MỤC TIÊU

  • Mô tả bốn quy tắc rung động và mối quan hệ giữa các patterns (hình mẫu) nhất định trong dạng sóng thời gian và các patterns trong phổ spectrum
  • Mô tả hiệu ứng biên độ và tần số của tín hiệu trộn (mixing signals)
  • Nhận biết các tín hiệu thoáng qua (transients), tín hiệu bị cắt (clipped) và méo (distorsion) và mô tả cách chúng ảnh hưởng đến dữ liệu phổ
  • Mô tả điều chế biên độ (amplitude demodulation) và cách nhận biết nó trong dạng sóng và phổ
  • Trình bày điều chế biên độ trong bánh răng và ổ trục
  • Mô tả ‘beating’ và nó trông như thế nào trong dạng sóng và phổ
  • So sánh và đối chiếu beating và điều chế biên độ
  • Mô tả tần số tổng và hiệu

HIỂU BIẾT TÍN HIỆU

Phần trước tập trung vào các tín hiệu được tạo ra bởi các tần số cưỡng bức cụ thể trong máy. Chúng là các tín hiệu khá đơn giản hoặc hỗn hợp của chỉ một hoặc hai nguồn tạo ra một FFT hoặc phổ đơn giản. Tuy nhiên, không phải tất cả các tín hiệu đều đơn giản như vậy. Nhiều tín hiệu có thể trộn lẫn với nhau và tạo ra nhiều đỉnh trong phổ. Phần này xem xét các kết quả đó cùng với một số hiện tượng khác như:

  • Sóng sin
  • Truncation
  • Transients and impulses
  • Amplitude Modulation (điều chế biên độ)
  • Beating

Mặc dù những điều này có vẻ lý thuyết, nhưng nếu hiểu được các khái niệm, thì khi các hình mẫu (patterns) này xuất hiện trong dữ liệu, chúng ta sẽ hiểu rõ những gì đang diễn ra trong máy. Điều này có thể dẫn đến chẩn đoán tốt hơn.

BỐN QUY TẮC CỦA RUNG ĐỘNG

Quy tắc 1: Sóng sin

Sóng sin chuẩn là một tần số duy nhất tạo ra một đỉnh duy nhất trong phổ

Hình 2-2 Một tín hiệu thực với sóng sin chiếm ưu thế biểu thị một lực chiếm ưu thế duy nhất – chẳng hạn như mất cân bằng

Khi thêm các nguồn rung động bổ sung, nó sẽ thay đổi dạng sóng một cách đáng kể. Hình dưới đây, đồ thị trên cùng có hai tín hiệu, tín hiệu đầu tiên ở tần số 320 Hz và tín hiệu thứ hai ở tần số 280 Hz. Các tín hiệu có biên độ bằng nhau. Phổ (đồ thị dưới cùng) phản ánh điều này với hai đỉnh có biên độ bằng nhau.

Hình 2-3 Các tín hiệu 320 và 280 Hz di chuyển vào và ra khỏi pha, cộng và trừ

Trong Hình 2-3, hai tín hiệu đơn giản cộng và trừ lẫn nhau khi chúng di chuyển vào và ra khỏi pha gây ra hình dạng bất thường trong dạng sóng kết hợp. Lưu ý trong dạng sóng kết hợp rằng biên độ tiến tới 0. Điều này là do hai tín hiệu có cùng biên độ và triệt tiêu lẫn nhau. Biên độ cực đại là 10… giá trị kết hợp của cả hai tín hiệu.

Biên độ khác nhau

Trong Hình 2-4, biên độ của một tín hiệu đã tăng lên để một tín hiệu vẫn là 5 mm/giây và tín hiệu kia là 10 mm/giây. Lưu ý những thay đổi trong dạng sóng thời gian kết hợp kết quả. Biên độ bây giờ tổng hợp thành giá trị tối đa là 15 mm/giây và giá trị tối thiểu là 5 mm/giây. Vì vậy, không có nơi nào mà biên độ đi đến 0.

Trong phổ có hai đỉnh, mỗi đỉnh có biên độ tương ứng với biên độ dạng sóng riêng lẻ của chúng.

Hình 2-4 Hai tín hiệu không còn bằng nhau nữa nên không có nơi nào dạng sóng kết hợp đi đến số không.

Cùng tần số, cùng biên độ, cùng pha (Same frequency, same amplitude, in-phase)

Hình 2-5

Trong Hình 2-6, tần số của cả hai tín hiệu đã được điều chỉnh thành 160 Hz. Biên độ giống nhau, 5 mm/giây và chúng cùng pha. Lưu ý trong biểu đồ trên cùng, hai tín hiệu riêng lẻ trông như thể chỉ có một.

Biểu đồ ở giữa cho thấy dạng sóng kết hợp khi hai tín hiệu được cộng lại với nhau. Lưu ý rằng chúng cộng lại chỉ là một tần số, nhưng biên độ là sự kết hợp của chúng, 10 mm/giây.

Tình huống này có thể xảy ra trong máy khi hai tín hiệu cùng tần số cùng pha. Lưu ý chỉ có một đỉnh trong phổ.

Hình 2-6 Hai tín hiệu hiện có cùng tần số, 160 Hz và cùng biên độ, 5 mm/giây. Chúng cộng lại với nhau vì chúng cùng pha.

Độ phân giải – Trên thực tế, nguồn có thể đến từ hai tần số khác nhau gần nhau, nhưng nếu độ phân giải không đủ tốt, chúng sẽ kết hợp và xuất hiện dưới dạng một tần số duy nhất.

Tác động của pha

Hai tín hiệu hiện có tần số 140 Hz và 160 Hz với biên độ bằng nhau. Khi pha thay đổi, các sóng sin riêng lẻ trong đồ thị trên cùng dường như “trượt qua nhau”. Mẫu (pattern) trong dạng sóng kết hợp điều chỉnh hoặc dịch chuyển khi pha thay đổi.

Dữ liệu phổ cho thấy hai đỉnh có biên độ bằng nhau.

Hình 2-8 Tín hiệu 160 Hz và 140 Hz lệch pha 87 độ

Tiệt tiêu pha (Phase cancellation)

Hai tín hiệu có cùng biên độ và tần số nhưng lệch pha nhau 180 độ sẽ triệt tiêu lẫn nhau.

Biểu đồ trên cùng hiển thị hai tín hiệu. Biểu đồ ở giữa hiển thị kết quả kết hợp… dưới dạng đường thẳng. Phổ hiển thị kết quả của dạng sóng kết hợp… không có đỉnh.

Hình 2-10 Kết quả của hai tín hiệu có cùng tần số và bằng nhau về biên độ…chúng triệt tiêu lẫn nhau.

ĐIỂM CHÍNH

  • Học sinh cần hiểu rằng sóng sin tạo ra một đỉnh duy nhất trong phổ.
  • Ngược lại, mỗi đỉnh trong phổ mô tả một sóng sin
  • Hai sóng sin có cùng tần số sẽ cộng lại với nhau
  • Cách chúng cộng lại phụ thuộc vào mối quan hệ pha của chúng
  • Học sinh phải có khả năng vẽ sóng sin và phổ tương ứng
  • Học sinh cần hiểu trục X và Y của dạng sóng thời gian và phổ

HIỂU VỀ BEATING

Có nhiều trường hợp trong một nhà máy có tiếng vo ve ngày càng to hơn rồi nhỏ dần. Khoảng thời gian giữa các điểm to nhất có thể là từ 10 giây hoặc (dài hơn) hoặc chỉ nửa giây hoặc ít hơn. Các lần xuất hiện gần nhau hơn có thể nghe giống tiếng đập hơn là tiếng vo ve.

Trong khi thu thập dữ liệu hoặc theo dõi máy móc, một đỉnh trong phổ có thể tăng và giảm theo định kỳ.

Nguồn gốc của những hiện tượng phổ biến này là gì?

Có thể là do một hiện tượng được gọi là “beating”, hai tín hiệu có tần số tương tự. Nó có thể đến từ hai máy giống hệt nhau gần nhau chạy với tốc độ gần như chính xác như nhau. Rung động từ một máy truyền sang máy khác.

Hãy bắt đầu với các khái niệm cơ bản. Nếu một trong hai máy giống hệt nhau chạy ở tần số 10 Hz và toàn bộ rung động đều ở tốc độ này, thì dạng sóng có thể giống như hình bên phải.

Trong dạng sóng thời gian một giây sẽ có 10 chu kỳ. Chúng ta có thể nghe thấy “âm thanh” 10 Hz và biên độ sẽ không đổi.

Nếu máy thứ hai cũng được khởi động, và chúng có cùng tốc độ và cả hai đều hoàn toàn cùng pha, dạng sóng đo được trên máy sẽ là tổng của hai dạng sóng. Biên độ sẽ cao gấp đôi.

Âm thanh phát ra từ các máy vẫn có tần số 10 Hz, nhưng âm lượng sẽ lớn gấp đôi.

Vì vậy, tần số sẽ không thay đổi, nhưng biên độ sẽ tăng gấp đôi.

Hình 2-12 Dạng sóng từ hai máy cùng pha với nhau. Biên độ tăng gấp đôi nhưng tần số vẫn như vậy.

Bây giờ giả sử hai máy giống hệt nhau lệch pha 180 độ. Kết quả sẽ thế nào? Sẽ rất yên tĩnh vì các tín hiệu sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Dạng sóng sẽ là một đường thẳng.

Khả năng các máy lệch pha 180 độ là rất nhỏ và sẽ có tổn thất rung động từ máy này sang máy khác, nghĩa là thực sự sẽ có một số biên độ để đo và nghe.

Để triệt tiêu lẫn nhau, tốc độ của hai máy phải giống hệt nhau.

Điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ của hai máy hơi khác nhau?

Ví dụ: Nếu hai máy chạy ở tốc độ khác nhau, 600 vòng/phút và 660 vòng/phút (10 Hz và 11 Hz), thì điều gì sẽ xảy ra? Cái gì sẽ được đo và cái gì sẽ được nghe?

Hình 2-14 cho thấy hai tín hiệu riêng lẻ trong biểu đồ trên cùng. Tín hiệu tổng hợp nằm trong biểu đồ dưới cùng.

Hình 2-14 Tín hiệu 10 Hz và tín hiệu 11 Hz nằm ở đồ thị trên. Tín hiệu tổng hợp nằm ở đồ thị dưới.

Đồ thị tổng hợp là thứ sẽ được đo trên máy. Lưu ý rằng dạng sóng thời gian được chia tỷ lệ lại thành hai giây.

Những gì nghe được là “tiếng đập” – một âm thanh rền rĩ hoặc xung động kéo dài trong một giây. Biên độ sẽ tăng từ 0 đến biên độ đầy đủ và trở lại 0 trong một giây.

Hình 2-15 cho thấy rõ hơn điều này. Đồ thị trên cùng cho thấy hai tín hiệu cùng pha tại một thời điểm và 0,5 giây sau chúng lệch pha 180 độ. Trong khoảng thời gian giữa hai thời điểm đó, chúng nằm đâu đó giữa 0 và 360 độ. Khi chúng cùng pha, tín hiệu tổng hợp sẽ cộng các tín hiệu lại, tạo ra biên độ gấp đôi của từng tín hiệu riêng lẻ. Khi các tín hiệu lệch pha 180 độ, tín hiệu tổng hợp sẽ hủy chúng. (Không có biên độ nào trong đồ thị tại thời điểm đó).

Hình 2-15 Hai tín hiệu cộng và hủy tùy thuộc vào việc chúng cùng pha hay lệch pha.

Vì tín hiệu thay đổi theo chu kỳ từ biên độ bằng không đến biên độ cực đại, chúng ta nghe thấy một xung động – các xung có chu kỳ 1 hertz – tức là có một giây giữa các xung. Lưu ý rằng hai tín hiệu, 10 Hz và 11 Hz, cách nhau 1 Hz.

Nếu tốc độ gần nhau hơn thì sao?

Nếu một tín hiệu có tần số 10,5 Hz và tín hiệu còn lại có tần số 11 Hz, thì nó sẽ trông như thế nào và phát ra âm thanh như thế nào?

Hình 2-16 là hai tín hiệu chỉ cách nhau 0,5 Hz. Lưu ý thời gian cho một chu kỳ bây giờ là hai giây.

Tần số nhịp (beat) là sự khác biệt về tần số giữa hai tín hiệu. Vậy đây là nhịp nửa Hz. Thời gian được tính như thế nào?

Nhớ lại từ chương hai rằng chu kỳ của một chu kỳ là nghịch đảo của tần số. Tần số là 0,5 Hz. Chia thành một thì được 2 giây.

Hình 2-17 cho thấy dạng sóng thời gian 20 giây. Có thể thấy rõ 10 chu kỳ.

(trang 70)

Hai tần số gần nhau

Hình 2-18 cho thấy kết quả của hai tần số gần nhau hơn… 10,9 Hz và 11 Hz. Tần số nhịp là 0,1 Hz nên thời gian cho một chu kỳ là 10 giây (1/0,1).

Hình 2-18 Tín hiệu 10,9 Hz và tín hiệu 11 Hz tạo ra chu kỳ dạng sóng dài 10 giây.

Nhịp đập mà ta có thể nghe được kéo dài 10 giây.

Biên độ khác nhau

Nếu hai tần số giống nhau có biên độ khác nhau thì sẽ khác nhau như thế nào? Hình minh họa kết quả của hai tín hiệu nếu một tín hiệu nhỏ hơn tín hiệu trước đó.

Khi hai tín hiệu lệch pha 180 độ, tổng của chúng không bằng 0. Khi chúng cùng pha, tổng của chúng không cao về biên độ.

Phân tích phổ của nhịp beating

Thật khó để biết được từ một phổ được lưu trữ liệu có xảy ra hiện tượng beating hay không. Có thể là một tần số cụ thể thay đổi mạnh từ lần đọc (đo) này sang lần đo khác, có thể là kết quả của việc thu thập dữ liệu khi các tín hiệu cùng pha trong một phép đo và lệch pha trong phép đo tiếp theo.

Sẽ dễ dàng hơn nhiều để phát hiện ra nhịp beating khi thu thập các phép đo tại máy. Nếu độ phân giải không đủ để tách hai tín hiệu, một đỉnh sẽ tăng và giảm. Có thể là do beating. Nếu hai tần số cách nhau 1 Hz, đỉnh sẽ tăng và giảm một lần mỗi giây.

Trên thực tế, điều này ảnh hưởng tới chúng ta như thế nào?

Khi hai máy chạy ở tốc độ rất giống nhau và có đường truyền cơ học tốt giữa chúng, thì có thể xảy ra va đập. Mức độ rung động trên cả hai máy có thể dao động giữa các mức khá thấp đến khá cao và do đó là mức độ phá hủy.

Trong một ví dụ gần đây, mức độ rung động tăng dần từ 3 mm/giây (0,17 in/giây) đến 20 mm/giây (1,1 in/giây) trong khoảng thời gian 10 phút (mức độ rung động thông thường là khoảng 10 mm/giây (0,56 in/giây). Điều này gây hại rất lớn cho máy.

Điều chỉnh beating (nhịp đập)

Để khắc phục tình hình, tốc độ phải được kiểm soát hoặc tìm hiểu lý do tại sao tốc độ của một trong các máy đã thay đổi. Trong ví dụ trên, một trong các máy đã được cân bằng gần đây và khi một trong các khối lượng cân bằng được tháo ra, beating dừng lại.

Cách thứ hai để khắc phục tình hình là kiểm tra cách rung động được truyền từ máy này sang máy khác. Trong hầu hết các trường hợp, sẽ có một số thay đổi gần đây đối với một hoặc cả hai máy móc dẫn đến hiện tượng beat này. Việc cô lập các đế và nền tảng giúp loại bỏ đường truyền giữa hai máy móc.

ĐIỂM CHÍNH

  • Học sinh cần hiểu khái niệm beating
  • Khi hai sóng sin có tần số hơi khác nhau đi vào và ra khỏi pha nhau, chúng sẽ cộng và trừ lẫn nhau.
  • Học sinh cần hiểu rằng một vấn đề tiềm ẩn khi đánh là tổng biên độ có thể gây ra mức độ rung động cao, gây tổn thương.
  • Học sinh phải có khả năng tính toán tần số beat và chu kỳ beat.
  • Học sinh phải có khả năng xác định beating theo dạng sóng thời gian và phổ.
  • Học sinh phải có khả năng giải quyết vấn đề beating.

INTERMODULATION Điều Chế Liên Tục

Khi hai tín hiệu cách nhau gần nhau kết hợp, chúng có thể beat hoặc điều chế. Các đỉnh có thể xuất hiện trong phổ ở tần số Sum and Difference ( Tổng và Hiệu)

Giả sử có hai tín hiệu ở tần số 99 Hz và 100 Hz. Chúng có thể “tổng hợp” lại với nhau tạo ra đỉnh ở 199 Hz.

Mặt khác, chúng cũng có thể trừ lẫn nhau và tạo ra tần số “Chênh lệch” ở mức 1 Hz. Xem Hình 2-21.

Hình 2-21 Hai tần số gần nhau có thể tạo ra tần số Tổng và Tần số Hiệu.

Người ta thường thấy beating và các đỉnh ở tần số Tổng và Hiệu trong phổ.

QUY TẮC HAI: Harmonic

Quy tắc thứ hai: Dạng sóng lặp lại (tuần hoàn) nhưng không phải là sóng sin chuẩn sẽ tạo ra sóng hài trong quang phổ (Hình 2-22).

Sóng hài là một chuỗi các đỉnh cách đều nhau, là bội số của đỉnh đầu tiên trong chuỗi. Đỉnh đầu tiên được gọi là tần số cơ bản (fundamental frequency)

Trong Hình 2-24, đỉnh đầu tiên được dán nhãn “hài bậc 1” là tần số cơ bản. Các đỉnh còn lại là bội số nguyên của tần số đó. Đây là các hài bậc 2. Tần số cơ bản trong chuỗi thường được gọi là hài bậc 1.

Sóng hài là phổ biến và đặc biệt phổ biến khi thấy sóng hài của tốc độ trục. Tuy nhiên, khi dữ liệu có xu hướng theo thời gian, sự gia tăng về biên độ và số lượng sóng hài thường là chỉ báo về mức độ nghiêm trọng của lỗi ngày càng tệ hơn.

Các điều kiện có thể tạo ra sóng hài bao gồm:

  • Looseness (Lỏng lẻo)
  • Misalignment (Mất đồng tâm trục)
  • Vòng bi mòn
  • Lỗi bánh răng

Nguyên tắc chung là bất kỳ thứ gì lặp lại nhưng không phải là sóng sin đều tạo ra sóng hài. Dưới đây chúng ta sẽ thấy một số mẫu tín hiệu cụ thể nằm trong nguyên tắc chung này. Bạn càng bắt đầu thấy mối quan hệ giữa dạng sóng thời gian và phổ, bạn sẽ càng trở thành một nhà phân tích giỏi hơn. Điều này là do bạn sẽ có được cảm nhận tốt hơn về cách phổ liên quan đến những gì đang diễn ra về mặt cơ học trong máy.

Pulse train (Mạch xung)

Một chuỗi xung trong dạng sóng thời gian được gọi là “chuỗi xung”. Một mẫu như thế này có thể được gây ra bởi tác động lặp đi lặp lại liên quan đến một bộ phận lỏng lẻo. Vì mẫu này lặp đi lặp lại nhưng không phải là sóng sin, bạn sẽ thấy sóng hài trong phổ.

Sóng vuông

Sóng vuông thuần túy tạo ra sóng hài lẻ…1X, 3X, 5X… Sóng vuông thuần túy không phổ biến trong phân tích máy móc.

Sóng bị cắt – biến dạng

Sóng cắt xén hơi khác so với sóng vuông. Chúng là sóng bình thường trông như thể bị cắt xén ở một bên. Tín hiệu bị méo. Kết quả là sóng hài trong phổ.

Sóng cắt khá phổ biến trong phân tích máy móc. Nó xảy ra khi chuyển động bị hạn chế theo một hướng. Điều này tạo ra tất cả các sóng hài, không chỉ các sóng hài lẻ như sóng vuông.

Khi dạng sóng bị cắt nhiều hơn, sóng hài mạnh hơn nhiều về biên độ. Khi sóng bị cắt, tác động xảy ra khi chuyển động bị hạn chế có thể đủ mạnh để tạo ra hiện tượng thoáng qua.

Tác động lặp đi lặp lại

Va chạm là sự tăng rất mạnh về biên độ với mức giảm mạnh tương đương, có thể có một số tiếng chuông sau đó. Điều này xảy ra khi có sự lỏng lẻo rõ ràng trong máy. Các tác động lặp đi lặp lại (KHÔNG phải ngẫu nhiên!) của tiếng lạch cạch hoặc tiếng đập tạo ra sóng hài mạnh. Trong trường hợp cực đoan, sóng hài sẽ là sóng hài bậc một nửa hoặc thậm chí là sóng hài bậc 1/3. Các đỉnh sẽ ở 0,5X, 1Χ, 1,5X, v.v. Những sóng này được gọi là “sóng hài phụ”. Chúng thường liên quan đến các dạng nghiêm trọng của sự lỏng lẻo khi quay hoặc sự lỏng lẻo khi quay hoặc cọ trong ổ trượt.

Hình 2-29 Tác động tạo ra sóng hài và trong trường hợp nghiêm trọng là sóng hài phụ… bội số của 0,5 bậc

Ví dụ từ rotor

Một bệ đỡ gối trục rotor bị lỏng khiến nó kêu lạch cạch khi chạy.

Biểu đồ dạng sóng thời gian theo phương ngang có tác động va đập (impact) mạnh bị cắt. Các xung động này tạo ra sóng hài. Trong trường hợp này, sóng hài 1X mạnh và có sóng hài bậc 1/3 nhỏ.

Hình 2-30 Các va đập từ rotor tạo ra sóng hài mạnh bậc 1X và sóng hài nhỏ bậc 1/3: 1/3, 2/3, 1, 1 1/3, v.v.

Waveform symmetry (Đối xứng dạng sóng)

Trong một sóng sin thuần túy biên độ rung động phía trên (rung động dương) bằng biên độ rung động phía dưới (rung động âm)

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chuyển động một hướng nhiều hơn so với hướng khác. Xem Hình 2-31 là phóng to của sóng trong Hình 2-30.

Hình 2-31 Dạng sóng cho thấy có nhiều sự tự do di chuyển hơn theo một hướng.

Sự biến dạng so với tín hiệu thực tế

Nếu có các đỉnh ở 1X, 2X, 3X, 4X, v.v. thì không nhất thiết có nghĩa là có tín hiệu thực tế trong máy ở các tần số đó. Tín hiệu là bội số của 1X có thể đến từ hai nguồn:

  • Nguồn rung động thực tế: missalignment, blade pass , khớp nối, v.v.
  • Biến dạng – quá trình FFT tạo ra sóng hài trong phổ

Hình 2-32 Bội số của 1X có thể đến từ các tín hiệu thực tế trong máy ở các tần số đó, nhưng có thể là hiệu ứng của Biến dạng trong quá trình FFT

ĐIỂM CHÍNH

  • Học sinh cần hiểu rằng sóng tuần hoàn (lặp lại), không phải là sóng sin chuẩn, sẽ tạo ra sóng hài trong quang phổ.
  • Chúng tôi đã trình bày một số ví dụ về điều này như pulse train (chuỗi xung), impacts lặp đi lặp lại, sóng cắt, v.v.
  • Học sinh cần biết rằng sóng hài là sóng bình thường.
    • Hầu hết các tần số cưỡng bức đều có thể và sẽ có sóng hài.
  • Học sinh phải có khả năng xác định tần số cưỡng bức và sóng hài của nó trên một phổ.
  • Học sinh cần nhận ra rằng sự gia tăng về số lượng và biên độ của sóng hài có thể báo hiệu tình trạng đang xấu đi.

QUY TẮC BA: Noise (nhiễu nền)

Noise được tạo ra bởi:

  • Một sự kiện duy nhất trong dạng sóng (như tác động) hoặc
  • Rung động ngẫu nhiên là dạng sóng không lặp lại

“Nền nhiễu” của phổ có thể cho chúng ta biết rất nhiều về máy móc. Nhiễu có thể chỉ ra rằng có lỗi (xâm thực, lỗi ổ trục, lỏng lẻo khi quay, dòng rối, bôi trơn kém, va chạm và cọ xát). Nhiễu nền có thể đến từ quy trình bên trong. Nhiễu nền có thể đến từ máy móc bên ngoài.

Nếu không có nhiễu thì đáy của đồ thị sẽ phẳng.

Các nguồn nhiễu sẽ khiến nền nhiễu tăng lên theo nhiều cách khác nhau. Nền nhiễu của  phổ có thể cho chúng ta biết rất nhiều về máy móc.

Hình 2-34 Nhiễu nền – một “Đống cỏ khô”

Hãy nhớ rằng chúng tôi đã nói rằng lợi ích của việc phân tích phổ rung động là nó phân tách mọi thứ theo tần số. Sau đó, chúng ta có thể liên hệ tần số với các thành phần máy móc cụ thể hoặc nguồn rung động. Phổ KHÔNG phải là công cụ tốt nhất để xem xét khi chúng ta tìm kiếm các nguồn gây ra  nhiễu nền. Nhiễu nền được tạo ra bởi một sự kiện hoặc tác động đơn lẻ HOẶC bởi rung động ngẫu nhiên. Những điều này có thể có nghĩa là những thứ rất khác nhau về mặt cơ học.

Ví dụ, hãy tưởng tượng một máy bơm đang bị xâm thực. Điều này tạo ra các tác động ngẫu nhiên khi các bong bóng hơi vỡ ra chống lại cánh quạt. Những bong bóng vỡ này có thể tạo ra đủ lực để làm lõm cánh quạt. Mặt khác, âm thanh của chất lỏng chảy qua máy bơm cũng tạo ra nhiễu nền trong  phổ. Tiếng ồn có thể khá lớn nếu có dòng rối, nhưng điều này không nhất thiết là vấn đề.

Vấn đề ở đây là hai trường hợp này trong một máy bơm trông giống nhau trong phổ, nhưng chúng trông khác nhau trong dạng sóng (waveform). Do đó, tốt hơn là nên tham khảo dạng sóng trong trường hợp này.

ĐIỂM CHÍNH

  • Học sinh cần hiểu được hai nguyên nhân chung gây ra nhiễu nền trong phổ. (ví dụ: va đập ngẫu nhiên, hoặc dòng chảy rối)
  • Học sinh cần hiểu rằng mặc dù chúng ta thường phân tích phổ rung động, nhưng nó không phân biệt tốt giữa các sự kiện đơn lẻ và rung động ngẫu nhiên, do đó dạng sóng thời gian cũng cần được phân tích.
  • Học sinh cần biết một số nguyên nhân gây ra rung động hoặc va chạm ngẫu nhiên ở máy móc.

QUY TẮC BỐN: Amplitude modulation và Sidebands (điều chế biểu biên độ và dải bên)

  • Quy tắc thứ tư: Điều chế biên độ trong dạng sóng thời gian sẽ tạo ra các dải bên trong quang phổ.
  • Điều chế biên độ thường gặp trong bánh răng, vòng bi và động cơ AC.

Có hai loại điều chế; chúng giống như trên mặt số radio, AM và FM. AM là Điều chế biên độ. Điều này được thảo luận ở đây. Điều chế tần số (FM) ít phổ biến hơn ở máy móc nên chúng ta sẽ không thảo luận về nó cho đến khi đến CAT III.

Điều chế biên độ xảy ra khi một tần số được “điều chế” bởi một tần số khác. Điều này có nghĩa là biên độ của tín hiệu tăng lên và giảm xuống liên tục.

Tần số thay đổi biên độ theo chu kỳ được gọi là Tần số sóng mang. Tần số mà nó thay đổi biên độ được gọi là tần số điều chế. Hình 2-41 cho thấy hai tín hiệu, một tín hiệu 20 Hz và một tín hiệu 200 Hz. Tần số cưỡng bức trong máy thực sự thay đổi biên độ. Không chỉ có hai tín hiệu vào và ra khỏi pha để tạo ra hình dạng sóng như thể hiện trong Hình. Thay vào đó, biên độ của tần số cưỡng bức thực sự dao động.

Hình 2-41 Điều chế biên độ tạo ra các đỉnh xung quanh Tần số sóng mang trung tâm.

Trong quang phổ, đỉnh trung tâm là tần số sóng mang và được bao quanh bởi các đỉnh cách đều nhau gọi là dải biên. Khoảng cách dải biên bằng với tần số điều chế, trong trường hợp này là 20 Hz.

Thông thường sẽ tìm thấy nhiều đỉnh hoặc dải bên ở cả hai bên của tần số sóng mang.

Hình 2-42 Distorted Modulation tạo ra sóng hài của “họ” đỉnh.

Nếu dạng sóng điều chế bị méo (distorted), bạn sẽ nhận được sóng hài của tần số sóng mang và sóng hài cũng sẽ có dải biên. Đây thực sự là một mô hình rất phổ biến trong hộp số.

Điều chế biên độ – Bánh răng

Chúng ta hãy bắt đầu với ví dụ về bánh răng có tốc độ trục đầu vào là 1X (hãy nhớ rằng thứ tự (orders) làm cho cuộc sống dễ dàng hơn!), với 30 răng trên bánh răng đầu vào và 18 răng trên bánh răng đầu ra. Xem Hình 2-43.

Đầu tiên chúng ta cần tính toán tần số cưỡng bức cho hộp số này. Điều này bao gồm tần số bánh răng và tốc độ trục đầu ra. Công thức cho tần số bánh răng (GMF) là GMF = S1 x T1. Vì chúng ta đang sử dụng orders, S1 = 1X. T1 là răng trên bánh răng đầu vào là 30. Do đó, tần số bánh răng là 1 x 30 = 30X.

Tốc độ trục đầu ra theo thứ tự là S2 = S1 x (T1/T2) hoặc 1 x (30/18) = 1,7X (có thể làm tròn)

Chúng ta có thể vẽ hình ảnh tần số cưỡng bức trên đồ thị bên dưới: Hình 2-44.

Hình 2-44 Tần số cưỡng bức bánh răng

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng bánh răng lớn hơn trên trục đầu vào mất cân bằng hoặc lệch tâm và mỗi lần quay, nó đẩy vào bánh răng kia, sau đó kéo ra, sau đó đẩy vào, sau đó kéo ra, v.v. Nói cách khác, lực tác dụng lên răng thay đổi theo một tỷ lệ lặp đi lặp lại – cụ thể là mỗi lần bánh răng đầu vào quay một vòng. Một cách khác để nói điều này là gearmesh đang được điều chỉnh bởi bánh răng đầu vào theo tốc độ trục động cơ. Xem Hình 2-45.

Bạn nghĩ điều này sẽ tạo ra mô hình nào trong phổ rung động? Răng bánh răng đập mạnh hơn và nhẹ hơn và mạnh hơn và nhẹ hơn mỗi lần trục động cơ quay.

Hình 2-46 Dải bên 1X xung quanh tần số gearmesh

Những gì chúng ta sẽ thấy là các dải biên trục động cơ ở cả hai bên của tần số lưới bánh răng. GMF là 30X và trục đầu vào là 1X, vì vậy chúng ta sẽ thấy các đỉnh ở 30+1X và 30-1X hoặc 29X và 31X. Chúng được gọi là “Dải biên tốc độ trục”. Thường có nhiều hơn một bên và do đó sẽ không có gì bất thường khi cũng thấy các đỉnh ở 27X, 28X, 32X và 34X, v.v.

Để xem bạn có hiểu khái niệm này không, bây giờ hãy tự hỏi bạn sẽ thấy mẫu nào trong phổ nếu trục đầu ra lệch tâm hoặc mất cân bằng và với mỗi vòng quay, nó đẩy và kéo bánh răng khác. Bây giờ, răng bánh răng va chạm mạnh hơn và mạnh hơn và mạnh hơn mỗi lần trục đầu ra quay một vòng. Hãy nhớ rằng tốc độ trục đầu ra là 1,7X.

Như bạn có thể thấy trong Hình 2-47, phổ hiện sẽ có các dải biên tỷ lệ trục đầu ra (S2) xung quanh tần số gearmesh, nói cách khác là 30X + 1,7X và 30X – 1,7X. Điều này là do trục đầu ra đang điều chỉnh tần số gearmesh hoặc khiến răng va chạm mạnh hơn và nhẹ hơn theo cách lặp đi lặp lại mỗi khi trục đầu ra quay một vòng.

Trong Hình 2-48, bạn có thể thấy dạng sóng thời gian và phổ từ một bánh răng thực. Điều chế biên độ được thể hiện rõ ràng trong dạng sóng. Đo chu kỳ để tính tần số điều chế và bạn sẽ thấy rằng trong trường hợp này, nó liên quan đến tốc độ trục đầu vào. Do đó, mỗi chu kỳ điều chế liên quan đến một vòng quay của bánh răng.

Trong phổ, bạn có thể thấy tần số lưới bánh răng với nhiều dải bên tốc độ trục.

Hình 2-48 Gearmesh: Dạng sóng thời gian và phổ được điều chế với các dải bên.

Điều chế biên độ trong ổ bi (bearings)

Hãy xem xét một ổ bi có một mảnh vỡ trên vòng trong. Vì vòng trong được khóa vào trục, nên nó quay cùng với trục. Các viên bi tác động vào mảnh vỡ trên vòng bi bên trong mỗi lần một viên bi lăn qua nó. Vòng bi bên trong Tần số đi qua (BPFI) chỉ đơn giản là tốc độ hoặc tần số mà các viên bi sẽ va vào lỗi này. Đây là Tần số sóng mang.

Các viên bi liên tục đập vào chỗ khuyết tật nhưng chúng không tạo ra sóng sin, do đó sẽ có sóng hài của BPFI.

Nếu máy được lắp theo phương ngang, trọng lượng của trục hoặc tải sẽ khiến các viên bi đập vào mảnh vỡ mạnh hơn khi mảnh vỡ ở dưới cùng của ổ trục, bên dưới trục. Các viên bi sẽ đập vào khuyết tật nhẹ hơn khi mảnh vỡ ở trên cùng, phía trên trục. Khi trục quay vòng quanh, điều đó có nghĩa là pall đi vào và ra khỏi vùng tải liên tục và đập vào các viên bi mạnh hơn và nhẹ hơn và mạnh hơn và thường xuyên lặp lại. Đây là điều chế biên độ.

Để xem bạn có hiểu khái niệm này không, mẫu hình (pattern) nào sẽ được tạo ra trong phổ nếu các viên bị đập vào mảnh vỡ với tốc độ 6,78 lần cho mỗi vòng quay của trục?

Những gì bạn sẽ thấy trong phổ là một đỉnh ở 6,78X, đó là tốc độ các quả bóng đập vào khuyết tật trên vòng trong hoặc BPFI. Vì nó lặp lại nhưng không phải là sóng sin nên có thể có sóng hài của BPFI.

Mỗi lần trục quay tròn, khuyết tật đi vào và ra khỏi vùng tải. Do đó, khuyết tật được điều chỉnh theo tốc độ trục. Điều này sẽ tạo ra các dải bên tỷ lệ trục (1X) xung quanh BPFI.

Mục đích bây giờ không phải là học cách chẩn đoán lỗi ổ trục, mà hãy nghĩ về cùng một ổ trục có lỗi vòng ngoài. Nếu lỗi vẫn ở cùng một vị trí so với vùng tải (vì vòng ngoài không quay) thì nó có dải biên không? Nếu vòng ngoài quay và vòng trong cố định thì sao? Nếu có lỗi trên một con lăn thì sao; nó sẽ đi vào và ra khỏi vùng tải? Các bi hoặc con lăn quay xung quanh với những gì hoặc với tốc độ nào thì một bi sẽ đi vào và ra khỏi vùng tải? Điều này sẽ tạo ra khoảng cách dải biên nào?

Chúng tôi sẽ trả lời những câu hỏi này sau trong phần ổ trục. Chúng tôi cũng sẽ đưa ra một số ví dụ về điều chế biên độ trong động cơ AC. Như đã lưu ý, mặc dù điều chế tần số cũng quan trọng để hiểu, nhưng nó ít xuất hiện hơn trong máy móc nên chúng tôi sẽ lưu chủ đề này cho đến CAT III.

Trước khi rời khỏi phần này, chúng ta nên xem xét rằng điều chế biên độ và beating trông rất giống nhau trong dạng sóng thời gian, nhưng chúng là những hiện tượng hoàn toàn khác nhau và chúng ta nên cẩn thận để không nhầm lẫn chúng.

Beating so với điều chế biên độ

Điều chế biên độ xảy ra giữa hai tần số cách xa nhau.

Beat xảy ra giữa các tần số gần nhau (thường cách nhau dưới 4 Hz).

Trong điều chế biên độ, một tín hiệu (sóng mang) được thay đổi tuần hoàn bởi một tín hiệu thứ hai – điều này tạo ra các dải biên. Về mặt toán học, nó là sin (x) x (sin (y). Trong Hình 2-50, tín hiệu sóng mang 200 Hz thay đổi biên độ 20 lần mỗi giây.

Về mặt toán học, beating là sin (x) + sin (y) và biên độ của sóng tăng lên và giảm xuống khi hai tín hiệu, gần nhau về tần số, đi vào và ra khỏi pha.

Hình 2-50 Điều chế biên độ – tần số sóng mang 200 Hz thay đổi biên độ 20 lần mỗi giây.

ĐIỂM CHÍNH

  • Điều chế biên độ phổ biến trong bánh răng, ổ trục và động cơ AC
  • Sinh viên cần biết rằng điều chế biên độ trong dạng sóng thời gian sẽ tạo ra các dải bên trong phổ.
  • Học sinh phải có khả năng nhận biết các dải bên trong phổ rung động và điều chế biên độ trong dạng sóng thời gian.
  • Học sinh cần hiểu được sự khác biệt giữa điều chế biên độ và beating.
  • Phổ được tính toán từ dạng sóng thời gian thông qua một thuật toán gọi là FFT
  • Các đặc điểm khác nhau trong dạng sóng sẽ tạo ra các phổ khác nhau
  • Bạn càng hiểu rõ mối quan hệ giữa dạng sóng và phổ thì bạn càng có thể liên hệ dữ liệu với những gì đang diễn ra trong máy.
  • Học sinh cần hiểu 4 quy luật dao động: sóng sin thuần, hamonic, sidebands, beating,
  • Trong suốt khóa học, chúng ta sẽ thấy bốn quy tắc này liên quan như thế nào đến các kiểu lỗi phổ biến