Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

Nội dung text: Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

1. NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH PHỔ TẦN SỐ RUNG CỦA ĐỘNG CƠ NHẰM ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ A STUDY OF DIAGNOSING THE WORKING STATUS OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE VIA VIBRATION SPECTRUM ANALYSIS [1]TS. Nguyễn Huy Bích, [2]KS. Đoàn Minh Tƣờng [1]Đại học Nông Lâm Tp.HCM, [2] Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM [1] nhbich@hcmuaf.edu.vn, [2]minhtuongspkt@gmail.com Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp chẩn đoán tình trạng kỹ thuật của động cơ thông qua ghi nhận và phân tích tín hiệu rung động. Việc thu thập tín hiệu rung động, 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 mềm LabVIEW đã được thực hiện thông qua cảm biến và bộ đo TVE-T01do tác giả tự nghiên cứu, thiết kết và chế tạo. Kết quả đã chẩn đoán thành công các hư hỏng cơ bản của động cơ như: bugi không đánh lửa, bugi mòn điện cực, và giảm áp suất nén do xéc măng bị mòn. Kết quả thực nghiệm bước đầu hứa hẹn một phương pháp mới trong kỹ thuật chẩn đoán động cơ, làm cơ sở chế tạo các thiết bị giám sát, và chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ. Từ khóa: Rung động của động cơ, chẩn đoán động cơ, phổ tần số, thuật toán FFT. Abstract: This study presents the method of diagnosing the working status of an internal combustion engine via the vibration spectrum analysis. The TVE-T01 device is developed by authors 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. The results show that some basic mistakes of an engine as: plug without ignition, wearing out of spark plugs electrodes and segment rings are diagnosed successfully. This successful method might lead to new way for diagnosing some mistakes of engine without taking apart engine and saving time. Keywords: Vibration engine, Diagnosis engine, Spectrum frequency.
2. I. ĐẶT VẤN ĐỀ. II. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN Việc phát hiện và chẩn đoán trước những 2.1 Phƣơng pháp tính tần số rung động hư hỏng của động cơ nhằm chủ động trong Tần số rung động của động cơ (Hz) được sản xuất và hoàn thiện lịch trình bảo dưỡng định nghĩa bằng tốc độ động cơ (vòng/phút) động cơ là một công việc hết sức quan trọng chia cho thời gian 60 giây [03]: và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong công tác rpm F Hz chẩn đoán, bảo dưỡng sửa chữa và phòng 60 (1) ngừa hư hỏng động cơ. Nhiều nghiên cứu đã Với F là tần số (Hz), rpm tốc độ động cơ phát triển nhằm tìm cách chẩn đoán nhanh (vòng/phút). và chính xác tình trạng làm việc của động cơ Tần số rung động sinh ra do quá trình trong đó việc dùng mối quan hệ giữa hư họat động của động cơ 4 kỳ bằng tần số rung hỏng và sự rung động của động cơ để chẩn động của động cơ nhân với một nủa số xi đoán được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm lanh của động cơ. [1,2]. Kỹ thuật phân tích phổ tín hiệu FFT rpm F 2 Hz (2) cho phép khai thác những thông tin về đặc 60 tính tần số của tín hiệu rung động của động cơ, từ đó đưa ra các kết luận chẩn đoán sâu 2.2 Phƣơng pháp biến đổi Fourrier và hơn về tình trạng thiết bị. Vì vậy đặt vấn đề thuật toán FFT cho tín hiệu. ứng dụng rung động vào chẩn đoán tình Phép biến đổi Fourrier tạo ra mối liên hệ trạng làm việc của động cơ là thiết thực và giữa không gian thời gian và không gian tần số hữu ích. Bài báo trình bày phương pháp [4]. phân tích phổ tần số rung nhằm chẩn đoán tình trạng làm việc của động cơ. Việc thu thập tín hiệu rung động, 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 mềm LabVIEW đã được thực hiện thông qua cảm biến và bộ đo TVE- Hình 1: Mối liên hệ giữa rung động theo T01do tác giả tự nghiên cứu, thiết kết và chế thời gian và rung động theo tần số tạo. Đây là phép biến đổi tuyến tính hai chiều nên không có hiện tượng bị mất thông tin.
3. Việc quan sát các dạng sóng rung động là xử lý tín hiệu, khối lập trình và hiển thị kết bước đầu tiên của việc chẩn đoán tình trạng quả. làm việc của động cơ. Dãy của N số phức x0, , xN#1 được biến đổi thành chuỗi của N số phức X0, , XN#1 bởi công thức sau đây: 2 i km x N k = 0, N-1 (3) X K  n e Với i là đơn vị ảo. Phép biến đổi đôi khi được kí hiệu bởi F, hoặc X = F{x} hoặc F(x) hay Fx. [04]. Thuật toán này có những đặc điểm là: Tốc độ tính toán cao; Số điểm phân tích luôn là số 2n: m = 2n; Miền tần số được quy chuẩn trong dải 0-1; Phổ tín hiệu thực luôn có dạng miền (dải phổ), không phải phổ vạch, do đó cửa số lấy mẫu luôn chọn là 2n; Cửa sổ mẫu: Với tần số lấy mẫu F = M Hình 2. Mô hình thực tế 1000Hz, chọn cửa sổ mẫu = 1024 mẫu = 210; Cửa số phân tích: Có 1024 vạch, gồm 2 nửa 2.3.2 Cấu trúc mô hình thực nghiệm đối xứng gương. Do vậy có 1024/2 = 512 Gồm hai phần chính là: Khối thu nhận, xử vạch có nghĩa ứng với tần số từ 0 đến F /2; M lý tín hiệu và khối lập trình, hiển thị kết quả Bước tần số Δ f = (FM/n) = 1000/1024 ~ đo được thể hiện trong hình 3 1Hz; Khoảng có ý nghĩa từ vạch 0 đến vạch 512. 2. 3. Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật động cơ. 2. 3.1 Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm Mô hình thực nghiệm chẩn đoán kỹ thuật Hình 3 Sơ đồ cấu trúc hệ chẩn đoán. động cơ trên hình 2 được thiết kế với bốn khối chính: Khối động cơ, khối thu nhận và
4. 2.4 Quy trình chế tạo bộ TVE – T01. 2.4.2 Thiết kế phần mềm. Chế tạo được thực hiện theo hình 4. a) Thuật toán chƣơng trình thu thập và xử lý tín hiệu. Hệ xử lý tín hiệu được thiết kế, xây dựng, lập trình dựa trên phần mền PSoC Desiger. Hình 4. Quy trình chế tạo 2.4.1 Thiết kế phần cứng: gồm Thiết kế khối nguồn; Thiết kế khối lập trình chip PsoC; Thiết kế khối A/D, khối UART, khối lọc cho cảm biến gia tốc và khối nạp chương trình. Hình 6: Lưu đồ thuật toán. Lưu đồ thuật toán như trình bày ở hình 6. Sau khi khai báo cáo tham số các giá trị đầu vào của từng thiết bị ngoại vi, chương trình điều khiển trên vi điều khiển sẽ khởi tạo các chương trình UART, khởi tạo ADC. Từ đó, các chương trình này sẽ thu nhận, đọc giá trị từ cảm biến gia tốc thông qua tín hiệu Analog của nó gửi về bộ xử lý. Trên bộ xử lý sẽ chuyển đổi kiểu dữ liệu, sắp xếp khung Hình 5. Sơ đồ mạch của các khối.
5. dữ liệu và gửi tín hiệu này đến chương trình nhận tín hiệu rung của động cơ và truyền tín xử lý, phân tích của LabVIEW. hiệu đến; 2) Chip PSoC - CY8C3245PV1 xử b) Thuật toán chƣơng trình phân tích và lý tín hiệu rung động thông qua chương trình hiển thị kết quả điều khiển được viết bởi phần mền PSoC Để thu thập, phân tích và hiển thị kết quả, Designer và được nạp qua 4 - Cổng nạp phần mền LabVIEW được sử dụng như hình SWD; 3) Vi điều khiển FTDI-FT1403C 7. chuyển đổi các tín hiệu sang chuẩn giao tiếp RS232 và kết nối với máy tính qua cổng USB. Các thông số kỹ thuật của bộ tích hợp đáp ứng được yêu cầu chẩn đoán cụ thể như sau: Cấp độ đo chính xác: giải tần số từ 0 – 500 (Hz); số vòng quay từ 0 – 1500 (vòng/phút) và giới hạn tốc độ đo 0 – 15000 (vòng / phút). Từ kết quả này, ta xác định được tình trạng kỹ thuật của động cơ từ bộ TVE-T01 đo rung động. Hình 7: Lưu đồ thuật toán. Tín hiệu từ bộ TVE-T01 gửi lên sẽ được phân tích, xử lý, lưu trữ và xuất kết quả trên màn hình máy vi tính trong môi trường LabVIEW. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ phân tích lý thuyết, các phần cứng, phần mềm đã được nghiên cứu thiết kế chế tạo và cùng với công tác gia công đồ gá, tác giả đã chế tạo thành công bộ tích hợp TVE- Hình 8. Bộ tích hợp TVE-T01 đã được chế T01 (hình 8) dùng chẩn đoán tình trạng kỹ tạo. thuật của động cơ. Bộ tích hợp TVE-T01 gồm có: 1) Cảm biến gia tốc MMA 7361 thu
6. Sau khi bộ tích hợp chế tạo xong, nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên động cơ Toyota 1SZ-FE được gá lắp chắc chắn trên giá đỡ. Bộ TVE-T01 đã được kiểm tra đạt yêu cầu đề ra và đưa vào thực nghiệm. Điều kiện nhiệt độ môi trường 25oC – 30oC, nhiệt độ động cơ thực nghiệm nằm trong khoảng 80oC – 90oC. Thực nghiệm ở tốc độ cầm chừng 750 vòng/phút thiết bị đo gắn tại máy số 1. Các trường hợp khảo nghiệm được thực hiện lần lượt các trường hợp như trong bảng 1. Kết quả thực nghiệm từng trường hợp làm việc và hư hỏng của động cơ được trình bày ở hình 9. Bảng 1: Các trường hợp thực nghiệm Hình 9. Kết quả thực nghiệm: 1) Động cơ TT Trường hợp thực nghiệm Kết quả hoạt động bình thường; 2) Bugi máy 1 bị Kiểm tra mô hình thưc mất lửa; 3) Điện cực bugi máy 1 bị mòn; 4) Kiểm tra kỹ 1 nghiệm chẩn đoán kỹ Xéc măng 1 của máy 1 bị mòn. thuật. thuật động cơ Động cơ hoạt động bình Phân tích kết quả trên hình 9 cho thấy: 2 Hình 9.1 thường. - Hình 9.1: Động cơ hoạt động bình Động cơ hoạt động, máy 3 Hình 9.2 thường, tần số rung của động cơ bằng số 1 bugi bị mất lửa. 24.8Hz xấp xỉ bằng tần số rung của động cơ Động cơ hoạt động, điện theo tính toán 25Hz (công thức 2 mục 2.1) 4 cực bugi máy số 1 bị mòn Hình 9.3 các nguồn khác là 11, 47, 213, 235, 247 Hz. (khe hở bugi 1.45 mm). - Hình 9.2: Dải phổ tần số rung của Động cơ hoạt động, xéc động cơ thể hiện rất rõ dấu hiệu hư hỏng, măng 1 của máy số 1 bị 5 Hình 9.4 mòn (khe hở miệng 0.55 ngoài ra biên độ rung động trong trường hợp mm). này là lớn nhất. Ngoài động cơ 26Hz, có
7. thêm giải phổ 7, 13, 20, 47, 55 Hz, đây là Để kết quả thuyết phục hơn, cần tiếp tục dấu hiệu hư hỏng bugi mất lửa. thực hiện trên nhiều loại động cơ khác nhau, - Hình 9.3: Dấu hiệu nhận biết hư nghiên cứu phát triển bộ TVE-T01 để đo hỏng khó khăn hơn các trường hợp còn lại. được các rung động theo các phương hướng Ngoài động cơ 23Hz, dải phổ chủ yếu xuất ngang và dọc của động cơ. Áp dụng đo trên hiện ở dải tần số từ 280 – 335 (Hz), đây là động cơ được gắn trên xe dang chuyển động. dấu hiệu hư hỏng bugi bị mòn. - Hình 9.4: Dải phổ thể hiện khá rõ Tài liệu tham khảo dấu hiệu hư hỏng, dải phổ tập chung nhiều ở [01] KS. Nguyễn Thanh Sơn – “Giáo trình tần số từ 300 – 380 (Hz), đây là dấu hiệu hư giáo trình chẩn đoán rung động máy”, hỏng xéc măng bị mòn. tháng 08, năm 2010. [02] Czech, P., Lazarz, B., Madej, H., IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Wojnar, G., “Vibration diagnosis of car Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung motor engines”, Acta Tech., pp. 37-42, của động cơ nhằm đánh giá trình trạng làm Corviniensis - Bull. Eng. 2010. việc của động cơ, làm cơ sở để chế tạo các [03] Volkswagen of America “Noise, thiết bị chẩn đoán kỹ thuật động cơ là yêu Vibration, and Harshness”. March, cầu thực tiển và có ý nghĩa, nó giúp cho việc 2005. bảo dưỡng và sửa chữa kịp thời. Bộ tích hợp [04] John M. Cimbala “Fourier Transforms, TVE-T01 là thiết bị dùng để chẩn đoán kỹ DFTs, and FFTs” 22 February 2010. thuật động cơ thông qua tín hiệu rung động [05] Văn bản kỹ thuật đo lường Việt Nam đã được thiết kế và chế tạo thành công. Kết “Phương tiện đo độ rung động – quy quả bước đầu thực nghiệm trên động cơ trình thử nghiệm” Hà Nội, 2014. Toyota 1SZ- FE cho kết quả khả quan và tin cậy gồm xác định được các dãy phổ tần số Tp. HCM, ngày 04 tháng 10 năm 2014 rung động của động cơ ở trạng thái làm việc XÁC NHẬN CBHD bình thường, từ đó làm cơ sở cho quá trình chẩn đoán kỹ thuật về độ rung của động cơ bị hư hỏng. Đã chẩn đoán được các lỗi hư hỏng của động cơ như: hư hỏng Bugi, xéc măng.
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.