Luận văn Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ RUNG CỦA ĐỘNG CƠ NHẰM ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 S K C0 0 4 4 3 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ RUNG CỦA ĐỘNG CƠ NHẰM ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ RUNG CỦA ĐỘNG CƠ NHẰM ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HUY BÍCH Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: ĐOÀN MINH TƯỜNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/ 04 /1982 Nơi sinh: Lâm Đồng Quê quán: Lâm Đồng Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Tân Hà, Lâm Hà, Lâm Đồng Đơn vị công tác: Trường Cao Đẳng Nghề số 8 (BQP), đường Bùi Xuân Hòa, Kp 3, phường Long Bình Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai Điện thoại đơn vị: 0613.930.082 Điện thoại riêng: 0976.971.128 Fax: 0613.937.379 E-mail: minhtuongspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung cấp: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 09/2007 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí động lực Tên đồ án tốt nghiệp: “Băng Thử Công Suất Động Cơ” Ngày & nơi bảo vệ tốt nghiệp: 4/2007 tại Trường Đh. SPKT Tp.HCM Giảng viên hướng dẫn: Thạc sĩ Đỗ Quốc Ấm III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 – 2010 Cty. Cổ phần tư vấn xây dựng điện 2 Nhân Viên Phòng Sản Xuất 2010 – 2011 Trường Cao Đẳng Nghề Đà Lạt Giáo Viên Hiện nay Trường Cao Đẳng Nghế số 8 Giáo viên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 9 năm 2014 Ký tên ii
6. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học, Khoa Cơ Khí Động Lực, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và đặc biệt Khoa cơ khí trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Nguyễn Huy Bích trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho Tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của Tôi và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2014 Học viên thực hiện iii
7. TÓM TẮT Phương pháp chẩn đoán kỹ thuật động cơ thông qua tín hiệu rung động của động cơ lần đầu tiên được trình bày trong quyển luận văn này. Tác giả đã xây dựng, thiết kết và thi công sản phẩm TVE-T01 để thu thập tín hiệu rung động của động cơ, lập trình xử lý và phân tích tín hiệu rung của động cơ dưới dạng phổ tần số bằng thuật toán FFT trong môi trường phần mền LabVIEW. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thật. Kết quả đã chẩn đoán thành công các lỗi kỹ thuật cơ khí cơ bản của động cơ như: Bigi không đánh lửa, bu gi mòn điện cực, xéc măng bị mòn. Việc sản phẩm TVE-T01 thu nhận tín hiệu rung của động cơ và kết quả thực nghiệm nghiên cứu chẩn đoán kỹ thuật động cơ bước đầu đạt được một số thành công nhât định, nhưng đây là bước ngoặt mới trong kỹ thuật chẩn đoán động cơ làm cơ sở chế tạo các thiết bị giám sát, chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ. iv
8. ASTRACT A methods technical engine diagnostics via vibration signals of the engine was first presented in this thesis book. The author has developed, designed and constructed the TVE-T01 to collect vibration signals of the engine, programmable processing and analysis of engine vibration signal in the form of frequency spectrum by FFT algorithm in LabVIEW software environment. Empirical research was on the real engines. The results were successfully diagnosed the faults basic of mechanical engine as: plug without ignition, worn out spark plugs electrodes, cement rings were worn. The TVE-T01 collected vibration signals of the engine and the experimental results of diagnostic studies and technical engine initially achieved some limited success, but this is a new landmark in the engine diagnostic techniques as a basis for making monitoring devices, diagnostic status of the engine work. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Tóm tắt iv Astract v Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2 1.3 Mục đích của đề tài 5 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 5 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 5 1.4.2 Giới hạn đề tài 5 1.5 Phương pháp nghiên cứu. 5 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Lý thuyết rung động máy 6 2.1.1 Định nghĩa rung động 6 2.1.2 Tính chất của rung động 7 2.1.3 Miền thời gian 8 2.1.4 Miền tần số 9 vi
10. 2.2 Rung động của động cơ 10 2.2.1 Hư hỏng ở bugi 11 2.2.2 Xéc măng bị mòn 11 2.2.3 Không cân bằng do quán tính 12 2.2.4 Phương pháp tính tần số rung của động cơ 12 2.2.5 Hậu quả của rung động 12 2.3 Phương pháp xử lý và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu rung 13 2.3.1 Lý thuyêt tín hiệu và xử lý tín hiệu 13 2.3.2 Phương pháp phân tích tín hiệu rung động 14 2.3.2.1 Phương pháp phân tích hình bao 14 2.3.2.2 Phương pháp phân tích Kurtosis 15 2.3.2.3 Phép biến đổi Fourier FFT 16 2.3.2.4 Ứng dụng biến đổi Fourier để phân tích tín hiệu rung động 18 2.3.3 Cảm biến đo rung động 20 2.4 Phần mềm LabVIEW 23 2.5 Phần mền PSoC Designer 24 2.6 Phần mền Ocard 24 Chương 3. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ 25 3.1 Tổng quan mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật của động cơ 25 3.1.1 Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm 25 3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động mô hình thực nghiệm 26 3.2 Thiết kế, chế tạo bộ TVE –T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ. 27 3.2.1 Quy trình thiết kế và chế tạo 27 3.2.2 Thiết kế phần cứng 27 3.2.2.1 Thiết kế khối nguồn 27 3.2.2.2 Thiết kế khối vi điều khiển PSoC 29 3.2.2.3 Thiết kế khối A/D 33 3.2.2.4 Thiết kế khối UART 34 vii
11. 3.2.2.5 Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc 34 3.2.2.6 Thiết kế khối truyền dữ liệu 34 3.3 Thiết kế phần mềm 37 3.3.1 Thuật toán chương trình điều khiển, xử lý dữ liệu 37 3.3.2 Lập trình điều khiển trên board mạch thu thập và xử lý dữ liệu 38 3.3.3 Lập trình điều khiển, thu thập phân tích và hiển thị kết quả 39 3.4 Bộ tích hợp TVE-T01 chẩn đoán kỹ thuật động cơ 41 Chương 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 42 4.1 Các phương án thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ 42 4.2 Phương tiện thực nghiệm và điều kiện thực nghiệm 42 4.2.1 Động cơ dùng trong thực nghiệm 42 4.2.2 Bộ chẩn đoán kỹ thuật động cơ TVE-T01 43 4.2.3 Các thiết bị khác 43 4.2.4 Điều kiện thực nghiệm chung 43 4.3 Thực nghiệm và kết quả 44 4.3.1 Kiểm tra mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ 44 4.3.2 Trường hợp 1 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) 45 4.3.3 Trường hợp 2 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) 47 4.3.4 Trường hợp 3 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) 49 4.3.5 Trường hợp 4 (kết quả xử lý sau 6 lần đo, xem phụ lục) 51 4.3.6 Tổng hợp kết quả so sánh thực nghiệm 53 Chương 5. KẾT LUẬN 55 5.1 Kết luận 55 5.2 Hướng phát triển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 viii
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT TVE-T01 : Test Viration Engine – Bộ thu tín hiệu rung động của động cơ PSoC : Programmable System on Chip – Hệ thống khả trình trên vi điều khiển LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa. RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị ngoại vi với máy tính. UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Mạch tích hợp giao tiếp giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi DC : Direct Current – Dòng điện một chiều. AC : Alternating current – Dòng điện xoay chiều AMP : Amplifier – Bộ khuếch đại. IC : Integrated circuit – Vi mạch tích hợp FFT : Fast Fourier transform – Phép biến đổi nhanh Fourier HFRT : Hight Frequency Resonance Technique – Cộng hưởng cao tần ADC : Analog-to-Digital Converter chuyển đổi analog sang Digital DAC : Digital to Analogue Converter bộ chuyển đổi tín hiệu số sang analogue USB : Univeral Serial Bus là 1 chuẩn kết nối các thiết bị điện tử RPM : Revolutions Per Minute số vòng quay trong một phút CPS : Cycles Per Second vòng / giây 1SZ-FE : Gasonline direct injection Supercharged Economy type engine Electronic fuel injection Động cơ Toyota phun xăng trực tiếp. ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Các dạng đồ thị phương trình rung động máy 6 Hình 2.2: Các dạng rung động. 8 Hình 2.3: Biểu đồ rung động miền thời gian và đường cong rung động riêng, đường cong rung động tổng hợp miền thời gian 9 Hình 2.4: Tín hiệu rung động miền tần số 10 Hính 2.5: Nguồn gây ra rung động của động cơ 11 Hình 2.6: Mối liên hệ giữa rung động theo thời gian, rung động theo tần số 19 Hình 2.7: Đặc tính tần số với giới hạn ứng dụng của cảm biến. 20 Hình 2.8. Đặc tính tần số của cảm biến đo điện áp 21 Hình 2.9: Cảm biến MMA7361 21 Hình 2.10: Sơ đồ khối của cảm biến MMA7361 22 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến MMA7361 23 Hình 3.1: Mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ 25 Hình 3.2: câu trúc mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ 26 Hình 3.3: Quy trình chế tạo 27 Hình 3.4: Cổng USB của máy tính 28 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của nguồn 5V sử dụng LD1085V50 28 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của nguồn 3,3V sử dụng ASM1117 29 Hình 3.7: Cấu trúc của một vi điều khiển PSoC 30 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bên trong của CY8C3245PV1. 31 Hình 3.9: Thiết kế khối A/D trong PSoC 33 Hình 3.10: Thiết kế khối UART trong PSoC 34 Hình 3.11: Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc MMA7361 34 Hình 3.12: Sơ đồ khối UART cho board mạch chủ. 35 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý của vi điều khiển PsoC 35 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối lọc nguồn 36 x
14. Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối cảm biến gia tốc 36 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối reset và khối nạp chương trình SWD 36 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn và khối dao động 36 Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển, xử lý dữ liệu 37 Hình 3.19: Một phần thuật toán chương trình điều khiển trong môi trường PSoC . 38 Hình 3.20: Lưu đồ thuật toán lập trình lưu trữ và xuất kết quả trong LabVIEW 39 Hình 3.21: Sơ đồ lập trình xử lý tín hiệu 39 Hình 3.22: Sơ đồ lập trình phân tích và xuất kết quả 40 Hình 3.23: Kết quả hiển thị 40 Hình 3.24: Bộ tích hợp TVE-T01 41 Hình 4.1: Giao diện hiển thị kết quả thực nghiệm trong môi trường LabVIEW. 44 Hình 4.2: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động bình thường 45 Hình 4.3: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 46 Hình 4.4: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với máy số 1 bị mất lửa 47 Hình 4.5: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 47 Hình 4.6: Kế quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp hai 48 Hình 4.7: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với bugi máy số 1 bị mòn 49 Hình 4.8: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 49 Hình 4.9: Kế quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp ba 50 Hình 4.10: Kết quả đo tại máy số 1 động cơ hoạt động với xéc măng máy số 1 bị mòn 51 Hình 4.11: Một phần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 51 Hình 4.12: Kết quả so sánh giữa trường hợp một và trường hợp bốn 52 xi
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 4.1: Các phương án thực nghiệm 42 Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật động cơ Toyota 1SZ-FE [15]. 42 Bảng 4.3: Danh sách các thiết bị khác liên quan đến quá trình thực nghiệm 43 xii
16. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Hàng năm, các công ty sản xuất ô tô phải bỏ ra một khoản chi phí khá lớn để sửa chữa bảo dưỡng động cơ. Khi sự cố xảy ra sẽ gây ra những tổn thất rất lớn cho sản xuất cũng như công tác quản lý bảo dưỡng sửa chữa. Xuất phát từ những vấn đề này, ngành công nghiệp ô tô đã có những giải pháp chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ với sự trợ giúp của các ngành như công nghệ điện tử, công nghệ thông tin thì kỹ thuật giám sát và chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ đã có những bước tiến nhảy vọt. Các thuật toán như FFT [01] và những phần mềm quản lý đã được ứng dụng vào khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cho phép giám sát và chẩn đoán chính xác tình trạng làm việc của động cơ. Hệ thống giám sát sẽ chịu trách nhiệm phân tích các hiện tượng xuất hiện trong quá trình làm việc của động cơ như tiếng ồn, rung động và kiểm tra tình trạng làm việc thực tế của động cơ, phát hiện các trạng thái làm việc bất thường của động cơ, từ đó có thể chẩn đoán được tình trạng làm việc của động cơ cũng như những hư hỏng. Khi động cơ làm việc, ảnh hưởng của sự rung động là rất nghiêm trọng. Động cơ có thể bị thiệt hại bởi sự rung động. Nếu sự rung động xảy ra khi có sự công hưởng tần số thì nó có thể làm nứt hoặc gãy một vài phần như là đai ốc, bu lông bởi do mỏi. Rung động mang tính dây chuyền do đó từ một chi tiết rung động bất thường sẽ gây ra các hư hỏng cho nhiều chi tiết trên động cơ. Sự rung động nếu không được loại bỏ, cách ly thì nó truyền qua bất kỳ hệ thống nào liên kết với động cơ như hệ thống điện, hệ thống treo, hệ thống lái, hệ thống truyền động, hộp số, vi sai, khung sườn ô tô, v.v. Chính vì vậy “Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ” là một công việc hết sức quan trọng và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán, bảo dưỡng sửa chữa và phòng ngừa hư hỏng động cơ. 1
17. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay, trên thế giới có nhiều nhà khoa học, nhiều kỹ sư đã nghiên cứu về rung động của động cơ và đã đạt được những kết quả thiết thực mang tính ứng dụng thực tiễn cao. Hoàng Ngọc Thiên Vũ [02] đã nghiên cứu và xây dựng được phần mền chẩn đoán hư hỏng cơ bản trong truyền động bánh răng, dựa trên phương pháp wavelet packet. Thực nghiệm thông qua thu và xử lý tín hiệu rung động từ hệ thống cơ khí, đã thu được những kết quả khả quan như: nhận rạng được những hư hỏng truyền động bánh răng, thiết kế được chương trình phép biến đổi Fourier, phương pháp wavelet packet, tạo nền tảng cho việc thu nhận tín hiệu rung động. Mô hình thực nghiệm được hư hỏng cơ bản của truyền động bánh răng như: mòn răng và tróc rỗ bề mặt răng. Tuy nhiên chưa xây dựng được biểu đồ pha của tín hiệu dao động, chưa phát triển rộng để chẩn đoán hư hỏng ở khớp nối, truyền đai, v.v Nguyễn Văn Nghĩa [03] đã nghiên cứu những vấn đề chẩn đoán kỹ thuật cho động cơ điện kéo của đầu máy và ứng dụng mạng neron, đi sâu giải quyết bài toán chẩn đoán dựa trên khâu ước lượng thông số bằng mạng neron RBF và đã xây dựng được mô hình cấu trúc và phân tích mô hình grap động cơ điện kéo của đầu máy trong trạng thái hoạt động, thông số chẩn đoán phù hợp cho bài toán phát hiện lỗi và phân biệt lỗi động cơ điện kéo của đầu máy theo khả năng thu thập dữ liệu. Đề tài đã giải quyết được bài toán chẩn đoán kỹ thuật dựa trên khâu ước lượng thông số bằng mạng nơron RBF, lắp đặt và thu thập số liệu trên đầu máy D14Er số hiệu 2014 của Xí nghiệp Đầu Máy Yên Viên. Tuy nhiên, đề tài chưa tìm ra được quy luật thay đổi của từng thông số cũng như mối quan hệ giữa các thông số của động cơ điện kéo của đầu máy. Đặng Đình Được [04] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghiệm động cơ đốt trong để chuyển đổi các thông số đo trên băng thử thủy lực FROUDE và động cơ là lựa chọn phù hợp. Đề tài đã xác định được các thông số trong hệ thống thí nghiệm như tốc độ, momen, nhiệt độ, lưu lượng khí nạp, rung động và sự tồn tại của ô xi trong khí thải cho phép đánh giá được chất lượng hoạt 2
18. động của động cơ. Tuy nhiên, đề tài chưa xử lý, phân tích tín hiệu rung động để chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ. Cần thực nghiệm thêm những thông số như: lượng tiêu hao nhiên liệu, áp suất trong xi lanh, v.v. Czech, P., !azarz, B., Madej, H., Wojnar [05] đã nghiên cứu và xây dựng phương pháp phát hiện những hư hỏng trong hệ thống cơ khí của động cơ thông qua chẩn đoán tín hiệu rung động của động cơ. Đề tài chủ yếu nghiên cứu về rung động sinh ra do sự va đập giữa piston và xi lanh, nguyên nhân do khe hở giữa piston và xi lanh quá lớn trong xi lanh. Những tín hiệu rung động sẽ được phân tích qua bộ chuyển đổi loại ICP và được điều khiển bởi một chương trình trong môi trường LabVIEW. Từ kết quả thực nghiệm, thông qua sự rung động có thể chẩn đoán được sự cố xảy trên động cơ. Tuy nhiên vẫn chưa xác định chính xác do piston hay xi lanh nào bị sự cố. Agostoni [06] tác giả nghiên cứu rung động do lực tác dụng lên các chi tiết của động cơ, chi tiết mất cân bằng quán tính và đã đưa ra được các giải pháp làm giảm rung động. Một chương trình kiểm soát rung động với sự hỗ trợ bằng máy tính để kiểm soát rung động do mất cân bằng quán tính. Thực nghiệm trên mô hình xe máy. Thiết kế tối ưu hóa động cơ xe máy, giảm thiểu lực truyền vào khung xe, giảm sự lan truyền rung động tác dụng lên người điều khiển. Thiết kế chế tạo làm giảm sự tác dụng của lực lên các chi tiết có kết cấu liên kết. Đề tài chưa ứng dụng vào chẩn đoán những sự cố qua tín hiệu rung động, chưa đánh giá được ảnh hưởng của của rung động đến tình trạng làm việc của động cơ. Lech Sitnik, Monika Magdziak–Tokáowicz, Radosáaw Wróbel. [07] nhóm tác giả đã nghiên cứu và so sánh được các phép đo sự rung động trên các loại động cơ khác nhau được gắn trên xe. Thực nghiệm đo rung động trong trường hợp xe tĩnh và trường hợp các bánh xe được kích lên để giảm ảnh hưởng của rung động tới kết quả đo. Thực nghiêm trên hai loại động cơ: 1.4BZ90CVCD và động cơ có trang bị bộ tăng áp 1.4BZ120CVDC trong cùng một điều kiện như nhau. A PSV-400 Laser Doppler vibrometer được sử dụng để đo độ rung theo vận tốc. Dữ liệu thu được thông qua phép biến đổi FFT phân tích phổ của tần số rung động. Vận tốc tối đa và 3
19. rung động rất lớn khi sử dụng bộ tăng áp và xe thực nghiệm tĩnh. Vận tốc và rung động sẽ giảm khi động cơ sử dụng bộ tăng áp và các bánh xe được kích lên. Sự phân phối rung động không thay đổi khi kích xe lên, nhưng biên độ rung động thì thay đổi. Đề tài chưa tìm được ảnh hưởng của rung động tới tình trạng hoạt động của động cơ và chưa phát hiện được các hư hỏng. Burdzik, Dolecek [08] đã nghiên cứu và thực nghiệm phân tích sự truyền rung động trên xe. Sự rung động truyền từ động cơ tới người lái, hành khách và hàng hóa. Có hai loại rung động cơ bản: rung động do trạng thái hoạt động, kết cấu của động cơ và rung động gây ra bởi sự xáo trộn trong thời gian ngắn. Tác giả đã sử dụng thiết bị đo gia tốc trên ba hướng chủ yếu đo rung động của xe phát ra, tín hiệu được sử lý trong môi trường Matlab và biến đổi FFT trong thời gian ngắn để phân tích phổ tần số rung. Thực nghiệm đo rung động ở các tốc độ 750, 1500, 2000, và 3000 (vòng/phút). Từ những kết quả đo trên đã đưa ra được các hướng phát triển như sau: Thiết kế và lắp ráp kết cấu của xe nhằm giảm sự rung động và truyền rung động cho người lái và hành khách. Áp dụng công nghệ mới và công nghệ chế tạo vật liệu cũng giúp giảm đáng kể sự rung động. Tuy nhiên không thể loại trừ tác động xấu trong sản xuất, chế tạo có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu, nó có thể ảnh hưởng xấu tới rung động của xe. Nghiên cứu sự truyền rung động cũng chưa xác định được những sự cố và chẩn đoán hư hỏng của động cơ. 4
20. 1.3 Mục đích của đề tài Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ, góp phần nâng cao hiệu quả trong công tác chẩn đoán kỹ thuật, bảo dưỡng sửa chữa động cơ. 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.4.1 Nhiệm vụ đề tài Tìm hiểu tổng quan về những hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng của các chi tiết cơ khí trên động cơ. Thu thập các số liệu rung động của động cơ. Nghiên cứu bộ xử lý tín hiệu rung, lập trình điều khiển bằng phẩn mềm PSoC Desiger và LabVIEW. Nghiên cứu thuật toán FFT và ứng dụng phân tích phổ của tín hiệu. Thiết kế, thi công mô hình thực nghiệm phân tích phổ tần số rung động, làm cơ sở nhận dạng được các hư hỏng cơ khí cơ bản hoặc dự báo các hư hỏng. Thực nghiệm và đánh giá kết quả nghiên cứu 1.4.2 Giới hạn đề tài Do điều kiện kinh tế và trình độ có hạn mà đề tài giới hạn trong phạm vi: Nghiên cứu phổ tần số rung của động cơ ảnh hưởng bởi một số chi tiết cơ khí cơ bản trên động cơ Toyota 1SZ-FE được gá lắp trên mô hình. Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ hoạt động ở tốc độ cầm chừng. Chỉ thực nghiệm chẩn đoán rung động theo phương thẳng đứng (Z). 1.5 Phương pháp nghiên cứu. Thu thập dữ liệu và chọn lọc về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan. Thực nghiệm và đánh giá kết quả thông qua việc thu nhận và xử lý tín hiệu rung động phát ra từ động cơ. So sánh đánh giá với các công trình đã nghiên cứu. 5
21. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết rung động máy 2.1.1 Định nghĩa rung động Sự rung động được định nghĩa một cách khoa học là sự dao động của vật thể về vị trí. Trong quá trình rung động, vật thể đi qua những vị trí khác nhau và trở về lại điểm mà ở đó nó sẵn sàng để lặp lại sự dao động và có tính chu kỳ T. Một đồ thị hay biên dạng rung động được thể hiện trong hình 2.1a cho thấy chu kỳ T và khoảng dịch chuyển cực đại hay biên độ X0. Nghịch đảo của chu kỳ này, được gọi là tần số f của rung động được biểu diễn trong đơn vị của chu kỳ trong một giây (cps) hay héc (Hertz (Hz)). [09] Biên độ X Biên độ X X0 X0 Thời gian t Thời gian t T (a) T (b) Hình 2.1: Các dạng đồ thị phương trình rung động máy Một hàm điều hòa là hàm đơn giản của chuyển động định kỳ và được thể hiện trong hình 2.1b là hàm điều hòa cho các dao động nhỏ của con lắc đơn giản và được biểu diễn bằng phương trình sau: X = X0 sin(ωt) Trong đó: X là lượng dịch chuyển của dao động (phần nghìn của một inch, hay mm). X0 là lượng dịch chuyển cực đại hay biên độ (mm). ω là tần số góc (Rad/s). t là thời gian (s). 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4