Chương 1: Nguyên lý rung động

01: Nguyên lý về rung động

OBJECTIVES

• Là một chuyên viên phân tích rung động Cấp độ II, bạn cần nắm vững các khái niệm cơ bản về tần số (frequency), chu kỳ (period) (bao gồm cách chuyển đổi giữa tần số và chu kỳ) và biên độ (amplitude) (cùng với sự khác biệt giữa các dạng đo đỉnh, đỉnh-đỉnh, và giá trị hiệu dụng).
• Hiểu rõ sự khác biệt giữa chuyển vị (displacement), vận tốc (velocity) và gia tốc (acceleration), các đơn vị đo thông dụng của từng đại lượng, và cách chuyển đổi qua lại giữa chúng.
• Hiểu các khái niệm cơ bản về pha tuyệt đối (absolute phase) và pha tương đối (relative phase), cách chúng được ứng dụng trong phân tích rung động, cũng như cách đo pha thông thường bằng máy phân tích một kênh (single channel) và hai kênh (dual channel), và bằng đèn strobe (strobe).
• Hiểu khái niệm “giá trị đo mức tổng”, những hạn chế của nó, nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt kết quả đo giữa các hãng thiết bị và hệ thống khác nhau, cũng như cách hệ số đỉnh (crest factor) cung cấp thêm thông tin bổ sung.
• Hiểu khái niệm phổ (spectrum) và các nguyên lý cơ bản của quá trình FFT (Fast Fourier Transform), cùng với ưu và nhược điểm khi hiển thị trục x theo đơn vị tần số hoặc theo bậc.
• Yêu cầu bạn đã hoàn thành phần “Nguyên lý rung động” ở Cấp độ I hoặc tương đương, do đó một số nội dung ở đây sẽ chỉ được tóm tắt lại.

Các máy quay như quạt , bơm, động cơ và tua-bin đều rung động khi hoạt động. Ta có thể lắng nghe rung động này và thường có thể nghe ra được các sự cố hoặc hư hỏng cơ khí. Nhưng đó chỉ là một phần của câu chuyện. Bằng cách sử dụng các cảm biến đặc biệt và thiết bị điện tử giám sát, rung động cung cấp cảnh báo sớm cho rất nhiều dạng hư hỏng: ổ bi/ổ trục bị hỏng, lệch tâm các bộ phận,rotor mất cân bằng, lỏng bệ máy, và nhiều tình trạng khác nữa. Rung động sẽ thay đổi khi tình trạng máy thay đổi.

Các lực bên trong máy gây ra rung động, và rung động này được truyền đến các ổ trục. Các lực này là kết quả của lực quay và lực ma sát . Khi đo rung động tại ổ trục của máy, thực chất ta đang đo đáp ứng  của vỏ ổ trục đối với các lực được sinh ra bên trong máy.

Bắt đầu với những kiến thức cơ bản về rung động

Nếu bạn muốn trở thành một chuyên viên phân tích rung động giỏi, bạn cần bắt đầu từ những kiến thức cơ bản nhất. Bạn cần biết cách thực hiện phép đo, biết mình đang đo cái gì, biết tín hiệu trông như thế nào, và biết cách diễn giải dữ liệu cuối cùng dưới dạng đồ thị. Hãy bắt đầu hành trình khám phá này ngay bây giờ!

Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào các nguyên lý cơ bản của rung động. Bạn sẽ học về dạng sóng thời gian, phổ rung động, và giá trị đọc tổng RMS. Bạn sẽ học cách đặc trưng hóa biên độ và tần số rung động theo nhiều đơn vị khác nhau, và thấy được mối liên hệ giữa chúng. Bạn cũng sẽ học sơ qua về pha và cách nó được dùng để liên hệ tín hiệu này với tín hiệu khác. Mục tiêu của phần này là giúp bạn nắm vững các đặc tính cơ bản của rung động, dù nó đến từ một chiếc máy hay từ một dây đàn guitar và dạy bạn các thuật ngữ mô tả rung động. Việc đo rung động, xử lý tín hiệu, và phát hiện hư hỏng máy móc sẽ được trình bày ở các phần khác.

Giới thiệu về rung động

Dạng rung động đơn giản nhất là một khối lượng gắn trên lò xo chuyển động lên xuống. Nếu gắn một cây bút chì vào khối lượng đó, nó sẽ vẽ ra một sóng hình sin trên một tờ giấy đang chuyển động. Chiều cao của dạng sóng rung động chính là “biên độ” và biên độ này liên quan đến mức độ nghiêm trọng của rung động. Xét trường hợp khối lượng và lò xo, biên độ của rung động chính là khoảng cách mà khối lượng di chuyển lên xuống. Nó được gọi là “chuyển vị” . Chúng ta sẽ thấy sau này rằng ta cũng có thể nói về tốc độ mà khối lượng di chuyển khi đi lên đi xuống (“vận tốc”), hoặc nói về mức độ gia tốc của nó khi di chuyển lên xuống (“gia tốc”).

Figure 1-1 Biên độ của sóng sin

Mô tả dữ liệu rung động

Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về biên độ rung và định nghĩa các thuật ngữ quan trọng: RMS (giá trị hiệu dụng), Average (giá trị trung bình), Peak (giá trị đỉnh) và Peak-to-Peak (đỉnh – đỉnh) và cũng như cách chúng có thể được sử dụng để mô tả biên độ rung một cách chi tiết.

Figure 1-2 Hiểu về biên độ rung động

Nếu xét khối lượng gắn trên lò xo, ta có thể hình dung tổng quãng đường mà nó di chuyển từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất. Tổng khoảng cách này được gọi là biên độ đỉnh-đỉnh (peak-to-peak) của rung động thường viết tắt là “pk-pk”. Nhìn vào hình phía trên, bạn có thể thấy nó được đánh dấu trên dạng sóng, tương ứng với khoảng cách từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất trên dạng sóng.

Thuật ngữ tiếp theo cần định nghĩa là biên độ “Đỉnh” (Peak). Ở đây ta đang nói đến khoảng cách xa nhất mà khối lượng di chuyển tính từ điểm nghỉ hoặc điểm 0 trên đồ thị. Tính từ vị trí nghỉ, nó di chuyển lên trên bao xa, hoặc di chuyển xuống dưới bao xa? Trong trường hợp đặc biệt này của khối lượng-lò xo, với dạng “dao động điều hòa đơn giản”, khoảng cách di chuyển lên bằng với khoảng cách di chuyển xuống, nên ta có thể chọn bên nào cũng được. Điều này cũng đúng với hầu hết các trường hợp rung động khác khi đó biên độ Đỉnh (ký hiệu “pk” hoặc “0-pk”) bằng đúng một nửa biên độ pk-pk. Tuy nhiên, điều này KHÔNG đúng trong hầu hết các trường hợp rung động thực tế, vì vậy ta cần hiểu rằng: biên độ đỉnh được định nghĩa là khoảng cách xa nhất tính theo một hướng bất kỳ (lên hoặc xuống) so với điểm 0, còn pk-pk được định nghĩa là tổng quãng đường di chuyển từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất. Ví dụ: nếu khối lượng di chuyển xuống “3” và lên “2”, thì giá trị đỉnh (peak) sẽ là “3”, còn giá trị đỉnh-đỉnh (peak to peak) sẽ là “5”.

RMS amplitude

RMS là viết tắt của “Root Mean Square”, và theo nghĩa tổng quát, nó mô tả lượng năng lượng trung bình chứa trong dạng sóng (hay trong rung động).Hãy xét khối lượng trên lò xo dao động lên xuống liên tục, giờ này qua giờ khác, ngày này qua ngày khác. Ta có thể muốn biết trong suốt khoảng thời gian đó, chuyển động xa nhất tính từ điểm 0 là bao nhiêu (biên độ đỉnh – pk), hoặc muốn biết nó di chuyển được bao xa tính từ điểm thấp nhất đến điểm cao nhất tại một thời điểm bất kỳ (pk-pk). Cả hai đều là những thông tin hữu ích cần biết.

Bây giờ, hãy xét vấn đề theo một góc nhìn khác. Hãy tưởng tượng rằng lò xo và khối lượng đó chính là dòng điện phát ra từ ổ cắm điện trên tường nhà bạn  dòng điện này cũng là một dạng sóng, và trên thực tế rất gần với dạng sóng hình sin! Bây giờ giả sử bạn muốn cấp điện cho máy tính của mình bằng nguồn điện này  bạn có quan tâm đến việc nó biến đổi bao nhiêu trong một khoảnh khắc rất ngắn tại một chu kỳ nào đó hay không? Hay bạn quan tâm nhiều hơn đến việc trung bình có bao nhiêu năng lượng đang được cấp ra từ ổ điện? Nếu bạn chọn phương án thứ hai, thì đại lượng bạn cần đo chính là RMS.

Figure 1-3 Biên độ RMS and đỉnh của một sóng sin

Figure 1-4 Tính RMS cho một sóng sin

Đối với sóng hình sin và chỉ đối với sóng hình sin, biên độ RMS bằng 0.707 lần biên độ đỉnh (Peak), theo công thức ở trên. Sau này chúng ta sẽ tìm hiểu cách tính giá trị RMS cho các dạng sóng khác. Còn bây giờ, đây là một ví dụ minh họa cách tính các giá trị pk, pk-pk và RMS cho một sóng hình sin thuần túy.

Figure 1-5 Ví dụ cách tính pk, pk-pk và RMS cho một sóng hình sin

Ở Hình 1-5, biên độ của đồ thị được đánh dấu từ 10 đến -10. Để tính biên độ pk, ta xét khoảng cách lớn nhất tính từ điểm 0, dù là lên trên hay xuống dưới. Trong trường hợp này (vì đây là sóng hình sin), khoảng cách này bằng nhau dù ta xét lên hay xuống, do đó giá trị pk là 10. Giá trị pk-pk gấp đôi giá trị pk  hoặc ta có thể đo từ điểm thấp nhất (-10) đến điểm cao nhất (10), như vậy tổng biên độ chuyển động là 20. Vậy pk-pk = 20. Vì đây là sóng hình sin, ta có thể tính RMS bằng cách nhân giá trị pk (10) với 0.707. Điều này cho ta giá trị RMS là 7.07.

Sau này chúng ta sẽ thấy rằng giá trị RMS là một đại lượng thường được sử dụng để theo dõi xu hướng  trong các chương trình giám sát rung động đơn giản. Vì giá trị RMS liên quan đến lượng năng lượng trung bình chứa trong dạng sóng, ý tưởng ở đây là: nếu giá trị RMS tăng lên, có nghĩa là máy đang rung động nhiều hơn và có thể đang gặp sự cố. Tuy nhiên, trong khóa học này bạn sẽ học được rằng có nhiều lý do khiến rung động tăng lên mà không liên quan đến sự cố cơ khí, và cũng có những trường hợp sự cố cơ khí xảy ra nhưng lại không làm tăng giá trị RMS.

Trước khi chuyển sang phần tiếp theo, xin nhắc lại nhanh: Giá trị RMS chỉ bằng 0.707 × pk và pk-pk chỉ bằng 2 × pk khi sóng đó là hình sin đối xứng. Hầu hết rung động trong thực tế đều bất đối xứng  và không có dạng sóng hình sin thuần túy.

Figure 1-6 Giá trị RMS KHÔNG bằng 0.707 × pk khi sóng không phải là sóng hình sin

KEY POINTS

• Học viên cần hiểu khái niệm về biên độ (amplitude).
• Học viên cần có khả năng nhận biết các biên độ pk, pk-pk và RMS trên một dạng sóng.
• Học viên cần có khả năng tính toán biên độ pk và pk-pk từ một dạng sóng, và biên độ RMS từ một sóng hình sin.
• Học viên cần lưu ý rằng các công thức dưới đây chỉ đúng với sóng hình sin:

RMS = 0.707 × pk

Pk-pk = 2 × pk

CHU KỲ VÀ TẦN SỐ

Một đồng xu được gắn vào cánh quạt để làm cho nó bị mất cân bằng. Trọng lượng thêm vào này tạo ra lực ly tâm khi cánh quạt quay. Lực ly tâm này kéo cánh quạt, làm cho nó quay lệch tâm, gây ra rung động. Rung động được tạo ra trông rất giống với rung động của một khối lượng nhún nhảy lên xuống trên một lò xo.

Nếu cánh quạt quay được năm vòng trọn vẹn mỗi giây, thì rung động sẽ đi lên và đi xuống năm lần mỗi giây khi trọng lượng đi qua vị trí trên cùng, nó kéo trục lên, và khi đi qua vị trí dưới cùng, nó kéo trục xuống.

Figure 1-7 Quạt có gắn cảm biến và dạng sóng thời gian thu được

Figure 1-8 Đồ thị rung động trong 1 giây

Nhiều ảnh chụp nhanh (snapshot) được ghi lại cho thấy vị trí của đồng xu tương ứng với dạng sóng. Xem Hình 1-9.

Khi đồng xu ở vị trí trên cùng, dạng sóng cũng đang ở điểm cao nhất của hành trình chuyển động.

Figure 1-9 Vị trí của đồng xu được thể hiện tương ứng với đường trace của dạng sóng

Cũng lưu ý rằng đáy của dạng sóng xuất hiện khi đồng xu ở vị trí thấp nhất. Dạng sóng được tạo ra bởi sự mất cân bằng  này được gọi là “sóng hình sin”.

Giới thiệu về tần số

Chúng ta đã thảo luận về biên độ của rung động. Bây giờ cần giải thích thêm một đặc tính quan trọng khác của rung động, đó là: “tần số”.

Tần số mô tả mức độ thường xuyên mà một sự kiện xảy ra trong một khoảng thời gian xác định.

Chúng ta đều quen thuộc với khái niệm tần số trong nhiều bối cảnh khác, ví dụ: có bao nhiêu chuyến xe buýt khởi hành mỗi ngày từ trạm xe buýt; chúng ta uống thuốc bao nhiêu lần mỗi ngày; chúng ta gọi điện cho mẹ bao nhiêu lần mỗi tuần, v.v. Đây đều là các ví dụ về tần số.

Trong lĩnh vực rung động, “khoảng thời gian xác định” thường là một giây hoặc một phút. Khi nói về số chu kỳ trên giây , ta dùng thuật ngữ “Hertz”; còn khi nói về số chu kỳ trên phút, ta dùng thuật ngữ “CPM”.

Chiếc quạt trong ví dụ trước hoàn thành năm vòng quay trọn vẹn mỗi giây, tức là 5 hertz (5Hz).

Nếu quạt hoàn thành 5 vòng quay mỗi giây, thì nó đang hoàn thành 300 vòng quay mỗi phút (5 vòng quay/giây × 60 giây). Có thể nói rằng quạt đang quay ở tốc độ 300…vòng quay mỗi phút (300 RPM) hoặc 300 chu kỳ mỗi phút (300 CPM) trong trường hợp này hai đơn vị này có thể dùng thay thế cho nhau. Dưới đây là các công thức:

Hertz= Hz = Cycles per second = CPS RPM = Revolutions per minute

CPM = Cycles per minute CPM = RPM = Hz x 60

Figure 1-10 Đồ thị rung động trong 1 giây.

Chiếc quạt quay năm vòng mỗi giây.

Do đó có 5 chu kỳ mỗi giây.

Tần số phải là 5 CPS hoặc 5 Hz.

Tốc độ quạt = 5 Hz hoặc 300 RPM

CPM và RPM

CPM và RPM thường được dùng thay thế cho nhau. CPM là thuật ngữ tổng quát hơn vì nó có thể được dùng để mô tả cả những sự vật không “quay”, ví dụ như: tim tôi có thể đập 100 nhịp mỗi phút, và tôi có thể nói nhịp tim của tôi là 100 CPM. Nhưng sẽ không hợp lý nếu nói tim tôi đang đập ở 100 RPM, vì tim không hề quay!

Bạn cũng có thể thỉnh thoảng nghe thấy thuật ngữ “CPS” (chu kỳ trên giây) được dùng thay cho Hertz (Hz), nhưng Hertz là thuật ngữ phổ biến hơn. Cả hai thuật ngữ này đều tương đương và có thể chấp nhận được.

Giới thiệu về chu kỳ

Một thuật ngữ quan trọng khác cần biết là “chu kỳ” (period). Chu kỳ là khoảng thời gian cần thiết để hoàn thành một dao động (one cycle). Trong ví dụ về khối lượng trên lò xo, chu kỳ sẽ bằng khoảng thời gian để khối lượng di chuyển từ điểm thấp nhất lên điểm cao nhất rồi trở lại điểm thấp nhất (hoàn thành một chu kỳ đầy đủ). Chu kỳ có thể được đo trực tiếp trên dạng sóng (waveform), hoặc có thể được tính toán từ tần số và ngược lại. Các công thức dưới đây thể hiện mối quan hệ giữa chu kỳ và tần số.

Chu kỳ (giây) = 1/Tần số (Hz)

Chu kỳ được đo bằng đơn vị thời gian: giây hoặc mili-giây.

1 mili-giây = 1 phần nghìn của một giây

1 ms = 0.001 giây

Tính Chu kỳ từ Tần số: Quay lại ví dụ về quạt quay ở tốc độ 5 Hz (hay 5 chu kỳ mỗi giây), ta có thể đặt câu hỏi: mất bao lâu để hoàn thành 1 chu kỳ hay nói cách khác, “chu kỳ” là bao nhiêu (tính bằng giây)? Công thức là 1/f Hz = Chu kỳ (giây). Vậy 1/5 Hz = 0.2 giây. Do đó chu kỳ là 0.2 giây.

Tính Tần số từ Chu kỳ: Tham khảo lại các công thức, ta có F Hz = 1/Chu kỳ (giây). Trong ví dụ này, Chu kỳ sẽ được đo trực tiếp trên dạng sóng.

Figure 1-11 Chu kỳ của một dao động là 0.2 giây

Dạng sóng trong Hình 1-11 có độ dài 1 giây. Nếu đo thời gian của một chu kỳ (dùng đáy sóng làm mốc tham chiếu), ta thấy chu kỳ kéo dài từ 0.15 giây đến 0.35 giây, tức là khoảng thời gian hoặc chu kỳ là 0.2 giây.

Giá trị tần số có thể được tính toán khi đã biết Chu kỳ là 0.2 giây. Tần số (Hz) = 1/Chu kỳ (giây), hay trong trường hợp này là 1/0.2 = 5 Hz (5 chu kỳ mỗi giây).

Chu kỳ là một khái niệm quan trọng, cũng như các công thức chuyển đổi qua lại giữa chu kỳ và tần số, bởi vì đôi khi ta biết được thời gian cần để một sự kiện xảy ra (chu kỳ) và muốn biết tốc độ mà sự kiện đó xảy ra (tần số của nó); những lúc khác ta lại biết tần số của một sự kiện và muốn biết mất bao lâu để sự kiện đó xảy ra một lần. Vì vậy, chúng ta sẽ thường xuyên phải chuyển đổi qua lại giữa chu kỳ và tần số.

Tăng tần số

Dạng sóng sẽ trông như thế nào nếu tốc độ quạt tăng gấp đôi? Sẽ có gấp đôi số chu kỳ trong một giây do tốc độ quạt tăng gấp đôi. Có 10 xung trong một giây, hay 10 chu kỳ hoàn chỉnh trong một giây.

Figure 1-12 Tăng gấp đôi tốc độ quạt làm tăng gấp đôi số chu kỳ trong một giây

Bây giờ tần số là 10 Hz (10 chu kỳ mỗi giây) hoặc 600 CPM (600 chu kỳ mỗi phút). Tốc độ quạt là 600 RPM.

Chu kỳ bây giờ là 0.1 giây (1 ÷ 10Hz = 0.1)

Vậy khi tốc độ quạt tăng, tần số tăng theo, nhưng chu kỳ lại giảm. Đây là một ví dụ khác:

Figure 1-13 Ví dụ về chu kỳ và tần số.

Chu kỳ là 0.25 giây. Tần số tính bằng Hz bằng 1/Chu kỳ (giây), hay 1/0.25 = 4 Hz.

Trong ví dụ này, tần số tính bằng CPM là bao nhiêu?

Hz × 60 = CPM

4 Hz × 60 = 240 CPM

NHỮNG ĐIỂM CHÍNH CẦN NẮM

• Học viên cần hiểu các khái niệm về chu kỳ và tần số cũng như mối quan hệ giữa chúng.
• Học viên cần hiểu các đơn vị tần số: Hz, CPM và RPM, và cần biết cách chuyển đổi qua lại giữa chúng.
• Học viên cần có khả năng xác định chu kỳ của một dạng sóng và tính chu kỳ từ tần số.
• Học viên cần có khả năng tính tần số của một dạng sóng.

GIỚI THIỆU VỀ PHA

Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu khái niệm về pha (phase). Ở các chương sau, chúng ta sẽ thảo luận về các ứng dụng của phép đo pha.

Chúng ta sẽ thấy rằng:

• Pha liên quan đến thời điểm (timing) của hai tín hiệu.
• Pha rất hữu ích khi chẩn đoán hư hỏng.
• Pha là yêu cầu bắt buộc khi cân bằng máy.

(Có một kỹ thuật cân bằng không cần đến pha)

• Pha giúp ta hiểu được chuyển động tương đối giữa các điểm khác nhau trên một kết cấu.
• Pha có thể được đo bằng máy phân tích một kênh, máy phân tích hai kênh, và bằng đèn strobe (stroboscope).

Ở các phần trước, chúng ta đã thảo luận về một số đặc tính của rung động như biên độ  và tần số. Hãy tưởng tượng hai đứa trẻ đang đu xích đu cạnh nhau. Giả sử chúng đu với cùng tần số và cùng biên độ. Hai đặc tính này  biên độ và tần số  cho ta rất nhiều thông tin để hình dung được hai đứa trẻ đang đu như thế nào. Tuy nhiên, điều mà chúng không cho biết là mối quan hệ tương đối giữa chuyển động của hai đứa trẻ khi đu. Liệu chúng có đu tới trước và lùi ra sau đúng cùng lúc với nhau không? Hay một đứa đang đu tới trước trong khi đứa kia đang đu lùi ra sau? Hay một đứa đang đi theo sát đứa kia đến điểm cao nhất ngay sau khi đứa kia vừa đến, rồi đến điểm cao nhất phía sau ngay sau khi đứa kia cũng vừa đến?

Đây chính là loại câu hỏi mà phép đo pha sẽ giúp trả lời.

Tại thời điểm này, khái niệm quan trọng cần hiểu là: pha là mối quan hệ giữa hai thứ với nhau.

Trước khi tiếp tục, xin lưu ý rằng một vòng quay của trục (shaft), hay một chu kỳ rung động, tương đương với 360 độ.

Figure 1-14 Một chu kỳ tương đương 360 độ

Hình 1-15 cho thấy hai chiếc quạt đang quay cùng nhau. Chúng được gọi là đồng pha với nhau. Hãy chú ý cách hai sóng hình sin đạt đỉnh cùng một lúc. Chúng cùng thời điểm. Chúng đồng bộ. Chúng đồng pha.

Figure 1-15 Hai máy đồng pha với nhau

Trong trường hợp này, hai chiếc quạt cũng đang rung động với cùng biên độ. Xin lưu ý rằng biên độ và pha không liên quan đến nhau. Mối quan hệ pha sẽ không thay đổi dù biên độ của một trong hai dạng sóng có thay đổi hay không. Pha liên quan đến thời điểm khi nào mỗi sóng đi qua điểm cực đại theo phương thẳng đứng? Nếu chúng đến điểm đó cùng lúc, thì chúng “đồng pha”.

Cũng lưu ý rằng vị trí của các cánh quạt (đánh dấu bằng đồng xu) là giống nhau đối với cả hai quạt.

Giới thiệu về pha: Độ lệch pha

Figure 1-16 Hai quạt đang  lệch  pha  với  nhau

Hình 1-16 cho thấy dạng sóng của hai quạt di chuyển theo hướng ngược nhau. Đỉnh của quạt phía trên xảy ra đúng lúc quạt phía dưới đang ở đáy hành trình của nó. Chúng “lệch pha” (out of phase) với nhau. Nếu ví với hai đứa trẻ đu xích đu, điều này tương ứng với việc chúng đu hoàn toàn ngược nhau — khi một đứa ở phía trước thì đứa kia ở phía sau.

Có một cách để đo mức độ lệch pha giữa hai quạt. Sử dụng dạng sóng của quạt trên làm sóng tham chiếu, một chu kỳ có thể được chia thành 360 khoảng bằng nhau — mỗi khoảng thực chất là một độ góc quay, và một vòng quay là 360 độ.

Đỉnh của quạt dưới đạt tới sau đỉnh của quạt trên 180 khoảng (intervals). Nó lệch 180 độ so với dạng sóng phía trên. Do đó ta nói nó lệch pha 180 độ (180 degrees out of phase) so với quạt trên. Đây cũng chính là ½ chu kỳ.

Pha được đo bằng độ (degrees). Hai quạt trong Hình 1-17 lệch pha 90 độ.

Figure 1-17 Hai quạt lệch pha nhau 90 độ

Pha đến từ đâu ?

Như đã đề cập, pha là mối quan hệ giữa hai đại lượng với nhau; đó có thể là chuyển động của hai chiếc quạt so với các lực mất cân bằng của chúng, hoặc có thể là mối quan hệ chuyển động giữa hai đứa trẻ đu xích đu. Trong cả hai trường hợp, khi đo pha, ta cần thu thập hai dữ liệu để hiểu được mối quan hệ pha giữa chúng.

Khi đo pha bằng máy thu thập dữ liệu một kênh, người ta thường sử dụng một máy đo tốc độ vòng quay làm tham chiếu pha. Đây được gọi là pha tuyệt đối. Trong trường hợp, nó sẽ cho biết mối quan hệ pha giữa tín hiệu tachometer và cảm biến rung động tại tần số vòng quay của trục.

Khi đo bằng máy thu thập dữ liệu hai kênh (two-channel data collector), thường có thể đo trực tiếp mối quan hệ pha giữa hai cảm biến rung động. Đây được gọi là Pha Tương đối (Relative Phase).

Sử dụng tham chiếu bằng tachometer

Trong Hình 1-18 dưới đây, ta có thể thấy một cấu hình điển hình để thu thập pha bằng cách sử dụng tachometer và cảm biến rung động. Một miếng băng phản quang được dán lên trục. Khi miếng băng phản quang đi qua chùm tia phát ra từ tachometer (đánh số “2”), nó tạo ra một xung. Ta có thể thấy xung này trong đồ thị phía trên bên phải, được đánh dấu “2”. Cần lưu ý rằng miếng băng chỉ đi qua tachometer một lần trên mỗi vòng quay trục, vì vậy tần số của xung này chính bằng tần số vòng quay trục.

Figure 1-18  Đo pha  bằng  tachometer

Cảm biến rung động (đánh số “1”) đang thu tín hiệu rung động từ vỏ ổ trục. Ta có thể thấy điều này trong đồ thị đánh dấu “1”. Dạng sóng rung động có một biên độ và một tần số, như ta đã biết từ phần trước. Bây giờ câu hỏi đặt ra là: hai đại lượng này liên quan với nhau như thế nào? Đây chính là lúc ta đo pha.

Hãy chồng hai đồ thị lên nhau theo thời gian đồ thị từ tachometer và đồ thị từ cảm biến rung động. Bạn có thể thấy điều này trong Hình 1-19. Bước tiếp theo là đo sự khác biệt, tính bằng độ, giữa xung của tachometer và điểm cao nhất của sóng rung động, nhớ rằng một vòng quay tương đương với 360 độ.

Nhìn kỹ hơn vào Hình 1-19, có thể thấy độ lệch pha vào khoảng 80 độ, hay hơi nhỏ hơn ¼ chu kỳ.

Figure 1-19 Đo pha bằng tachometer

Bạn có thể thấy một ví dụ thực tế về cách lắp đặt tachometer trên một máy thật trong Hình 1-20. Lưu ý rằng trục được sơn màu đen xung quanh miếng băng phản quang. Đôi khi điều này là cần thiết để tạo đủ độ tương phản cho phép đo chính xác. Cũng lưu ý rằng tachometer được lắp cùng trục với các cảm biến gia tốc theo phương ngang trong trường hợp này. Mặc dù điều này không bắt buộc, nhưng nó giúp cho việc đọc pha đỡ gây nhầm lẫn hơn.

Figure 1-20 Ví dụ về cách lắp đặt tachometer với băng phản quang

Figure 1-21 Các loại tachometers

Có nhiều loại tachometer khác nhau trên thị trường (Hình 1-21), bao gồm cả loại quang học (optical) và loại laser. Một số tachometer laser có thể đo tốc độ trục mà không cần dùng đến băng phản quang.

Figure 1-22 Cảm biến tiệm cận

Cũng có thể sử dụng cảm biến tiệm cận hướng vào một then hoặc rãnh then để làm tham chiếu pha “một xung trên mỗi vòng quay”. Có một tên thương hiệu  dùng để chỉ việc sử dụng cảm biến khoảng cách làm tham chiếu pha  gọi là Keyphasor™. Khi then hoặc rãnh then đi qua cảm biến khoảng cách, nó đo được sự thay đổi nhanh về khoảng cách hoặc chuyển vị, và sự thay đổi này được ghi nhận bằng một xung tương tự như cách tachometer tạo ra xung khi thấy băng phản quang. Xung này được dùng làm tham chiếu pha. Góc pha được đo từ xung đó đến điểm cao nhất của sóng rung động.

Kỹ thuật này thường được sử dụng khi giám sát các máy sử dụng ổ trượt. Hai cảm biến khoảng cách được lắp lệch nhau 90 độ dùng để đo chuyển động của trục bên trong ổ trục, còn cảm biến khoảng cách thứ ba được lắp ở vị trí khác theo phương dọc trục trên trục dùng làm tham chiếu pha.

Pha tương đối: Hai kênh

Một cách khác để đo pha là sử dụng máy thu thập dữ liệu hai kênh và đo độ chênh lệch pha giữa hai cảm biến rung động. Cách này được gọi là “pha tương đối”. Ta có thể thấy một cấu hình điển hình trong Hình 1-23.

Hãy dành một chút thời gian nhìn vào hình này và nhớ lại ví dụ trước đó về chiếc quạt có gắn trọng lượng gây mất cân bằng. Bạn nghĩ mối quan hệ pha giữa hai cảm biến sẽ như thế nào? Trọng lượng đó sẽ đi qua cảm biến này trễ hơn cảm biến kia bao lâu? Hãy xem xét cách các cảm biến được định hướng so với nhau. Khi bạn nghĩ mình đã có câu trả lời, hãy xem Hình 1-24 dưới đây và so sánh hai dạng sóng với nhau. Chúng lệch nhau bao nhiêu độ?

Figure 1-23 Đo pha tương đối bằng hai cảm biến gia tốc

Figure 1-24 Pha tương đối giữa hai cảm biến gia tốc

Biểu diễn dữ liệu pha

Pha rất hữu ích để chẩn đoán một số hư hỏng cơ khí trong máy móc. Ta có thể chỉ cần dùng máy phân tích và quan sát trực tiếp, hoặc có thể ghi lại các số liệu đo và phân tích các mô hình để biết chúng đang cho thấy điều gì về tình trạng máy. Nếu chúng ta sẽ thu thập và lưu trữ dữ liệu để trình bày hoặc chia sẻ với đồng nghiệp hoặc khách hàng, chúng ta cần có những quy ước chung để trình bày dữ liệu đó.

Figure 1-25 Lệch tâm góc kèm thông tin pha

Trong hình trên, ta thấy một đồ thị rung động, và ở góc trên bên phải có hai vòng tròn với các đường kẻ đi ra từ chúng, mô tả mối quan hệ pha giữa các số liệu đo theo phương dọc trục ở hai bên khớp nối. Các vòng tròn này được gọi là biểu đồ bong bóng.

Figure 1-26 Biểu đồ bong bóng ghi lại kết quả đo pha

Lưu ý rằng trong hầu hết các trường hợp, chúng ta quan tâm đến các số liệu đo pha tương đối giữa một hoặc nhiều điểm trên máy, chẳng hạn như vị trí đo trên các mặt dọc trục (axial faces) của máy

các bộ phận nằm ở hai bên khớp nối. Trong trường hợp này, chính việc các số liệu đo lệch nhau 180 độ là bằng chứng xác nhận hư hỏng này. Chúng ta không quan tâm đến việc số liệu đo bên phải lệch 90 độ hay 135 độ, chúng ta chỉ đơn giản muốn biết nó liên hệ như thế nào với số liệu đo bên trái.

Vì vậy, ta có một vài cách để sử dụng biểu đồ bong bóng. Ta có thể ghi trực tiếp giá trị pha như ở hàng trên cùng (lưu ý rằng nửa dưới của vòng tròn sẽ chứa biên độ rung động), hoặc ta chỉ cần dùng các đuôi (tails) chĩa ra ngoài vòng tròn (dưới bên trái) hoặc chĩa vào trong vòng tròn (dưới bên phải) để thể hiện pha. Như mô tả ở hàng trên cùng 0 độ được thể hiện bằng đuôi chỉ hướng lên trên, 90 độ là vị trí 3 giờ, 180 độ là vị trí 6 giờ, và 270 độ là vị trí 9 giờ.

Đo pha bằng đèn strobe

Nếu ta điều chỉnh tần số của đèn strobe (Hình 1-27) trùng với tốc độ quay của máy (sao cho trục hoặc khớp nối trông như đã ngừng quay), thì tín hiệu đầu ra của strobe có thể được kết nối vào đầu vào tachometer của máy thu thập dữ liệu. Máy thu thập dữ liệu sẽ xử lý tín hiệu từ strobe giống như đang xử lý tín hiệu tachometer thông thường.

Figure 1-27 Using a strobe

Tuy nhiên, nếu tốc độ máy thay đổi dù chỉ một chút, tín hiệu từ strobe sẽ không còn phản ánh chính xác tốc độ thực của máy  kết quả đo pha sẽ bị sai. Nếu bạn thiết lập strobe sao cho hình ảnh của một then, một vít định vị, hay điểm bất kỳ khác trên trục hoặc khớp nối, thì bạn nên sử dụng điểm đó làm tham chiếu trước khi ghi lại số liệu biên độ và pha. Nếu tốc độ thay đổi, bạn sẽ thấy then/vít định vị bắt đầu xoay tới trước hoặc lùi ra sau. Khi đó, bạn có thể điều chỉnh tần số chớp của đèn strobe để hình ảnh đứng yên trở lại.

Máy thu thập dữ liệu điều khiển strobe hoặc ngược lại

Còn một cách khác sử dụng đèn strobe rất hiệu quả, tuy nhiên không phải đèn strobe hay máy thu thập dữ liệu nào cũng có khả năng này.

Cảm biến rung động được kết nối với strobe và được đặt ở chế độ “EXT”. Bạn điều chỉnh tốc độ chớp sáng của strobe cho đến khi chuyển động của trục gần như đứng yên. Chuyển sang chế độ “LOCK/TRACK” và lúc này strobe sẽ sử dụng mạch điện tử bên trong để lọc tín hiệu rung động và trích xuất thành phần rung động tại tốc độ vận hành. Strobe lúc này có thể theo dõi mọi thay đổi về tốc độ. Strobe thường có một tín hiệu đầu ra TTL có thể được kết nối vào đầu vào tachometer của máy thu thập dữ liệu.

Ngoài ra, một số dòng máy thu thập dữ liệu có thể được dùng để tự động theo dõi thành phần rung động trội 1x và điều khiển strobe. Máy thu thập dữ liệu có thể tự động theo dõi tốc độ 1x, hoặc bạn có thể di chuyển con trỏ trên phổ để thiết lập tốc độ. Một dây cáp được nối từ đầu ra của máy thu thập dữ liệu đến đầu vào của strobe. Lúc này tốc độ chớp sáng của strobe sẽ được điều khiển bởi máy thu thập dữ liệu. Nếu tốc độ máy thay đổi nhẹ, tốc độ chớp sáng của strobe cũng như tín hiệu kích hoạt (trigger signal) sẽ tự động được hiệu chỉnh theo.

Khi strobe hoặc máy thu thập dữ liệu được thiết lập để theo dõi tốc độ vận hành, bạn có thể thực hiện “đo pha bằng hình ảnh”. Strobe sẽ chớp sáng đúng theo tốc độ vận hành của máy, khiến cho trục (hoặc khớp nối) trông như đứng yên. (Dĩ nhiên, bạn cần hết sức cẩn thận trục thực chất chưa hề ngừng quay, và bạn phải cẩn thận không chạm vào nó). Sau đó bạn nên thiết lập một điểm tham chiếu trực quan, như một then hoặc vít định vị, và sử dụng núm “Relative Phase” trên strobe để điều chỉnh vị trí của then/vít định vị sao cho nó nằm ở vị trí 12 giờ.

Figure 1-28 Điểm tham chiếu pha di chuyển

Sau khi đã cố định được điểm tham chiếu tại vị trí 12 giờ, bạn có thể di chuyển cảm biến rung động sang điểm đo tiếp theo. Khi bạn hướng strobe vào trục với cảm biến đặt tại điểm đo mới, bạn có thể sẽ thấy điểm tham chiếu mà bạn vừa chuyển sang vị trí mới. Sự khác biệt giữa vị trí hiện tại và vị trí ban đầu bạn đã đóng băng nó (giả sử là 12 giờ) chính là độ lệch pha, hay pha tương đối, giữa hai điểm đo. Trong Hình 1-28 ở trên, bạn có thể thấy điểm tham chiếu trực quan đã xoay khoảng 90 độ. Điều này có nghĩa là góc pha giữa hai điểm đo là 90 độ.

Tóm tắt về pha

Dưới đây là tóm tắt ngắn gọn về pha:

Pha mô tả mối quan hệ giữa hai tín hiệu, vì vậy ta cần một điểm tham chiếu hoặc hai tín hiệu riêng biệt để tính pha. Thông thường, một cảm biến rung động và một máy đo tốc độ vòng quay được dùng để thu thập pha tuyệt đối, hoặc hai cảm biến rung động được dùng với máy thu thập dữ liệu hai kênh để thu thập pha tương đối.

Số liệu đo pha được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:

• Cân bằng máy
• Chẩn đoán các hư hỏng thường gặp của máy móc
• Xác nhận hiện tượng cộng hưởng
• Hiểu cách các kết cấu chuyển động

Figure 1-29 Mô phỏng chuyển động của một máy bằng dữ liệu pha

KEY POINTS

• Học viên cần hiểu rằng một chu kỳ rung động tương đương với 360 độ.
• Hiểu khái niệm về pha.
• Hiểu rằng pha là mối quan hệ giữa hai tín hiệu.
• Hiểu cách đo pha:

• Pha tuyệt đối, dùng máy đo tốc độ vòng quay làm tham chiếu
• Pha tương đối giữa hai cảm biến rung động
• Sử dụng đèn strobe và một điểm tham chiếu trực quan
• Hiểu cách pha được ghi lại bằng biểu đồ bong bóng (các vòng tròn)
• Học viên cần có khả năng xác định pha bằng cách nhìn vào một sóng hình sin và tín hiệu tham chiếu
• Hiểu một cách tổng quát một số ứng dụng của pha

DISPLACEMENT, VELOCITY AND ACCELERATION

Khi thảo luận về biên độ rung động, ta cần nêu rõ đơn vị đo.

Biên độ có thể được đo theo nhiều cách khác nhau, sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau. Nó cũng có thể được hiển thị theo nhiều đơn vị khác nhau, hay nói cách khác, ta có thể chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác.

Nếu xét khối lượng nhún nhảy lên xuống trên lò xo, ta có thể nói về chuyển động của nó theo ba cách khác nhau.

Chuyển vị: Mô tả quãng đường mà khối lượng di chuyển được, tức là nó di chuyển lên xuống bao xa. Đối với trục đang rung, đó là khoảng cách nó di chuyển vào và ra. Đối với một đứa trẻ đang đu xích đu, đó là độ cao mà nó đu lên được…

Vận tốc: Mô tả tốc độ mà khối lượng đang di chuyển tại một thời điểm bất kỳ, hay nói cách khác là nó đang di chuyển được bao xa trong một khoảng thời gian. Vận tốc là tốc độ thay đổi của chuyển vị  giống như số dặm đi được trong một giờ vậy.

Gia tốc: Gia tốc là tốc độ thay đổi của vận tốc. Nó mô tả mức độ nhanh chóng mà khối lượng đang tăng tốc hoặc giảm tốc.

Figure 1-30 Đơn vị và pha

Tốc độ không được đo bằng dặm hay ki-lô-mét trên giờ. Nó được đo bằng inch trên giây (in/giây, viết tắt IPS) hoặc milimét trên giây (mm/giây). Và nó không được gọi là “tốc độ” mà gọi là Vận tốc.

Khoảng cách không được đo bằng dặm hay ki-lô-mét, mà bằng mils hoặc micron. Và nó không được gọi là “Khoảng cách” mà gọi là Chuyển vị.

Hình phía trên mô tả các điểm mà tại đó chuyển vị, vận tốc và gia tốc đạt giá trị cực đại. Ta có thể hình dung lại khối lượng trên lò xo  tổng quãng đường di chuyển từ trên xuống dưới chính là chuyển vị cực đại của nó. Khi nó đến điểm trên cùng hoặc dưới cùng, nó không hề chuyển động, vì vậy vận tốc cực đại phải xảy ra khi nó ở giữa hành trình. Còn tại điểm trên cùng và dưới cùng, nó cần phải dừng lại, đổi hướng và tăng tốc trở lại  vì vậy hai điểm đó chính là vị trí có gia tốc cực đại.

Nhìn kỹ hơn vào hình trên, độ lệch pha giữa hai điểm cực đại của chuyển vị, vận tốc và gia tốc là bao nhiêu? Chú ý rằng chúng cách nhau 90 độ. Đây là một điểm quan trọng cần ghi nhớ! Đơn vị mà chúng ta chọn sử dụng sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo pha của chúng ta!

Figure 1-31 Gia tốc dẫn trước vận tốc, vận tốc dẫn trước chuyển vị 90 độ

Có một cách đơn giản để ghi nhớ mối quan hệ pha giữa chuyển vị, vận tốc và gia tốc: Hãy tưởng tượng bạn đang lái ô tô. Đầu tiên bạn đạp ga (gia tốc), sau đó xe mới tăng tốc độ (vận tốc), rồi mới di chuyển được một quãng đường (chuyển vị). Nói theo ngôn ngữ rung động, ta có thể nói rằng gia tốc dẫn trước vận tốc 90 độ, và vận tốc dẫn trước chuyển vị 90 độ. Ta cũng có thể nói rằng chuyển vị trễ sau vận tốc 90 độ, và vận tốc trễ sau gia tốc 90 độ.

Đây là một ví dụ thực tế giải thích tại sao điều này lại quan trọng. Giả sử bạn thu thập số liệu rung động và pha tuyệt đối, sử dụng một cảm biến gia tốc và một máy đo tốc độ vòng quay làm tham chiếu, tại hai ổ trục theo phương thẳng đứng. Đơn vị của rung động là gia tốc, và các số liệu đo pha là 90 và 150 độ, vậy ta có thể nói rằng độ lệch pha giữa hai ổ trục là 60 độ. Bây giờ, giả sử người phân tích chuyển đổi số liệu đo đầu tiên sang đơn vị vận tốc (chúng ta sẽ thấy sau này rằng đây là việc thường gặp) điều này sẽ làm thay đổi số liệu đo pha tại ổ trục đó lên thêm 90 độ. Vì vận tốc trễ sau gia tốc, nên số liệu đo bây giờ sẽ là 0 độ tại ổ trục đó. Nếu người phân tích quên chuyển đổi số liệu đo thứ hai sang vận tốc và chỉ đơn giản so sánh các số liệu pha tại thời điểm này, họ sẽ nghĩ rằng độ lệch pha là 150 – 0 = 150 độ! Điều này có thể dẫn đến chẩn đoán sai.

Một ví dụ thực tế khác xuất hiện khi bạn cố gắng cân bằng một máy. Bạn thực hiện một lần đo rung động và pha ban đầu (lần chạy gốc), và dựa trên số liệu đo đó, bạn xác định vị trí tốt nhất (góc) để gắn một trọng lượng thử lên trục. Mối quan hệ giữa góc pha và vị trí điểm nặng trên trục sẽ phụ thuộc vào đơn vị đo mà ta đang sử dụng. Chúng ta sẽ quay lại vấn đề này ở phần cân bằng.

Đơn vị rung động

Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các đơn vị của rung động và cách chúng liên hệ với nhau. Sau này ta sẽ thấy rằng có thể xem dữ liệu rung động theo cả ba đơn vị: gia tốc, chuyển vị và vận tốc, bằng cách chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác. Ta cũng sẽ thấy rằng có thể đo trực tiếp các đại lượng này bằng những loại cảm biến khác nhau.

Loại cảm biến ta sử dụng và cách ta hiển thị dữ liệu sẽ tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Điều quan trọng là ta cần hiểu các khái niệm này để có thể chọn được cảm biến và đơn vị hiển thị phù hợp cho ứng dụng của mình.

Đơn vị biên độ : Chuyển vị

Chuyển vị mô tả chuyển động của một vật thể theo khoảng cách. Trong máy móc quay, cảm biến khoảng cách đo khoảng cách giữa cảm biến và trục. Chuyển vị cũng có thể được tính toán bằng cách tích phân tín hiệu từ cảm biến khoảng cách hoặc từ cảm biến gia tốc.

Các đơn vị thông dụng:

• Metric:
• Imperial:

micronpk-pk milspk-pk

1 Micron= 1 µm = 1000th of a mm= 0.04 mils 1 Mil = 1000th of an inch = 25.4 microns

Dạng sóng được đo theo giá trị đỉnh-đỉnh, hay pk-pk. Nói cách khác, nó đo tổng quãng đường mà trục di chuyển được.

Dưới đây là một số đặc điểm quan trọng của chuyển vị:

• Ở tần số thấp, chuyển vị có thể cao (khi đó gia tốc sẽ thấp).
• Ở tần số cao, chuyển vị sẽ thấp (khi đó gia tốc sẽ cao).
• Vì chuyển vị nhạy hơn ở tần số thấp, nên nó thường là đơn vị được lựa chọn cho các máy tốc độ thấp (dưới 600 RPM) hoặc khi ta quan tâm đến việc đo các tần số thấp.
• Chuyển vị thường được đo bằng cảm biến khoảng cách. Các cảm biến này thường được lắp đặt trên các máy sử dụng ổ trượt, như tua-bin và máy nén tua-bin.
• Đơn vị chuyển vị thường được sử dụng khi thực hiện cân bằng máy.

Figure 1-32

Chuyển vị tỷ lệ thuận với ứng suất. Biến dạng là sự biến dạng phân số xảy ra trong một vật thể khi nó chịu tác dụng của một tập hợp lực làm biến dạng. Biến dạng sinh ra trong một vật thể tỷ lệ thuận trực tiếp với ứng suất.

Để hiểu khái niệm này, hãy hình dung một miếng kim loại như chiếc kẹp giấy đang bị kéo giãn hoặc kéo căng ra. Khi bạn kéo giãn, nó sẽ dần dài ra, mỏng hơn và yếu đi cho đến khi gãy. Đây chính là cách một vật liệu bị hỏng khi chịu ứng suất  và biến dạng.

Hình 1-33 cho thấy vị trí tương đối giữa trục và cảm biến. Lưu ý rằng đây là một dạng sóng chuyển vị.

Figure 1-33 Chuyển vị lớn nhất theo chiều dương xảy ra khi trục ở vị trí xa cảm biến nhất

Biên độ cao nhất xảy ra khi trục ở khoảng cách xa cảm biến nhất. Đó chính là lúc chuyển vị đạt giá trị cực đại.

Trong các ổ trượt (journal bearings), hai cảm biến khoảng cách thường được lắp lệch nhau 90 độ (Hình 1-34). Khi đo giá trị chuyển vị đỉnh-đỉnh từ hai cảm biến cùng lúc, ta có thể biết được vị trí chính xác của trục bên trong ổ trục. Vị trí trung tâm trung bình của trục được thể hiện bằng một sơ đồ gọi là sơ đồ đường tâm. Chuyển động động học của trục (rung động) thường được mô tả bằng một đồ thị gọi là quỹ đạo.

Tại sao ta lại dùng đỉnh-đỉnh (pk-pk) thay vì đỉnh (pk) hay RMS trong ứng dụng này? Đó là vì ta quan tâm đến tổng quãng đường di chuyển của trục theo mỗi hướng. Ta muốn chắc chắn rằng trục không đến quá gần bề mặt bên trong của ổ trục ở bất kỳ điểm nào.

Figure 1-34 Cảm biến khoảng cách trong ổ trượt

Đơn vị biên độ: Vận tốc

Vận tốc là đơn vị rung động được sử dụng phổ biến nhất cho các loại máy thông thường. Về mặt kỹ thuật, nó là tốc độ thay đổi của chuyển vị.

Figure 1-35 Vận tốc là đơn vị đo tốt cho hầu hết thiết bị nhà máy

Các đơn vị thông dụng là:

• Metric:
• Imperial:

1 mm = 0.04 inch

1 inch = 25.4 mm

mm/secRMs in/secpk(or IPSpk)

Vận tốc là thước đo tốt cho rung động trên nhiều dải tốc độ máy và tần số quan tâm khác nhau. Vì lý do này, đây là đơn vị đo rung động phổ biến nhất cho các máy quay thông thường sử dụng ổ lăn .

Vận tốc thường được dùng để đo các tần số từ 2 đến 2000 Hz (120 – 120,000 CPM).

Vận tốc tỷ lệ thuận với mỏi. Biến dạng sinh ra từ chuyển vị và các chu kỳ biến dạng dẫn đến mỏi. Để hiểu khái niệm này, hãy hình dung một chiếc kẹp giấy. Nếu bạn uốn nó qua lại từ từ (vận tốc thấp), nó sẽ không gãy, nhưng nếu bạn uốn nó tới lui nhanh (vận tốc cao), nó sẽ bị gãy do mỏi.

Lưu ý rằng vận tốc là thước đo mức độ nghiêm trọng (severity). Khi máy móc, các bộ phận máy, hoặc kết cấu như đường ống hay bệ móng chịu mức rung động cao (đo bằng vận tốc), chúng dễ bị mỏi và có thể bị hư hại do rung động.

Đơn vị biên độ: Gia tốc

Gia tốc đang ngày càng trở nên phổ biến hơn như một đơn vị đo rung động được ưa chuộng, nhờ vào dải động lớn hơn có sẵn trong các máy thu thập dữ liệu hiện đại.

Gia tốc là tốc độ thay đổi của vận tốc. Nó cho biết một vật đang tăng tốc hay giảm tốc nhanh như thế nào.

Các đơn vị thông dụng của gia tốc:

• Metric:
• Imperial:

g’sRMsor mm/sec²RMs or m/s²RMs g’sRMs, in/s²pk and AdB

Gia tốc là tốc độ thay đổi của vận tốc. Một số đặc điểm của gia tốc:

• Gia tốc nhạy nhất ở tần số cao.
• Ở tốc độ thấp, gia tốc rất nhỏ.
• Đơn vị gia tốc thường được dùng cho các máy tốc độ cao (trên 10,000 RPM). Nó cũng được dùng trong phân tích ở tần số cao như phân tích ổ bi và hộp số.

Figure 1-36 Gia tốc hữu ích cho các máy tốc độ cao. Nó tỷ lệ thuận với các lực bên trong máy..

Gia tốc tỷ lệ thuận với các lực  bên trong máy.

So sánh các đơn vị

Như đã đề cập ở các phần trước, chuyển vị nhạy nhất với tần số thấp, gia tốc nhạy nhất với tần số cao, còn vận tốc nhạy với hầu hết các tần số quan tâm nhưng không nhạy bằng ở các tần số rất cao hoặc rất thấp. Để minh họa tầm quan trọng của những đặc điểm này, và nhớ rằng ta có thể chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác trong phần mềm, hãy cùng xem ba đồ thị trong Hình 1-38. Đây là cùng một dữ liệu, được hiển thị theo ba đơn vị biên độ khác nhau.

Figure 1-37 Cùng một dữ liệu được thể hiện theo Chuyển vị, Vận tốc và Gia tốc

Chuyển vị: Chú ý trong đồ thị trên cùng ở Hình 1-37 rằng thông tin duy nhất trong đồ thị nằm sát bên trái đồ thị. Đây là các tần số thấp. Khi đi sang phải (tần số cao hơn), không còn thông tin nào cả.

Gia tốc: Bây giờ hãy nhìn vào đồ thị gia tốc ở phía dưới. Ở đây ta thấy các thông tin nổi bật xuất hiện về phía bên phải của đồ thị (tần số cao hơn) nhưng rất ít thông tin ở phía bên trái đồ thị.

Vận tốc: So với hai đồ thị kia, đồ thị vận tốc rõ ràng chứa nhiều thông tin hơn. Ta có thể thấy các đỉnh rung động xuất hiện ở cả bên phải lẫn bên trái của đồ thị. Đây chính là lý do chính khiến vận tốc là đơn vị được sử dụng phổ biến nhất.

Tại sao điều này lại quan trọng? Ba đỉnh nổi bật xuất hiện về phía bên phải của đồ thị vận tốc và gia tốc liên quan đến các thanh rotor của động cơ. Nếu ta thu thập hoặc xem dữ liệu theo đơn vị chuyển vị, ta sẽ không thấy được các đỉnh này và sẽ không thể phát hiện được sự cố ở bộ phận này. Mặc dù ta vẫn đang cẩn thận thu thập số liệu đo, nhưng chúng không chứa thông tin quan trọng để phát hiện lỗi này. Vì vậy, người phân tích cần xem xét các tần số nào là mối quan tâm, rồi mới chọn cảm biến và đơn vị hiển thị phù hợp để phát hiện các tần số đó.

Hình 1-38 thể hiện mối quan hệ giữa ba đơn vị biên độ.

Figure 1-38 Mối quan hệ giữa Gia tốc, Vận tốc và Chuyển vị

Bạn nên dùng đơn vị nào?

Có ba vấn đề liên quan đến việc chọn đơn vị rung động. Một là loại cảm biến được sử dụng, hai là ứng dụng cụ thể, và ba là các tần số mà ta muốn đo. Những yếu tố này liên quan đến tốc độ của máy, loại ổ trục, và các dạng hư hỏng của máy.

Chương “Thu thập dữ liệu” sẽ thảo luận chi tiết về các loại cảm biến khác nhau và ứng dụng của chúng. Tóm tắt ngắn gọn:

• Cảm biến tiệm cận đo khoảng cách chuyển vị
• Máy đo vận tốc
• Cảm biến đo gia tốc

Cần lưu ý rằng hoàn toàn có thể chuyển đổi qua lại giữa gia tốc, vận tốc và chuyển vị.

CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ ĐO RUNG ĐỘNG

Phần lớn người phân tích sử dụng cảm biến gia tốc để đo rung động, nhưng sau đó lại chuyển đổi dữ liệu sang đơn vị vận tốc trước khi phân tích. Máy thu thập dữ liệu chuyển đổi từ gia tốc sang vận tốc bằng cách sử dụng một bộ tích phân. Hay ta có thể nói dữ liệu được “tích phân” từ gia tốc sang vận tốc. Hầu hết các phần mềm có thể chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác rất dễ dàng.

Figure 1-39 Công cụ chuyển đổi do Viện Mobius tạo ra

Để thực hiện việc chuyển đổi đơn vị, ta cần biết tần số. Việc chuyển đổi được tự động hóa trong các phần mềm và máy thu thập dữ liệu.

Hình 1-39 là một công cụ chuyển đổi do Viện Mobius tạo ra. Nó chuyển đổi một tần số và biên độ cụ thể sang tất cả các đơn vị khác, và có thể sử dụng miễn phí trên trang web của Viện Mobius: www.mobiusinstitute.com.

Conversions: ISO 14694:2003(E)

Figure 1-40 Các công thức chuyển đổi đơn vị

Dĩ nhiên, cũng có các công thức toán học tương ứng. Đây là các công thức theo chuẩn ISO 14694:2003(E). Bạn sẽ gặp các công thức này trong bài thi, vì vậy hãy chú ý đơn vị của từng biến số — ví dụ, tần số (F) phải tính theo CPM, nên nếu đề bài cho tần số theo Hz, bạn cần chuyển đổi sang CPM trước khi áp dụng công thức. Cũng cần lưu ý xem các biến số là giá trị đỉnh (peak) hay RMS. Khi chuyển đổi giữa các đơn vị bằng những công thức này, bạn có thể áp dụng mối quan hệ: RMS = 0.707 × Peak và Peak = RMS/0.707.

Điều gì xảy ra ở tần số thấp khi ta tích phân?

Khi thực hiện giám sát định kỳ thông thường đối với máy móc phổ biến, ta thường đo rung động bằng cảm biến gia tốc (gia tốc kế) và tích phân dữ liệu sang vận tốc. Về mặt toán học, đây chính là công thức thứ hai từ trên xuống ở phía bên trái mỗi ô trong Hình 1-40. Để chuyển đổi từ gia tốc sang vận tốc, ta chia cho tần số (F nằm ở mẫu số của phương trình). Khi F càng nhỏ, V càng lớn, và khi F tiến gần đến 0, V sẽ tiến đến vô cùng. Đây chính là một vấn đề đối với chúng ta.

Giải pháp cho vấn đề này là lọc bỏ các rung động ở tần số rất thấp (bằng cách sử dụng bộ lọc thông cao – high pass filter) trước khi tích phân dữ liệu. Cài đặt lọc thông thường là 10 Hz. Trong một số phần mềm hoặc cấu hình của máy thu thập dữ liệu, điều này được gọi là “tần số cắt thấp”.

Chỉ cần nhớ rằng nếu bạn quan tâm đến việc quan sát các tần số dưới 10 Hz (600 RPM) và bạn đang tích phân dữ liệu, thì rất có thể hệ thống của bạn đang được thiết lập để lọc bỏ chính những tần số mà bạn đang muốn đo!

Ví dụ: Hệ số anh

• Tần số (Frequency) = 1800 CPM
• Gia tốc (Acceleration) = 1 g_RMS
• Vận tốc (Velocity) = 5217 x 1 / 1800 = 9 in/sec_pk
• Displacement= 958 x107 x 1 / 18002) = 30.7 mils_pk-pk
• Velocity= 9 x 25.4 x 0.707 = 52.1 mm/s_RMS
• Displacement= 7 x 25.4 = 780 micron_pk-pk

KEY POINTS

• Học viên cần hiểu rằng rung động có thể được mô tả theo chuyển vị (D), vận tốc (V) và gia tốc (A).
• Hiểu định nghĩa của A, V và D.
• Hiểu mối quan hệ giữa A, V, D và tần số.

• Nên sử dụng đơn vị nào ở tần số nào.
• Điều gì xảy ra ở tần số thấp khi ta tích phân.

• Hiểu rằng có các loại cảm biến đo trực tiếp A, V hoặc D.
• Học viên cần hiểu rằng hoàn toàn có thể chuyển đổi bằng toán học từ đơn vị này sang đơn vị khác.

• Bạn có thể sẽ phải giải các công thức này trong bài thi.
• Bạn có thể sẽ phải chuyển đổi giữa hệ Anh và hệ mét.
• Sẽ có một bảng công thức được cung cấp.
• Học viên cần biết rằng đơn vị có thể được chuyển đổi qua lại trong phần mềm.
• Học viên cần làm quen với thuật ngữ “Tích phân”. Đây là việc chuyển đổi từ A sang V hoặc từ V sang D

GIÁ TRỊ ĐO TỔNG QUÁT

Sẽ thật tuyệt nếu ta có thể mô tả rung động chỉ bằng một con số duy nhất, rồi theo dõi xu hướng của con số đó hoặc so sánh nó với các tiêu chí chấp nhận! Ta có thể chỉ cần cộng tổng toàn bộ năng lượng rung động trong một dải tần và nói “đây là mức độ rung động của nó”. Điều này chắc chắn sẽ đơn giản hóa mọi thứ!

Phép đo rung động đơn giản

Trên thực tế, rung động có thể được cộng tổng lại thành một con số duy nhất, có thể theo dõi xu hướng và so sánh với giới hạn cảnh báo. Con số này được gọi là mức “tổng” hoặc “RMS Tổng”, và có rất nhiều thiết bị giá rẻ trên thị trường có thể thực hiện phép đo này.

Figure 1-41

Máy đo rung động có thể cho ra một giá trị vận tốc duy nhất (mm/giây hoặc in/giây), hoặc có thể cung cấp cả số liệu gia tốc, vận tốc và chuyển vị.

Các số liệu này cho ra một chỉ số “mức tổng” dựa trên giá trị RMS. Theo thời gian, người ta kỳ vọng rằng mức này sẽ có xu hướng tăng lên nếu có hư hỏng phát triển.

Việc thu thập và theo dõi xu hướng số liệu vận tốc, so sánh với các biểu đồ cảnh báo ISO như trong bộ tiêu chuẩn 10816 hoặc 7919, là cách làm phổ biến  với ý tưởng rằng khi hư hỏng cơ khí phát triển, mức rung động sẽ có xu hướng tăng lên. Nếu bạn đang tự hỏi tại sao cần học hết phần còn lại của khóa học này nếu tất cả những gì cần làm để phát hiện hư hỏng cơ khí trong máy quay chỉ là thu thập một giá trị rung động đơn lẻ, thì bạn nên biết rằng có rất nhiều hạn chế đối với cách tiếp cận này cần được xem xét.

Hiểu về lịch sử

Hai ba mươi năm trước, khi máy tính số chưa phổ biến, số liệu đọc tổng RMS là loại phép đo duy nhất mà hầu hết mọi người có thể thực hiện được ngoài hiện trường. Có những thiết bị đắt tiền và phức tạp hơn có thể thực hiện các phép đo tinh vi hơn, nhưng chúng chỉ được sử dụng trong những tình huống quan trọng, nơi chi phí thiết bị và nhân sự vận hành được biện minh là xứng đáng. Ngay cả ngày nay, khi giá thành của các máy thu thập dữ liệu số cao cấp ngày càng giảm, những thiết bị đơn giản này vẫn rẻ hơn nhiều lần.

Figure 1-42 Cảm biến đo rung động rẻ tiền

Vì những thiết bị đơn giản này đã được sử dụng rộng rãi trong thời gian dài, nhiều hướng dẫn từ ISO và các tổ chức khác đã được ban hành để giúp mọi người hiểu ý nghĩa của các số liệu đo. Nếu bạn hỏi một số người về rung động, đây là cách họ hiểu nó  chỉ một giá trị duy nhất cho biết “máy đang rung mạnh đến mức nào?” “Nó đang rung rất mạnh!” Nhưng điều này không cho biết gì về bản chất của sự cố. Nó giống như hỏi ai đó họ có thích bản giao hưởng đó không và họ trả lời “Nó to lắm”. Điều đó không cho bạn biết gì về chất lượng âm thanh, rằng cây vĩ cầm bị lệch tông một chút hay cây sáo bị rít.

Hãy xét ví dụ về chiếc ô tô của bạn. Bạn có thể nhận ra khi có gì đó không ổn qua âm thanh mà nó phát ra, nhưng nó có thể phát ra đủ loại âm thanh mang ý nghĩa khác nhau, và không phải tất cả các âm thanh to đều là vấn đề. Có những giới hạn trong việc chỉ đo “độ ồn” tổng thể hoặc năng lượng rung động tổng thể và cố gắng suy luận ra đầu đuôi về tình trạng cơ khí của máy. Dưới đây là một số cảnh báo khác.

Warning I: Dải tần số giới hạn

Theo tiêu chuẩn ISO đối với các số liệu đọc tổng RMS, chúng chỉ được đo trong dải tần số giới hạn từ 2 đến 1000 Hz. Sau này trong khóa học, ta sẽ tìm hiểu về mối quan hệ giữa tần số rung động và các bộ phận/hư hỏng cơ khí trong máy móc. Hiện tại bạn chỉ cần chấp nhận thực tế rằng nhiều sự cố cơ khí tạo ra tần số nằm ngoài dải này. Bao gồm: rung động của ổ bi, bánh răng, ma sát do thiếu bôi trơn, hiện tượng xâm thực (cavitation), v.v.

Warning II: Phụ thuộc vào một giá trị duy nhất

Như đã lưu ý trong ví dụ so sánh với bản giao hưởng, một giá trị duy nhất không cho ta biết nguồn gốc của rung động. Nói cách khác, ta không thể phân biệt được giữa mất cân bằng, lệch tâm , lỏng lẻo , cộng hưởng, mòn ổ bi, v.v.  tất cả đều là những hư hỏng máy móc thường gặp. Ngay cả khi ta nhận được một số dấu hiệu cho thấy tình trạng máy đang thay đổi dựa trên sự thay đổi của giá trị tổng, nó vẫn không cung cấp đủ thông tin để xác định vấn đề.

Nếu ta thu thập và theo dõi xu hướng giá trị tổng theo cả ba đơn vị: chuyển vị, vận tốc và gia tốc (Hình 1-43), ta có thể có được một ý niệm rõ hơn về tần số nào đang chiếm ưu thế trong rung động, nhớ rằng ba đơn vị này lần lượt nhấn mạnh vào tần số thấp, trung và cao. Mặc dù đây là một cải tiến so với việc chỉ dùng một giá trị duy nhất, nó vẫn là một phương pháp khá thô sơ so với công nghệ hiện có ngày nay.

Figure 1-43 Theo dõi xu hướng giá trị tổng theo chuyển vị, vận tốc và gia tốc

Warning Ill: Giá trị “tổng” không mang tính phổ quát

Như đã đề cập, mức RMS KHÔNG bằng 0.707 lần giá trị đỉnh đối với hầu hết các tín hiệu, và chúng ta cũng đã đề cập rằng có những phương pháp tính toán phức tạp hơn được dùng để tính giá trị RMS cho các loại tín hiệu này. Đáng tiếc, các thiết bị khác nhau sử dụng các phép tính và kỹ thuật khác nhau, vì vậy việc so sánh các giá trị thu được từ những thiết bị khác nhau có thể không hợp lệ. Tuy nhiên, chúng vẫn có thể được theo dõi xu hướng riêng lẻ.

Ta cũng đã đề cập rằng giá trị tổng theo chuẩn ISO được đo trong một dải tần cụ thể từ 2 – 1000 Hz. Một số máy đo rung động cung cấp các dải tần khác, vì vậy bạn cần cẩn thận để biết rõ mình đang thu thập dữ liệu theo dải tần nào. Các máy đo khác nhau cũng sử dụng các loại bộ lọc khác nhau để loại bỏ các tần số không mong muốn, điều này cũng có thể gây ra sự khác biệt giữa các số liệu đo từ các máy khác nhau.

Nếu bạn định sử dụng biểu đồ ISO 10816, hãy đảm bảo bạn biết số liệu vận tốc đã được xác định như thế nào. Tiếp theo chúng ta sẽ giải thích một số cách tính giá trị đọc tổng RMS.

RMS: Phương pháp Analog  (True RMS)

Nhắc lại từ phần trước, đối với một sóng hình sin thuần túy, giá trị RMS bằng 0.707 lần giá trị Đỉnh, nhưng điều này KHÔNG đúng đối với bất kỳ dạng sóng nào khác. Hầu hết rung động không có dạng hình sin, vì vậy ta cần sử dụng các phương pháp khác để tính mức RMS.

Figure 1-44

Có hai cách để tính RMS, tùy thuộc vào việc nó được tính toán theo phương pháp số (digitally) hay từ tín hiệu tương tự (analog).

Figure 1-45 Giá trị RMS thực được tính từ tín hiệu Analog. Việc bình phương làm cho giá trị luôn dương.

Nhắc lại rằng RMS được tính theo trình tự ngược lại với tên gọi của nó. Đầu tiên, các giá trị được bình phương để chúng luôn dương. Sau đó, giá trị trung bình của diện tích dưới đường cong được tính toán. Cuối cùng, căn bậc hai của giá trị trung bình đó được lấy ra. Hình 1-45 mô tả quá trình này đối với tín hiệu Analog.

RMS: Phương pháp số (Digital)

Quá trình này không hoàn toàn giống nhau đối với tín hiệu số.

Trong trường hợp này, tín hiệu analog được số hóa, tức là chia thành một số lượng mẫu rời rạc “n”. Mỗi mẫu “n” được bình phương. Tổng các giá trị bình phương sau đó được chia cho số lượng mẫu. Căn bậc hai của giá trị này được tính ra, cho ra giá trị RMS theo công thức dưới đây.

Digital

Figure 1-46 RMS được tính từ hiệu số

RMS: Tính từ phổ

Giá trị RMS tổng cũng có thể được tính toán từ phổ rung động. Một lợi ích của cách tiếp cận này là giá trị RMS có thể được tính cho bất kỳ dải tần nào, sao cho nó nắm bắt được các tần số cụ thể liên quan đến ứng dụng đó. Nhược điểm của cách này là bạn cần nhớ rằng giá trị RMS tổng này KHÔNG giống với giá trị tổng theo chuẩn ISO, vì vậy bạn không thể so sánh trực tiếp giá trị thu được với biểu đồ cảnh báo. Ngoài ra, nếu bạn muốn theo dõi xu hướng các số liệu đo này, bạn cần chắc chắn không thay đổi các cài đặt trên máy thu thập dữ liệu giữa các lần đo cho điểm đo đó.

Figure 1-47 Giá trị RMS được  tính  từ phổ

Mức độ nghiêm trọng của rung động và ISO 10816

Tiêu chuẩn ISO 10816 định nghĩa mức độ nghiêm trọng của rung động là giá trị RMS của vận tốc rung động, được đo trong dải tần từ 2 Hz đến 1000 Hz.

Figure 1-48

Thay vì đo biên độ của một dao động thoáng qua tại một tần số cao đơn lẻ, số liệu đo mức độ nghiêm trọng rung động thể hiện giá trị trung bình của tất cả các thành phần rung động trong một dải tần rộng và tương đối thấp.

Mức độ nghiêm trọng của rung động liên quan trực tiếp đến mức năng lượng của rung động máy, và do đó là một chỉ số tốt cho các lực phá hoại  đang tác động lên máy.

Các mức cảnh báo ISO sẽ được thảo luận ở chương khác.

Các phép đo tổng và việc theo dõi xu hướng có thể mang lại kết quả tốt và là một công cụ tiết kiệm thời gian có giá trị. Phần phân tích và giới hạn cảnh báo sẽ cung cấp thêm các lựa chọn khác để cảnh báo về sự cố.

Hệ số đỉnh (CREST  FACTOR)

Hệ số đỉnh của một dạng sóng là tỷ số giữa giá trị Đỉnh và giá trị RMS. Đôi khi nó được gọi là tỷ số đỉnh-trên-RMS. Tỷ số giữa đỉnh và RMS cho ta biết mức độ có tác động va đập trong dạng sóng là bao nhiêu. Tín hiệu từ một máy bị mất cân bằng sẽ có dạng hình sin, do đó hệ số đỉnh sẽ gần bằng 1.4. Tuy nhiên, các máy có hư hỏng ổ bi sẽ có dạng sóng “gai nhọn” (spiky) hơn, nên hệ số đỉnh sẽ cao hơn nhiều.

Figure 1-49 Hệ số đỉnh là 1.41 với sóng sin thuần túy

Figure 1-50 Hệ số đỉnh của dạng sóng này cao do hiện tượng va đập

Hệ số đỉnh bổ sung thêm thông tin cho một số liệu đo đơn giản như giá trị đọc tổng RMS, bằng cách cho ta biết mức độ va đập trong dạng sóng. Điều này có thể giúp ta xác định nguyên nhân gốc rễ của rung động và loại hư hỏng mà nó có thể chỉ ra.

KEY POINTS

• Hiểu khái niệm về giá trị tổng RMS.
• Giá trị tổng RMS có thể được tính theo nhiều cách khác nhau.

• RMS chỉ bằng 0.707 × pk đối với sóng hình sin thuần túy.
• Cần cẩn thận để chọn nhất quán một phương pháp tính toán.
• Hiểu các lợi ích của việc sử dụng giá trị tổng RMS.
• Hiểu các hạn chế của việc sử dụng giá trị tổng RMS.
• Hiểu rằng có nhiều loại biểu đồ cảnh báo khác nhau tồn tại.
• Hiểu tầm quan trọng của việc theo dõi xu hướng.
• Hiểu về hệ số đỉnh, cách tính và cách sử dụng nó.

Sau này trong khóa học, học viên sẽ có trách nhiệm sử dụng một hoặc nhiều biểu đồ cảnh báo dựa trên giá trị RMS để xác định tình trạng của máy và đưa ra khuyến nghị.

RUNG ĐỘNG PHỨC HỢP

Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về rung động đơn giản. Ta đã sử dụng ví dụ về một khối lượng trên lò xo nhún nhảy lên xuống. Ta đã giải thích rằng rung động có các đặc tính về tần số (Hz, CPM hoặc RPM) và biên độ (pk, pk-pk hoặc RMS), và chuyển động có thể được mô tả theo chuyển vị, vận tốc hoặc gia tốc. Ta cũng lưu ý rằng có thể liên hệ một tín hiệu rung động này với tín hiệu khác thông qua pha.

Bây giờ ta sẽ đặt câu hỏi: Điều gì sẽ xảy ra nếu ta có hai khối lượng trên hai lò xo?

Figure 1-51 Điều gì xảy ra khi ta có hai khối lượng và hai lò xo?

Hãy nhớ rằng mỗi khối lượng và lò xo tạo ra một sóng hình sin đơn giản với một biên độ và một tần số. Nếu nhìn vào Hình 1-51, ta có thể thấy rằng tổng của hai dạng sóng đơn giản này đã trở nên khá phức tạp. Trên thực tế, nếu ta không biết dạng sóng này được tạo ra từ hai khối lượng và hai lò xo, ta sẽ hoàn toàn không thể biết được điều gì đã tạo ra dạng sóng này.

Điều này liên quan như thế nào đến một chiếc máy

Trong một chiếc máy thực tế, mọi thứ còn phức tạp hơn nhiều. Máy có một rotor đang quay, các puly, bánh răng, ổ bi, cánh quạt và nhiều nguồn rung động khác nữa. Mỗi bộ phận này rung động theo cách riêng của nó, với tần số và biên độ riêng, và tất cả cộng lại tạo thành một dạng sóng phức hợp.

Figure 1-52 Hai nguồn rung động trong một chiếc quạt

Xét rung động do một chiếc quạt gây ra

Trong Hình 1-53, ta thấy một chiếc quạt lồng sóc đơn giản và dạng sóng tương ứng của nó. Trong ví dụ này, ta có thể xét đến hai nguồn rung động: một từ trục đang quay và một từ các cánh quạt. Để hình dung điều này, hãy tưởng tượng chiếc quạt có gắn một trọng lượng lên nó. Khi trọng lượng quay vòng và đi qua cảm biến, ta thu được một dạng sóng liên quan đến tần số vòng quay của trục. Điều này là vì trọng lượng đi qua cảm biến một lần trên mỗi vòng quay.

Figure 1-53 Các nguồn rung động riêng lẻ kết hợp lại tạo thành một dạng sóng phức hợp

Để hình dung rung động phát ra từ các cánh quạt (Hình 1-53), hãy tưởng tượng bạn cầm một tờ giấy sao cho các cánh quạt đập vào nó khi chúng đi qua. Tờ giấy sẽ bị đập bao nhiêu lần? Trong một vòng quay của trục, tờ giấy sẽ bị mỗi cánh quạt đập một lần. Do đó, tốc độ mà nó bị đập bằng số cánh quạt nhân với tốc độ trục. Đây là một nguồn rung động khác trong chiếc quạt, và nó sẽ có biên độ và tần số riêng của nó.

Trong Hình 1-53, ta có thể thấy rằng khi cộng hai nguồn rung động này lại với nhau, kết quả là một dạng sóng phức hợp. Nếu ta chỉ có dạng sóng đó mà không biết nó đến từ trục quạt và cánh quạt, ta sẽ không có cách nào để diễn giải nó.

Cách xử lý rung động phức hợp

Như đã lưu ý, khi cộng lại với nhau, ngay cả hai dạng sóng đơn giản cũng có thể tạo ra một dạng sóng rất phức tạp. Tuy nhiên, điều ta muốn làm là bằng cách nào đó tách riêng rung động đến từ trục và rung động đến từ cánh quạt để có thể phân tích chúng một cách riêng biệt. Điểm mấu chốt ở đây là ta không thể làm được điều này bằng cách phân tích dạng sóng thời gian.

Điều này không có nghĩa là dạng sóng thời gian không hữu ích trên thực tế, ta sẽ quay lại thảo luận về các cách phân tích nó ở cả các lớp Category II và Category III.

Ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ giới thiệu một cách nhìn mới đối với dữ liệu rung động, và nó sẽ giúp ta giải quyết vấn đề các dạng sóng cộng lại và trở nên phức tạp trong miền thời gian.

KEY POINTS

• Khi cộng hai sóng hình sin đơn giản lại với nhau, kết quả trở nên phức tạp và bạn không thể dễ dàng “tách” chúng ra bằng mắt thường.
• Rung động thực tế từ máy móc rất phức tạp. Toàn bộ rung động từ các bộ phận khác nhau được cộng lại với nhau trong dạng sóng thời gian.
• Điều này khiến dạng sóng thời gian khó phân tích.
• Vì vậy ta cần một công cụ tốt hơn để tách riêng rung động đến từ các bộ phận khác nhau trong máy.

GIỚI THIỆU VỀ PHỔ TẦN SỐ

Phổ rung động cho phép ta tách riêng các thành phần chồng lấp lên nhau trong dạng sóng và hiển thị chúng theo tần số. Như đã lưu ý ở cuối phần trước, ngay cả khi ta chỉ có hai nguồn rung động đơn giản cộng lại với nhau, dạng sóng cũng  trở nên khá phức tạp và không thể tách nó ra thành các thành phần của nó tức là để biết nó được tạo ra bởi hai nguồn đơn giản này. Phổ rung động cho phép ta làm được chính điều đó; nó cho phép ta tách dạng sóng  rung động thành các phần cấu thành của nó.

Figure 1-54 Dạng sóng thời gian từ một chiếc máy phức tạp

Phổ được suy ra từ dạng sóng Thông qua một quá trình gọi là Biến đổi Fourier Nhanh, hay FFT.

Hãy nhớ rằng một sóng hình sin có một tần số và một biên độ. Những gì ta đang làm với phổ chỉ đơn giản là biểu diễn thông tin này theo một cách khác trên đồ thị tần số so với biên độ, thay vì đồ thị thời gian so với biên độ. FFT tách các dạng sóng riêng lẻ ra khỏi dạng sóng phức hợp và hiển thị chúng trên đồ thị theo tần số. Xem Hình 1-55.

Figure 1-55 Quá trình FFT tách các dạng sóng riêng lẻ ra và hiển thị chúng theo tần số

Để đơn giản hóa, ta sẽ dùng lại ví dụ về chiếc quạt (với đồng xu gắn trên một cánh quạt). Giả sử nó quay năm vòng mỗi giây, nó có thể tạo ra một phổ như hình ở trên cùng của Hình 1-56. Nếu tốc độ quạt tăng gấp đôi, điều này cũng làm tăng biên độ rung động (như hình dưới cùng của Hình 1-56), chiều cao của đỉnh sẽ tăng lên, và đỉnh sẽ dịch chuyển sang phải trên thực tế, nó đã dịch chuyển xa gấp đôi dọc theo trục x, vì tần số của đỉnh đã tăng gấp đôi.

Figure 1-56 Dạng sóng phía trên với chu kỳ 5 Hz tạo ra phổ có đỉnh tại 5 Hz. Dạng sóng phía dưới là kết quả của việc tăng gấp đôi tốc độ lên 10Hz. Nó tạo ra một phổ có đỉnh tại 10 Hz. Lưu ý rằng chiều cao của các đỉnh phản ánh biên độ của dạng sóng.

Đây chỉ là một tần số được tách ra từ một dạng sóng hình sin đơn giản. Cả hai dạng sóng đều tạo ra một phổ với một đỉnh duy nhất. Quá trình này hoạt động tương tự khi dạng sóng phức tạp hơn.

Figure 1-57 Quá trình FFT tách dạng sóng phức hợp thành các dạng sóng riêng lẻ và hiển thị chúng trong phổ

Tương tự như ví dụ về chiếc quạt trước đó, một khối kim loại được đặt cọ xát vào các cánh quạt. Điều này tạo ra một đỉnh thứ hai trên phổ. Nhớ lại rằng rung động do sự cọ xát  xảy ra ở tần số cao hơn (vì có 8 cánh quạt, nên có 8 lần va đập trên mỗi vòng quay). Nếu quạt quay 10 vòng mỗi giây, hay 600 vòng mỗi phút (RPM), thì tần số của đỉnh do sự cọ xát sẽ gấp 8 lần giá trị đó: 80 cps hay 4800 CPM.

Xây dựng phổ

Hình 1-58 cho thấy một chiếc máy với 3 nguồn rung động: tốc độ động cơ, một ổ bi, và các cánh quạt. Dạng sóng phía dưới chiếc máy là tổng hợp của cả ba nguồn này. Bên phải chiếc máy là một ô hiển thị các tần số riêng lẻ chồng lên nhau.

Figure 1-58 Ba nguồn rung động được kết hợp thành dạng sóng tổng hợp (bên trái). Chúng được chồng riêng lẻ lên nhau trong ô hình bên phải chiếc máy..

Quá trình FFT tách các sóng hình sin riêng lẻ ra khỏi dạng sóng tổng hợp và hiển thị chúng theo tần số của chúng.

Phổ giống như thể ta đang nhìn vào các dạng sóng đã được tách riêng đó từ phía cuối. Chú ý trong Hình 1-59 rằng các dạng sóng riêng lẻ nằm trong một hộp không gian 3 chiều đang được xoay dần. Hình 1-60 thể hiện hộp đã được xoay hoàn toàn và góc nhìn từ đầu mút của mỗi sóng hình sin.

Figure 1-59  Các dạng sóng riêng lẻ được hiển thị trong một hộp không gian 3 chiều đang được xoay một phần

Hình 1-60 thể hiện hộp không gian 3 chiều đã được xoay 90 độ. Trục X của góc nhìn này là Tần số. Các đường hoặc đỉnh riêng lẻ được thể hiện chính là góc nhìn từ đầu mút của mỗi dạng sóng. Chúng được sắp xếp cách nhau theo tần số riêng của chúng.

Đỉnh cao nhất bên trái là tốc độ vận hành của puly. Đỉnh tiếp theo đến từ ổ bi quạt. Đỉnh bên phải đến từ các cánh quạt.

Figure 1-60  Hộp không gian 3 chiều được thể hiện sau khi xoay 90 độ, cho thấy góc nhìn từ đầu mút của các dạng sóng. Chúng đã được cắt bớt để không hiển thị phần nào bên dưới đường số 0. Trục X là Tần số.

Các đỉnh liên quan đến các bộ phận của máy

Góc nhìn mới này của rung động, gọi là phổ, chính là chìa khóa để nhìn thấy tình trạng của máy móc. Tần số cho biết nguồn gốc (source) của rung động, còn biên độ cho biết mức độ nghiêm trọng (severity) của rung động.

Figure 1-61 Liên hệ tần số rung động với các bộ phận máy

Khái niệm được mô tả trong Hình 1-61 vô cùng quan trọng trong việc hiểu rung động của máy móc. Điều ta vừa chứng minh ở đây là ta có thể liên hệ một bộ phận cụ thể của máy với một tần số cụ thể trong phổ rung động. Những tần số này được gọi là “tần số cưỡng bức”. Đây chính là cách ta biết được rằng mình đang gặp sự cố về ổ bi chứ không phải sự cố về mất cân bằng hay lệch tâm. Chúng ta sẽ nói thêm về vấn đề này ngay sau đây.

KEY POINTS

• Học viên cần hiểu phổ rung động là gì.
• Học viên cần hiểu các trục biên độ và tần số

• Tần số có thể là Hz hoặc CPM
• Biên độ có thể là A, V hoặc D
• Biên độ là pk, pk-pk hoặc RMS
• Học viên cần hiểu tại sao ta không đơn giản chỉ phân tích dạng sóng thời gian.
• Học viên cần hiểu sự khác biệt giữa “miền thời gian” và “miền tần số” .
• Học viên cần hiểu rằng dạng sóng là kết quả đo được, còn phổ được tính toán từ dạng sóng bằng một thuật toán gọi là FFT.
• Phổ tách rung động ra theo tần số.
• Các bộ phận khác nhau của máy sẽ tạo ra các tần số khác nhau.
• Điều này cho phép ta liên hệ rung động với bộ phận máy cụ thể.

HIỂU VỀ BẬC

Trục X của đồ thị trong Hình 1-61 tính theo “tần số”. Tần số có thể được biểu diễn theo 3 đơn vị khác nhau. Ta đã thảo luận về hai trong số đó: chu kỳ trên giây hay Hertz (Hz), và chu kỳ hay vòng quay trên phút (CPM hoặc RPM). Đơn vị thứ ba là Bậc (Orders)..

Figure 1-62 Hai đơn vị tần số là CPM và Hz.

Quay lại ví dụ về chiếc quạt ở phần trước; đồng xu gắn trên cánh quạt tạo ra một dao động mỗi lần trục quay một vòng. Không quan trọng trục quay nhanh hay chậm. Rung động luôn xảy ra ở cùng tần số với trục. Vì vậy, thay vì nói rằng đồng xu quay một vòng ở 100 CPM hay 50 Hz, ta có thể chỉ đơn giản nói rằng nó quay “Một lần trên mỗi vòng quay” hay “Ở tần số tốc độ trục”. Những phát biểu này sẽ luôn đúng bất kể tốc độ quay của trục là bao nhiêu.

Tương tự, hiện tượng “cọ xát” trên chiếc quạt xảy ra ở tần số gấp 8 lần tốc độ vận hành. 8 cánh quạt đập vào tờ giấy trong một vòng quay của trục, hay tờ giấy bị đập với tần số gấp 8 lần tốc độ trục. Không quan trọng tốc độ vận hành là 5 Hz, 6Hz hay 10 Hz. Hiện tượng cọ xát vẫn luôn xảy ra ở tần số gấp 8 lần tốc độ trục.

Để đơn giản hóa mọi thứ, ta có thể chỉ cần nói rằng trục quay ở “1X”, nghĩa là “1 lần tốc độ trục”, và các cánh quạt đi qua ở “8X” hay “8 lần tốc độ trục”.

Lưu ý rằng điều ta vừa làm chỉ đơn giản là liên hệ mọi thứ với tốc độ quay của trục. Nếu tôi có thể xác định được tần số tốc độ trục, thì tôi có thể ngay lập tức xác định được tần số của cánh quạt (bằng cách nhân nó với 8 trong trường hợp này). Điều này giúp đơn giản hóa mọi thứ rất nhiều!

Việc nói về sự xuất hiện của một hiện tượng theo bội số của tốc độ vận hành thường hữu ích hơn nhiều so với việc nói theo giá trị tuyệt đối Hz hay CPM. Việc biết tần số cụ thể là tốt, nhưng nhìn chung sẽ hữu ích hơn nhiều nếu biết tần số đó so với tốc độ quay.

Nếu ai đó nói rằng đỉnh 1X cao, thì hầu hết các nhà phân tích chuyên nghiệp sẽ hiểu rằng họ đang nói về đỉnh tại tốc độ vận hành (vì tần số đó bằng 1 lần tốc độ máy). Trong ví dụ của chúng ta, ta sẽ gọi đỉnh 8X là đỉnh “tần số đập cánh” tại tần số gấp 8 lần tốc độ vận hành.

Các nhà phân tích diễn đạt tần số theo nhiều cách khác nhau. Đỉnh 1X có thể được gọi là “đỉnh một lần” , hoặc “đỉnh 1 X”. Chúng đều có cùng ý nghĩa.

Thuật ngữ để diễn đạt tần số theo bội số của tốc độ vận hành là Bậc (Orders).

Figure 1-63 Rung động của quạt-động cơ được hiển thị theo Bậc

Việc các nhà phân tích diễn đạt tần số theo Bậc là điều rất phổ biến. Ví dụ, “có một đỉnh ở bậc 12”. “Có một nhóm đỉnh nằm giữa bậc 15 và 20”. Thuật ngữ này được dùng thay thế cho “12 lần tốc độ vận hành” hay “12X”, v.v. Cách này dễ hơn nhiều so với việc phải nhân 12 cánh quạt với 3578 CPM (tốc độ vận hành thực tế).

Trong Hình 1-63, ta có thể thấy rung động của chiếc quạt lồng sóc được hiển thị theo Bậc, trong đó “1” trên đồ thị tương ứng với “1X” hay 1 lần tốc độ vận hành của động cơ. So với trục động cơ, các cánh quạt đi qua với tốc độ “6X” hay 6 lần tốc độ trục động cơ, và trục quạt quay ở tốc độ ½x hay ½ tốc độ trục động cơ.

Một ví dụ khác minh họa những khác biệt xảy ra khi sử dụng Bậc. Đây lại là ví dụ về chiếc quạt của chúng ta, ở 2 tốc độ khác nhau.

Figure 1-64 1X ở 1 Hz hay 60 CPM. Tần số đập cánh 8X ở 8 Hz hay 480 CPM.

Tốc độ đầu tiên là 1Hz. Vậy 1X là 1 Hz hay 60 CPM. Trường hợp này rất đơn giản vì máy đang quay ở 1 Hz. Tần số đập cánh là 8 Hz.

Figure 1-65 1X giảm xuống 0.5 Hz hay 30 CPM. Tần số đập cánh 8X là 4 Hz hay 240 CPM.

Bây giờ, giảm tốc độ vận hành xuống 0.5 Hz. Vậy 1X là 0.5 Hz hay 30 CPM.

Tần số đập cánh 8X là 4 Hz hay 240 CPM.

Dù quạt quay ở 0.5 Hz hay 20 Hz, thành phần tần số do các cánh quạt cọ xát vào khối chặn sẽ luôn gấp 8 lần tần số đó.

Thay vì hiển thị đồ thị phổ với trục ngang (trục x) theo đơn vị Hz hoặc CPM, nó có thể được chuyển đổi sang Bậc. Khi đó tất cả các đỉnh có thể dễ dàng được biểu diễn theo Bậc.

Việc làm việc theo Bậc cũng quan trọng vì nó cho phép ta chồng và so sánh các đồ thị đã được “chuẩn hóa”. Nếu một máy thay đổi tốc độ từ 1755 sang 1735 CPM, các đỉnh sẽ không trùng khớp nhau trên đồ thị. Nhưng nếu các đồ thị đã được “chuẩn hóa”, 1X sẽ luôn xuất hiện ở cùng một vị trí, 10X cũng sẽ xuất hiện ở cùng vị trí, v.v. Ta sẽ thảo luận sâu hơn về vấn đề này ở phần Phân tích Rung động.

Figure 1-66 Phổ với tần số theo Bậc

Bậc rất hữu ích khi cố gắng tìm nguồn gốc của các đỉnh trong phổ. Khi một đỉnh xuất hiện tại bậc 5, sẽ dễ dàng liên hệ nó với một hiện tượng vật lý cụ thể, chẳng hạn như tần số đập cánh  của một máy bơm. Một đỉnh tại bậc 38 có thể là do thanh rotor của động cơ. Một đỉnh tại 3X có thể liên quan đến khớp nối 3 chấu.

Dĩ nhiên, cũng có những đỉnh không phải là bội số nguyên của tốc độ quay. Bạn sẽ sớm học được rằng có sự khác biệt RẤT LỚN giữa 6X và 6.1X  các cánh quạt, cánh bơm, v.v. thường tạo ra các bậc “nguyên” (ví dụ: 5X, 6X, 10X), trong khi chỉ có ổ bi và các trục ngoài  mới có thể tạo ra rung động tại các bậc không nguyên (ví dụ: 3.09X, 6.1X, 7.3X).

Toàn bộ năng lượng trong một phổ có thể được nhóm thành một trong ba loại. Cả ba loại này đều liên quan đến khái niệm Bậc.

Figure 1-67 Năng lượng phổ có thể được phân loại thành một trong ba nhóm.

Năng lượng Đồng bộ (Synchronous Energy) – Năng lượng là bội số nguyên của tốc độ vận hành.

Năng lượng Không đồng bộ (Non-synchronous Energy) – Năng lượng là bội số phân số (fractional multiple) của tốc độ vận hành.

Năng lượng Dưới đồng bộ (Sub-synchronous Energy) – Năng lượng nằm dưới tốc độ vận hành.

Chúng ta sẽ định nghĩa lại các thuật ngữ này sau trong khóa học.

Các đỉnh liên hệ với nhau như thế nào

Figure 1-68 Các đỉnh này là bội số của đỉnh đầu tiên

Ta không chỉ muốn liên hệ mỗi đỉnh trong phổ với tốc độ trục động cơ (1X), mà còn muốn có thể nhanh chóng xác định các đỉnh trong phổ liên hệ với nhau như thế nào. Ví dụ, trong Hình 1-68, ta có thể thấy rằng ba đỉnh này là bội số của đỉnh bên trái. Điều này dễ nhận ra nếu ta đo khoảng cách giữa chúng (bằng các mũi tên), nhưng nếu ta chỉ nhìn vào con số trên thang đo của đồ thị (tính theo Hz) ở phía dưới, sẽ không dễ dàng nhận ra ngay rằng ba đỉnh này có liên hệ với nhau.

Figure 1-69 Đỉnh ở xa bên phải không phải là bội số

Nếu chúng ta không có các mũi tên đen hiển thị trên đồ thị ở Hình 1-69, sẽ rất khó để thấy rằng đỉnh ở xa bên phải không phải là bội số. Sau này chúng ta sẽ thấy rằng sự khác biệt giữa hai đồ thị này rất quan trọng xét về mối liên hệ với các sự cố cơ khí tiềm ẩn trong máy móc.

Figure 1-70 Cùng một đồ thị nhưng theo Bậc

Bằng cách chuyển trục X trên đồ thị từ Hz sang “bậc” và định nghĩa đỉnh đầu tiên là 1X, giờ đây rõ ràng là ba đỉnh này có liên hệ với nhau (Hình 1-70), và ở Hình 1-71 cũng rõ ràng rằng đỉnh ở xa bên phải không có liên hệ.

Figure 1-71 Đỉnh bên phải rõ ràng không phải là bội số

Cách sử dụng Bậc

Trong phần mềm của bạn nên có tùy chọn để đặt trục X của đồ thị thành “bậc” nhưng như vậy vẫn chưa đủ! Phần mềm của bạn còn cần xác định đỉnh nào là “1X”. Việc này được gọi là “chuẩn hóa” dữ liệu. Vậy làm sao phần mềm của bạn biết được đỉnh nào là 1X? Các sản phẩm khác nhau có khả năng khác nhau, và tính năng chuẩn hóa bậc là một tính năng hữu ích đến mức bạn cần biết rõ phần mềm của mình có những tùy chọn chuẩn hóa bậc nào.

Nếu bạn đang sử dụng tachometer khi thu thập dữ liệu rung động, phần mềm sẽ biết được tốc độ thực tế của máy. Nếu có đồng hồ đo tốc độ gần máy, một số máy thu thập dữ liệu sẽ cho phép bạn nhập tốc độ tại thời điểm thu thập dữ liệu. Vì mục đích theo dõi xu hướng, việc kiểm tra máy ở tốc độ gần giống nhau mỗi lần là điều quan trọng, nên phần mềm thường có ý niệm khá tốt về tốc độ dự kiến. Một số phần mềm đủ thông minh để sử dụng nhận diện mẫu nhằm tự động chuẩn hóa bậc cho dữ liệu.

Cuối cùng, khi xem dữ liệu trên màn hình máy tính, thường có tùy chọn để chọn đỉnh 1X trên đồ thị và nhấn nút để thủ công “Thiết lập tốc độ” của phổ. Do sai số phân giải, tốt hơn là chọn một đỉnh tần số cao đã biết như tần số đập cánh  tại 12X và báo cho phần mềm biết “đỉnh này là 12X” như vậy sai số phân giải sẽ được chia cho 12 thay vì bị nhân lên 12 lần.

Vì nhiều con trỏ chẩn đoán lỗi và các tần số ổ bi được tính toán đều theo đơn vị Bậc, nếu phần mềm của bạn không biết đỉnh nào là 1X, thì nó cũng sẽ không biết được bất cứ điều gì khác nữa!

KEY POINTS

• Học viên cần hiểu khái niệm Bậc.
• Học viên cần biết thuật ngữ “chuẩn hóa bậc”.
• Học viên cần hiểu rằng phần mềm của họ cần biết đỉnh nào là 1X. Họ có thể tự khai báo cho phần mềm, sử dụng tachometer, hoặc phần mềm có thể đủ thông minh để tự xác định.

• Điều này được gọi là “chuẩn hóa” dữ liệu.

• Học viên cần hiểu các lợi ích của việc sử dụng Bậc.

• Dễ dàng tính toán các tần số cưỡng bức.
• Dễ dàng so sánh (căn chỉnh) các phổ được đo vào những ngày khác nhau.
• Dễ dàng hiểu rung động liên quan đến máy như thế nào.
• Hiểu rằng 4X và 4.2X có ý nghĩa rất khác nhau.

• Học viên cần biết các thuật ngữ: “đồng bộ”, “không đồng bộ”, và “dưới đồng bộ” .
• Học viên cần hiểu rằng một trong những lợi ích của việc xem đồ thị đã chuẩn hóa theo bậc là nó giúp ta thấy được đỉnh nào là đồng bộ, không đồng bộ, và dưới đồng bộ.

Bài viết liên quan: Sách phân tích rung động ISO CAT II MOBIUS Chương 02: HIỂU TÍN HIỆU