Rung động tuyến tính và phi tuyến tính, đặc điểm của chúng và phương pháp cân bằng
Các cơ chế quay xung quanh chúng ta ở khắp mọi nơi – từ những chiếc quạt nhỏ trong máy tính đến những tua-bin khổng lồ tại các nhà máy điện. Hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả của chúng phụ thuộc trực tiếp vào việc cân bằng – quá trình loại bỏ sự mất cân bằng khối lượng dẫn đến rung động không mong muốn. Đến lượt mình, rung động không chỉ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị mà còn có thể gây ra tai nạn và thương tích nghiêm trọng. Do đó, cân bằng là một quy trình quan trọng trong sản xuất, vận hành và bảo trì thiết bị quay.
Việc cân bằng thành công đòi hỏi phải hiểu cách một vật thể phản ứng với việc thêm hoặc bớt khối lượng. Trong bối cảnh này, các khái niệm về vật thể tuyến tính và phi tuyến tính đóng vai trò quan trọng. Việc hiểu được vật thể là tuyến tính hay phi tuyến tính cho phép lựa chọn chiến lược cân bằng chính xác và giúp đạt được kết quả mong muốn.
Các vật thể tuyến tính giữ một vị trí đặc biệt trong lĩnh vực này do tính dự đoán và ổn định của chúng. Chúng cho phép sử dụng các phương pháp chẩn đoán và cân bằng đơn giản và đáng tin cậy, khiến nghiên cứu của chúng trở thành một bước quan trọng trong chẩn đoán rung động.
Đối tượng tuyến tính là gì?
Một vật thể tuyến tính là một hệ thống mà độ rung động tỷ lệ thuận với độ lớn mất cân bằng.
Một vật thể tuyến tính, trong bối cảnh cân bằng, là một mô hình lý tưởng được đặc trưng bởi mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa độ lớn của sự mất cân bằng (khối lượng không cân bằng) và biên độ rung động. Điều này có nghĩa là nếu sự mất cân bằng tăng gấp đôi, biên độ rung động cũng sẽ tăng gấp đôi, với điều kiện tốc độ quay của rôto vẫn không đổi. Ngược lại, việc giảm sự mất cân bằng sẽ làm giảm tỷ lệ rung động.
Không giống như các hệ thống phi tuyến tính, trong đó hành vi của một vật thể có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố, các vật thể tuyến tính cho phép đạt được độ chính xác cao với nỗ lực tối thiểu.
Ngoài ra, chúng còn đóng vai trò là nền tảng cho việc đào tạo và thực hành cho người cân bằng. Hiểu được các nguyên tắc của các đối tượng tuyến tính giúp phát triển các kỹ năng sau này có thể áp dụng cho các hệ thống phức tạp hơn.
Biểu diễn đồ họa của tính tuyến tính
Hãy tưởng tượng một đồ thị trong đó trục ngang biểu diễn độ lớn của khối lượng không cân bằng (mất cân bằng) và trục dọc biểu diễn biên độ rung động. Đối với một vật thể tuyến tính, đồ thị này sẽ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ (điểm mà cả độ lớn mất cân bằng và biên độ rung động đều bằng không). Độ dốc của đường này đặc trưng cho độ nhạy của vật thể đối với sự mất cân bằng: độ dốc càng lớn, độ rung động càng lớn đối với cùng một sự mất cân bằng.
Biểu đồ 1: Mối quan hệ giữa biên độ rung động (µm) và khối lượng không cân bằng (g)
Biểu đồ 1 minh họa mối quan hệ giữa biên độ rung (µm) của một vật thể cân bằng tuyến tính và khối lượng không cân bằng (g) của rôto. Hệ số tỷ lệ là 0,5 µm/g. Chỉ cần chia 300 cho 600 sẽ cho kết quả 0,5 µm/g. Đối với khối lượng không cân bằng là 800 g (UM=800 g), độ rung sẽ là 800 g * 0,5 µm/g = 400 µm. Lưu ý rằng điều này áp dụng ở tốc độ rôto không đổi. Ở tốc độ quay khác nhau, hệ số sẽ khác nhau.
Hệ số tỷ lệ này được gọi là hệ số ảnh hưởng (hệ số nhạy) và có kích thước là µm/g hoặc, trong trường hợp liên quan đến mất cân bằng, µm/(g*mm), trong đó (g*mm) là đơn vị mất cân bằng. Biết được hệ số ảnh hưởng (IC), cũng có thể giải bài toán ngược, cụ thể là xác định khối lượng không cân bằng (UM) dựa trên biên độ rung động. Để thực hiện việc này, hãy chia biên độ rung động cho IC.
Ví dụ, nếu độ rung đo được là 300 µm và hệ số đã biết là IC=0,5 µm/g, hãy chia 300 cho 0,5 để có được 600 g (UM=600 g).
Hệ số ảnh hưởng (IC): Tham số chính của Đối tượng tuyến tính
Một đặc điểm quan trọng của một vật thể tuyến tính là hệ số ảnh hưởng (IC). Về mặt số, nó bằng với tang của góc dốc của đường thẳng trên đồ thị dao động so với mất cân bằng và biểu thị mức độ thay đổi của biên độ dao động (tính bằng micron, µm) khi một đơn vị khối lượng (tính bằng gam, g) được thêm vào một mặt phẳng hiệu chỉnh cụ thể ở một tốc độ rôto cụ thể. Nói cách khác, IC là thước đo độ nhạy của vật thể đối với mất cân bằng. Đơn vị đo của nó là µm/g hoặc, khi mất cân bằng được biểu thị dưới dạng tích của khối lượng và bán kính, là µm/(g*mm).
IC về cơ bản là đặc điểm “hộ chiếu” của một vật thể tuyến tính, cho phép dự đoán hành vi của nó khi khối lượng được thêm vào hoặc loại bỏ. Biết IC cho phép giải quyết cả vấn đề trực tiếp – xác định biên độ rung động cho một sự mất cân bằng nhất định – và vấn đề ngược lại – tính toán biên độ mất cân bằng từ độ rung động được đo.
Vấn đề trực tiếp:
• Biên độ rung động (µm) = IC (µm/g) * Khối lượng không cân bằng (g)
Bài toán ngược:
• Khối lượng không cân bằng (g) = Biên độ rung động (µm) / IC (µm/g)
Pha rung động trong các vật thể tuyến tính
Ngoài biên độ, độ rung còn được đặc trưng bởi pha của nó, biểu thị vị trí của rotor tại thời điểm lệch tối đa so với vị trí cân bằng của nó. Đối với một vật thể tuyến tính, pha rung cũng có thể dự đoán được. Nó là tổng của hai góc:
- Góc xác định vị trí của khối lượng mất cân bằng tổng thể của rôto. Góc này chỉ ra hướng mà sự mất cân bằng chính tập trung.
- Lập luận về hệ số ảnh hưởng. Đây là một góc không đổi đặc trưng cho các đặc tính động của vật thể và không phụ thuộc vào độ lớn hoặc góc của khối lượng không cân bằng.
Do đó, bằng cách biết đối số IC và đo pha rung, có thể xác định góc lắp đặt khối lượng không cân bằng. Điều này không chỉ cho phép tính toán độ lớn khối lượng hiệu chỉnh mà còn cho phép đặt chính xác khối lượng đó trên rôto để đạt được sự cân bằng tối ưu.
Cân bằng các đối tượng tuyến tính
Điều quan trọng cần lưu ý là đối với một vật thể tuyến tính, hệ số ảnh hưởng (IC) được xác định theo cách này không phụ thuộc vào độ lớn hoặc góc của khối lượng thử nghiệm, cũng không phụ thuộc vào độ rung ban đầu. Đây là một đặc điểm chính của tính tuyến tính. Nếu IC không thay đổi khi các thông số khối lượng thử nghiệm hoặc độ rung ban đầu bị thay đổi, thì có thể khẳng định chắc chắn rằng vật thể đó hoạt động tuyến tính trong phạm vi mất cân bằng được xem xét.
Các bước để cân bằng một đối tượng tuyến tính
- Đo độ rung ban đầu:
Bước đầu tiên là đo độ rung ở trạng thái ban đầu. Biên độ và góc rung, chỉ ra hướng mất cân bằng, được xác định. - Cài đặt khối dùng thử:
Một khối lượng có trọng lượng đã biết được lắp trên rôto. Điều này giúp hiểu được cách vật thể phản ứng với tải trọng bổ sung và cho phép tính toán các thông số rung động. - Đo lại độ rung:
Sau khi lắp khối thử nghiệm, các thông số rung động mới được đo. Bằng cách so sánh chúng với các giá trị ban đầu, có thể xác định khối ảnh hưởng đến hệ thống như thế nào. - Tính toán khối lượng hiệu chỉnh:
Dựa trên dữ liệu đo lường, khối lượng và góc lắp đặt của trọng lượng hiệu chỉnh được xác định. Trọng lượng này được đặt trên rôto để loại bỏ sự mất cân bằng. - Xác minh cuối cùng:
Sau khi lắp trọng lượng hiệu chỉnh, độ rung sẽ giảm đáng kể. Nếu độ rung còn lại vẫn vượt quá mức cho phép, có thể lặp lại quy trình.
Các vật thể tuyến tính đóng vai trò là mô hình lý tưởng để nghiên cứu và áp dụng thực tế các phương pháp cân bằng. Các đặc tính của chúng cho phép các kỹ sư và chuyên gia chẩn đoán tập trung vào việc phát triển các kỹ năng cơ bản và hiểu các nguyên tắc cơ bản khi làm việc với hệ thống rôto. Mặc dù ứng dụng của chúng trong thực tế còn hạn chế, nhưng việc nghiên cứu các vật thể tuyến tính vẫn là một bước quan trọng trong việc thúc đẩy chẩn đoán rung động và cân bằng.
Những đối tượng này tạo thành cơ sở để phát triển các phương pháp và công cụ sau này được điều chỉnh để làm việc với các hệ thống phức tạp hơn, bao gồm các đối tượng phi tuyến tính. Cuối cùng, việc hiểu được hoạt động của các đối tượng tuyến tính giúp đảm bảo hiệu suất thiết bị ổn định và đáng tin cậy, giảm thiểu rung động và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Đối tượng phi tuyến tính: Khi lý thuyết khác với thực hành
Vật thể phi tuyến tính là gì?
Một vật thể phi tuyến tính là một hệ thống mà biên độ rung động không tỷ lệ thuận với độ lớn mất cân bằng. Không giống như các vật thể tuyến tính, trong đó mối quan hệ giữa rung động và khối lượng mất cân bằng được biểu diễn bằng một đường thẳng, trong các hệ thống phi tuyến tính, mối quan hệ này có thể theo các quỹ đạo phức tạp.
Trong thế giới thực, không phải tất cả các vật thể đều hoạt động theo tuyến tính. Các vật thể phi tuyến tính thể hiện mối quan hệ giữa mất cân bằng và rung động không tỷ lệ thuận. Điều này có nghĩa là hệ số ảnh hưởng không phải là hằng số và có thể thay đổi tùy thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như:
- Mức độ mất cân bằng: Việc tăng sự mất cân bằng có thể làm thay đổi độ cứng của các giá đỡ rôto, dẫn đến những thay đổi phi tuyến tính về độ rung.
- Tốc độ quay: Các hiện tượng cộng hưởng khác nhau có thể được kích thích ở các tốc độ quay khác nhau, cũng dẫn đến hành vi phi tuyến tính.
- Sự hiện diện của khoảng hở và khoảng trống: Khoảng hở và khe hở trong ổ trục và các kết nối khác có thể gây ra những thay đổi đột ngột về độ rung trong một số điều kiện nhất định.
- Nhiệt độ: Sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và do đó, ảnh hưởng đến đặc tính rung động của vật thể.
- Tải trọng bên ngoài: Tải trọng bên ngoài tác động lên rôto có thể làm thay đổi đặc tính động của nó và dẫn đến hành vi phi tuyến tính.
Tại sao các vật thể phi tuyến tính lại khó khăn?
Tính phi tuyến tính đưa nhiều biến số vào quá trình cân bằng. Công việc thành công với các đối tượng phi tuyến tính đòi hỏi nhiều phép đo hơn và phân tích phức tạp hơn. Ví dụ, các phương pháp tiêu chuẩn áp dụng cho các đối tượng tuyến tính không phải lúc nào cũng mang lại kết quả chính xác cho các hệ thống phi tuyến tính. Điều này đòi hỏi phải hiểu sâu hơn về vật lý của quá trình và sử dụng các phương pháp chẩn đoán chuyên biệt.
Dấu hiệu của phi tuyến tính
Một vật thể phi tuyến tính có thể được nhận biết bằng các dấu hiệu sau:
- Những thay đổi rung động không cân xứng: Khi sự mất cân bằng tăng lên, độ rung có thể tăng nhanh hơn hoặc chậm hơn so với dự kiến đối với một vật thể tuyến tính.
- Độ dịch pha trong rung động: Pha rung động có thể thay đổi một cách khó lường khi có sự thay đổi về mất cân bằng hoặc tốc độ quay.
- Sự hiện diện của sóng hài và sóng hạ hài: Phổ rung động có thể biểu hiện các sóng hài bậc cao (bội số của tần số quay) và sóng hài bậc thấp (một phần của tần số quay), cho thấy các hiệu ứng phi tuyến tính.
- Độ trễ: Biên độ rung động có thể phụ thuộc không chỉ vào giá trị mất cân bằng hiện tại mà còn vào lịch sử của nó. Ví dụ, khi mất cân bằng tăng lên rồi giảm trở lại giá trị ban đầu, biên độ rung động có thể không trở lại mức ban đầu.
Tính phi tuyến tính đưa nhiều biến số vào quá trình cân bằng. Cần nhiều phép đo hơn và phân tích phức tạp hơn để vận hành thành công. Ví dụ, các phương pháp tiêu chuẩn áp dụng cho các đối tượng tuyến tính không phải lúc nào cũng mang lại kết quả chính xác cho các hệ thống phi tuyến tính. Điều này đòi hỏi phải hiểu sâu hơn về vật lý quy trình và sử dụng các phương pháp chẩn đoán chuyên biệt.
Biểu diễn đồ họa của phi tuyến tính
Trên biểu đồ dao động so với mất cân bằng, tính phi tuyến tính thể hiện rõ ở độ lệch so với đường thẳng. Biểu đồ có thể có các đường cong, độ cong, vòng trễ và các đặc điểm khác cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa mất cân bằng và dao động.
Đồ thị 2. Đối tượng phi tuyến tính
50g; 40μm (màu vàng),
100g; 54,7μm (màu xanh).
Vật thể này biểu hiện hai đoạn, hai đường thẳng. Đối với sự mất cân bằng nhỏ hơn 50 gam, đồ thị phản ánh các đặc tính của một vật thể tuyến tính, duy trì tính tỷ lệ giữa sự mất cân bằng tính bằng gam và biên độ rung động tính bằng micron. Đối với sự mất cân bằng lớn hơn 50 gam, sự tăng trưởng của biên độ rung động chậm lại.
Ví dụ về các đối tượng phi tuyến tính
Ví dụ về các vật thể phi tuyến tính trong bối cảnh cân bằng bao gồm:
- Roto có vết nứt: Các vết nứt trên rotor có thể dẫn đến những thay đổi phi tuyến tính về độ cứng và kết quả là tạo ra mối quan hệ phi tuyến tính giữa độ rung và mất cân bằng.
- Roto có khe hở ổ trục: Khoảng hở trong ổ trục có thể gây ra những thay đổi đột ngột về độ rung trong một số điều kiện nhất định.
- Roto có phần tử đàn hồi phi tuyến tính: Một số bộ phận đàn hồi, chẳng hạn như bộ giảm chấn cao su, có thể biểu hiện các đặc tính phi tuyến tính, ảnh hưởng đến động lực học của rôto.
Các loại phi tuyến tính
1. Phi tuyến tính mềm-cứng
Trong các hệ thống như vậy, có hai phân đoạn được quan sát: mềm và cứng. Trong phân đoạn mềm, hành vi giống như tính tuyến tính, trong đó biên độ rung động tăng theo tỷ lệ với khối lượng mất cân bằng. Tuy nhiên, sau một ngưỡng nhất định (điểm dừng), hệ thống chuyển sang chế độ cứng, trong đó biên độ tăng chậm lại.
2. Tính phi tuyến tính đàn hồi
Sự thay đổi về độ cứng của các giá đỡ hoặc tiếp điểm trong hệ thống làm cho mối quan hệ rung động-mất cân bằng trở nên phức tạp. Ví dụ, độ rung động có thể đột ngột tăng hoặc giảm khi vượt qua ngưỡng tải cụ thể.
3. Phi tuyến tính do ma sát gây ra
Trong các hệ thống có ma sát đáng kể (ví dụ, trong ổ trục), biên độ rung có thể không thể đoán trước. Ma sát có thể làm giảm độ rung ở một phạm vi tốc độ và khuếch đại nó ở phạm vi tốc độ khác.
Cân bằng các đối tượng phi tuyến tính: Một nhiệm vụ phức tạp với các giải pháp phi truyền thống
Cân bằng các vật thể phi tuyến tính là một nhiệm vụ đầy thách thức đòi hỏi các phương pháp và cách tiếp cận chuyên biệt. Phương pháp khối lượng thử nghiệm tiêu chuẩn, được phát triển cho các vật thể tuyến tính, có thể mang lại kết quả sai hoặc hoàn toàn không áp dụng được.
Phương pháp cân bằng cho các đối tượng phi tuyến tính
- Cân bằng từng bước:
Phương pháp này bao gồm việc giảm dần sự mất cân bằng bằng cách lắp đặt các trọng số hiệu chỉnh ở mỗi giai đoạn. Sau mỗi giai đoạn, các phép đo độ rung được thực hiện và một trọng số hiệu chỉnh mới được xác định dựa trên trạng thái hiện tại của vật thể. Phương pháp này tính đến những thay đổi trong hệ số ảnh hưởng trong quá trình cân bằng. - Cân bằng ở nhiều tốc độ khác nhau:
Phương pháp này giải quyết các tác động của hiện tượng cộng hưởng ở các tốc độ quay khác nhau. Cân bằng được thực hiện ở nhiều tốc độ gần cộng hưởng, cho phép giảm rung động đồng đều hơn trên toàn bộ phạm vi tốc độ hoạt động. - Sử dụng mô hình toán học:
Đối với các vật thể phi tuyến tính phức tạp, có thể sử dụng các mô hình toán học mô tả động lực học của rôto trong khi tính đến các hiệu ứng phi tuyến tính. Các mô hình này giúp dự đoán hành vi của vật thể trong nhiều điều kiện khác nhau và xác định các thông số cân bằng tối ưu.
Kinh nghiệm và trực giác của một chuyên gia đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng các vật thể phi tuyến tính. Một người cân bằng có kinh nghiệm có thể nhận ra các dấu hiệu phi tuyến tính, chọn phương pháp phù hợp và điều chỉnh cho phù hợp với tình huống cụ thể. Phân tích phổ rung động, quan sát các thay đổi rung động khi các thông số vận hành của vật thể thay đổi và xem xét các tính năng thiết kế của rôto đều hỗ trợ đưa ra quyết định đúng đắn và đạt được kết quả mong muốn.
Cách cân bằng các vật thể phi tuyến tính bằng cách sử dụng công cụ được thiết kế cho các vật thể tuyến tính
Đây là một câu hỏi hay. Phương pháp cá nhân của tôi để cân bằng các vật thể như vậy bắt đầu bằng việc sửa chữa cơ chế: thay ổ trục, hàn vết nứt, siết chặt bu lông, kiểm tra neo hoặc bộ cách ly rung và xác minh rằng rôto không cọ xát vào các thành phần cấu trúc cố định.
Tiếp theo, tôi xác định tần số cộng hưởng, vì không thể cân bằng rotor ở tốc độ gần với cộng hưởng. Để làm điều này, tôi sử dụng phương pháp tác động để xác định cộng hưởng hoặc biểu đồ rotor coast-down.
Sau đó, tôi xác định vị trí của cảm biến trên cơ chế: thẳng đứng, nằm ngang hoặc nghiêng.
Sau khi chạy thử, thiết bị sẽ chỉ ra góc và trọng lượng của tải hiệu chỉnh. Tôi giảm một nửa trọng lượng tải hiệu chỉnh nhưng sử dụng các góc mà thiết bị gợi ý để đặt rôto. Nếu độ rung còn lại sau khi hiệu chỉnh vẫn vượt quá mức chấp nhận được, tôi sẽ chạy rôto một lần nữa. Tất nhiên, việc này mất nhiều thời gian hơn, nhưng đôi khi kết quả lại rất đáng khích lệ.
Nghệ thuật và Khoa học Cân bằng Thiết bị Quay
Cân bằng thiết bị quay là một quá trình phức tạp kết hợp các yếu tố khoa học và nghệ thuật. Đối với các vật thể tuyến tính, cân bằng liên quan đến các phép tính tương đối đơn giản và các phương pháp tiêu chuẩn. Tuy nhiên, làm việc với các vật thể phi tuyến tính đòi hỏi phải hiểu sâu sắc về động lực học của rôto, khả năng phân tích tín hiệu rung động và kỹ năng lựa chọn các chiến lược cân bằng hiệu quả nhất.
Kinh nghiệm, trực giác và cải thiện kỹ năng liên tục là những yếu tố giúp người cân bằng trở thành bậc thầy thực sự trong nghề của họ. Xét cho cùng, chất lượng cân bằng không chỉ quyết định hiệu quả và độ tin cậy của hoạt động thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho con người.
VI 
EN 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
EL 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
NB 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
RU 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UK 
HI
0 Comment