Đo độ rung động cơ motor

Trong  xã hội tự động hóa ngày nay, động cơ điện được xem là một thiết bị không thể thiếu và xuất hiện trong hầu hết các ngành mọi nơi từ nhà máy, công trình, cho đến hàng không vũ trụ... Giống như bất kỳ máy móc quay nào khác, độ rung và tiếng ồn là những vấn đề cần quan tâm trong quá trình sử dụng

Sự ra đời và phổ biến của động cơ điện đã làm nổi lên vấn đề tiếng ồn phát sinh khi làm việc, điều mà các kỹ sư thường bỏ qua ở động cơ đốt trong. Tiếng ồn sinh ra từ động cơ xăng át đi những tiếng động 'thế hệ mới' này. Do đó, bạn cần sử dụng phương pháp đo độ rung, tần để kiểm tra động cơ điện hiệu quả hơn

Trong kỹ thuật hiện đại, các máy móc xoay thường được sử dụng để tạo ra chuyển động. Do tính chất làm việc liên tục của nó, máy móc quay sẽ tạo ra rung động. Độ rung động ảnh hưởng đến hoạt động của máy và có thể dẫn đến hỏng máy.

Giám sát được độ rung được tạo ra bởi động cơ, biết được nguồn rung lớn đến từ đâu bạn có thể chủ động tìm cách giảm thiểu và cho ra các sản phẩm vận hành êm ái hơn, ít hư hỏng hơn. Góp phần tạo ra các sản phẩm thành công trước đến tay khách hàng

Dưới đây là bài nghiên cứu, phân tích các rung động trong động cơ điện. Bạn có thể tham khảo và chọn ra những kiến thức phù hợp với mình

Giám sát độ rung động cơ

Ngay cả trong điều kiện hoạt động bình thường, bất kỳ máy móc - động cơ nào cũng tạo ra rung động. Nhiều rung động trong số này có liên quan trực tiếp đến các sự kiện định kỳ xảy ra trong quá trình vận hành máy, chẳng hạn như: 

• Sự quay của trục động cơ
• Sự ăn khớp của các răng bánh răng
• Điện trường quay .v.v..

Tần suất xảy ra những sự kiện này có thể là nguyên nhân tạo ra độ rung của động cơ. Phân tích tần số là cơ sở của nhiều kỹ thuật chuẩn đoán mạnh mẽ. 

Mục tiêu của nghiên cứu này về cơ bản gồm có hai phần: 

Khảo sát một động cơ điện gắn trên một tấm nhựa, nối với đất bằng lò xo. Quan sát độ rung được tạo ra bởi động cơ khi tốc độ quay của nó tăng lên và vượt qua tần số cộng hưởng.

Xác định ở mức tần số nào là quan trọng nhất đối với hệ thống và xác định các nguồn khuếch đại rung động có thể có. 

Phân tích độ rung động cơ

Để có thể thực hiện bài phân tích hiệu quả, việc chọn một phần mềm đo phù hợp là không thể thiếu để xác định điều kiện vận hành của động cơ xoay, chuyển động tịnh tiến và khi làm việc ở các tốc độ khác nhau

Hướng dẫn cơ bản

Hướng dẫn cơ bản về phân tích theo dõi đơn hàng. Tìm hiểu cách hoạt động của phân tích đơn hàng, cách thực hiện theo dõi đơn hàng và các ứng dụng phổ biến của nó là gì.

02 đại lượng cần quan tâm khi thực hiện phép đo

• Biên độ hoặc cường độ: Vật chuyển động được bao xa từ điểm cân bằng
• Tần số: Tốc độ chuyển động của vật.

Các thuật ngữ dùng để mô tả chuyển động là tần số, biên độ và gia tốc. Như mọi khi trong phân tích rung động, các cộng hưởng cấu trúc (các chế độ) vì chúng khuếch đại các rung động.

Trên các động cơ xoay, các rung động có thể được tạo ra trực tiếp hoặc gián tiếp do sự truyền động từ chuyển động xoay gây ra, đây là 02 nguồn được quan tâm chủ yếu. 

Bên cạnh đó, cũng có những biết động bất thường với biên độ lớn mà không cần sự cộng hưởng nào như sự mất cân bằng cơ học, biến dạng, lệch trục, khuyết tật trong vòng bi hoặc khuyết tật trong bánh răng. Các rung động bất thường này thường ảnh hưởng lớn và có thể gây hỏng máy

Giá trị độ rung của động cơ

Mỗi nguồn rung sẽ tạo ra rung động ở một hệ số cụ thể nhân với tốc độ xoay của động cơ. Động cơ xoay có thể tạo ra rung động phụ thuộc vào tốc độ quay ở mức cộng hưởng cấu trúc tự nhiên và tần số riêng. Những cộng hưởng gây hại này thường gây ra mức độ rung cao có thể gây hư hại

Các kỹ sư thường sử dụng sơ đồ hai chiều được gọi là các rãnh thứ tự khi diễn giải các thành phần phụ thuộc vào tốc độ quay khác nhau góp phần tạo ra mức độ rung hoặc âm thanh như thế nào. 

Họ tính toán các sơ đồ này từ bản đồ RPM và trích xuất thông tin về giá trị RMS của một thành phần để so sánh với giá trị RPM. 

Thiết lập đo độ rung

Lắp đặt hiết bị 

Bước 1: Để có thể thực hiện phép đo, việc đầu tiên bạn cần làm là bố trí hệ thống thí nghiệm. Trong sơ đồ này, thành phần quan trọng nhất chính là động cơ điện ba pha có tốc độ định mức 1410 vòng/phút. Được cấp nguồn bằng điện áp 220V (50 Hz) và được kết nối theo cấu hình delta. 

Bước 2: Sử dụng ốc vít và đai ốc, gắn động cơ lên tấm đế nhựa. Bên dưới phần đế, ở bốn góc của tấm nhựa, bốn lò xo cũng được cố định bằng vít và đai ốc. Bên dưới mỗi lò xo, đặt một khối vật liệu chống trượt để tăng ma sát trên bề mặt đỡ. Hình 2 cho thấy hệ thống cuối cùng mà tôi thực hiện các phép đo. 

Figure 2. The motor is on plastic plate support with springs on the left; the operating engine is on the right.

Hình 2. Động cơ được đặt trên tấm nhựa đỡ có lò xo ở bên trái; động cơ vận hành ở bên phải.

Bước 3: Kết nối động cơ với một biến tần để chủ động kiểm soát tốc độ xoay của roto, thời gian tăng giảm tốc giúp kiểm tra độ rung toàn diện hơn

Hệ thống thu thập dữ liệu rung 

Các rung động được tạo ra do chuyển động xoay của rôto, khi cách xa tần số cộng hưởng, dao động có biên độ rất nhỏ, khó có thể phát hiện bằng mắt thường. Lúc này ta sẽ có biên độ dao động vào khoảng 1/10 milimet trong điều kiện bình thường và 01 milimet ở gần tần số cộng hưởng. 

Tín hiệu độ rung phát ra từ motor là tín hiệu tương tự (analog), trong khi máy tính chỉ có thể đọc được các dữ liệu dạng kỹ thuật số (digital) với tín hiệu thời gian và biên độ riêng biệt. Vì lý do này, việc đo lường và giám sát độ rung motor cần có bộ chuyển đổi và bộ khuếch đại tín hiệu. 

Để thực hiện phép đo, ta cần thêm một đầu dò để thu lại tín hiệu vật lý từ motor và chuyển đổi nó thành tín hiệu hiệu tương tự (analog). Sau đó, bộ ADC (Bộ chuyển đổi tương tự sang số A/D) bên trong bộ khuếch đại sẽ chuyển đổi tín hiệu tương tự này thành dữ liệu số để máy tính có thể đọc và xử lý được

Trong số các loại đầu dò được sử dụng cho phép đo độ rung, có lẻ thường gặp nhất chính là gia tốc kế ( hay còn gọi là cảm biến gia tốc - cảm biến đo độ rung), đây là loại thiết bị cho phép chuyển đổi dễ dàng gia tốc đo được thành tín hiệu điện. Trong thí nghiệm này ta sẽ sử dụng gia tốc kế IEPE (Tích hợp Điện tử Piezo-Electric) . 

Đầu ra của cảm biến IEPE là tín hiệu điện áp có trở kháng thấp, trong khi cảm biến áp điện không có thiết bị điện tử tích hợp chỉ có thể tạo ra đầu ra điện tích. Bộ khuếch đại được sử dụng trong cảm biến IEPE có thể là bộ khuếch đại điện áp hoặc bộ khuếch đại điện tích. 

Figure 3. The Krypton data acquisition system and the accelerometer on the operating motor.

Hình 3. Hệ thống thu thập dữ liệu Krypton và gia tốc kế trên động cơ đang vận hành.

Để phân tích tín hiệu độ rung, bạn cần sử dụng thêm bộ thu thập dữ liệu độ rung (DAQ), giúp bạn phân tích các thông số quan trọng

Bộ khuếch đại tín hiệu: Tín hiệu đầu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, bạn cần bổ sung thêm bộ khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu trước khi chuyển đổi sang dạng kỹ thuật số

Điều hòa tín hiệu: sau khi thu được tín hiệu tiếp tục thực hiện các hoạt động khác nhau như lọc, khuếch đại bổ sung và tích hợp thời gian, bộ điều hòa tín hiệu sẽ giúp bạn hoàn thành công đoạn này

Bộ ghi dữ liệu: đây không phải một thiết bị hoàn toàn cần thiết nhưng lại rất tiện dụng nếu bạn muốn lưu trữ để đối chiếu hoặc báo cáo dữ liệu

Bộ chuyển đổi Kỹ thuật số/Analog: như đã đề cập ở trên, tín hiệu từ đầu dò là tín hiệu “tương tự” liên tục có dạng sóng tương ứng với đại lượng đo được. Bộ chuyển đổi D/A phát hiện giá trị tức thời của tín hiệu theo các khoảng thời gian đều đặn, chuyển đổi nó thành một tập hợp số rời rạc, tín hiệu số. Bằng cách này, đầu ra bao gồm các số có thể được quản lý và xử lý bởi máy tính

Tiến hành phép đo

Trong quá trình thực hiện phép đo độ rung động cơ, bạn có thể sử dụng thêm máy đo tốc độ vòng xoay (loại hồng ngoại) để giám sát thêm các thông số RPM của động cơ..

Tôi đã sử dụng cảm biến đo tốc độ quang học ICP Laser Tachometer của The Modal Shop . Là một thiết bị IEPE, nó được cấp nguồn trực tiếp bởi Dewesoft KRYPTON mà không cần nguồn điện bên ngoài.

Tôi cố định cảm biến này vào một giá đỡ đã được điều chỉnh, cho phép nó hướng vào một số băng phản chiếu được gắn ở phần bên ngoài rôto của động cơ. Thiết lập này cho phép cảm biến đếm số lần rôto được ghi âm đi qua chùm tia laze của máy đo tốc độ. Tôi đã thu được số vòng quay của động cơ theo cách này. 

Tất cả đều được thực hiện trong phần mềm DewesoftX sử dụng chức năng toán học cảm biến góc , chuyển đổi chuỗi xung thành tốc độ RPM.

Figure 4. The measurement chain.
Hình 4. Chuỗi đo lường.

Các phép đo và kết quả 

Kiểm tra đường dốc khi tăng tốc độ

Tiến hành thực hiện phép đo, nên kiểm tra tổng quan xem hệ thống hoạt động như thế nào khi chạy lên với các đường dốc tăng tốc khác nhau. Thực hiện phân tích phản hồi của hệ thống theo ba mức tăng tốc 

• 5 giây
• 10 giây
• 20 giây. 

Figure 5. Speed ramps for the electric motor. The variation of speed was possible thanks to the inverter device.
Hình 5. Đường dốc tốc độ cho động cơ điện. Sự thay đổi tốc độ có thể thực hiện được nhờ thiết bị biến tần.

Việc giảm hoặc tăng tần số kích thích sẽ làm thay đổi hiện tượng cộng hưởng tức thời xảy ra và các đỉnh mà dao động đạt tới gần nó. Với những đoạn có độ dốc ít hơn, hệ thống có nhiều thời gian hơn để phản ứng với sự kích thích và thể hiện tác động của sự cộng hưởng. Do đó, các đỉnh đạt được của dao động sẽ cao hơn. 

Với độ dốc vận tốc cao hơn, hệ thống sẽ gặp khó khăn để theo kịp sự kích thích được áp đặt. Vì kích thích thay đổi nhanh hơn nhiều nên hệ thống vẫn sẽ phản ứng với kích thích từ vài phút trước. Các đỉnh xảy ra sớm hơn so với gia tốc và cường độ thấp hơn

Do ta chủ yếu quan tâm đến dao động theo chiều dọc nên cần đặt cảm biến đo độ rung IEPE một trục ở vị trí gần nhất có thể với trục dọc trung tâm của hệ thống. 

Kết nối máy đo độ rung với hệ thống thu thập dữ liệu DAQ mà bạn đã chuẩn bị. Tiếp theo, thiết lập phần mềm, trong trường hợp này là IEPE và đơn vị đo là m/s2, tần số lấy mẫu là 1 kHz. 

Ngoài ra, để phép đo đạt hiệu quả cao hơn, bạn cũng phải đặt hệ số tỷ lệ để hiệu chuẩn. Nhà sản xuất cảm biến sẽ cung cấp giá trị này và liệt kê nó trong data sheet của sản phẩm. Vì vậy, chỉ cần báo cáo giá trị này trong trường độ nhạy là đủ. Đánh dấu các trường được đề cập trong phần mềm, Hình 6 hiển thị giao diện thiết lập gia tốc kế. 

Accelerometer setup in the DewesoftX interface

Thiết lập gia tốc kế trong giao diện phần mềm

Với kênh gia tốc kế được thiết lập, bạn có thể thu được dữ liệu cần thiết cho từng đoạn trong số ba đoạn tốc độ. Hình 7 cho thấy hoạt động của hệ thống khi tăng tốc từ 0 vòng/phút lên 1500 vòng/phút trong 5 giây.

Figure 7. Results for the 5-second speed ramp.
Hình 7. Kết quả cho đoạn tăng tốc 5 giây.

Thông tin về vị trí thẳng đứng của động cơ dao động là hữu ích nhất và dễ hiểu nhất trong các thông số. Để có được thông số này, bạn cần xử lý tích hợp thời gian gấp đôi khi tăng tốc. Hình 8 cho thấy cách tôi thiết lập tích hợp hai lần và kết quả mà nó tạo ra.

Double integration setup interface

Giao diện thiết lập tích hợp kép

disDisplacement of the system for the 5-second speed ramp.

Sự dịch chuyển của hệ thống đối với đoạn đường nối tốc độ 5 giây.

Điều tương tự cũng được thực hiện đối với cả đoạn đường nối 10 giây và 20 giây, như trong Hình 9.

Figure 9. Acceleration and displacement of the system for the 10-second ramp.
Hình 9. Gia tốc và độ dịch chuyển của hệ thống trên đoạn đường nối 10 giây.

Figure 10. The system’s acceleration and displacement at the 20-second ramp.
Hình 10. Gia tốc và chuyển vị của hệ tại đoạn đường nối 20 giây.

Như có thể thấy rõ từ kết quả thu thập, các rung động trải qua sự khuếch đại ở hai thời điểm tăng tốc riêng biệt. Tín hiệu xê dịch cho phép nhìn thấy tác động của hai tần số cộng hưởng dễ dàng hơn nhiều so với gia tốc. 

Sau khi thu được tín hiệu xê dịch, chuyển từ miền thời gian sang miền tần số. Bạn có thể thực hiện điều này bằng cách sử dụng Bộ biến đổi Fourier (FFT). FFT là một phương pháp toán học để chuyển đổi hàm thời gian thành hàm tần số. 

FFT chuyển đổi tín hiệu thành các thành phần quang phổ của nó, cung cấp thông tin về tần số của tín hiệu. FFT sẽ giúp bạn tìm ra tần số cộng hưởng của hệ thống. Hình 11 hiển thị FFT cho ba đường dốc ở độ dịch chuyển cực đại được ghi lại cho tần số cộng hưởng đầu tiên trong số hai tần số cộng hưởng.

FFT spectrums for 5 s ramps when approaching the first resonant frequency.
Phổ FFT cho các đoạn dốc 5 giây khi tiếp cận tần số cộng hưởng đầu tiên.

FFT spectrums for 10 s ramps when approaching the first resonant frequency.
Phổ FFT cho các đoạn dốc 10 giây khi tiếp cận tần số cộng hưởng đầu tiên.

FFT spectrums for 20 s ramps when approaching the first resonant frequency.
Phổ FFT cho các đoạn dốc 20 giây khi tiếp cận tần số cộng hưởng đầu tiên.

Bảng 1 liệt kê các tần số mà động cơ khuếch đại đáng kể các rung động. Về mặt kỹ thuật, tần số cộng hưởng thứ ba đã xuất hiện, biểu hiện giữa tần số thứ nhất và thứ hai đối với các đường dốc. 

Tuy nhiên, tần số thứ ba này tăng cường các dao động theo chiều ngang và không dễ dàng được phát hiện bởi bởi cảm biến gia tốc đo rung nên bạn có thể loại trừ nó. Dao động ngang mà tôi đo được bằng cách sử dụng đầu dò song song với cạnh ngắn của tấm, nhỏ so với dao động được phát hiện.

Tần số đầu tiên là tần số 'nảy'. Tần số thứ hai và thứ ba là tần số 'nghiêng' dọc theo hai trục chính.
 

Bảng 1. Tần số khuếch đại đáng kể

Phân tích theo dõi đơn hàng và biểu đồ thác

Sau khi phân tích các dao động dọc, tiếp tục thực hiện phân tích theo dõi thứ tự trên động cơ bằng phần mềm phân tích. Phân tích này sẽ xác định xem có bất kỳ sự mất cân bằng nào của rôto hoặc trục trặc hệ thống khác hay không và chỉ ra yếu tố nào góp phần lớn vào việc khuếch đại rung động trong quá trình động cơ hoạt động

Như đã đề cập trước đó, các sự cố gặp phải trong động cơ motor có liên quan chặt chẽ đến trình tự xảy ra các sự cố này. 

1x Hiện tượng trật tự trong máy quay biểu thị sự mất cân bằng dư, luôn tồn tại trong động cơ thực. 

Hiện tượng bậc 2x biểu thị sự sai lệch giữa người điều khiển và máy vận hành. 

Thí nghiệm đơn giản này cho phép bạn khẳng định rằng sự mất cân bằng bên trong là nguyên nhân chính gây ra rung động của động cơ
Figure 12. Shaft vibration - rotating unbalance, misalignment and motor shaft bending are the main issues manifesting primarily with a 1x order.

Hình 12. Rung động trục - mất cân bằng khi quay, lệch trục và uốn trục động cơ là những vấn đề chính biểu hiện chủ yếu ở bậc 1x.

Mặc dù phần mềm đo độ rung thường cung cấp nhiều tính năng khác nhau nhưng một phép đo đơn giản như thế này có thể được thực hiện trong thời gian rất ngắn. Bước đầu tiên, bạn cần thiết lập cảm biến đọc tốc độ rôto. Tôi đã sử dụng cảm biến đo tốc độ như trong Hình 13. 

Figure 13. Tachometer optical sensor setup.
Hình 13. Thiết lập cảm biến quang học đo tốc độ.

Sau đó, sử dụng mô-đun theo dõi chuyển động của phần mềm. Đặt các tham số để phân tích, như trong Hình 14 - làm nổi bật các trường mà chúng tôi quan tâm. 

Order tracking analysis setup

Thiết lập phân tích theo dõi đơn hàng

Thực hiện phép đo trong thời gian hai phút và bắt đầu phân tích 16 kết quả đo đầu tiên thu được. Trường hợp này, bạn chỉ đưa tám phép đo đầu tiên vào kết quả vì chúng đại diện cho những kết quả quan trọng nhất. Hình 15 thể hiện kết quả thu được từ phân tích theo thứ tự

Figure 15. Waterfall plots for the order analysis. Both diagrams have the RPM on the y-axis, and the color scale shows the phenomena amplitude. The figure on the left shows the number of orders on the x-axis, while the one to the right shows the frequencies on the x-axis.
Hình 15. Biểu đồ thác nước để phân tích thứ tự. Cả hai sơ đồ đều có RPM trên trục y và thang màu hiển thị biên độ hiện tượng. Hình bên trái hiển thị số lượng đơn đặt hàng trên trục x, trong khi hình bên phải hiển thị tần số trên trục x.

Các biểu đồ thu được trong Hình 15 đã xác nhận kỳ vọng của tôi về bậc 1x có cường độ cao nhất so với tất cả các bậc khác. Đó là một hệ thống trong đời thực và các Lệnh khác thể hiện sự lỏng lẻo, khoảng trống và sai lệch được biểu thị bằng cường độ tương đối cao của các Lệnh 2x và 3x.

Kết luận 

Ý tưởng cơ ban đầu khi thực hiện thí nghiệm này để kiểm tra

• Điều gì gây ra sự rung động của hệ thống động cơ?
• Điều gì có thể xảy ra với hệ thống khi động cơ chạy ở tốc độ tối đa?

Phân tích hệ thống đơn giản này không chỉ cho phép bạn xác định nguyên nhân chính dẫn đến khuếch đại rung động trong máy quay. Bạn cũng sẽ quan sát thấy những tác động xảy ra khi động cơ hoạt động đi qua tần số cộng hưởng. 

Rung động đạt mức cao ở tần số cộng hưởng có thể gây hại cho hệ thống và thậm chí gây hư hỏng cho động cơ. Biết được nguyên nhân từ tần số cộng hưởng là điều cơ bản để tránh hoạt động gần những điều kiện này nhưng cũng cho phép các nhà thiết kế cải thiện thiết kế ban đầu thông qua những thay đổi và sửa đổi. 

Người giới thiệu

Phân tích tiếng ồn và độ rung; Phân tích tín hiệu và quy trình thử nghiệm – A. Brandt – Wiley, 2011.
Giám sát tình trạng dựa trên rung động: Ứng dụng công nghiệp, hàng không vũ trụ và ô tô – RB Randall – Wiley, 2010.