Bàn thí nghiệm cỡ nhỏ để xác định các thông số động học của máy quay

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018 71 BÀN THÍ NGHIỆM CỠ NHỎ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY QUAY A SMALL TEST RIG FOR EVALUATING DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ROTATING MACHINERY Đặng Phước Vinh, Trần Phước Thanh Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; dpvinh@dut.udn.vn, tpthanh@dut.udn.vn Tóm tắt - Quá trình tính toán các thông số động lực học của máy gồm các chi tiết quay (gọi tắt là máy quay) như tần số riêng, các chế độ dao động, hệ số độ cứng, độ giảm chấn là bước cực kỳ quan trọng và phải thực hiện đầu tiên trong quá trình thiết kế và chế tạo của bất kỳ một máy quay. Việc xác định không chính xác các thông số động lực học của máy quay có thể dẫn đến việc giảm tuổi thọ hay hư hỏng của hệ thống. Cùng với yêu cầu nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu khoa học, gắn liền cơ sở lý thuyết với thực hành, bàn thí nghiệm cho việc xác định các thông số động học của máy quay là rất cần thiết cho sinh viên và giảng viên các ngành Cơ khí. Tuy nhiên, các bàn thí nghiệm này nếu nhập từ nước ngoài thì chi phí rất cao. Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn thí nghiệm cỡ nhỏ để xác định các thông số động học của máy quay với chi phí thấp là rất cần thiết. Abstract - The evaluation of dynamic characteristics of rotating machinery such as natural frequency, mode shapes, stiffness and damping coefficients is very important and must be carried out at the beginning in the design and fabrication of any rotating machine. The inaccurate estimation of these characteristics can lead to reducing the longevity , or damaging machinery. Besides, in order to enhance the education and research quality and combine theory and experiment, the test rig for evaluating dynamic characteristics is very essential for students and lecturers in mechanical engineering. However, the test rigs which are bought abroad are very expensive. Therefore it is very essential to design and build small and cheap test rigs for performing experiments. Từ khóa - bàn thí nghiệm cỡ nhỏ; thông số động lực học; máy quay; tần số riêng; các bài thí nghiệm. Key words - small test rig; dynamic characteristics; rotating machinery; natural frequency; experimental tests. 1. Giới thiệu Bàn thí nghiệm để đánh giá động học, động lực học của máy quay thu hút rất nhiều sự quan tâm và đầu tư từ các trường đại học, viên nghiên cứu hay từ các công ty trên thế giới. Việc tính toán các thông số như tần số riêng, các chế độ dao động, hệ số độ cứng, độ giảm chấn là bước cực kỳ quan trọng và phải được thực hiện đầu tiên trong quá trình thiết kế và chế tạo của bất kỳ một máy quay. Việc xác định không chính xác các thông số động lực học của máy quay có thể dẫn đến việc giảm tuổi thọ hay hư hỏng của máy và hệ thống. Bàn thí nghiệm cỡ lớn để đánh giá về động lực học máy quay và các thông số của ổ bi đỡ được thiết kế và chế tạo vào năm 2014 [1]. Dựa vào đó, các thông số quan trọng của hệ thống như tần số riêng của hệ thống, các chế độ dao động cùa trục quay, hệ số độ cứng, độ giảm chấn của dầu... đã được phân tích và tính toán [2, 3]. G. D. Jiang và cộng sự [4] sử dụng một bàn thí nghiệm cỡ lớn với đường kính ổ bi đỡ lên đến 500 mm để xác định các hệ số động lực học của dầu. Xung lực tác động lên trục được tạo ra từ hai xy-lanh thủy lực và được đo bằng cảm biến lực; và độ dao động của trục được xác định bằng các cảm biến biến dòng điện Eddy. Phương pháp kích xung bằng va đập để đánh giá 16 hệ số động lực học của hai ổ bi đỡ trên trục dựa vào một bàn thí nghiệm được giới thiệu bởi Z. L. Qiu và cộng sự [5]. Hua Zhou [6] thiết kế và xây dựng một bàn thí nghiệm cỡ vừa đặc biệt với đường kính trục 152 mm cho việc xác định các thông số động học và động lực học của máy quay. Một bàn thí nghiệm khác [7] cũng đã được lắp ráp để phân tích sự biến thiên của hệ số độ cứng và giảm chấn của các ổ bi đỡ với tần số cao và lực tác động lớn. Bài báo này giới thiệu chi tiết về cấu tạo của một bàn thí nghiệm cỡ nhỏ dùng để đánh giá các thông số động học của máy quay. Các cảm biến tiệm cận và hệ thống thu nhận tín hiệu sẽ được trình bày ở phần tiếp theo. Để đánh giá khả năng hoạt động của bàn thí nghiệm, một vài thí nghiệm cơ bản đã được tiến hành với kết quả thu về rất khả quan cho việc đánh giá xa hơn các thông số động học. 2. Mô tả bàn thí nghiệm 2.1. Đặc điểm của bàn thí nghiệm Hình 1. Bản vẽ 3D mô phỏng bàn thí nghiệm Hình 1 là bản vẽ 3D của bàn thí nghiệm. Bàn thí nghiệm này bao gồm một động cơ điện một chiều (DC), một trục quay, hai ổ bi, một khớp nối mềm, một đĩa nặng được gắn trên trục, bốn cảm biến tiệm cận để đo độ dao động của trục quay. Tốc độ của động cơ DC được điều khiển bởi mạch cầu H (Arduino IBT-2) dùng tín hiệu hồi tiếp từ encoder 72 Đặng Phước Vinh, Trần Phước Thanh gắn phía sau của động cơ và có thể đạt tối đa là 12.000 vòng/phút. Gia tốc của động cơ có thể được điều chỉnh dễ dàng tùy thuộc vào mục đích của từng thí nghiệm. Trục quay có đường kính 10 mm được gắn với động cơ qua khớp nối mềm và được đặt trên hai gối đỡ (khối màu cam). Khoảng cách các gối này có thể dễ dàng điều chỉnh dựa vào hai thanh ray được đặt phía bên dưới. Để đo độ dao động của trục, hai cảm biến tiệm cận (inductive proximity sensor) được lắp đặt theo phương nằm ngang và thẳng đứng (tượng trưng cho trục X và Y trong các bài toán về dao động). Ở bàn thí nghiệm này, tác giả sử dụng hai cặp cảm biến tiệm cận (khối màu vàng) để đánh giá độ dao động của trục ở hai vị trí khác nhau. Để tạo sự mất cân bằng động, đĩa nặng được gắn vào trục ở vị trí giữa các gối đỡ (khối màu xám). Đĩa nặng này có đường kính là 75 mm và chiều dày là 25 mm. Hình ảnh thực tế của bàn thí nghiệm và các thành phần được mô tả ở Hình 2. Các đặc điểm chi tiết của bàn thí nghiệm được liệt kê ở Bảng 1. Hình 2. Ảnh chụp thực tế bàn thí nghiệm: (A) Gối đỡ; (B) Cảm biến tiệm cận; (C) Trục quay; (D) Đĩa nặng; (E) Tủ điện; (F) Động cơ; (G) Keyphasor Cảm biến Bảng 1. Đặc điểm vật lý của bàn thí nghiệm Trục Vật liệu Thép Đường kính (mm) 10 Chiều dài (mm) 580 Mô-đun Young (GPa) 205 Mật độ (kg/m3) 7.800 Khối lượng (kg) 0,5 Đĩa Vật liệu Thép Đường kính (mm) 75 Chiều dày (mm) 25 Khối lượng (kg) 0,5 Ổ bi Khối lượng (kg) 0,150 Độ cứng (trục X) (N/m) 1,25×105 Độ cứng (trục Y) (N/m) 3,83×108 Động cơ Nguồn cung cấp (V) 12 Dòng khởi động (A) 3,5 Tốc độ tối đa (vòng/phút) 12.000 Encoder (số xung) 100 Công suất (W) 150 Mạch điều khiển IBT-2 Nguồn cung cấp (V) 6 – 27 Tải tối đa (A) 43 Mức logic (V) 3,3 – 5 2.1.1. Cảm biến tiệm cận Như đã đề cập ở phần trên, để đo độ dao động của trục quay, nhóm tác giả sử dụng hai cặp cảm biến tiệm cận để đo độ dao động tại hai vị trí khác nhau bất kỳ của trục quay. Để dễ phân biệt, cặp cảm biến thứ nhất được đặt tên là P1X và P1Y, và cặp cảm biến thứ hai là P2X và P2Y. Cách gá đặt hai cảm biến tiệm cận P1X và P1Y (hoặc P2X và P2Y) được thể hiện rõ ở Hình 3. Hình 3. Gá đặt hai cảm biến tiệm cận theo phương X và Y Các thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận này được liệt kê ở Bảng 2. Bảng 2. Thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận Thông số Giá trị Mã số IA12ALC03AG - K Xuất xứ Carlo Gavazzi (Ý) Nguồn cung cấp 18 – 30 VDC Loại ngõ ra Analog Dòng ngõ ra 4 – 20 mA Số dây 3 Vùng làm việc 0,3 – 3 mm Tần số lấy mẫu 2.000 Hz Lỗi tuyến tính < 5% Ở bàn thí nghiệm này, tác giả sử dụng nguồn 24 VDC để cung cấp cho các cảm biến. Đây là loại cảm biến có 3 dây, với 3 màu khác nhau, trong đó: Nâu (BN: Brown): thường là dây nối với nguồn dương. Xanh (BU: Blue): thường là dây nối với nguồn âm. Đen (BK: Black): thường là dây tín hiệu ngõ ra. Vì tín hiệu ngõ ra của loại cảm biến này là ở dạng dòng điện: 4 – 20 mA, nên ta phải mắc thêm một điện trở ở ngõ ra có giá trị là 250 Ω để đạt được tín hiệu đầu ra là điện áp tương ứng với 1 – 5 VDC. Sơ đồ mạch điện như Hình 4. Hình 4. Mạch chuyển đổi tín hiệu ngõ ra từ dòng điện sang điện áp B G F C D EA P1Y (P2Y) P1X (P2X) BN C ả m b iế n BU BK 24 VDC 250 Ω Đầu ra ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(128).2018 73 2.1.2. Keyphasor Trong các bài toán dao động, việc xác định vị trí góc của trục hay đĩa quay là rất quan trọng. Nó giúp ích trong việc cân bằng động hay biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền góc (angular domain). Để thực hiện được điều này, một cảm biến tiệm cận và một đĩa có một rãnh nhỏ thường được sử dụng (Hình 5). Cảm biến tiệm cận trong trường hợp này thường được gọi là “keyphasor”. Tín hiệu thu về từ cảm biến này (1 xung/1 vòng quay) được sử dụng như là mức gốc hay mức tham chiếu có góc pha là 0°. Ngoài ra, tín hiệu này còn được dùng để đo tốc độ trục quay. Bạn đọc có thể tham khảo tài liệu [8] để hiểu rõ hơn về chức năng cũng như ứng dụng của “keyphasor” này. Những nghiên cứu sâu hơn về bài toán dao động có sử dụng keyphasor sẽ được tác giả thực hiện và trình bày ở những công bố tiếp theo. Hình 5. Cảm biến tiệm cận đóng vai trò của một keyphasor 2.2. Bộ thu nhận tín hiệu Tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận sẽ được đưa về chip vi điều khiển Arduino UNO-R3 để xử lý tín hiệu trước khi đưa vào phần mềm Matlab để xử lý và phân tích dữ liệu. Giao diện người dùng (GUI) trong Matlab được sử dụng để vận hành máy được dễ dàng hơn. Mặc dù trên bo mạch Arduino đã có tích hợp bộ giao tiếp truyền thông nối tiếp UART-RS232, tuy nhiên tốc độ truyền này là khá chậm, không đáp ứng được yêu cầu của các vấn đề về phân tích dao động. Để giải quyết vấn đề trên, bộ Ethernet Arduino Shield được đề xuất sử dụng với chuẩn giao tiếp Ethernet và tốc độ truyền tối đa lên đến 100 Mb/s. Hình 6. Quá trình thu nhận dữ liệu Quy trình truyền nhận dữ liệu (Hình 6) như sau: 1. Tín hiệu từ các cảm biến sẽ được đưa về chip Arduino UNO-R3 để xử lý tín hiệu qua các kênh analog 10 bit. 2. Những tín hiệu này sau đó được gởi lên cơ sở dữ liệu (mySQL) thông qua bộ Ethernet Arduino Shield. 3. Giao diện người dùng (GUI) trên nền Matlab sẽ kết nối với cơ sở dữ liệu này để thu nhận tín hiệu và phân tích, đánh giá kết quả 3. Một vài thí nghiệm ban đầu Sau khi hoàn thành lắp ráp bàn thí nghiệm, tác giả đã tiến hành một vài thí nghiệm cơ bản để đánh giá khả năng hoạt động của bàn thí nghiệm này. Các thí nghiệm bao gồm: - Tăng tốc: trục quay tăng tốc từ 250 – 4.000 vòng/phút. - Duy trì: tốc độ của trục quay được duy trì tại 4.000 vòng/phút trong khoảng thời gian 10 giây. - Giảm tốc: trục quay giảm tốc từ 4.000 đến 250 vòng/phút. Để đảm bảo tính ngắn gọn, súc tích của bài báo, tác giả chỉ trình bày một vài kết quả ban đầu thu được từ thí nghiệm tăng tốc. 3.1. Keyphasor Tín hiệu thu được từ keyphasor được hiển thị ở Hình 7. Để dễ quan sát, tín hiệu này chỉ được vẽ trong khoảng thời gian 2 giây đầu tiên từ khi bắt đầu. Bởi vì đây là quá trình tăng tốc, nên ta có thể dễ dàng nhận thấy khoảng cách giữa hai xung càng lúc càng hẹp dần. Hình 7. Tín hiệu thu được từ keyphasor trong quá trình tăng tốc Do đặc tính của cảm biến này là trả về 1 xung/1 vòng quay, do đó ta có thể tính được vận tốc của trục quay theo thời gian. Từ Hình 8 ta dễ dàng nhận thấy rằng thời gian để trục quay tăng tốc từ 250 lên 4.000 vòng/phút là khoảng 40 giây. Hình 8. Quá trình tăng tốc của trục quay 3.2. Độ dao động trong miền thời gian Độ dao động của trục quay trong miền thời gian tại hai vị trí khác nhau được thu nhận từ bốn cảm biến tiệm cận được biểu diễn ở Hình 9. Ta dễ dàng nhận thấy biên độ dao động của bốn cảm biến này (hay là biên độ dao động của trục) tăng Arduino Matlab Cơ sở dữ liệu 74 Đặng Phước Vinh, Trần Phước Thanh đột ngột vào khoảng giây thứ 8, sau đó thì độ rung động giảm dần. Đây chính là thời điểm xảy ra hiện tượng cộng hưởng của hệ thống, làm cho trục quay dao động rất mạnh. Hình 9. Tín hiệu thu được từ bốn cảm biến tiệm cận trong miền thời gian 3.3. Độ dao động trong miền tần số Hình 10. Tín hiệu thu được từ bốn cảm biến tiệm cận trong miền tần số Mặc dù ta đã biết ở thí nghiệm tăng tốc, bàn thí nghiệm này sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở giây thứ 8, nhưng ta hoàn toàn không biết tần số xảy ra hiện tượng này (hay là tần số riêng) là bao nhiêu. Do đó, việc biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số phải được sử dụng trong trường hợp này. Bằng cách áp dụng phương pháp biến đổi Fast Fourier (FFT), ta dễ dàng xác định được các tần số riêng của hệ thống. Như trình bày ở Hình 10, tần số riêng thứ nhất và thứ hai của bàn thí nghiệm này là khoảng 23 Hz và 108 Hz. Kết quả này được xác thực dựa vào tốc độ quay của trục: hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi trục quay với tốc độ vào khoảng 1.400 vòng/phút (tương đương với 23 Hz) và 6.500 vòng/phút (tương đương với 108 Hz). Việc xác định được tần số riêng của máy hay hệ thống có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong việc tránh hiện tượng cộng hưởng. Để việc xác định tần số riêng của hệ thống được chính xác hơn, kiểm tra va đập (impact test) thường được sử dụng. 4. Kết luận Bài báo, trình bày về bàn thí nghiệm cỡ nhỏ để xác định các thông số động học của máy quay. Bàn thí nghiệm có kết cấu khá đơn giản và gọn nhẹ với chi phí thiết bị và gia công chế tạo vào khoảng 20 triệu đồng (chưa tính chi phí về xây dựng phần mềm thu nhận và phân tích dữ liệu). Bàn thí nghiệm này rất cần thiết cho sinh viên và giảng viên các ngành cơ khí trong việc nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu khoa học, gắn liền cơ sở lý thuyết với thực hành. Bàn thí nghiệm gồm có một động cơ điện một chiều có thể quay với tốc độ tối đa là 12.000 vòng/phút thông qua mạch điều khiển Arduino IBT-2. Trục quay có đường kính 10 mm được nối với trục động cơ thông qua một khớp nối mềm. Một vài thí nghiệm cơ bản đã được thực hiện để đánh giá khả năng hoạt động của bàn thí nghiệm. Các thông số động học của máy quay như tần số riêng, các chế độ dao động của trục, độ biến dạng của trục, biểu đồ histogram, biểu đồ Campbell... sẽ được trình bày ở những nghiên cứu tiếp theo. Lời cám ơn Bài báo này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng với đề tài có mã số: T2018-02-30. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P V Dang, S Chatterton, P Pennacchi, A Vania, A Test Rig for Evaluating Tilting–pad Journal Bearing Characteristics, 9th International Conference on Rotor Dynamics IFToMM ICORD 2014, Milan, Italy, 2014, pp. 921-930. [2] P V Dang, S Chatterton, P Pennacchi, A Vania, F Cangioli, Eccentricity Measurements on a Five-pad Tilting Pad Journal Bearing, Proceedings of the 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, 2015, pp. 496-502. [3] P V Dang, S Chatterton, P Pennacchi, A Vania, “Effect of The Load Direction on Non-nominal Five-pad Tilting-pad Journal Bearings”, Tribology International, Elsevier, Vol. 98, 2016, pp. 97-211. [4] G D Jiang, H Hu, W Xu, Z W Jin, Y B Xie, “Identification of Oil Film Coefficients of Large Journal Bearings on A Full Scale Journal Bearing Test Rig”, Tribology International, Vol. 30, No. 11, 1997, pp. 789-793. [5] Z L Qiu, A K Tieu, “Identification of Sixteen Force Coefficients of Two Journal Bearings from Impulse Responses”, Wear, Vol. 212, 1997, pp. 206-212. [6] H Zhou, S Zhao, H Xu, J Zhu, “An Experimental Study on Oil-film Dynamic Coefficients”, Tribology International, Vol. 37, 2004, pp. 245-253. [7] W Dmochowski, “Dynamic Properties of Tilting-pad Journal Bearings: Experimental and Theoretical Investigation of Frequency Effects Due to Pivot Flexibility”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 129, 2007, pp. 865-869. [8] H Luo, R Chumai, N Peton, A Menon, Keyphasor Based Torsional Vibration Detection and Field Applications, 9th International Conference on Rotor Dynamics IFToMM ICORD 2014, Milan, Italy, 2014, pp. 233-253. (BBT nhận bài: 14/6/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 20/7/2018)