Phát hiện sớm hư hỏng của ổ đỡ con lăn bằng phép lấy mẫu tín hiệu dao động trong miền vị trí góc

Nội dung text: Phát hiện sớm hư hỏng của ổ đỡ con lăn bằng phép lấy mẫu tín hiệu dao động trong miền vị trí góc

1. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về Động lực học và Điều khiển Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr. 351-356, DOI 10.15625/vap.2019000301 Phát hiện sớm hư hỏng của ổ đỡ con lăn bằng phép lấy mẫu tín hiệu dao động trong miền vị trí góc Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du* Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội *E-mail: du.nguyentrong@hust.edu.vn Tóm tắt Tuổi thọ của ổ đỡ con lăn trải qua 4 giai đoạn từ lúc Ổ đỡ con lăn là một chi tiết quan trọng trong hầu hết máy móc và mới (giai đoạn bình thường trong hình 1) cho tới giai đoạn thiết bị công nghiệp, đặc biệt là các hộp số cỡ lớn. Trong quá trình hư hỏng hoàn toàn (ngay sau giai đoạn 4 trong hình 1). vận hành của máy, mọi hư hỏng của ổ đỡ con lăn thường ảnh Trong giai đoạn 3 ổ đỡ con lăn bắt đầu hư hỏng và cũng hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của cả dây chuyền sản xuất. bắt đầu xuất hiện các tần số đặc trưng hư hỏng. Do đó việc Đo dao động bằng đầu đo gia tốc được gắn bên ngoài gối đỡ của chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn thường được giám sát từ ổ là một trong những biện pháp chính để giám sát tình trạng hoạt giai đoạn 1 đến giai đoạn 2. Khi ổ đỡ con lăn hỏng phần tử động của ổ đỡ con lăn. Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu và ứng nào (vòng ngoài, vòng trong, hay vòng cách) thì phổ đường dụng, phương pháp phân tích phổ tần số và phổ đường bao vẫn bao của các dao động tần số cao sẽ xuất hiện tần số đặc là một trong những phương pháp cơ bản để giám sát tình trạng trưng hư hỏng của phần tử đó theo công thức được xác định kỹ thuật của ổ đỡ con lăn. Sự hiện diện của các tần số đặc trưng trong bảng 1 [2], với z là số con lăn trong ổ; d, D lần lượt hư hỏng trong phổ đường bao tín hiệu chính là dấu hiệu hư hỏng là đường kính trong và đường kính ngoài của ổ đỡ con lăn; của các phần tử trong ổ đỡ con lăn. Tuy nhiên, phương pháp phân  là góc tiếp xúc. tích phổ đường bao tín hiệu chỉ áp dụng hiệu quả khi trục quay với tốc độ ổn định. Bài báo này đề xuất một thuật toán phân tích tín hiệu dao động đo được tại vỏ ổ lăn để có thể nhận dạng được các hư hỏng của các phần tử có trong ổ đỡ con lăn khi tốc độ quay của trục biến đổi. Từ khóa: Ổ đỡ con lăn, dao động, chẩn đoán hư hỏng, lấy mẫu tín hiệu, trung bình hoá tín hiệu. 1. Mở đầu Ổ đỡ con lăn là một trong những phần tử phổ biến nhất có trong máy, những hư hỏng của ổ đỡ con lăn là những lý do thường xuyên gây nên tình trạng dừng máy, ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình sản xuất. Đối với những ổ đỡ con lăn nhỏ ta hoàn toàn có thể thay thế bằng ổ lăn mới khi xảy ra hỏng hóc. Tuy nhiên với trường hợp ổ đỡ con lăn đặc chủng cỡ lớn (được sử dụng trong hệ thống cơ khí tại các nhà máy cán thép, nhiệt điện hay thủy điện) thì việc phát hiện sớm hư hỏng có thể đưa ra phương án dự phòng thay thế, tránh rủi ro phải dừng máy đột ngột. Giám sát hư hỏng ổ đỡ con lăn bằng tín hiệu dao động nhận được sự quan tâm thu hút của các nhà nghiên cứu trong những thập niên gần đây nhờ những lợi ích mà nó mang lại. Để có thể giám sát tình trạng kỹ thuật của ổ đỡ con lăn trước tiên cần phải hiểu rõ đặc điểm tín hiệu dao động của ổ đỡ con lăn. Đây Hình 1. Các giai đoạn trong một vòng đời của của ổ đỡ con lăn là một dạng tín hiệu điều biến biên độ bao gồm các thành phần tần số chính như sau [1] (hình 1): Trong những năm gần đây việc áp dụng những kỹ - Tần số quay cơ bản: Tần số quay của trục fn, 2fn, 3fn thuật xử lý tín hiệu số như phương pháp phân tích phổ - Tần số đặc trưng hư hỏng: Tần số đặc trưng hư hỏng vòng đường bao các dao động riêng tần số cao đã trở nên hiệu trong fvt, vòng ngoài fvn, con lăn fr quả trong việc chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn [3-5]. Để - Các điều hòa bậc cao của tần số đặc trưng hư hỏng 2fvt, thuận lợi cho việc tìm kiếm vùng dao động tần số cao, năm 3fvt, 2fvn, 2fr . 2010 Randall đã đề xuất phương pháp đồ thị Kurtogram - Các dải biên xung quanh tần số đặc trưng hư hỏng và các [6]. Vệc kết hợp giữa đồ thị Kurtogram và phương pháp điều hòa bậc cao của nó. phổ đường bao đã tạo thành một chu trình khép kín, nhằm
2. Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du phát hiện hư hỏng có trong ổ đỡ con lăn từ tín hiệu dao kiến các tần số đặc trưng cho hư hỏng trong phổ đường bao động đo được. Trong các tác giả áp dụng khá hiệu quả lớp sẽ không hiệu quả. Do đó tín hiệu cần được lấy mẫu lại phương pháp này có Eric Bechhoefer năm 2011 [7]. Tuy trong miền vị trí góc quay để loại bỏ ảnh hưởng của sự thay nhiên do mối liên hệ toán học giữa tần số đặc trưng hư đổi tốc độ quay trong phổ tần số. Để có thể lấy mẫu lại theo hỏng của ổ đỡ con lăn với tần số quay của trục (như trong từng góc quay bằng nhau, một thuật toán nội suy bậc 3 đã bảng 1) mà hiệu quả của loạt phương pháp này giảm đi rõ được áp dụng [8]. Khi đó tín hiệu từ tần số biến đổi sẽ trở rệt. Khi tốc độ quay của trục biến đổi việc xác định các tần thành tín hiệu có tần số không đổi như trên hình 3, do tín số đặc trưng hư hỏng trên phổ đường bao là khá phức tạp. hiệu được chia thành những đoạn bằng nhau trong mỗi vòng quay. Bảng 1. Tham số của hệ Công thức tính tần số đặc trưng Chi tiết hư hỏng zd Vòng ngoài f (1 cos ) f ()Hz vn n 2 D zd Vòng trong f (1 cos ) f ()Hz vt2 D n Dd 2 Con lăn frn [1 ( cos ) ] f ()Hz dD fn d Vòng cách fg (1 cos ) ()Hz Hình 2. Lấy mẫu tín hiệu khi tốc độ quay không đổi 2 D Để khắc phục vấn đề trên, tín hiệu cần được lấy mẫu lại từ tín hiệu trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền vị trí góc của trục. Tín hiệu pha được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu nhằm mục đích lấy mẫu lại tín hiệu để trong mỗi vòng quay các đoạn tín hiệu sẽ có cùng kích thước. Khi đó phổ đường bao của tín hiệu sẽ được thay thế bằng phổ bậc của vòng quay trục. Điều này làm loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ quay của trục đến tần số đặc trưng hư hỏng của ổ đỡ con lăn. Đây cũng chính là mục tiêu chính mà phương pháp đề xuất trong bài báo cần đạt tới để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn trong trường hợp tốc độ quay biến đổi (quá trình máy tăng tốc). 2. Phép lấy mẫu lại trong miền vị trí góc Thông thường, các tín hiệu dao động được lấy mẫu theo thời gian, cứ sau mỗi khoảng không đổi, tín hiệu được Hình 3. Lấy mẫu tín hiệu khi tốc độ quay biến đổi lấy mẫu một lần (hình 2) bởi thiết bị đo và thu thập tín hiệu. Trong phương pháp lấy mẫu theo miền vị trí góc quay, Phép biến đổi Fourier thường được sử dụng để phân tích thay vì lấy mẫu sau một khoảng thời gian không đổi, tín phổ tần số hay phổ đường bao của tín hiệu trong miền thời hiệu sẽ được lẫy mẫu sau khi trục quay được những góc gian. Dấu hiệu (triệu chứng) hư hỏng của ổ đỡ con lăn dễ không đổi như hình 3, tức là dàng được quan sát thấy nhờ sự xuất hiện của các tần số đặc trưng hư hỏng xn[] Aejn (2) jfnt2 xn[] t Ae (1) trong đó là khoảng góc quay. Khi phân tích phổ tín hiệu trong miền vị trí góc ta sẽ thu được phổ tín hiệu không theo Khi tốc độ quay của trục thay đổi, việc lấy mẫu tín tần số mà theo số nguyên lần vòng quay của trục, sau đây hiệu trong miền thời gian được thể hiện như trên hình 3. gọi tắt là phổ bậc. Do tần số quay của trục biến đổi theo thời gian nên tần số Hình 4 biểu diễn một tín hiệu dao động được lấy mẫu đặc trưng hư hỏng của ổ đỡ con lăn cũng thay đổi theo trong miền thời gian và trong miền vị trí góc của trục đầu công thức trong bảng 1. Trong trường hợp này, việc tìm vào tại một hộp số bánh răng vận hành với tốc độ biến
3. Phát hiện sớm hư hỏng của ổ đỡ con lăn bằng phép lấy mẫu tín hiệu dao động trong miền vị trí góc thiên. Căn cứ vào tín hiệu pha tham chiếu trên trục dẫn, tín Các thông số trong miền vị trí góc được suy diễn từ hiệu được đo trong khoảng T = 3s (hình 4a) tương ứng với miền thời gian bao gồm: Độ phân giải trên trục hoành miền 80 vòng quay trục đầu vào (hình 4b). So sánh 2 phổ trên vị trí góc, giới hạn trên trục hoành và các trị số điểm rời hình 4c và 4d ta có thể nhận thấy phổ bậc biểu diễn các tần rạc trên trục hoành: số quay rất rõ ràng khi tốc độ quay của trục biến đổi.  tRt ; nn  Các thông số trong miền bậc được suy ra tương tự như trong miền tần số bao gồm: độ phân giải trong miền bậc, giới hạn trên trục hoành trong miền bậc, các trị số rời rạc a) trong miền bậc:  foFOfosskk;  4. Phương pháp đề xuất Trên cơ sở tín hiệu pha đo được có thể xác định được các thời điểm trục quay hết một vòng. Giả sử ti là thời điểm tín hiệu pha bắt đầu và ti+1 là thời điểm tín hiệu pha kết b) thúc khi đi qua vòng quay thứ n của trục quay. Tương ứng thời điểm bắt đầu và kết thúc đó, do tốc độ quay của trục thay đổi liên tục nên tín hiệu gia tốc đo được có kích thước khác nhau trong mỗi vòng quay. Để kích thước tín hiệu trong mỗi vòng quay bằng nhau, cần sử dụng một phép nội suy bậc 3. Nhiệm vụ của phép nội suy bậc 3 này sẽ là lược bỏ bớt hoặc thêm vào một số điểm dữ liệu (trên cơ sở dữ liệu đã có) để số điểm lấy mẫu trong mỗi vòng quay là c) bằng nhau. Khi đó tín hiệu thu được là tín hiệu trong miền vị trí góc với trục hoành là tần số quay của trục và trục tung là tín hiệu gia tốc được lấy mẫu lại (như trên hình 3). Tín hiệu sau khi lấy mẫu lại được đưa vào phép biến đổi Fourier để phân tích phổ bậc. Tiến hành lọc thông dải với vùng tần số cao trong phổ bậc và phân tích Hilbert 1fn vùng tần số cao này sẽ thu được phổ đường bao của tín d) hiệu trong miền vị trí góc. Trên phổ đường bao xuất hiện 3fn 2fn các bậc điều hoà của tần số đặc trưng hư hỏng được biểu diễn theo tần số quay của trục (bảng 1). Ưu điểm của phương pháp đề xuất đó là thay vì tìm kiếm trực tiếp các tần số đặc trưng hư hỏng, thì sẽ đi tìm một hệ số bằng số lần tần số quay của trục (chính là tần số Hình 4: Tín hiệu dao động được lấy mẫu trong miền thời gian đặc trưng hư hỏng như bảng 1). Điều này sẽ loại bỏ được (a) và miền vị trí góc (b); các phổ tương ứng (c,d) ảnh hưởng của tốc độ quay biến đổi đến việc chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn. Sơ đồ thuật toán của phương pháp đề Bảng 2 là các thông số cơ bản biểu diễn trong miền vị xuất được trình bày như trên hình 5. trí góc và miền bậc. Bảng 2. Các thông số cơ bản biểu diễn tín hiệu trong miền vị trí góc và miền bậc Thông số biểu diễn Miền vị trí góc Miền bậc Độ phân dải  1/Os 11 O o s RN(1)  N 1 Giới hạn RN (1) OONs /2(Bậc Nyquist) n 1 (1)k n (1)n okk (1) o Trị số các điểm rời rạc Os R (n =1, 2, , N) (k =1, 2, , N) (n =1, 2, , N)
4. Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du Ổ đỡ con lăn Đo gia tốc Đo tín hiệu pha Lấy mẫu lại tín Chọn hàm nội suy hiệu miền góc Phân tích FFT/Hilbert Phổ đường bao Hỏng vòng Hỏng vòng Hỏng Hỏng viên bi ngoài trong vòng cách Hình 5. Phương án đề xuất. Bảng 3. Tần số đặc trưng hư hỏng với các tốc độ quay thấp nhất và cao nhất Tần số đặc trưng hư hỏng Tốc độ trục quay thấp là 22.83Hz Tốc độ trục quay cao 30.05Hz Vòng trong: 9.33.fn 213 Hz 280.37 Hz Trong bộ dữ liệu đo này, mức độ hư hỏng vòng trong của 5. Kết quả thực nghiệm ổ đỡ con lăn gia tăng trong 50 ngày liên tục tương ứng với 50 bộ dữ liệu đo được cung cấp cho các nhà nghiên cứu. Tốc độ quay của trục sau khi tái tạo lại từ tín hiệu pha Để kiểm chứng hiệu quả của phương pháp đề xuất, (tachometer) được biểu diễn như trên hình 6. Quan sát trên một bộ dữ liệu đo hư hỏng ổ đỡ con lăn của Tuabin gió hình vẽ này ta thấy rõ tốc độ quay biến đổi từ 22.83Hz đến công suất 2MW lắp trên trục quay tốc độ cao có bánh răng 30.05Hz. Tín hiệu gia tốc và tín hiệu pha được đo với tần 20 răng [7]. số lấy mẫu 97656 Hz trong khoảng thời gian 6 giây. Do tốc độ quay biến đổi nên tần số tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong sẽ thay đổi từ 213Hz đến 280.37Hz như trên bảng 3. Khi xử lý tín hiệu đo được theo phương pháp truyền thống (như phân tích FFT) thông tin về vùng tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong này không được lộ ra (hình 7). Ngay kể cả khi phân tích phổ đường bao của vùng tần số có mức năng lượng cao (từ 8000Hz cho đến 12000Hz) cũng không thu được thông tin nào hữu ích. Đây chính là hạn chế mà phép biến đổi Fourier khi xử lý tín hiệu có tần số quay biến đổi. Hình 6. Tái tạo tốc độ quay từ tín hiệu pha
5. Phát hiện sớm hư hỏng của ổ đỡ con lăn bằng phép lấy mẫu tín hiệu dao động trong miền vị trí góc Hình 7: Phổ tín hiệu trước đồng bộ và phổ đường bao vùng tần số cao Hinh 8: Phổ tín hiệu sau đồng bộ và phổ đường bao vùng tần số cao
6. Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Trọng Du Áp dụng phương pháp đề xuất lấy mẫu lại tín hiệu diagnostics_A tutorial. Mechanical Systems and Signal trong miền vị trí góc kết quả thu được là phổ bậc như trên Processing, 25, 485-520. 2011 hình 8. Tiến hành lọc thông dải sau đó phân tích phổ đường [7] Bechhoefer, E., & Kingsley, M. Bearing Envelope Analysis bao trong vùng bậc từ 200f đến 500f , sẽ thấy xuất hiện n n Window Selection Using Spectral Kurtosis Techniques. các hệ số bậc: 9.33fn, 18.67fn, 28fn (hình 8), tương ứng như trên bảng 3 chính là tần số đặc trưng hư hỏng vòng trong Proceedings of Prognostics and Health Management (PHM), và các điều hòa của nó. Hơn nữa trên phổ đường bao còn Montreal, QC, Canada. 2011 thấy rõ các tần số ăn khớp và điều hoà ăn khớp của bánh [8] Fritsch, F.N., & Carlson, R.E. Monotone piecewise cubic răng lắp trên trục (tương ứng với các hệ số 20fn, 40fn, 60fn). interpolation. SIAM Journal of Numerical Analysis, 17, 238– Như vậy với phương pháp đề xuất đã không trực tiếp đi 246. 1980 tìm tần số đặc trưng hư hỏng mà tiến hành tìm gián tiếp tần số đặc trưng hư hỏng thông qua việc tìm kiếm các hệ số (bằng một số lần tần số quay của trục). Chính vì vậy phương pháp đề xuất đã khắc phục được những hạn chế mà các phương pháp chẩn đoán ổ đỡ con lăn truyền thống mang lại. 7. Kết luận Bài báo đã đề xuất một phương pháp hiệu quả để chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ lăn trên cơ sở thuật toán lấy mẫu lại trong miền vị trí góc. Tín hiệu sau khi lấy mẫu lại đã loại bỏ được ảnh hưởng của tốc độ quay biến đổi. Trên cơ sở đó, một quy trình chẩn đoán hư hỏng ổ đỡ con lăn trong miền vị trí góc đã được đưa ra. Để đánh giá hiệu quả quy trình này một bộ số liệu hư hỏng ổ đỡ con lăn của Tuabin gió đã được áp dụng. Kết quả cho thấy với các phương pháp truyền thống, như phân tích phổ hoặc phổ đường bao, không thể nhận dạng được các tần số đặc trưng hư hỏng. Trong khi đó, với quy trình chẩn đoán trên cơ sở phương pháp đề xuất đã nhanh chóng xác định được tần số đặc trưng hư hỏng và các bậc điều hoà của nó. Đây chỉnh là điểm đặc sắc nổi bật mà bài báo mang lại. Từ những kết quả này có thể mở rộng triển khai để chẩn đoán hư hỏng của các phần tử khác có trong hộp số của máy như trục hoặc bánh răng. Đặc biệt với những hư hỏng đồng thời hỏng của nhiều phần tử khác nhau. Tài liệu tham khảo [1] Bilosova, A.L., & Bilos, J. Vibration Diagnostics. Technical University of Ostrava, Czech republic, 2012 [2] Randall, R.B. Vibration-based Condition Monitoring: Industrial, aerospace and automotive applications. New York: Wiley, 2011 [3] Điền, N.P., & Du, N.T. Nhận dạng hư hỏng của ổ bi trong quá trình vận hành bằng phân tích Wavelet các dao động riêng tần số cao. Tạp chí khoa học công nghệ năng lượng, Trường ĐH Điện Lực, 6, 24-30. 2013 [4] A. A. Roque, T.A.N.S., J. M. F. Calado and J. C. Q. Dias. An Approach to Fault Diagnosis of Rolling Bearings. 188-197. 2009 [5] Dien, N.P. Fault diagnosis in ball bearing using the envelope analysis and the wavelet analysis. Proc. of National Conference on Mech., Hanoi, 78-85. 2004 [6] Robert B. Randall, J.A. Rolling element bearing