạn, do đó, việc đảm bảo rằng các lực cưỡng bức không chứa các hài trùng với tần số riêng là khả thi Nghiên cứu cho thấy biên độ dao động của các hài giảm dần theo tần số, với biên độ lớn nhất thuộc về hài của tần số riêng nhỏ nhất, tức tần số riêng cơ bản Kỹ thuật điều chỉnh tần số riêng sẽ tập trung vào tần số riêng cơ bản, cho phép mô hình hóa hệ thống thành một bậc tự do, với tần số riêng được tính đơn giản theo công thức: n = √(k/m).
Để điều chỉnh giá trị tần số riêng ra khỏi miền giá trị p của lực cưỡng bức, có thể thay đổi khối lượng m hoặc độ cứng k của hệ Tuy nhiên, việc thay đổi khối lượng thường khó thực hiện do phải cân nhắc các yêu cầu kỹ thuật khác Do đó, độ cứng k là thông số chính được sử dụng để điều chỉnh tần số riêng, có thể thực hiện thông qua việc thay đổi vật liệu, số lượng và vị trí liên kết.
Hạn chế của biện pháp này là chỉ áp dụng được khi tần số lực cưỡng bức chỉ có một giá trị và ta biết rõ giá trị đó
Sử dụng lực cản nhớt
Trong nhiều trường hợp, lực cưỡng bức có nhiều hài với tần số biến thiên rộng, khiến việc điều chỉnh tần số riêng không hiệu quả trong việc giảm biên độ dao động Một giải pháp hiệu quả hơn là tăng cường lực cản nhớt, giúp giảm biên độ dao động ở mọi tần số, đặc biệt là trong vùng cộng hưởng Để thực hiện điều này, cần sử dụng vật liệu đàn nhớt, có khả năng tiêu tán năng lượng cao trong quá trình biến dạng chu kỳ Khả năng tiêu tán năng lượng của vật liệu được đánh giá qua hệ số tiêu hao η, xác định theo công thức cụ thể.
(3.17) trong đó: W – năng lượng biến dạng lớn nhất trong 1 chu kỳ ΔW – năng lượng tiêu hao trong 1 chu kỳ
Vật liệu đàn nhớt được định nghĩa bởi hệ số tiêu hao η cao, tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là các đặc trưng cơ học thay đổi theo nhiệt độ, tần số và biến dạng.
Biện pháp ngăn chặn ảnh hưởng của dao động từ nguồn máy móc lên giá đỡ được thực hiện thông qua bộ phận cách ly dao động Bộ cách ly này được đặt giữa nguồn và nền, giúp giảm thiểu tác động của lực biến thiên lên giá đỡ Hiệu quả của việc cách ly dao động được xác định bởi hệ số truyền T, là tỷ lệ giữa biên độ lực biến thiên tác động lên giá đỡ và biên độ lực cưỡng bức do máy móc tạo ra trong quá trình hoạt động.
- Trường hợp giá đỡ cố định
Hình 3.4: Máy và bộ phận cách ly trên giá đỡ cố định
Lược độ máy bao gồm bộ phận cách ly và giá đỡ cố định, như thể hiện trong hình 13 Bộ phận cách ly được giả định có tính đàn hồi và cản nhớt, với các thông số độ cứng k và hằng số cản nhớt c Mô hình toán học cho hệ máy, bộ phận cách ly và giá đỡ được trình bày trong hình 13b Trong quá trình hoạt động, máy phát ra lực biến thiên điều hòa F(t) = F0cospt, và phương trình vi phân chuyển động của máy được xác định từ đó.
0cos mx cx kx F pt (3.18)
Hệ số truyền được xác định theo công thức:
Trong đó ξ là tỷ số giảm chấn a) b)
Đồ thị Theo (H.3.5) thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ T tr, tỷ số p/ω n và hệ số giảm chấn ξ Phân tích từ đồ thị cho thấy, khi tần số lực cưỡng bức vượt quá 1,414 lần tần số riêng của hệ, lực truyền lên giá đỡ máy sẽ nhỏ hơn lực kích động do máy sinh ra.
Hình 3.5: Biến thiên của T tr theo tỷ số p/ ω n và ξ
- Trường hợp giá đỡ không cố định
Trong trường hợp giá đỡ chuyển động khi máy hoạt động, chúng ta sẽ xây dựng một mô hình toán học để biểu thị chuyển động của hệ máy, bộ phận cách ly và giá đỡ Để đơn giản hóa, mô hình này sẽ không tính đến lực cản nhớt, dẫn đến cấu trúc mô hình như trong hình H.3.6.
Hình 3.6: Máy và bộ phận cách ly trên giá đỡ di động
Hệ dao động là hai bậc tự do Phương trình vi phân có dạng:
Hệ số truyền trong trường hợp này được xác định theo biểu thức sau:
Trong đó ω 2 là tần số riêng thứ 2 của hệ, ω 2 = p 2 và p 2 được xác định theo công thức:
Tương tự như trong trường hợp giá đỡ cố định, nếu ta điều chỉnh để p > ω 2 thì ω 2 càng nhỏ T tr sẽ càng nhỏ
Sử dụng thiết bị hấp thu dao động
Thiết bị hấp thu dao động, hay còn gọi là thiết bị trung hòa dao động, hoạt động dựa trên nguyên lý của hệ một bậc tự do với khối lượng ký hiệu m2, được liên kết với máy khảo sát thông qua lò xo có độ cứng k2 Khi thiết bị này được gắn vào máy khảo sát với giá đỡ cứng tuyệt đối và cố định, toàn bộ hệ thống sẽ chuyển thành hệ hai bậc tự do.
Hình 3.7: Mô hình hệ giá đỡ - bộ phận cách ly – máy – thiết bị hấp thụ không giảm chấn
PTVP chuyển động của hệ hai bậc tự do này là:
Nghiệm dao động của hệ trên được tìm ở dạng: j j sin x X pt (3.23)
Ta có biểu thức tính X 1 , X 2 lần lượt như sau:
(3.23) Để cho biên độ dao động của máy bằng không, tức X 1 = 0, thì từ (3.24) ta suy ra điều kiện:
Trong trường hợp thiết kế của hệ máy, bộ phận cách ly có khối lượng m1 và độ cứng k1, máy sẽ tạo ra lực cưỡng bức ở tần số hoạt động p tương ứng với tần số cộng hưởng ω1 của hệ thống.
Để khử biên độ dao động X1 của máy, cần lắp thêm thiết bị hấp thụ dao động với các thông số k2 phù hợp theo công thức (3.24).
Sau đây ta dùng các ký hiệu:
Thì công thức (3.24), (3.25) có thể biểu thị ở dạng sau:
Trên (H.3.8) là đồ thị biểu diễn quan hệ của X1/δt đối với p/ω1 Trên đồ thị này có hai cộng hưởng tại hai tần số riêng, còn tại p = ω1, X1 = 0
Hình 3.8: Ảnh hưởng của thiết bị hấp thụ không giảm chấn đối với biên độ dao động của máy
Tại p = ω 1 , thì từ biểu thức (3.30) ta có biên độ X 2 bằng:
Biểu thức (3.31) chỉ ra rằng lực từ lò xo có độ cứng k2 bằng và ngược chiều với lực cưỡng bức tác dụng lên máy Điều này giúp trung hòa lực cưỡng bức, tạo ra sự cân bằng trong hệ thống.
X 1 = 0 Các tần số riêng của hệ trên (H.3.7), ký hiệu là Ω 1 , Ω 2 xác định bằng cách cho bằng 0 phương trình nằm ở mẫu của biểu thức (3.24):
CÁC THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG 4.1 Giới thiệu
Bộ chuyển đổi rung động
4.2.1.Các nhân tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn bộ chuyển đổi :
Các nhân tố sau đây thường phải ghi nhớ khi lựa chọn một bộ chuyển đổi rung động:
- Xem xét tình huống, xem cần một bộ chuyển đổi dạng đại chấn hay dạng tham chiếu cố định
Biến số vật lý Yếu tố chuyển đổi Yếu tố xử lý tín hiệu
- Cường độ của chuyển động là rất nhỏ ( vài àm) trung bỡnh hay lớn (mm)
- Dãi tần số theo đó các rung động có thể gặp phải và theo đó bộ chuyển đổi dự kiến phải chịu sự đáp ứng tần số tuyến tính
- Thông số ra của bộ chuyển đổi muốn là tỉ lệ với độ dịch chuyển, vận tốc hay gia tốc
- Bộ chuyển đổi là dạng tiếp xúc hay dạng tiệm cận (không tiếp xúc)
- Các bộ chuyển đổi địa chấn luôn luôn là dạng tiếp xúc
- Trong trường hợp kết cấu cần thử nghiệm là mỏng hay nhẹ, sự gắn chặt bộ chuyển đổi có thể gây ra các lỗi khi đo
- Bộ chuyển đổi là dạng tự phát điện hay cần một nguồn điện bên ngoài
- Dạng của mạch điện đi kèm và độ phức tạp của nó, cũng sẽ quyết định giá cả của bộ chuyển đổi
4.2.2.Các dạng cảm biến : a.Dạng điện động lực.(Electrodynamic type)
Bộ chuyển đổi đo độ rung địa chấn dạng điện động lực, như hình 4.1, bao gồm một khối lượng gắn trên các lò xo Chuyển động tương đối của khối lượng so với cuộn dây cố định tạo ra điện thế trong cuộn dây do sự thay đổi định mức Thông số đầu ra tỉ lệ với vận tốc dz/dt hoặc dx/dt Trong dải tần số w > 2w o, bộ chuyển đổi này hoạt động như một bộ chuyển đổi vận tốc, và đây là một dạng bộ chuyển đổi tự phát điện.
Hình 4.1 : Bộ chuyển đổi địa chấn dạng điện động lực b.Gia tốc kế áp điện
Bộ chuyển đổi độ rung địa chấn phổ biến nhất là loại tự phát điện, sử dụng một tinh thể áp điện đặt giữa khối lượng và khung Chuyển động tương đối giữa khối lượng và khung tạo ra một tín hiệu điện Tinh thể được giữ chặt dưới một lực nén, như minh họa trong hình H.4.2.
Hình 4.2: Gia tốc áp kế
Tinh thể hoạt động như một lò xo có độ cứng cao, với tần số tự nhiên w_n của hệ thống đạt mức rất cao, lên đến vài kHz Do đó, tỉ số giữa các tần số này là rất lớn, cụ thể là > 0.4.
Bộ chuyển đổi rung động có tỉ lệ ra tương ứng với gia tốc của vật thể gắn vào, với khối lượng chỉ vài gram và độ nhạy rất cao, làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng trong việc đo độ rung của máy móc Tuy nhiên, tinh thể của bộ chuyển đổi hoạt động như một tụ điện, có điện dung lớn ở tần số thấp, do đó cần thiết phải có yếu tố hiển thị với điện dung đầu vào lớn hơn để ngăn ngừa rò rỉ điện Để giải quyết vấn đề này, một bộ đổi điện dung hoặc bộ dẫn âm cực được sử dụng, có điện dung đầu vào cao và điện dung đầu ra thấp, giúp duy trì tỉ số điện thế ổn định Cấu trúc này là phần thiết yếu của bộ tiền khuyếch đại và bộ khuyếch đại sạc, cho phép hoạt động ở tần số thấp tới 0,2 Hz và đáp ứng tần số rộng, với giới hạn tần số cao lên đến vài kHz.
Hình 4.3 : Bộ chuyển đổi địa chấn dạng máy đo sức căng điện trở
Trong hình H.4.3, lò xo được mô tả như một đòn đàn hồi, nơi chuyển động tương đối của khối lượng „m‟ so với khung gây ra sức căng uốn cong ở chân tay đòn Sức căng này được cảm biến bởi đồng hồ điện trở, với R1 và R2 có bản chất đối nghịch, tạo nên các cánh tay đòn kế cận trong mạch điện cầu như thể hiện trong hình H.4.4.
Hình 4.4: Sơ đồ mạch điện cầu d.Bộ cảm biến độ rung xoắn
Dạng chuyển đổi địa chấn này hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như bộ chuyển đổi điện động lực cho các chuyển động tuyến tính Trong đó, trục cần đo chuyển động xoắn được gắn vào cuộn dây và lõi từ dao động tự do Sự chuyển động góc tương đối giữa cuộn dây và lõi từ sẽ tạo ra tín hiệu thống số, tỉ lệ với vận tốc rung xoắn của trục.
Hình 4.5: Bộ cảm biến đo độ rung xoắn
4.2.3.Các bộ chuyển đổi tham chiếu cố định :
Trong các bộ chuyển đổi dạng này, cần xác định một tham chiếu cố định để đo rung động của đối tượng Tham chiếu cố định này thường là mặt đất, giúp đảm bảo độ chính xác trong việc so sánh và đo lường.
Có các dạng chuyển đổi tham số thông dụng sau:
Bộ chuyển đổi tham chiếu cố định này bao gồm lõi từ và cuộn dây, trong đó một số cuộn dây được gắn vào vật thể rung động Ngược lại, cuộn dây có thể được đặt cố định trong khi lõi từ gắn vào vật thể rung động, tạo ra điện thế trong cuộn dây tỉ lệ với vận tốc của vật thể Để đo độ dịch chuyển hoặc gia tốc, các mạch điện vi phân và tích hợp là cần thiết Đây là dạng bộ chuyển đổi tiếp xúc và tự phát điện.
- Dạng chuyển đổi cảm ứng :
Mạch cầu hoạt động với dòng điện xoay chiều tần số cao, ít nhất gấp 5 lần tần số rung động lớn nhất cần đo Sự rung động của mạch cầu làm biến đổi thông số ra, theo dạng biến đổi modul có biên độ Các mạch điện đi kèm giúp tạo modul, với thông số ra hiển thị trên màn hình tương ứng với độ dịch chuyển rung động Bộ chuyển đổi này rất nhạy, cho phép đo các rung động nhỏ một cách chính xác.
- Dạng chuyển đổi máy biến thế vi phân
- Chuyển đổi chuyển động dạng tụ điện
- Chuyển đổi dạng dòng điện Eddy
Các áp dụng cho nhiều loại máy khác nhau thường được chọn như trong bảng sau đây:
Máy Dạng của bộ chuyển đổi khuyến cáo để đo độ rung động
Các máy nén qui trình dạng hướng tâm
Máy đo cầm tay là thiết bị quan trọng để xác định chuyển động của trục, phát hiện sự bất ổn định của vòng bi, kiểm tra độ thẳng hàng của khớp nối và phát hiện tình trạng mất cân bằng trong hệ thống.
Các máy thường được trang bị ống lót lớn hoặc ổ bi thủy động lực đệm lót xếp lớp, với tỷ số khối lượng giữa vỏ máy và roto (phần quay) tương đối lớn Kết cấu đỡ cứng giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của máy.
Các bơm hướng tâm nhỏ
Các hộp bánh răng của roto (phần quay)…
Các máy đo tiệm cận cho các hướng hướng tâm và các cảm biến vị trí đâm thọc vào
Các gia tốc kế áp điện
Các gia tốc kế áp điện hay địa chấn
Các gia tốc kế áp điện có khả năng đo lường những rung động rất nhỏ, vì vậy cần sử dụng máy đo cầm tay tiệm cận để xác định chuyển động tương đối giữa trục và vỏ máy.
Đối với các bơm công suất cao, cần chú ý đến tỉ số khối lượng giữa vỏ máy và roto, cũng như cấu trúc giá đỡ cứng vững để phát triển hiệu suất tối ưu Việc sử dụng các đầu cảm biến theo hướng trục là cần thiết để theo dõi tình trạng máy Ổ vòng bi có tính co giãn và năng lượng rung động được truyền từ roto sang vòng bi, do đó, các cảm biến địa chấn lắp trên vỏ ổ vòng bi sẽ cung cấp thông tin về tình trạng hoạt động của máy Bên cạnh đó, các gia tốc kế cũng rất hiệu quả khi áp dụng cho các vòng bi con lăn.
Các máy này có tỉ số khối lượng giữa vỏ máy và roto tương đối thấp, cùng với các giá đỡ co giãn, cho phép hoạt động ở vận tốc trung bình đến cao Nhờ đó, tín hiệu từ vỏ ổ bi có thể được sử dụng hiệu quả.
Có thể sử dụng cả các bộ chuyển đổi đo vỏ máy và trục máy phụ thuộc vào dạng vòng bi và độ cứng vững của giá đỡ
Lực động lực học được phát triển và được truyền đến các vòng bi và tần số sự ăn khớp các răng vào nhau là khá cao
4.2.4 Các yếu tố xử lý tín hiệu :
Các yếu tố xử lý tín hiệu điều chỉnh thông số đầu ra của bộ chuyển đổi để đáp ứng nhu cầu ghi hoặc hiển thị thông tin Những yếu tố này bao gồm:
1 Bộ tiền khuyếch đại để khuyếch đại thông số ra của bộ chuyển đổi
Các tiêu chí đánh giá bởi quy luật phân bố chuẩn
Khái niệm "giá trị trung bình" xuất hiện trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như thống kê, xử lý ảnh và cơ học Ba thuật ngữ chính liên quan đến "trung bình" là Mean, Median và Mode, mỗi thuật ngữ đại diện cho các dạng khác nhau của giá trị trung bình, nhưng thường gây nhầm lẫn cho người đọc.
Mean là thuật ngữ thường được sử dụng để chỉ “trung bình” trong toán học Để tính giá trị trung bình, ta cộng tất cả các phần tử trong một tập hợp và sau đó chia cho số lượng phần tử trong tập hợp đó.
Số bình quân nhân là một chỉ số quan trọng cho các tập số, đặc biệt khi người ta quan tâm đến tích của chúng, và thường được gọi là tỉ lệ tăng trưởng.
Số bình quân điều hòa là một chỉ số quan trọng dùng để tính toán các tập số liên quan đến một đơn vị cụ thể, chẳng hạn như vận tốc và gia tốc, thể hiện khoảng cách di chuyển trong mỗi đơn vị thời gian.
Số bình quân lũy thừa là một khái niệm mở rộng của số bình quân số học, số bình quân nhân, và số bình quân điều hòa Nó được xác định thông qua công thức (5.4).
Bằng cách chọn các giá trị thích hợp cho tham số m, chúng ta có thể đạt được các loại trung bình khác nhau: số bình quân số học khi m = 1, số bình quân nhân khi m tiến tới 0, và số bình quân điều hòa khi m = -1.
Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp cho tham số m, chúng ta có thể tính toán số bình quân số học (m = 1), số bình quân nhân (m → 0) và số bình quân điều hòa (m = −1) Ngoài ra, số bình quân này còn có thể được mở rộng thành số bình quân-f, hay còn gọi là số bình quân-f suy rộng (generalized f-mean).
Khi chọn hàm f(x) phù hợp, ta có thể tính toán các loại số bình quân khác nhau: số bình quân số học với f(x) = x, số bình quân nhân với f(x) = log(x), và số bình quân điều hòa với f(x) = 1/x.
Trung bình cụt và trung bình khoảng tứ phân vị là hai phương pháp hữu ích để xử lý dữ liệu có giá trị ngoại lệ Trung bình cụt được tính bằng cách loại bỏ một số giá trị ở đầu và cuối của tập dữ liệu, sau đó tính trung bình cộng của phần còn lại Tỷ lệ phần trăm của các giá trị bị loại bỏ được ghi chú để minh bạch Trong khi đó, trung bình khoảng tứ phân vị, một dạng trung bình cụt, được tính bằng cách loại bỏ phần tư giá trị nhỏ nhất và lớn nhất, giúp cung cấp một cái nhìn chính xác hơn về dữ liệu khi các giá trị đã được sắp xếp.
Median là giá trị giữa (middle) trong một tập hợp các phần tử, giá trị Median thông thường được tìm bằng các bước như sau:
Để tìm giá trị trung vị (Median) của một tập hợp, trước tiên cần sắp xếp các phần tử trong tập hợp theo thứ tự nhất định, chẳng hạn như sắp xếp các số nguyên theo thứ tự tăng dần.
Median là số ở vị trí giữa trong một tập hợp số liệu Khi không có vị trí chính xác giữa, ta có thể xác định median một cách tương đối Cụ thể, với tập số nguyên có số lượng phần tử chẵn, không tồn tại một vị trí giữa rõ ràng; do đó, median được tính bằng cách lấy trung bình (Mean) của hai phần tử nằm ở giữa.
Mode của một danh sách dữ liệu là giá trị xuất hiện nhiều nhất trong danh sách đó Không nhất thiết phải có một mode duy nhất, vì có thể có nhiều giá trị có số lần xuất hiện bằng nhau.
5.2.2 Phương sai và độ lệch chuẩn
Phương sai của một biến ngẫu nhiên là chỉ số đo lường sự phân tán của biến, cho thấy khoảng cách giữa các giá trị của biến và giá trị kỳ vọng Nó bao gồm hai loại: phương sai mẫu và phương sai tổng thể Phương sai thường được tính toán theo công thức cụ thể.
(5.7) Ý nghĩa của phương sai bao gồm:
- Nếu phương sai tồn tại, thì nó không bao giờ âm, vì bình phương một số luôn dương hoặc bằng 0
Phương sai có đơn vị là bình phương của giá trị quan sát của biến ngẫu nhiên, trong khi độ lệch chuẩn là một chỉ số thống kê quan trọng dùng để đo mức độ phân tán của dữ liệu trong bảng tần số Độ lệch chuẩn được tính bằng cách lấy căn bậc hai của phương sai, giúp người dùng hiểu rõ hơn về sự biến động của dữ liệu.
Tính chất của độ lệch chuẩn bao gồm:
Khi so sánh hai tập dữ liệu có cùng giá trị trung bình, tập có độ lệch chuẩn lớn hơn sẽ cho thấy sự biến thiên dữ liệu nhiều hơn Tuy nhiên, nếu hai tập dữ liệu có giá trị trung bình khác nhau, việc so sánh độ lệch chuẩn của chúng sẽ không mang lại ý nghĩa.
Kiểm tra độ tin cậy của số liệu đo
Khoảng tin cậy là một dãy giá trị mà trong đó các tham số của tổng thể như số trung bình, tỷ lệ và phương sai cần được ước lượng Ước lượng khoảng tin cậy là một hình thức dự báo trong thống kê, cho phép xác định một chỉ tiêu kinh tế tại một điểm cụ thể (dự báo điểm) hoặc trong một khoảng giá trị (dự báo khoảng) với độ tin cậy đã được xác định.
CHƯƠNG 6 : KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
6.1 Khảo sát quy luật phân bố và các đặc trƣng phân bố của máy tại những vị trí khảo sát khác nhau
6.1.1 Quy luật phân bố và các đặc trƣng phân bố của máy có độ cứng vững cao
Máy OKK (H.6.1) là thiết bị tiêu chuẩn dùng để khảo sát các khâu chuyển động, được sản xuất tại Nhật Bản với các thông số kỹ thuật nổi bật.
Hình 6.1: Hình ảnh thực tế của máy phay CNC OKK Thông số của máy:
Hệ điều khiển: Bộ điều khiển từ PTN Cơ Học Ứng Dụng – Đại Học Bách Khoa Nước sản xuất phần cơ khí: Japan
Tốc độ trục chính: 100-6000 rpm
Số dao dự trữ lớn nhất: 30 pcs
Loại đầu dao: BT40 Động cơ trục chính (AC, DC): AC
Công suất động cơ trục chính: 7.5/9 kW
Trong đó các đối tượng được khảo sát bao gồm:
Tiến hành đo dao động cho máy CNC OKK tại PTN Cơ Học Ứng Dụng với các điểm đo khác nhau Kết quả đo cho thấy cơ hệ máy sau khi giảm rung, được thể hiện qua biên độ dao động và phổ tần số tại ba phương (Ox, Oy, Oz) như trong hình H.6.2-6.5.
Hình 6.2: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo 3 phương Ox, Oy, Oz
Hình 6.3: Biên độ dao động và phổ tần số của bàn gá phôi theo 3 phương Ox, Oy, Oz
Hình 6.4: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo 3 phương Ox, Oy, Oz
Hình 6.5: Biên độ dao động và phổ tần số của đế theo 3 phương Ox, Oy, Oz
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để đánh giá mức độ rung động của máy bằng cách sử dụng biểu đồ phân bố các giá trị biên độ gia tốc dao động Phương pháp này nhằm tạo ra một đặc trưng mới để đánh giá lượng rung động trong quá trình hoạt động của máy Khảo sát được thực hiện tại vị trí biên độ dao động của ổ đỡ trục theo ba phương Ox, Oy, và Oz, với các hình thể được thể hiện trong các hình H.6.7 đến H.6.9.
Hình 6.7: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của ổ đỡ trục theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Hình 6.8: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của khung máy theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Hình 6.9: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của bàn gá phôi theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Khi khảo sát các điểm đo trên máy phay CNC có độ cứng vững cao, các kết quả cho thấy sự phân bố của tín hiệu biên độ dao động tại các vị trí và phương khác nhau trong cùng một điểm đo, như thể hiện trong các hình H.6.7 đến H.6.9.
Mật độ phân bố, biên độ và khẩu độ biên độ nhỏ cho thấy sự tương đồng trong khảo sát các giá trị thống kê của bàn gá phôi trên máy phay CNC OKK tại PTN, với mức độ dao động nhỏ.
Cơ Học Ứng Dụng, ĐH Bách Khoa TPHCM, các kết quả cho theo bảng 1
Bảng 1: Giá trị thống kê của bàn gá phôi trên máy phay CNC OKK
Vị trí đo Giá trị thống kê Phương đo Giá trị
Dao động của bàn gá phôi
Kết quả từ bảng cho thấy:
Tại cùng một vị trí đo, giá trị trung bình của biên độ dao động theo ba phương có sự khác biệt Cụ thể, tại vị trí khảo sát của bàn gá phôi, biên độ dao động theo phương Ox và Oz tương đương nhau, trong khi phương Oy dao động với biên độ nhỏ hơn Điều này cho thấy sự khác nhau trong dao động theo các phương, và sự rung động này chủ yếu phụ thuộc vào phương thức hoạt động của từng khâu.
Mặc dù giá trị trung bình về biên độ dao động có sự khác biệt, nhưng độ nhọn và độ nghiêng của cả ba phương đều tương đồng Cả ba vị đo đều có giá trị độ nghiêng lớn hơn 0 và tương đương 3, theo bảng 1 Theo định luật phân bố chuẩn, cả ba phương đều tuân theo quy luật phân bố chung là phân bố chuẩn.
Khảo sát tại các điểm đo khác nhau cho thấy kết quả tương tự, cho thấy rằng đặc điểm quyết định trong việc đánh giá rung động của máy là giá trị trung bình Điều này đảm bảo rằng mức độ khác nhau không quá lớn và các giá trị độ nhọn cùng độ nghiên đều phù hợp, tuân thủ theo phân bố chuẩn.
Dựa vào sự phân bố giá trị, chúng ta có thể nhận diện mức độ dao động tại từng vị trí và phương khác nhau Theo số liệu từ H.6.7 đến H.6.9, mặc dù được đo trên máy có độ cứng vững cao (nhãn hiệu OKK-Nhật Bản), vẫn tồn tại sự phân hóa rõ rệt trong mức độ dao động giữa các khâu và vị trí khác nhau Cụ thể, mức độ rung
Độ đông tại ổ đỡ spindle luôn cao hơn so với các vị trí khác Biểu diễn cả ba phương (Ox, Oy, Oz) trên cùng một đồ thị cho thấy mức độ phân bố tại ba vị trí khác nhau (H.6.10).
Hình 6.10: Phân bố dao động theo cả 3 phương của một số điểm đo tại máy có độ cứng vững cao
Bảng 2: Phân bố các giá trị dao động của một điểm đo trên máy OKK
Vị trí đo Giá trị thống kê Phương đo Giá trị
Dao động của Giá trị trung bình X 0.980 (10 -3 mm/s 2 )
Từ kết quả đo của bảng 2 cho thấy:
Giá trị độ nghiêng và độ nhọn tại nhiều điểm đo trên máy CNC – OKK thường ổn định, với độ nghiêng gần 0, cho thấy sự phân bố đồng đều của biên độ gia tốc dao động Độ nhọn, hầu hết ở mức gần 3, cũng phản ánh mức độ phân bố tương tự Theo định lý trung tâm, các vị trí đo này tuân theo phân bố chuẩn, chứng minh rằng một máy đạt tiêu chuẩn cứng vững sẽ luôn thể hiện quy luật phân bố này.
Mức độ dao động của máy được đánh giá qua giá trị trung bình và phương sai, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ gia công, loại vật liệu, tuổi thọ máy, và chế độ bảo trì Tuy nhiên, các thông số này chưa phản ánh đầy đủ độ cứng vững của máy thông qua tín hiệu biến độ gia tốc Theo định lý trung tâm, hầu hết diện tích dưới đường cong f(x) (khoảng 99.7%) nằm trong khoảng từ (μ - 3σ) đến (μ + 3σ), cho thấy sự phân bố của dữ liệu dao động.
Bảng 3: Đo trên các máy có độ cứng vững cao tại vị trí khung máy Đặc điểm máy Giá trị thống kê Phương đo Giá trị
Tải trọng lớn nhất: 500 kg
Tốc độ trục chính: 40~10000 rpm
Số dao dự trữ lớn nhất: 24 pcs
Loại đầu dao: BT40 Động cơ trục chính (AC, DC): AC
Công suất động cơ trục chính: 11 kW
Kích thước (DxRxC): 2.8x2.4x2.6 m Địa chỉ: CTY TNHH TM DV KT An
Hệ điều khiển: FANUC-OM
Tốc độ trục chính: 3500 rpm
Loại đầu dao: BT50 Địa chỉ: Công Ty Cổ Phần Máy
GPĐKKD số 0301911285 do Sở Kế
Hoạch và Đầu Tư TP HCM cấp ngày
79-81 Xa Lộ Hà Nội, Phường Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh, Việt
Tốc độ trục chính: 5000~50000 rpm Địa chỉ: Công Ty Cổ Phần Máy
GPĐKKD số 0301911285 do Sở Kế
Hoạch và Đầu Tư TP HCM cấp ngày
79-81 Xa Lộ Hà Nội, Phường Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh, Việt
Giá trị trung bình X 0.854 (10 -3 mm/s 2 )
Hệ điều khiển: FANUC 20i - FA
Tốc độ trục chính: 40~4000 rpm
Loại đầu dao: BT40 Động cơ trục chính (AC, DC): AC
Công suất động cơ trục chính: 3.7/5.5 kW
Kích thước (DxRxC): 2.1x1.9x2.1 m Địa chỉ: Công Ty Cổ Phần Máy
GPĐKKD số 0301911285 do Sở Kế
Hoạch và Đầu Tư TP HCM cấp ngày
79-81 Xa Lộ Hà Nội, Phường Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh, Việt
6.1.2 Quy luật phân bố và các đặc trƣng phân bố của máy bị rung động
Máy được khảo sát là máy phay CNC 5D tự chế tạo tại PTN Cơ Học Ứng Dụng – ĐH Bách Khoa TPHCM như (H.6.11):
Hình 6.11: Mô hình máy và vị trí đặt cảm biến đo dao động và mô hình máy khảo sát thực tế
- Thực hiện đo và sử lý số liệu tại các điểm đo khác nhau trên mô hình máy phay CNC tự chế tạo
Hình 6.12: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Ox
Hình 6.13: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Oy
Hình 6.14: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Oz
Hình 6.15: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Ox
Hình 6.16: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Oy
Hình 6.17: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Oz
Hình 6.18: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Ox
Hình 6.19: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Oy
Hình 6.20 trình bày biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Oz Thuật toán được áp dụng dựa trên biểu đồ phân bố tần suất của các giá trị biên độ gia tốc dao động, với các kết quả được thể hiện trong các hình (H.6.21-H.6.24).
Hình 6.21: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của bàn máy theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Hình 6.22: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của sàn đỡ theo 3 phương
Hình 6.23: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của ổ đỡ trục theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Hình 6.24: Đặc trƣng phân bố các giá trị biên độ dao động của giá đỡ đỡ trục theo 3 phương (Ox, Oy, Oz)
Từ các kết quả trên cho thấy:
Mật độ phân bố cao tại các vị trí đo cho thấy mức độ dao động lớn với biên độ và khẩu độ rộng Phương pháp nghiên cứu cho phép xác định sự khác biệt trong mức độ dao động giữa các vị trí trong cùng một máy và các phương khác nhau tại một vị trí Các đồ thị phân bố biên độ dao động (H.6.21-6.24) chỉ ra rằng vị trí ổ đỡ trục có mức độ dao động cao hơn ở cả ba phương so với các vị trí khác, trong khi vị trí sàn đỡ có mức độ rung động thấp nhất.