[Case Study] Tìm và bám cộng hưởng cho robot nhà máy hạt nhân – QST và RULA RL-C21

Tìm và bám cộng hưởng cho robot nhà máy hạt nhân: Case study QST (Nhật Bản)

Hãy thử hình dung một con robot phải làm việc trong môi trường mà con người không thể đặt chân đến: bên trong một lò phản ứng hạt nhân, nơi bức xạ, nhiệt và rung động đều ở mức khắc nghiệt. Nếu một chi tiết của robot rơi đúng vào tần số cộng hưởng, dao động có thể khuếch đại lên nhiều lần và phá hỏng thiết bị đúng lúc cần nó nhất.

Đó là lý do các kỹ sư của QST (Nhật Bản) phải thử rung robot bảo trì từ xa cực kỳ kỹ lưỡng trước khi đưa vào sử dụng. Bài viết này đi qua cách họ dùng bộ điều khiển rung RULA RL-C21 để tìm ra một cộng hưởng nguy hiểm ở 1265 Hz và sửa thiết kế để loại bỏ nó.

QST là ai?

QST (National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology) là tập hợp các viện nghiên cứu tích hợp, hoạt động trong lĩnh vực khoa học và công nghệ lượng tử. Các viện này nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ lên con người, y học cấp cứu bức xạ và các ứng dụng y học của bức xạ.

Trong khuôn khổ đó, các nhóm QST tại Nhật Bản tham gia thiết kế một robot điều khiển từ xa dùng để bảo trì và sửa chữa nhà máy hạt nhân. Trong tài liệu của RULA, hệ thống được nhắc đến là Blanket Remote Handling System, thiết bị xử lý từ xa dùng để bảo dưỡng và thay thế các tấm chắn (shield blanket). Tấm chắn này bảo vệ buồng chân không bằng thép khỏi các neutron năng lượng cao và nhiệt sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch.

Thách thức: điều kiện vận hành có thể rất khắc nghiệt

Với một thiết bị tinh vi như vậy, điều kiện vận hành rất khắc nghiệt, nên việc thử nghiệm đóng vai trò quyết định. QST đặt ra các yêu cầu cụ thể cho thiết bị thử rung:

• Tìm và bám cộng hưởng (resonance search and tracking).
• Dừng tại tần số cộng hưởng (resonance dwell).
• Dải tần lên đến 35 kHz.
• Điều khiển từ xa bài thử.

Cộng hưởng là gì, và vì sao đáng sợ?

Mọi kết cấu cơ khí đều có những tần số riêng. Khi bị kích thích đúng tần số đó, biên độ dao động tăng vọt. Hãy nghĩ đến cảnh đẩy xích đu đúng nhịp: những cú đẩy nhẹ cũng đủ khiến xích đu bay cao. Với robot, những cú “đẩy nhịp” như vậy có thể đến từ động cơ, bộ truyền động hay chính quá trình vận chuyển, và hậu quả là nứt vỡ, lỏng liên kết hoặc hỏng cảm biến.

Vì vậy, quy trình thử rung thường bắt đầu bằng bước tìm cộng hưởng: quét tần qua dải cần quan tâm, đo xem kết cấu phản ứng mạnh ở tần số nào, rồi quyết định bước tiếp theo.

Giải pháp: RL-C21 và bộ phụ kiện điều khiển từ xa

Để đáp ứng yêu cầu, QST sử dụng hệ thống điều khiển rung và thu thập dữ liệu RL-C21 của RULA.

Hệ thống cho phép điều khiển theo gia tốc, độ dịch chuyển, vận tốc và lực. RULA còn có một phụ kiện chuyên dụng cho bài thử tự động: bộ điều khiển từ xa nối với các ngõ vào, ngõ ra số của thiết bị, rất phù hợp khi người vận hành không thể đứng cạnh vật thử.

QST sử dụng đa dạng cách điều khiển: bằng gia tốc kế, bằng độ dịch chuyển và bằng vận tốc, đồng thời coi RSTD là một phần quan trọng của quy trình thử.

Hai phương pháp phát hiện cộng hưởng

Tài liệu của RULA mô tả hai phương pháp mà kỹ sư QST áp dụng để xác định cộng hưởng một cách đáng tin cậy.

Đạo hàm bậc nhất của độ truyền

Độ truyền (transmissibility) là tỷ số giữa phản hồi đo được và kích thích đưa vào. Phần mềm tính đạo hàm bậc nhất của đường cong này theo phương pháp số. Bất cứ khi nào đạo hàm đổi dấu từ dương sang âm, tức là đường cong vừa leo lên rồi bắt đầu đi xuống, điểm đó được xem là một cộng hưởng.

Hệ số Q

Hệ số Q được tính bằng tỷ số giữa tần số trung tâm của cộng hưởng và băng thông nửa công suất của nó. Con số này cho biết cộng hưởng “nhọn” đến đâu, và do đó nó có thể gây hại tới mức nào. Q càng cao, đỉnh càng nhọn và năng lượng dao động tập trung càng mạnh.

Bám cộng hưởng theo pha

Sau khi tìm ra cộng hưởng, các kỹ sư thường muốn giữ vật thử rung đúng tại tần số đó trong một thời gian để đánh giá độ bền. Vấn đề là tần số cộng hưởng có thể trôi đi khi vật thử nóng lên hoặc khi kết cấu thay đổi do mỏi.

QST đã dùng pha làm tiêu chí để bám cộng hưởng. Phần mềm khởi động tại tần số cộng hưởng và tính chênh lệch giữa pha hiện tại với pha yêu cầu. Nếu chênh lệch nhỏ hơn độ chính xác cho phép, phần mềm giữ nguyên tần số và dừng lại (dwell) cho đến khi tìm được điểm có pha phù hợp. Đồ thị độ truyền theo pha giúp người dùng đánh giá việc bám cộng hưởng đang diễn ra tốt đến mức nào.

Kết quả: phát hiện cộng hưởng ở 1265 Hz

Với RL-C21, các kỹ sư QST đã phát hiện một tần số cộng hưởng ở 1265 Hz trong kết cấu. Bảng kết quả trong phần mềm liệt kê nhiều đỉnh cộng hưởng theo thứ tự tần số tăng dần. Đa số các đỉnh nằm quanh mức 1.000 Hz có độ truyền khoảng 2 và hệ số Q chỉ khoảng 1,4 đến 1,5. Riêng đỉnh ở 1265 Hz nổi bật hẳn: độ truyền khoảng 5,6 và hệ số Q khoảng 4,6, tức là sắc nhọn và nguy hiểm hơn nhiều.

Nhận ra điều này, QST đã thay đổi kết cấu của Blanket Remote Handling System. Sau khi sửa, cộng hưởng này biến mất, và robot có thể được đưa vào vận hành.

Bài học cho các đội R&D cơ khí

Case của QST gợi ý một số nguyên tắc có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực ngoài năng lượng hạt nhân:

• Tìm cộng hưởng sớm trong giai đoạn thiết kế. Sửa kết cấu khi còn trên bản vẽ rẻ hơn rất nhiều so với sửa khi đã chế tạo.
• Đừng chỉ nhìn tần số, hãy nhìn cả hệ số Q. Không phải cộng hưởng nào cũng đáng lo như nhau. Đỉnh nhọn mới là mối nguy lớn.
• Dùng cả hai kiểu điều khiển khi cần. Điều khiển theo gia tốc, vận tốc, độ dịch chuyển cho phép thử phù hợp với đặc tính của từng dải tần.
• Tính đến điều khiển từ xa và tự động. Với thiết bị dùng trong môi trường nguy hiểm, bài thử cần chạy ổn định mà không cần người đứng cạnh.

Câu hỏi thường gặp

Thử tìm cộng hưởng (resonance search) là gì?

Là bài thử quét tần với mức kích thích thấp để xác định các tần số mà kết cấu phản ứng mạnh nhất, giúp phát hiện sớm điểm yếu cơ học.

Hệ số Q cho biết điều gì?

Q cho biết độ nhọn của cộng hưởng. Q càng cao thì đỉnh càng hẹp và năng lượng tập trung càng mạnh, đồng nghĩa với nguy cơ gây hại lớn hơn.

Resonance dwell là gì?

Là chế độ giữ vật thử rung tại đúng tần số cộng hưởng trong một khoảng thời gian, thường để đánh giá độ bền hoặc quan sát hư hỏng do mỏi.

RL-C21 có thể thử đến tần số nào?

Theo thông số trong tài liệu, RL-C21 hoạt động trong dải từ 0,1 đến 35.000 Hz, với 4 kênh và ADC 24 bit.

Cần giải pháp tìm và bám cộng hưởng cho thiết bị của bạn?

Nếu đội R&D của bạn đang phát triển thiết bị phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, hãy liên hệ để được tư vấn cấu hình thử rung phù hợp. RULA là nhà sản xuất tại Latvia, sản phẩm có dấu CE và hiện diện tại hơn 40 quốc gia.