Tài liệu Cơ sở của chẩn đoán kỹ thuật bằng đo dao động

Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Phạm Minh Hải, người đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án này và đã cung cấp cho em những tài liệu để nghiên cứu đề tài và những ý kiến đóng góp quý báu cho việc hoàn thành đồ án. Em cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung và khoa Cơ Khí nói riêng đã dìu dắt em trong những năm học vừa qua. Bộ môm Cơ Sở Thiết Kế Máy & Robot trường Đai Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện để em thực tập và hoàn thành đề tài. Cuối cùng, một lần nữa em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn và khoa cơ khí, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ em về mọi mặt để em hoàn thành nhiệm vụ được giao. Hà Nội ngày….. tháng……năm…… 1 Đồ án tốt nghiệp MỤ C LỤ C LỜI CẢM ƠN..................................................................1 CHƯƠNG 1.....................................................................................................6 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT...............................................6 1.1. Khái niệm cơ bản về kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị............6 ...................................................................................................................8 1.2. Các thành phần cơ bản của chẩn đoán tình trạng thiết bị ................8 1.3. Hệ thống bảo dưỡng phòng ngõa (bảo dưỡng theo tình trạng).......10 CƠ SỞ CỦA CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT BẰNG ĐO DAO ĐỘNG ............13 ............................................................13 2.3. Dao động có chu kỳ ...................................................................17 2.4. Các dao động giả chu kỳ ..................................................................18 Chương 3.......................................................................................................19 HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LỆU...............................................................19 3.1 Gới thiệu về các loại cảm biến..........................................................19 3.1.1 Cảm biến rung .......................................................................19 3.1.2. Cảm biến lực ............................................................................23 3.1.3. Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển ................24 3.2 Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo.....................................................25 3.2.1 Đối tượng đo ...............................................................................28 3.2.2 Đầu đo..........................................................................................28 3.3 Bộ lọc số.............................................................................................29 3.3.1 Cơ sở lý thuyết bộ lọc số.............................................................29 3.3.2. Các loại bộ lọc số.......................................................................32 TÍN HIỆU VÀ THUẬT TOÁN.......................................................................38 4.1 Cấu trúc của tín hiệu dao động..............................................................38 ..............................................................................................38 Mối liên hệ giữa DFT với DTFT và sù lấy mẫu tần số .............................42 4.2.1 Biến đổi Fourier nhanh (FFT)......................................................43 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN Ổ LĂN........................................58 5.1 Các hiện tượng bất thường thường xuất hiện ở ổ lăn.....................58 5.1.1 Hư háng do các yếu tố ngoại lai ................................................58 5.1.2 Hư háng do gỉ..............................................................................58 5.1.3 Hư háng do bôi trơn không hợp lý ..............................................58 5.1.4 Hư háng do lệch vòng trong hoặc vòng ngoài............................58 5.1.5 Hư háng gây ra trên vòng cách do tải trọng lớn.........................59 5.1.6 Hư háng do tải trọng tăng đột ngột............................................59 5.1.7 Hư háng do lắp ráp ...................................................................59 5.1.8 Ảnh hưởng bởi dao động nhẹ......................................................59 2 Đồ án tốt nghiệp 5.2 Các khái niệm cơ bản về chẩn đoán ổ lăn ( Phương pháp dao động ) ...................................................................................................................62 5.2.1 Quá trình quay của ổ lăn............................................................62 5.2.2 Dao động của ổ lăn .....................................................................65 5.3 Các phương pháp chẩn đoán ổ lăn...................................................79 5.3.1 Các phương pháp giám sát tình trạng ổ lăn ..............................79 3.3.2 Các phương pháp phân tích tình trạng ổ lăn.............................88 Chương 6.......................................................................................................91 THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH...............................91 6.1 Lùa chọn thuật toán........................................................................91 6.2 Sơ đồ thuật toán..............................................................................91 6.3 Kết luận..........................................................................................99 KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................101 3 Đồ án tốt nghiệp LỜ I NÓI ĐẦ U Hiện nay, dưới áp lực cạnh tranh gay gắt của thị trường, việc cần thiết phải giảm tối đa giá thành sản phẩm còng nh các chi phí quản lý nhà máy đang là một vấn đề rất bức xúc và cần phải giải quyết một cách triệt để. Hàng năm các công ty phải bỏ ra một khoản chi phí rất lớn để bảo dưỡng và sửa chữa máy móc. Để giảm được tối thiểu chi phí cho bảo dưỡng và sửa chữa thì ta cần phải chủ động trong công tác lập kế hoạch sửa chữa. Nhằm thoả mãn tăng năng suất thiết bị, giảm giá thành sản phẩm tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường đòi hỏi các nhà Quản Lý sản xuất phải đổi mới công nghệ sản xuất cũng như việc ứng dụng các thành tựu của khoa học vào các dây chuyền sản xuất mét trong những phương pháp được thực hiện chủ yếu tại các nhà máy là nâng cao công tác tổ chức, quản lý bảo dưỡng thiết bị tận dụng tối đa năng lực sản suất của hệ thống thiết bị và giảm tối thiếu các hư háng trên hệ thống thiết bị. Từ những năm 50 của thế kỷ 20 các kỹ thuật tiên tiến đã liên tục được phát triển và ứng dụng tại các dây chuyền sản xuất của các nước công nghiệp phát triển. Hàng loạt các phương pháp bảo dưỡng liên tục ra đời thay thế cho các phương pháp cũ lạc hậu trong các dây chuyền sản xuất nh bảo dưỡng khi hư háng. Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị là một hệ thống tích hợp ( phần cứng – máy đo, đầu đo; phần mềm và giải pháp ) thực hiện giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống máy móc thiết bị, phân tích các yếu tố tác động lên thiết bị qua đó có thể dự báo chính xác được tuổi thọ của thiết bị, chẩn đoán các hư háng sẽ suất hiện trên hệ thống, xác định được vị trí, nguyên nhân và mức độ hư háng. Cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết giúp các nhà quản lý và các kỹ sự bảo dưỡng hoàn toàn chủ động trong việc tổ chức sản xuất, chuẩn bị vật tư thay thế và lên lịch sửa chữa bảo 4 Đồ án tốt nghiệp dưỡng thiết bị. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đo trở lên nhỏ gọn, có khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cao. Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị hiện đại còn cho phép tích hợp với các hệ thống điều khiển trung tâm tạo thành hệ thống tác động toàn diện cho phép vừa giám sát, điều khiển công nghệ, vừa giám sát được tình trạng làm việc của từng chi tiết thiết bị của dây chuyền sản xuất. Vì vậy trong những năm gần đây, hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị trở thành một bộ phận không thể thiếu trong bất kỳ một dây chuyền sản xuất nào của các nước có nền công nghiệp tiên tiến. 5 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT 1.1. Khái niệm cơ bản về kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị Các máy móc và thiết bị được trang bị trong các nhà máy, xí nghiệp ngày nay càng tăng về kích cỡ, tốc độ, tính liên tục và độ phức tạp. Do đó, sự ảnh hưởng xấu bởi các điều kiện bất thường của máy móc thiết bị lên các dây chuyền sản xuất rất khó xác định, chi phí cho việc bảo dưỡng máy móc sẽ ngày càng tăng trong chi phí quản lý của nhà máy. Để việc bảo dưỡng máy móc thiết bị trở lên chính xác có hiệu quả, cần phải biết chính xác tình trạng hư háng cũng như nguyên nhân gây ra hư háng trên hệ thống máy thiết bị cần bảo dưỡng. Sau khi đã nắm rõ thực trạng của máy móc thiết bị, các bước thao tác quan trọng sau đây phải được thực hiện theo đúng các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị: - Xác định thời gian và khối lượng chi tiết cần sửa chữa, thay thế. - Đảm bảo độ tin cậy của công tác sửa chữa, thay thế. - Xác định thời gian đặt hàng của các chi tiết thay thế. - Xác địng các phương pháp bảo dưỡng chính xác. - §¶m b¶o ®é tin cËy cña c«ng t¸c söa ch÷a, thay thÕ. - X¸c ®Þnh thêi gian ®Æt hµng cña c¸c chi tiÕt thay thÕ. - X¸c ®Þng c¸c ph¬ng ph¸p b¶o dìng chÝnh x¸c. Do đó, để có thể thực hiện các thao tác bảo dưỡng máy một cách chính xác và có hiệu quả, việc áp dụng kỹ thuật chẩn đoán tình trạng của thiết bị ( Machine Condition Diagnosis Technique – CDT ) là đặc biệt cần thiết. Với kỹ thuật này, các hư háng, độ sai lệch, độ bền và hiệu suất của máy sẽ được đo đạc để phục vụ cho các công tác chẩn đoán sau này. 6 Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật chẩn đoán tình trạng của thiết bị có thể được định nghĩa là: kỹ thuật mà trong đó tình trạng của máy như các ngoại lực tác động lên máy, độ bền hiệu suất của máy, các hư háng và các thiếu sót của hệ thống máy móc được định lượng nhằm phân tích và dự báo độ tin cậy và các tính năng của hệ thống, trong đó nếu bất cứ tình trạng bất thường nào được phát hiện, nguyên nhân, vị trí, mức độ nguy hiểm sẽ được xác định và được phân tích nhằm đưa ra các phương pháp xử lý chính xác. Do đó, cần phải chú ý rằng kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị là một khái niệm rộng hơn nhiều so với kỹ thuật khảo sát và tìm hiểu hư háng của thiết bị. Hình 1.1 là các khái niệm cơ bản của kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị. ThiÕt bÞ T¸c ®éng C¸c h­ háng c¬ khÝ Phát hiện và tính toán tác động - Kỹ thuật phát hiện tác động. - Kỹ thuật tính toán tác động. TruyÒn ®éng c¬ khÝ Phát hiện và tính toán mức độ hư háng - Phát hiện mức độ hư háng. - Phân tích và tính toán mức độ hư háng. §é bÒn vµ hiÖu suÊt Xác định và tính toán độ bền và hiệu suất thiết bị - Kỹ thuật xác định độ bền và hiệu suất. - Phân tích và tính toán hiệu suất và độ bền. Chẩn đoán toàn diện - Nguyên nhân và mức độ hư háng. - Dù đoán độ tin cậy và tuổi thọ. - Lùa chọn các phương pháp cải tiến, sửa chữa. H×nh 1.1 C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n cña kü thuËt chÈn ®o¸n t×nh tr¹ng7thiÕt bÞ Đồ án tốt nghiệp Kü thuËt chÈn ®o¸n t×nh tr¹ng thiÕt bÞ B×nh th­êng Kü thuËt gi¸m s¸t B×nh th­êng Kü thuËt ph©n tÝch t×nh tr¹ng t×nh tr¹ng Kü thuËt ph©n tÝch t×nh tr¹ng thiÕt bÞ ®­îc thùc hiÖn bëi c¸c chuyªn gia gäi lµ ®éi ph©n tÝch t×nh tr¹ng. Kü thuËt chÈn ®o¸n ban ®Çu cho thiÕt bÞ, ®­îc thùc hiÖn bëi c«ng nh©n ngoµi hiÖn tr­êng. C¸c “y t¸” cho thiÕt bÞ C¸c” chuyªn gia y tÕ” cho thiÕt bÞ H×nh 1.2 HÖ thèng c¬ b¶n cña chuÈn ®o¸n t×nh tr¹ng thiÕt bÞ 1.2. Các thành phần cơ bản của chẩn đoán tình trạng thiết bị Kỹ thuật giám sát tình trạng ( Condition Monitoring Technique – CMT) được thực hiện chủ yếu bởi công nhân ngoài hiện trường và đưa ra các chẩn đoán ban đầu về tình trạng của thiết bị. Kỹ thuật phân tích tình trạng ( Condition analysis Technique - CAT) được thực hiện bởi các chuyên gia nhằm đưa ra các quyết định cuối cùng về tình trạng của các thiết bị. 8 Đồ án tốt nghiệp CMT nhằm giám sát tình trạng của thiết bị một cách nhanh chóng và có hiệu quả, kỹ thuật này bao gồm các chức năng cơ bản sau: - Định hướng tác động lên máy và phát hiện các tác động bất bình thường. - Xác định xu hướng phát triển của sai xót, hư háng nhằm phát hiện chúng ở các giai đoạn sớm nhất. - Xác định các đặc tính của máy móc nhằm phát hiện các trạng thái bất thường. - Giám sát và bảo vệ máy móc. - Tìm kiếm các máy móc hư háng hay các chi tiết bị hư háng. CAT là kỹ thuật phân tích chính xác các “ hiện tượng bất thường “ của thiết bị được phát hiện bởi CMT, nhằm đưa ra các quyết định về việc sửa chữa, bảo dưỡng. Do đó, nó bao gồm các chức năng sau: - Xác định kiểu, dạng của bất thường. - Xác định nguyên nhân gây ra bất thường. - Xác định mức độ nguy hiểm và dự báo cả quá trình phát triển. - Đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp. Ngoài ra, CAT còn bao gồm một số các kỹ thuật đo và phân tích cơ bản nh : - Kỹ thuật định lượng các tác động. - Kỹ thuật tìm kiếm và phân tích lỗi. - Kỹ thuật định lượng độ bền và hiệu suất của thiết bị. 9 Đồ án tốt nghiệp 1.3. Hệ thống bảo dưỡng phòng ngõa (bảo dưỡng theo tình trạng) Bảo dưỡng phòng ngõa được áp dụng hầu hết các ngành công nghiệp. Khi công tác sửa chữa được thực hiện định kỳ theo một khoảng thời gian, thì công tác bảo dưỡng được gọi là bảo dưỡng theo thời gian ( Time Based Maintenance – TBM). Bảo dưỡng theo thời gian thường được thực hiện theo các chu kỳ thời gian ngắn hơn so với tuổi thọ của thiết bị. Khoảng thời gian này được xác định dùa theo sự phân bố các hư háng trong quá trình làm việc của từng thiết bị cụ thể. Nếu khoảng thời gian được đặt quá dài, các hư háng có thể xuất hiện do sự phân bố hư háng của máy, vì vậy khoảng thời gian giữa các kỳ bảo dưỡng phải đủ ngắn và khối lượng bảo dưỡng tăng lên. 10 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.3 mô tả hai phương pháp bảo dưỡng, phương pháp bảo dưỡng theo Møc ®é dao ®éng Møc ®é dao ®éng thời gian và phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng. HÖ thèng b¶o d­ìng theo thêi gian Thêi ®iÓm söa ch÷a theo lÞch Thêi gian Thêi ®iÓm c¸c kü s­ CDT yªu cÇu söa ch÷a HÖ thèng b¶o d­ìng theo t×nh tr¹ng H­ háng §iÓm gi¸m s¸t møc dao ®éng theo chu kú Thùc hiÖn söa ch÷a Thêi gian H×nh 1.3 B¶o d­ìng theo thêi gian vµ b¶o d­ìng theo t×nh tr¹ng 11 Đồ án tốt nghiệp Mặc dù các thiết bị được sửa chữa tất cả các hư háng nhưng sau mỗi lần sửa chữa, độ tin cậy của hệ thống vẫn không được nâng cao nh muốn. Vì vậy, phương pháp bảo dưỡng theo thời gian không đảm bảo độ tin cậy làm việc của máy còng nh tiết kiệm chi phí bảo dưỡng. Mặt khác, đối với phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng. Chu kỳ sửa chữa trong phương pháp bảo dưỡng theo thời gian được thay thế bằng chu kỳ chẩn đoán. Phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng có ưu điểm: - Vì tình trạng của thiết bị được giám sát một cách chặt chẽ, các chi phí phát sinh trong quá trình bảo dưỡng cũng như các hư háng có thể tránh được. - Khi không cần thực hiện các chu kỳ sửa chữa, các chi phí vật tư còng nh nhân công cho công tác bảo dưỡng giảm đi đáng kể, các sai sót của công nhân trong quá trình sửa chữa cũng có thể tránh được. 12 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 CƠ SỞ CỦA CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT BẰNG ĐO DAO ĐỘNG 2.1. Ý nghĩa và các dạng dao động của máy Khi máy móc xuất hiện các hiện tượng bất thường, trong phần lớn các trường hợp, chúng sẽ làm thay đổi biên độ và tần số dao động của máy. Do đó nếu dao động được đo và phân tích ta có thể xác định được các hư háng của máy mà không cần dừng hoặc tháo máy. Đây chính là lý do tại sao mà dao động được coi là đại lượng chỉ thị tình trạng của máy. Theo quan điểm chẩn đoán tình trạng máy đặc biệt là các máy quay, các dạng dao động của máy như ở hình 2.1 Dao động của máy có thể chia làm hai loại chính: - Dao động có quy tắc: Là loại dao động mà dạng sóng được xác định trực tiếp theo thời gian. - Dao động bất quy tắc: Là dao động mà dạng sóng của nó chỉ có thể xác định bởi các chỉ số thống kê trùc tiÕp theo thêi gian. - Dao ®éng bÊt quy t¾c: Lµ dao ®éng mµ d¹ng sãng cña nã chØ cã thÓ x¸c ®Þnh bëi c¸c chØ sè thèng kª nh giá trị trung bình µ và hệ số phân bè bè δ tại một thời điểm nào đó. Biên độ dao động có quy tắc d là một hàm của thời gian t : d = D(t) (2.1) Công thức này áp dụng cho dao động có chu kỳ và không có chu kỳ. Mặt khác, với các dao động bất quy tắc, sóng dao động thay đổi không theo quy luật thời gian và không thể mô tả chóng nh công thức (2.1). Để mô tả các dao động bất quy tắc này người ta dùng phương pháp thống kê. Để 13 Đồ án tốt nghiệp phục vụ cho việc chẩn đoán, cần phải nhận biết các dạng dao động như ở hình 2.1 tương ứng với dạng dao động của máy cần chẩn đoán và qua đó ta xác định phương pháp đo và phân tích. Dạng dao động thường gặp trong chẩn đoán các máy quay là các dao động có chu kỳ, dao động giả chu kỳ, dao động bất quy tắc có dải hẹp, dao động bất quy tắc có dải rộng. 14 Đồ án tốt nghiệp 15 Đồ án tốt nghiệp 16 Đồ án tốt nghiệp 2.2. Dao động điều hoà và đặc tính cơ bản Chuyển vị d theo thời gian t được mô tả bởi công thức: d = Dsin( 2πt/T + θ ) Trong đó : T là chu kỳ f là tần số quay, f = 1/T [ Hz] ω là tần số góc, ω = 2πf [rad/s] Trong các thông số của dao động điều hoà, giá trị trung bình d av và giá trị bình phương trung bình drms là hai thông số quan trọng. Giá trị d av là giá trị trung bình của 1 nửa chu kỳ. d rms tương ứng với độ lệch tiêu chuẩn trong các dao động bất quy tắc. Hệ số hình dạng F f dùng để thể hiện dạng sóng của dao động: dav = dav = Ff = drms/dav Hệ sè Crest Fc chỉ ra các thuộc tính ảnh hưởng của dạng sóng : Fc = D/drms Các giá trị dav, drms, Ff và Fc thường được sử dụng để chẩn đoán tình trạng máy như các chỉ thị số thể hiện đặc tính không chỉ dao động điều hoà mà còn cho các dạng dao động nói chung. 2.3. Dao động có chu kỳ Khi sóng dao động và được lặp lại sau mỗi chu kỳ T và biểu thức D(t) =D(t +nT) với ( n = 0, 1, 2…) được xác lập thì dao động được gọi là dao 17 Đồ án tốt nghiệp động có chu kỳ. Dao động có chu kỳ được coi là tổng của các dao động điều hoà có các tần số khác nhau. 2.4. Các dao động giả chu kỳ Dạng dao động bất quy tắc với tần số cao fs theo chu kỳ Ts(1/fs) tại tâm dao động xét một cách chính xác thì không phải là dao động có chu kỳ. Do đó, việc phân tích tần số được thực hiện, các giá trị cực đại cũng không thể chỉ ra chính xác trên đồ thị. Đặc biệt khi chẩn đoán tình trạng máy, thường ta phải xác định chu kỳ Ts nhưng nó không xuất hiện trên phổ tần số. 18 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LỆU 3.1 Gới thiệu về các loại cảm biến 3.1.1 Cảm biến rung  Nguyên lý cảm biến rung động Tuỳ theo dải tần số, cảm biến rung động được cấu tạo từ một loại cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc. §Õ H×nh 3.1 S¬ ®å nguyªn lÝ c¶m biÕn ®Þa chÊn( mass – spring) Chuyển động rung của khối lượng m được chuyển thành tín hiệu điện là đại lượng thứ cấp m2 cần đo. Nh trên hình vẽ: h0 tương ứng với tung độ điểm trên hộp h tương ứng với tung độ điểm trên khối lượng rung Khi không có tác động của gia tốc lên vỏ hộp thì ta có Z = h- h0 Và phương trình cân bằng giữa phản lực Cz, lực ma sát nhít F do gia tốc của khối lượng m gây lên sẽ có dạng. 19 và lực m Đồ án tốt nghiệp m =-F hay là m - Cz = -m +F + Cz Từ phương trình này ta thấy cấu tạo của loại cảm biến để đo đại lượng sơ cấp m1(độ dịch chyển, vận tốc hoặc gia tốc) phụ thuộc vào các đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2và dải tần số làm việc.  Lùa chọn đầu đo δm um m k b δ0 u0 H×nh 3.2 M« h×nh ®Çu ®o rung ®éng Các thực ( cần đo) là δ0, u0 . Các đại đo được δm, um. Ta thiết lập được hệ phương trình vi phân chuyển động -m hay m -b +b - kδ = 0 + kδ = m Với dao động kích động u = u0cosωt Tần số góc ω = 2πf f : tần số kích động δ = δ0cos(ωt - θ) Tính được các tỷ lệ: 20 đại lượng