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