Chẩn đoán rung động của thiết bị hàng hải

1. Nguyên tắc cơ bản về chẩn đoán kỹ thuật

Vì sao phân tích rung động trở thành phương pháp chủ đạo để giám sát máy móc hàng hải quay — và những phương pháp thay thế nào tồn tại.

1.1 Nguyên tắc chẩn đoán

Chẩn đoán kỹ thuật là lĩnh vực đánh giá tình trạng hiện tại của máy móc và dự đoán sự thay đổi của tình trạng đó theo thời gian. Đối với thiết bị hàng hải, nhiệm vụ này đặc biệt quan trọng: một sự cố bất ngờ trên biển có thể gây nguy hiểm cho thủy thủ đoàn, hàng hóa và chính con tàu.

Ý tưởng cốt lõi rất đơn giản. Mỗi bộ phận máy móc quay đều tạo ra các tín hiệu vật lý có thể đo được — rung động, nhiệt độ, phát xạ âm thanh, ô nhiễm dầu và các tín hiệu khác. Khi các bộ phận bên trong bị mòn, nứt, ăn mòn hoặc lỏng lẻo, những tín hiệu đó sẽ thay đổi theo những cách thường có thể dự đoán được. Một chương trình giám sát có hệ thống sẽ phát hiện sớm những thay đổi này, phân loại chúng theo loại và mức độ nghiêm trọng, và đưa ra các khuyến nghị cho lịch trình bảo trì.

Các thuật ngữ chính

Quy trình chẩn đoán tổng quát

Trên thực tế, quy trình này mang tính lặp đi lặp lại: nếu một mẫu không khớp với bất kỳ lỗi nào đã biết, nhà phân tích sẽ quay lại, tinh chỉnh quá trình xử lý, thêm các điểm đo mới hoặc đối chiếu với các phương pháp chẩn đoán khác (nhiệt ảnh, phân tích dầu, kiểm tra siêu âm).

Chẩn đoán chức năng so với chẩn đoán trên bàn thử nghiệm

Chẩn đoán chức năng Nó thu thập dữ liệu trong khi máy hoạt động ở tải trọng bình thường. Nó phản ánh các điều kiện vận hành thực tế nhưng hạn chế các thử nghiệm bạn có thể thực hiện — ví dụ, bạn không thể bơm kích thích nhân tạo vào máy bơm đang cung cấp nước làm mát cho động cơ chính.

Chẩn đoán bằng thiết bị kiểm thử (máy thử nghiệm) Phương pháp này sử dụng kích thích có kiểm soát — búa xung, máy rung hình sin quét hoặc các thiết bị tương tự — thường được áp dụng trong quá trình tắt máy. Nó giúp phát hiện các tần số tự nhiên, hàm truyền và đặc tính cấu trúc mà phương pháp chẩn đoán chức năng không thể cung cấp. Trên tàu, khó khăn thực tế rất rõ ràng: việc tắt máy rất tốn kém và đôi khi không thể thực hiện được đối với các hệ thống thiết yếu.

Lựa chọn những gì cần theo dõi

Không phải mọi máy móc trên tàu đều cần được quan tâm ở mức độ như nhau. Việc lựa chọn các thông số cần theo dõi trên thiết bị nào đòi hỏi sự cân bằng giữa phạm vi chẩn đoán và chi phí thực tế. Các tiêu chí lựa chọn điển hình bao gồm độ nhạy cảm với sự phát triển lỗi, độ lặp lại của phép đo, chi phí của cảm biến và lắp đặt, và tầm quan trọng của chính thiết bị đó.

1.2 Chiến lược bảo trì

Ngành hàng hải đã trải qua bốn triết lý bảo trì chính, mỗi triết lý có một hồ sơ chi phí-rủi ro khác nhau.

Hầu hết các đội tàu hiện đại đều sử dụng kết hợp cả hai phương pháp. Máy móc động lực và phát điện quan trọng được bảo trì theo tình trạng hoặc chủ động. Thiết bị phụ trợ có thể vẫn tuân theo lịch trình dựa trên thời gian hoặc thậm chí vận hành đến khi hỏng hóc nếu phụ tùng rẻ và hậu quả không đáng kể. Phân tích rung động là xương sống của lớp bảo trì dựa trên tình trạng (CBM).

1.3 Rung động như tín hiệu chẩn đoán chính

Phân tích rung động chiếm ưu thế trong giám sát điều kiện hàng hải vì một số lý do liên quan mật thiết với nhau:

• Tất cả các máy móc quay đều tạo ra rung động — không cần thêm kích thích nào khác.
• Các lỗi kỹ thuật làm thay đổi mô hình rung động theo những cách cụ thể và đã được ghi nhận rõ ràng.
• Các phép đo không gây ảnh hưởng đến thiết bị và có thể được thực hiện trong khi máy móc hoạt động bình thường.
• Thời gian cảnh báo sớm thường được tính bằng tuần hoặc tháng, chứ không phải giờ.
• Kỹ thuật này mang tính định lượng — kết quả tương ứng trực tiếp với các vùng mức độ nghiêm trọng được xác định theo tiêu chuẩn quốc tế.

Phương pháp luận đi qua sáu giai đoạn: thiết lập đường cơ sở, theo dõi xu hướng, phát hiện bất thường, phân loại lỗi, đánh giá mức độ nghiêm trọng và tiên lượng (tuổi thọ hữu ích còn lại). Mỗi giai đoạn dùng một bộ công cụ khác nhau — từ theo dõi RMS đơn giản ở giai đoạn đầu đến phân tích đường bao, cepstrum và các bộ phân loại học máy ở các giai đoạn sau.

Trạng thái điều kiện

Quan điểm kinh tế

Lợi tức đầu tư cho các chương trình giảm rung động trên tàu thủy rất khác nhau, nhưng tỷ lệ từ 5:1 đến 10:1 thường được trích dẫn trong các tài liệu. Hầu hết các khoản tiết kiệm đến từ ba nguồn: tránh hư hỏng thứ cấp nghiêm trọng (ví dụ như ổ bi hỏng làm hỏng trục), kéo dài tuổi thọ linh kiện bằng cách loại bỏ các lần đại tu không cần thiết, và giảm chi phí sửa chữa khẩn cấp tại cảng so với công việc định kỳ tại xưởng đóng tàu.

2. Vật lý rung động, đơn vị và tiêu chuẩn

Chuyển vị, vận tốc, gia tốc — ba góc nhìn của rung động, và khung ISO dùng để đánh giá mức nào là quá mức.

2.1 Các thông số cốt lõi

Dao động là chuyển động dao động của một hệ cơ học xung quanh vị trí cân bằng. Nó được mô tả bởi ba đại lượng động học có liên quan với nhau, mỗi đại lượng hữu ích trong một dải tần số khác nhau.

Vì vận tốc tỷ lệ thuận tuyến tính với tần số (hệ số ω) và gia tốc tỷ lệ thuận với ω², nên ba tham số này có độ nhạy rất khác nhau trên toàn dải tần. Đây là lý do thực tế khiến các kỹ sư lựa chọn tham số này thay vì tham số khác.

Các biện pháp thống kê

RMS (Giá trị trung bình bình phương) biểu thị biên độ hiệu dụng và tương quan với hàm lượng năng lượng của dao động. Đây là chỉ số mặc định để đánh giá mức độ nghiêm trọng dựa trên tiêu chuẩn ISO.

Giá trị đỉnh Ghi lại biên độ tức thời tối đa — hữu ích để phát hiện các va chạm và các sự kiện thoáng qua.

Giá trị đỉnh-đỉnh Nó cho biết tổng biên độ dao động từ đỉnh dương đến đỉnh âm. Nó thường được sử dụng để đo độ dịch chuyển và phân tích khe hở.

Hệ số đỉnh là tỷ số giữa giá trị đỉnh và RMS. Giá trị tuyệt đối phụ thuộc vào loại máy, dải tần đo và chế độ vận hành — sóng sin thuần cho ≈1.4, còn máy quay khỏe mạnh thường vào khoảng 3–4 — nên không có một con số "bình thường" phổ quát duy nhất. Điều quan trọng trong chẩn đoán là xu hướng: crest factor tăng cho thấy tính xung kích đang tăng, một dấu hiệu sớm thường gặp của khuyết tật bề mặt ổ trục hoặc va đập.

2.2 Các loại rung động trong hệ thống hàng hải

Máy móc hàng hải tạo ra nhiều loại rung động khác nhau, mỗi loại xuất phát từ một cơ chế vật lý riêng biệt.

Theo nguồn kích thích

• Rung động tự do — Hệ thống dao động ở tần số tự nhiên của nó sau một kích thích nhất thời (khởi động, tắt máy, va chạm).
• Rung động cưỡng bức — Kích thích liên tục ở tần số liên quan đến tốc độ quay, số cánh quạt hoặc nguồn điện. Phần lớn dao động ổn định là do tác động cưỡng bức.
• rung động tự kích thích — Máy móc tự tạo ra sự kích thích thông qua cơ chế phản hồi nội bộ: xoáy dầu trong ổ trục, rung động khí động học, ma sát trượt-dính.
• Dao động tham số — Độ cứng hoặc độ giảm chấn của hệ thống thay đổi theo chu kỳ, bơm năng lượng vào phản hồi. Một ví dụ điển hình là răng bánh răng bị nứt, làm thay đổi độ cứng ăn khớp một lần mỗi vòng quay.

Theo mối quan hệ với tốc độ

• Đồng bộ (liên quan đến thứ tự) — Tần số là bội số nguyên hoặc bội số hữu tỉ đơn giản của tốc độ trục. Sự mất cân bằng (1×), sự lệch trục (2×) và độ lỏng (nhiều sóng hài) thuộc về đây.
• Bất đồng bộ — tần số không phải là bội số nguyên của tốc độ trục. Tần số lỗi ổ trục, các hài của tần số điện lưới và rung động do trượt đai thuộc nhóm này.

Theo hướng dẫn

Xuyên tâm Dao động (vuông góc với trục) chiếm ưu thế trong hầu hết các thiết bị quay và là hướng dao động được đo đầu tiên. Trục Rung động (song song với trục) báo hiệu các vấn đề về ổ đỡ lực đẩy, các vấn đề về khớp nối và lực khí động học. Xoắn Sự rung động (xoắn quanh trục quay) đòi hỏi các cảm biến chuyên dụng và chủ yếu được theo dõi trên các hệ thống truyền động dài, nơi hiện tượng cộng hưởng xoắn có thể gây hư hại.

Tần số tự nhiên và cộng hưởng

Mỗi hệ thống cơ khí đều có tần số tự nhiên được xác định bởi khối lượng, độ cứng và độ giảm chấn của nó. Khi tần số kích thích tiến gần đến tần số tự nhiên, đáp ứng sẽ được khuếch đại — đôi khi gấp 10 lần hoặc hơn. Trong máy móc quay, những sự trùng hợp này được gọi là... tốc độ tới hạn.

Nguồn rung động

Cơ khí — Mất cân bằng, lệch trục, lỗi ổ bi, lỏng lẻo, sự cố bánh răng, cong trục. Tần số thường liên quan đến tốc độ trục và hình dạng hình học của các bộ phận.

Điện từ — Các khuyết tật thanh rôto, độ lệch tâm stato, mất cân bằng điện áp nguồn. Tần số tập trung xung quanh gấp đôi tần số lưới (100 Hz cho nguồn 50 Hz, 120 Hz cho nguồn 60 Hz) và bội số của nó.

Thủy lực / khí động học — Hiện tượng đi qua cánh quạt, xâm thực, nhiễu loạn, tuần hoàn. Tần số đi qua cánh quạt bằng số cánh quạt nhân với tần số quay; xâm thực tạo ra nhiễu ngẫu nhiên băng rộng tập trung ở tần số trên 1–2 kHz.

2.3 Đơn vị và Tiêu chuẩn

Các phép đo độ rung sử dụng cả thang đo tuyến tính và thang đo logarit (decibel). Dạng decibel nén các dải động rộng và nhấn mạnh các thay đổi tương đối:

Các giá trị tham chiếu được chuẩn hóa trong ISO 1683: 10⁻⁹ m/s (1 nm/s) đối với vận tốc và 10⁻⁶ m/s² (1 μm/s²) đối với gia tốc. Luôn nêu rõ giá trị tham chiếu khi báo cáo mức độ theo decibel.

ISO 20816 (trước đây là ISO 10816) — Rung động trên bộ phận không quay

The Tiêu chuẩn ISO 10816 bộ tiêu chuẩn này trong lịch sử là khung được dùng rộng rãi nhất để đánh giá rung động máy đo trên các bộ phận không quay (vỏ ổ trục). Hiện nó đang được thay thế dần bởi bộ Tiêu chuẩn ISO 20816 : ISO 20816-1:2016 thay thế cả ISO 10816-1 và ISO 7919-1, và ISO 20816-3:2022 thay thế ISO 10816-3 cho máy công nghiệp có công suất trên 15 kW. Logic đánh giá bốn vùng (A đến D) vẫn giữ nguyên trong cả hai bộ; các giới hạn số phụ thuộc vào nhóm máy và lớp gối đỡ.

Bảng dưới đây cho thấy ví dụ ranh giới vùng cho một phân loại cụ thể (ISO 10816-3 / ISO 20816-3, máy Nhóm 2 15–300 kW, gối đỡ cứng). Các giá trị này không mang tính phổ quát — luôn tham khảo phần tiêu chuẩn áp dụng cho loại máy, dải công suất và kiểu lắp của bạn.

Tiêu chuẩn hàng hải và tiêu chuẩn chuyên biệt theo loại máy

Ngoài bộ tiêu chuẩn máy móc tổng quát, một số tiêu chuẩn còn trực tiếp đề cập đến tàu và các loại máy cụ thể:

Nhóm máy và lớp gối đỡ

Theo khung ISO 10816-3 / ISO 20816-3, các nhóm chính cho máy công nghiệp là: Nhóm 1 — máy lớn có công suất trên 300 kW và đến 50 MW; Nhóm 2 — máy cỡ trung bình 15–300 kW. Có các quy định riêng cho bơm tùy theo động cơ truyền động tích hợp hay rời. Các giới hạn còn được chia tiếp theo độ cứng gối đỡ.

Hệ thống hỗ trợ được coi là cứng khi tần số riêng thấp nhất của cụm máy-cộng-nền móng cao hơn rõ rệt tần số kích thích chính — một hướng dẫn thực tế phổ biến là cao hơn ít nhất 25 %. Linh hoạt gối đỡ có tần số riêng thấp nhất thấp hơn tần số kích thích, điều này làm khuếch đại rung động vỏ và được áp dụng giới hạn chấp nhận nới hơn. Sự khác biệt này nên được xác minh bằng đo đạc (thử va đập) thay vì chỉ suy đoán từ hình thức kết cấu — điều này rất quan trọng trên tàu, nơi máy móc lắp chống rung là phổ biến.

Điểm đo

Các tiêu chuẩn quy định đo trên vỏ ổ trục, càng gần vùng tải càng tốt, theo ba hướng: ngang hướng kính, dọc hướng kính và dọc trục (thường chỉ ở ổ trục đầu dẫn động). Cần đo trong điều kiện vận hành ổn định — tốc độ định mức và tải đại diện — và lấy trung bình trong khoảng thời gian đủ dài để bắt mọi biến thiên theo chu kỳ.

3. Môi trường vận hành hàng hải

Điều gì làm cho công việc rung động trên tàu khác với cùng công việc trong nhà máy — tốc độ thay đổi, nền thép mềm đang nổi, và chân vịt ở cuối tuyến trục.

3.1 Tốc độ và tải thay đổi

Khác với phần lớn nhà máy công nghiệp, máy móc hệ đẩy hàng hải hiếm khi chạy ở một tốc độ cố định. Động cơ chính tuân theo lệnh buồng lái, máy phát nhận và nhả tải điện, và tàu dùng chân vịt bước biến thiên thay đổi tải ở tốc độ trục không đổi. Với chẩn đoán, điều này có hai hệ quả:

• Phổ bị nhòe. FFT thông thường khi tốc độ trôi sẽ làm mỗi thành phần quay bị trải ra trên nhiều bin tần số. Order tracking — lấy mẫu lại tín hiệu theo tham chiếu tachometer — giữ cho các đỉnh liên quan đến tốc độ luôn sắc nét bất kể độ trôi.
• Đường cơ sở phải được gắn nhãn theo điều kiện. Một số đo lấy ở 85 % MCR trong biển lặng không thể so với số đo ở 50 % tải trong biển động. Mỗi phép đo được lưu phải kèm metadata về tốc độ, tải và trạng thái biển, và khi phân tích xu hướng phải so sánh các điều kiện tương đương.

3.2 Kích thích theo tần số cánh chân vịt và cộng hưởng thân tàu

Chân vịt là một trong những nguồn kích thích tuần hoàn mạnh nhất trên tàu. Mỗi cánh đi qua trường wake không đồng đều phía sau thân tàu tạo ra một xung áp suất, sinh rung động ở tần số quét lưỡi (tần số cánh) và các hài của nó:

Vì thân tàu là một kết cấu hàn lớn, tương đối mềm, kích thích theo tần số cánh có thể ghép vào các mode uốn dầm thân, mode tấm cục bộ và mode boong thượng tầng. Triệu chứng dao động từ việc thuyền viên khó chịu trong khu sinh hoạt đến nứt gối đỡ đường ống và mỏi kết cấu cục bộ. ISO 20283-2 điều chỉnh phép đo rung động kết cấu này; ISO 20283-5 đặt khung đánh giá tính tiện nghi. Biện pháp khắc phục gồm thiết kế lại hoặc sửa chân vịt (hư hỏng cánh làm tăng kích thích do wake), thay đổi số cánh, tăng cứng kết cấu và tránh vận hành kéo dài tại các tốc độ trục cộng hưởng.

3.3 Tuyến trục và rung động xoắn

Đường trục tàu — động cơ chính hoặc hộp số, các trục trung gian, ổ đỡ ống bao trục (stern-tube), chân vịt — là một hệ rôto dài và nặng có độ thẳng hàng phụ thuộc vào thân tàu bao quanh nó. Độ võng của thân tàu thay đổi theo tình trạng xếp hàng, mớn nước dằn tàu và nhiệt độ, do đó một đường trục được căn chỉnh hoàn hảo trong ụ khô vẫn có thể bị lệch trục khi ra khơi. Các triệu chứng bao gồm rung động 1× và 2× tăng cao tại các ổ đỡ trung gian, ổ đỡ ống bao trục quá nhiệt, và số liệu mài mòn không đều.

Các tuyến trục dài do động cơ diesel dẫn động cũng dễ bị rung động xoắn. Thứ tự nổ của động cơ kích thích các tần số riêng xoắn của hệ trục khuỷu–tuyến trục; khi một tốc độ tới hạn xoắn đáng kể rơi vào vùng làm việc, một dải tốc độ cấm được xác định trong đó cấm vận hành liên tục. Rung động xoắn hầu như không nhìn thấy bằng accelerometer gắn trên vỏ thông thường — nó cần các thiết bị chuyên dụng (torsiograph, strain gauge, đo độ xoắn dựa trên encoder). ISO 20283-4 bao quát việc đo và đánh giá rung động của máy móc hệ đẩy.

3.4 Đăng kiểm và các yếu tố môi trường

Các tổ chức đăng kiểm (DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS và các đơn vị khác) công bố hướng dẫn về máy móc và rung động, đồng thời cung cấp các ký hiệu cấp cho giám sát tình trạng, theo đó một chương trình giám sát được phê duyệt, có thể kiểm toán có thể thay thế cho một phần chế độ khảo sát chu kỳ cố định. Yêu cầu cụ thể khác nhau giữa các tổ chức và thay đổi theo thời gian, vì vậy luôn phải kiểm tra quy định áp dụng với đúng cấp của con tàu — nhưng điểm chung là chất lượng dữ liệu, quy trình được lập thành tài liệu và năng lực chuyên gia phân tích phải có thể chứng minh.

Cuối cùng, chính môi trường hàng hải cũng chống lại chuỗi đo: không khí chứa muối làm ăn mòn đầu nối, nhiệt độ buồng máy thay đổi theo chu kỳ, và khu vực rửa xịt đòi hỏi cảm biến và cáp có cấp bảo vệ phù hợp. Cấp môi trường, phần cứng inox và việc bảo dưỡng cáp có kỷ luật không phải là thứ xa xỉ — một đầu nối bị ăn mòn sẽ tạo tín hiệu chập chờn bắt chước lỗi máy.

4. Phương pháp đo và cảm biến

Lựa chọn cảm biến, lắp đặt, xử lý tín hiệu và những thực tế thực tiễn trong việc thu thập dữ liệu rung động tốt trên tàu.

4.1 Nguyên lý đo

Động học so với động lực học

Hầu hết các cảm biến rung động đo lường cử động Chỉ đo lường chuyển động — độ dịch chuyển, vận tốc hoặc gia tốc — mà không định lượng lực tạo ra chúng. Đây là phép đo động học. Phép đo động lực học kết hợp dữ liệu chuyển động và lực, thường thông qua các cặp gia tốc kế và cảm biến lực, và chủ yếu được sử dụng trong các tình huống thử nghiệm được kiểm soát như phân tích dao động hoặc đo hàm truyền.

Tuyệt đối so với Tương đối

rung động tuyệt đối là chuyển động của một điểm so với hệ quy chiếu quán tính. Một accelerometer bắt bulông vào vỏ ổ trục cho phép đo rung động tuyệt đối của vỏ. rung động tương đối Đó là chuyển động giữa hai bộ phận — thường là trục và vỏ ổ trục. Các đầu dò tiệm cận cung cấp thông tin này và là thiết bị tiêu chuẩn trên các máy tuabin lớn, nơi cần thông tin về quỹ đạo quay của trục.

Tiếp xúc trực tiếp so với không tiếp xúc trực tiếp

Các cảm biến tiếp xúc (gia tốc kế, cảm biến vận tốc, cảm biến biến dạng) được gắn trực tiếp vào bề mặt rung. Chúng có độ nhạy cao, băng thông rộng và quy trình hoạt động đã được kiểm chứng. Các cảm biến không tiếp xúc (đầu dò dòng điện xoáy, máy đo độ rung laser) đo từ xa và rất cần thiết cho các bề mặt quay, vùng nhiệt độ cao và những vị trí mà việc gắn cảm biến tiếp xúc vào khối lượng vật đo sẽ làm thay đổi kết quả đo.

4.2 Công nghệ cảm biến

Máy đo gia tốc áp điện

Thiết bị chủ lực trong đo lường rung động hàng hải. Một phần tử áp điện (thạch anh hoặc gốm) tạo ra điện tích tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Hệ thống điện tử bên trong (tiêu chuẩn IEPE / ICP) chuyển đổi điện tích này thành tín hiệu điện áp trở kháng thấp, truyền tải ổn định qua các dây cáp dài trong môi trường ồn ào của phòng máy.

Các mô hình tần số cao (lên đến 50 kHz, độ nhạy thấp hơn) được sử dụng để phát hiện sớm các khuyết tật ổ trục. Các mô hình độ nhạy cao (100–1000 mV/g, băng thông đến ~5 kHz) được lựa chọn cho các rung động ở mức thấp trong máy móc chính xác.

Máy đo gia tốc MEMS

Gia tốc kế vi cơ điện tử (MEMC) nhỏ hơn, rẻ hơn và tiêu thụ ít điện năng hơn so với các thiết bị áp điện. Chúng đã trở nên khả thi cho việc giám sát liên tục các máy móc không quan trọng và mạng cảm biến không dây. Băng thông và dải động đã được cải thiện đáng kể trong những năm gần đây, mặc dù cảm biến áp điện vẫn dẫn đầu về hiệu suất tần số cao.

Cảm biến vận tốc (Máy biến đổi địa chấn)

Một khối từ tính treo chuyển động tương đối với cuộn dây, tạo ra điện áp tỷ lệ với vận tốc. Các cảm biến này không cần nguồn ngoài, có kết cấu chắc chắn và cho đầu ra vận tốc trực tiếp — thuận tiện cho đánh giá theo ISO 20816 / ISO 10816 cũ mà không cần tích phân. Nhược điểm là đáp ứng tần số thấp bị hạn chế (thường trên 10 Hz), nhạy với nhiệt độ và kích thước tương đối lớn.

Đầu dò tiệm cận (Cảm biến dòng điện xoáy)

Bộ dao động tần số cao tạo ra trường điện từ tại đầu dò. Dòng điện xoáy trên bề mặt trục dẫn điện gần đó làm thay đổi trở kháng, và mạch điện tử chuyển đổi sự thay đổi này thành điện áp DC tỷ lệ thuận với khoảng cách khe hở. Hai đầu dò được gắn ở góc 90° trên mỗi ổ trục cung cấp dữ liệu vị trí trục XY để phân tích quỹ đạo. Độ phân giải vào khoảng 0,1 μm, và đầu dò có đáp ứng DC (nó có thể theo dõi các dịch chuyển tĩnh chậm cũng như rung động động).

4.3 Lắp đặt và hiệu chuẩn

Phương pháp lắp đặt

Cách gắn cảm biến vào máy quyết định tần số sử dụng tối đa. Mỗi phương pháp đều tạo ra một tần số cộng hưởng khi lắp đặt, vượt quá tần số này thì phép đo trở nên không đáng tin cậy.

Điều hòa tín hiệu

Cảm biến IEPE cần nguồn điện ổn định (thường là 2–4 mA ở điện áp 18–28 V DC). Bộ phận thu thập dữ liệu thường cung cấp nguồn này. Cảm biến chế độ sạc yêu cầu bộ khuếch đại sạc riêng. Trong cả hai trường hợp, đường dẫn tín hiệu nên sử dụng cáp chống nhiễu, có lớp chắn, và chiều dài cáp nên được giữ càng ngắn càng tốt để giảm thiểu nhiễu điện từ từ các dây cáp điện trong khoang máy.

Sự định cỡ

Các cảm biến và kênh đo cần được kiểm tra so với một thiết bị tham chiếu có thể truy vết ít nhất một lần mỗi năm — thường xuyên hơn trong môi trường biển khắc nghiệt. Một bộ kích thích hiệu chuẩn di động tạo ra gia tốc đã biết ở tần số đã biết (thường là 10 m/s² ở 159,15 Hz) là công cụ tiêu chuẩn tại hiện trường. So sánh trực tiếp với một gia tốc kế tham chiếu sẽ cho độ tin cậy cao hơn và có thể được thực hiện ngay trên tàu.

5. Phân tích tín hiệu

Từ dạng sóng rung động thô đến kết luận chẩn đoán — chuỗi xử lý tín hiệu giúp xác định lỗi.

5.1 Các loại tín hiệu

Hiểu rõ loại tín hiệu mà máy của bạn tạo ra sẽ giúp xác định kỹ thuật phân tích nào có thể trích xuất thông tin hữu ích.

Tín hiệu tuần hoàn và hài hòa

Một sóng hình sin thuần túy ở một tần số duy nhất là trường hợp đơn giản nhất (hiếm gặp trong thực tế). Hầu hết các máy móc quay đều tạo ra sóng này. đa hài hòa Tín hiệu — tần số cơ bản cộng với bội số nguyên của nó. Động cơ diesel bốn thì tạo ra sóng hài bậc đánh lửa; hệ thống bánh răng tạo ra tần số ăn khớp và các sóng hài của nó.

Tín hiệu điều chế

Điều chế biên độ (AM) — bao tín hiệu biến thiên theo chu kỳ. Một khuyết tật trên vòng trong ổ trục đi qua vùng tải một lần mỗi vòng quay tạo ra điều chế biên độ của đáp ứng va đập tần số cao ở tốc độ trục. Điều chế tần số (FM) — Tần số tức thời thay đổi. Sự dao động tốc độ từ máy nén piston là một nguồn phổ biến.

Tín hiệu xung động và thoáng qua

Các sự kiện ngắn hạn, biên độ cao kích thích đồng thời nhiều cộng hưởng. Khuyết tật ổ lăn, mẻ răng bánh răng và bulông lỏng đều tạo rung động xung kích. Đặc trưng: crest factor cao, nội dung tần số rộng, suy giảm nhanh và lặp lại theo chu kỳ ở tần số khuyết tật.

Tín hiệu ngẫu nhiên

Dòng chảy rối, hiện tượng xâm thực và sự xuống cấp bề mặt nghiêm trọng tạo ra rung động không có thành phần tuần hoàn chiếm ưu thế. Về mặt thống kê, nó được đặc trưng bởi mật độ phổ công suất (PSD) hơn là bởi các đỉnh tần số riêng lẻ.

5.2 Miền thời gian và miền tần số

Phân tích miền thời gian

Việc kiểm tra dạng sóng thô cho phép phát hiện những thông tin mà phân tích phổ có thể che khuất: thời điểm tác động, các mẫu điều biến, tính bất đối xứng (cắt cụt, méo mó) và sự hiện diện của các sự kiện thoáng qua. Các thông số thống kê được tính toán từ dạng sóng — RMS, hệ số đỉnh, độ nhọn, độ lệch — định lượng đặc tính tín hiệu và thường là những dấu hiệu đầu tiên cho thấy sự xuống cấp của ổ trục.

Độ nhọn (Kurtosis) đặc biệt có giá trị trong việc chẩn đoán ổ trục. Một ổ trục khỏe mạnh tạo ra dao động gần như phân bố Gauss (độ nhọn ≈ 3). Các khuyết tật đang phát triển sẽ đẩy độ nhọn lên trên 4 — đôi khi trên 10 — rất lâu trước khi giá trị RMS tổng thể tăng đủ để kích hoạt báo động.

Phân tích miền tần số (FFT)

Biến đổi Fourier nhanh (FFT) chuyển đổi bản ghi thời gian thành phổ tần số, cho biết tần số nào mang nhiều năng lượng nhất. Đây là công cụ chẩn đoán chính vì các loại lỗi khác nhau tạo ra rung động ở các tần số khác nhau, có thể dự đoán được.

Các yếu tố quan trọng cần xem xét về DSP

Tốc độ lấy mẫu Tần số lấy mẫu phải vượt quá gấp đôi tần số cao nhất cần quan tâm (tiêu chuẩn Nyquist). Bộ lọc chống răng cưa sẽ làm suy giảm mọi thứ trên tần số Nyquist trước khi số hóa. Một quy tắc thực tế: lấy mẫu ở tần số gấp 2,56 lần băng thông phân tích (để bù cho sự suy giảm của bộ lọc).

Độ phân giải tần số = 1 / T, trong đó T là độ dài bản ghi. Để phân tách hai tần số gần nhau, bạn cần một bản ghi dài hơn. Đối với các ứng dụng hàng hải, nơi tốc độ thay đổi nhẹ, việc theo dõi thứ tự (lấy mẫu lại được đồng bộ hóa với xung tốc độ kế) duy trì độ phân giải không đổi trong miền thứ tự bất kể sự thay đổi tốc độ.

Cửa sổ Nó triệt tiêu hiện tượng rò rỉ phổ do độ dài bản ghi hữu hạn gây ra. Hanning là chế độ mặc định đa năng; đỉnh phẳng cho độ chính xác biên độ tốt nhất (quan trọng khi so sánh với giới hạn tuyệt đối); hình chữ nhật chỉ thích hợp cho các tín hiệu thực sự thoáng qua.

5.3 Kỹ thuật nâng cao

Phân tích đường bao (Giải điều chế biên độ)

Phương pháp được ưu tiên cho chẩn đoán ổ lăn. Các bước: (1) lọc thông dải quanh một cộng hưởng kết cấu được kích thích bởi va đập ổ trục (thường 2–8 kHz), (2) trích xuất bao biên độ qua biến đổi Hilbert hoặc chỉnh lưu + lọc thông thấp, (3) tính FFT của bao. Tần số lỗi ổ trục (BPFO, BPFI, BSF, FTF) sau đó xuất hiện thành các đỉnh riêng biệt trong phổ bao, tách rõ khỏi các hài tốc độ trục và các nguồn khác.

Phân tích Cepstrum

Cepstrum là phép biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo của phổ logarit biên độ. Nó phát hiện các mẫu tuần hoàn. trong Phổ tần số — chính xác là những gì các dải tần phụ xung quanh tần số ăn khớp bánh răng hoặc các họ sóng hài từ sự lỏng lẻo tạo ra. Kỹ thuật này ít trực quan hơn so với FFT trực tiếp nhưng lại rất hiệu quả khi nhiều họ dải tần phụ chồng chéo lên nhau.

Theo dõi đơn hàng

Đối với máy móc có tốc độ thay đổi (thường gặp trên tàu có hệ thống truyền động tần số biến đổi hoặc trong quá trình điều khiển), phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) thông thường làm mờ các đỉnh liên quan đến tốc độ. Phương pháp theo dõi bậc (Order tracking) lấy mẫu lại tín hiệu thời gian bằng cách sử dụng máy đo tốc độ hoặc tham chiếu tốc độ, chuyển đổi phân tích từ miền tần số sang miền bậc. Mỗi bậc tương ứng với một bội số cố định của tốc độ trục.

Hàm liên kết

Đo mối quan hệ tuyến tính giữa hai tín hiệu theo hàm của tần số. Coherence gần 1.0 ở một tần số nhất định có nghĩa là rung động tại điểm đáp ứng chủ yếu do kích thích tại điểm tham chiếu gây ra. Hữu ích để tách đường truyền, xác minh chất lượng đo và đánh giá bao nhiêu rung động của máy được truyền sang các kết cấu lân cận — hoặc trên tàu, bao nhiêu rung động của “máy” thực ra đến từ chân vịt qua thân tàu.

6. Chương trình giám sát tình trạng

Xây dựng và vận hành chương trình giám sát rung động trên tàu — từ khâu kiểm tra nghiệm thu đến phân tích xu hướng.

6.1 Thử nghiệm nghiệm thu

Thử nghiệm nghiệm thu rung động xác lập rằng thiết bị mới lắp hoặc vừa đại tu đáp ứng đặc tính thiết kế trước khi đưa vào sử dụng. Với thiết bị hàng hải, việc này thường được thực hiện theo các giai đoạn: thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy (FAT) ở nhà sản xuất — ISO 20283-3 bao quát phép đo rung động trước lắp đặt của thiết bị trên tàu — thử nghiệm nghiệm thu tại cảng (HAT) sau khi lắp đặt lên tàu, và chạy thử trên biển ở tải đầy đủ.

Kiểm thử chấp nhận phát hiện những gì?

• Mất cân bằng dư vượt quá cấp Tiêu chuẩn ISO 21940-11 (trước đây là ISO 1940-1) về chất lượng cân bằng
• Chân đế không chắc chắn — một hoặc nhiều chân đế không tiếp xúc đúng cách với nền móng.
• Sai lệch khớp nối phát sinh trong quá trình lắp đặt
• Biến dạng đường ống truyền đến mặt bích của bơm hoặc máy nén.
• Cộng hưởng nền móng trùng với tốc độ vận hành hoặc tần số cánh chân vịt

Các phép đo trong thử nghiệm nghiệm thu trở thành đường cơ sở cho giám sát tình trạng về sau. Chúng nên được thực hiện ở nhiều mức tải (thường 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) và được ghi chép cùng các thông số vận hành (tốc độ, tải, nhiệt độ, trạng thái biển).

6.2 Hệ thống giám sát

Hệ thống di động (dựa trên tuyến đường)

Một kỹ thuật viên đi theo lộ trình đã được xác định trước trong phòng máy, thu thập dữ liệu tại mỗi điểm đo được đánh dấu bằng thiết bị thu thập dữ liệu cầm tay. Phần mềm trên máy tính ở bờ hoặc văn phòng sẽ lưu trữ, theo dõi xu hướng và phân tích dữ liệu. Đây là phương pháp tiết kiệm chi phí nhất cho các máy móc phụ trợ mà việc giám sát liên tục không mang lại hiệu quả.

Hệ thống cố định (trực tuyến)

Các cảm biến được lắp đặt cố định trên các thiết bị quan trọng và được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu trung tâm. Các phép đo được thực hiện tự động theo định kỳ hoặc liên tục. Chuông báo động sẽ vang lên khi vượt quá ngưỡng cho phép. Động cơ chính, máy phát điện, động cơ đẩy và hộp giảm tốc là những thiết bị thường được sử dụng cảm biến.

Phương pháp tiếp cận kết hợp

Hầu hết các đội xe hiện đại đều kết hợp cả hai phương pháp. Giám sát liên tục bao gồm 10-15 máy móc quan trọng nhất. Các phép đo di động theo tuyến đường bao gồm 50-200 hạng mục phụ trợ theo chu kỳ hàng tuần đến hàng quý. Phần mềm thống nhất hợp nhất cả hai bộ dữ liệu vào một cơ sở dữ liệu duy nhất.

Điểm khởi đầu thực tế

Bảng dưới đây là ma trận khởi đầu điển hình cho một tàu thương mại. Nó được cố ý giữ ở mức tổng quát — phân tích tính tới hạn, yêu cầu của đăng kiểm và hướng dẫn của nhà chế tạo luôn được ưu tiên cho bất kỳ con tàu cụ thể nào.

Cơ sở dữ liệu và hệ thống phân cấp

Cơ sở dữ liệu giám sát sắp xếp thiết bị theo cấu trúc cây: tàu → bộ phận (động cơ, boong, điện) → hệ thống (động lực, làm mát phụ trợ, chữa cháy) → máy móc → linh kiện → điểm đo. Mỗi điểm có loại cảm biến, hướng, đơn vị, mức cảnh báo và cài đặt phân tích được xác định rõ. Thiết kế phân cấp tốt giúp việc so sánh hiệu suất và báo cáo trên toàn đội tàu trở nên khả thi.

6.3 Mức cảnh báo và phân tích xu hướng

Thiết lập mức báo động

Có ba phương pháp phổ biến, và chúng có thể được kết hợp với nhau.

• Dựa trên tiêu chuẩn — dùng trực tiếp ranh giới vùng ISO 20816 (trước đây là ISO 10816) hoặc API. Đơn giản nhưng kiểu một-kích-cỡ-cho-tất-cả.
• Thống kê — Đặt mức cảnh báo ở mức trung bình cơ sở + 2–3 độ lệch chuẩn, ngưỡng nguy hiểm ở mức trung bình + 4–6 độ lệch chuẩn. Tùy chỉnh cho từng máy nhưng yêu cầu đủ dữ liệu cơ sở.
• Dựa trên kinh nghiệm — được rút ra từ kiến thức của nhà phân tích về một loại máy móc cụ thể. Thường là phương pháp hiệu quả nhất đối với các thiết bị khác thường hoặc rất cũ mà các tiêu chuẩn chung không đề cập đến đầy đủ.

Phân tích xu hướng

Việc vẽ đồ thị một tham số theo thời gian giúp phát hiện các lỗi đang phát triển trước khi chúng đạt đến mức báo động. Phân tích xu hướng có hiệu quả đối với RMS tổng thể, các thành phần tần số riêng lẻ, các tham số thống kê (hệ số đỉnh, độ nhọn) và các chỉ số được suy ra từ đường bao tín hiệu. Độ dốc của đường xu hướng — và đặc biệt là bất kỳ sự thay đổi đột ngột nào về độ dốc — là yếu tố quyết định chính.

Các phương pháp bao gồm từ việc kiểm tra trực quan đơn giản các biểu đồ chuỗi thời gian đến kiểm soát quy trình thống kê (CUSUM, EWMA) và các mô hình tuổi thọ hữu ích còn lại dựa trên hồi quy. Đối với máy móc quan trọng, việc kết hợp nhiều thông số theo xu hướng trong một "chỉ số sức khỏe" duy nhất sẽ cung cấp bức tranh toàn diện hơn so với bất kỳ thông số nào riêng lẻ.

7. Phát hiện và nhận dạng lỗi

Chuyển đổi các đỉnh phổ, hình dạng sóng và các thông số thống kê thành các chẩn đoán lỗi cụ thể.

7.1 Chẩn đoán ổ lăn

Ổ lăn là thành phần được giám sát phổ biến nhất trong các chương trình rung động hàng hải. Mỗi vị trí khuyết tật tạo ra một tần số đặc trưng được quyết định bởi hình học ổ trục và tốc độ trục.

Tần suất lỗi

Tần số rãnh ngoài luôn thấp hơn trong hai tần số rãnh (BPFO ≈ 0,4 · N · f_trục theo quy tắc gần đúng) và tần số rãnh trong cao hơn (BPFI ≈ 0,6 · N · f_trục); cộng lại chúng thành N · f_trục — một kiểm tra hợp lý rất tiện.

Các giai đoạn tiến triển của đứt gãy

1. Khởi đầu — tăng nhẹ mức nền nhiễu tần số cao (dải siêu âm, > 20 kHz). Chưa có đỉnh rời rạc. Chỉ phát hiện được bằng các kỹ thuật tần số cao chuyên dụng (phát xạ âm, spike energy).
2. Tần suất lỗi riêng biệt xuất hiện — Các tần số đặc trưng của ổ trục (BPFO, BPFI, v.v.) trở nên rõ ràng trong phổ bao hoặc phổ gia tốc dải tần số cao.
3. Sóng hài và dải biên phát triển — Các sóng hài tần số khuyết tật tăng lên; các dải tần phụ điều chế ở tốc độ trục xuất hiện xung quanh các tần số ổ trục.
4. Mở rộng và gia tăng — Mức nhiễu nền tăng lên trong dải tần số ổ trục; gia tốc tổng thể và giá trị RMS của vận tốc bắt đầu tăng; hệ số đỉnh có thể bắt đầu giảm khi nội dung ngẫu nhiên tăng lên.
5. Thiệt hại nghiêm trọng — Dao động ngẫu nhiên băng thông rộng chiếm ưu thế; mức độ dịch chuyển tăng lên; nhiệt độ tăng; tiếng ồn có thể nghe thấy. Hỏng hóc sắp xảy ra.

Phân tích bao hàm trong thực tiễn

Lọc tín hiệu gia tốc thô bằng bộ lọc thông dải trong phạm vi 2–8 kHz (hoặc xung quanh tần số cộng hưởng kích thích ổ trục cao nhất — xác định tần số này từ thử nghiệm va đập hoặc từ chính phổ tín hiệu). Tính toán đường bao biến đổi Hilbert. Thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) trên đường bao. Nếu bạn thấy các đỉnh tại BPFO, BPFI, BSF hoặc FTF (và các sóng hài của chúng), bạn đã xác định được lỗi ổ trục.

7.2 Lỗi bánh răng và vấn đề về trục

Chẩn đoán hộp số

Tần số ăn khớp cơ bản (GMF) bằng số răng nhân với tần số quay của trục. Một bánh răng hoạt động tốt sẽ tạo ra đỉnh ăn khớp sạch với các dải biên thấp. Các vấn đề phát sinh biểu hiện bằng biên độ ăn khớp tăng lên, các dải biên ngày càng lớn với khoảng cách bằng tần số quay của trục bánh răng bị hỏng, và cuối cùng là sự tạo ra các hài bậc cao hơn của GMF.

Các vấn đề về trục và khớp nối

Các vấn đề liên quan đến cánh quạt/dòng chảy

Tần số đi qua của cánh (BPF) = số cánh × tần số trục. BPF tăng cao và các hài của nó cho thấy hư hỏng cánh bơm, vấn đề khe hở bộ khuếch tán–cánh bơm, hoặc biến dạng dòng vào. Cavitation tạo nhiễu dải rộng tần số cao — đặc trưng âm thanh "lách tách" trên 2 kHz với kurtosis cao. Tuần hoàn lại ở lưu lượng thấp tạo bất ổn ngẫu nhiên tần số thấp. Trên tàu, hãy nhớ rằng chính chân vịt cũng tạo rung động theo tần số cánh truyền qua kết cấu (xem Mục 3.2).

7.3 Đánh giá mức độ nghiêm trọng và tiên lượng

Phát hiện lỗi chỉ là một nửa công việc. Nhóm bảo trì cần phải biết tốc độ Lỗi này đang ngày càng lan rộng và bao lâu Máy móc có thể tiếp tục hoạt động an toàn.

Các chỉ số mức độ nghiêm trọng

• Biên độ của đỉnh tần số khuyết tật so với giá trị cơ sở của nó.
• Tốc độ thay đổi của biên độ đó (độ dốc của xu hướng)
• Số lượng và cường độ của sóng hài và dải tần phụ
• Hệ số đỉnh và sự tiến triển của độ nhọn
• Vận tốc hoặc gia tốc tổng thể RMS so với ranh giới vùng ISO

Phương pháp tiên lượng

Theo dõi xu hướng đơn giản bằng ngoại suy tuyến tính hoặc hàm mũ cho ước tính sơ bộ về tuổi thọ còn lại. Các cách tiếp cận tinh vi hơn gồm mô hình suy thoái dựa trên vật lý (ví dụ sự lan truyền bong tróc dưới ứng suất Hertz) và các mô hình dựa trên dữ liệu được huấn luyện từ bộ dữ liệu chạy đến hỏng. Dù theo cách nào, dự báo cũng nên kèm khoảng tin cậy rõ ràng — một ước lượng điểm kiểu "còn 42 ngày" kém hữu ích hơn nhiều so với "30–60 ngày với độ tin cậy 90 %".

8. Căn chỉnh và cân bằng

Hai biện pháp khắc phục này giúp loại bỏ phần lớn các vấn đề rung động trên thiết bị quay hàng hải.

8.1 Căn chỉnh trục

Sự lệch trục giữa các trục nối là một trong ba nguyên nhân hàng đầu gây rung động trong máy móc hàng hải (cùng với sự mất cân bằng và mài mòn ổ trục). Nó tạo ra lực quá mức lên các ổ trục, phớt và khớp nối, và tạo ra một tín hiệu rung động đặc trưng chủ yếu gấp 2 lần tốc độ trục.

Các loại sai lệch

Căn chỉnh tĩnh so với căn chỉnh động

Căn chỉnh tĩnh được đo khi máy nguội và đứng yên. Căn chỉnh động (khi vận hành) có thể khác đáng kể do giãn nở nhiệt, nền móng võng dưới tải và lực đường ống phát sinh theo nhiệt độ và áp suất. Ví dụ, một tổ máy phát diesel có thể giãn theo phương đứng 1–2 mm tại tâm khớp nối khi động cơ đạt nhiệt độ làm việc. Trên tàu còn có thêm một lớp nữa: độ võng thân tàu theo tình trạng hàng và nước dằn làm thay đổi căn chỉnh tuyến trục giữa hành trình đầy tải và hành trình dằn.

Hệ thống căn chỉnh bằng laser tính toán độ lệch nguội để bù lại sự giãn nở nhiệt dự kiến, sao cho việc căn chỉnh chính xác ở nhiệt độ hoạt động chứ không phải ở nhiệt độ môi trường.

Chân mềm

Nếu một hoặc nhiều chân máy không tiếp xúc đúng cách với nền móng, việc siết chặt bu lông giữ sẽ làm biến dạng khung, làm lệch hướng ổ trục và thay đổi đặc tính rung động theo tải trọng. Phát hiện hiện tượng chân máy không tiếp xúc đúng cách là bước đầu tiên trước khi tiến hành bất kỳ quy trình căn chỉnh nào: nới lỏng từng bu lông một và đo độ dịch chuyển bằng đồng hồ đo độ lệch hoặc hệ thống laser. Khắc phục bằng các miếng đệm chính xác.

8.2 Lý thuyết cân bằng

Sự mất cân bằng khối lượng tạo ra lực ly tâm quay cùng với trục, gây ra rung động ở tốc độ 1× RPM. Lực này tỷ lệ thuận với ω², do đó một rôto rung động vừa phải ở tốc độ thấp có thể gây hư hỏng ở tốc độ cao.

Các loại mất cân bằng

• Tĩnh — một điểm nặng duy nhất; rôto sẽ nằm nghiêng với mặt nặng hướng xuống dưới trên các cạnh sắc. Một mặt phẳng hiệu chỉnh là đủ.
• Ngẫu lực — Hai khối lượng bằng nhau đặt cách nhau 180° trên hai mặt phẳng trục khác nhau. Không có sự mất cân bằng tĩnh, nhưng rôto bị lắc lư trong quá trình quay. Cần hai mặt phẳng hiệu chỉnh.
• Năng động — Trường hợp tổng quát: sự kết hợp giữa tĩnh và mô men xoắn. Luôn cần hiệu chỉnh hai mặt phẳng để loại bỏ hoàn toàn.

Chất lượng cân bằng — ISO 21940-11 (trước đây là ISO 1940-1)

Tiêu chuẩn ISO 21940-11 xác định mất cân bằng dư cho phép như một hàm của khối lượng rôto và tốc độ làm việc, biểu diễn bằng cấp chất lượng cân bằng G. Giá trị cấp bằng tích e_mỗi · ω tính bằng mm/s, trong đó e_mỗi là mất cân bằng riêng cho phép (độ dịch chuyển tâm khối lượng khỏi trục trục) và ω là tốc độ góc ở tốc độ làm việc. Theo đơn vị thực tế:

8.3 Cân bằng tại hiện trường

Cân bằng tại chỗ giúp khắc phục sự mất cân bằng trong các ổ trục và giá đỡ của máy, dưới điều kiện vận hành thực tế. Điều này hầu như luôn được ưu tiên hơn so với việc tháo rôto để cân bằng tại xưởng khi sự mất cân bằng là do bám bẩn, ăn mòn hoặc biến dạng nhiệt trong quá trình vận hành chứ không phải do lỗi sản xuất.

Phương pháp mặt phẳng đơn (Phương pháp hệ số ảnh hưởng)

1. Đo biên độ và pha dao động ban đầu ở tốc độ 1× RPM (lần chạy tham chiếu).
2. Gắn một vật thử có khối lượng đã biết vào một vị trí góc đã biết trên rôto.
3. Khởi động máy và đo độ rung một lần nữa (chạy thử).
4. Tính hệ số ảnh hưởng: mức độ thay đổi độ rung do một đơn vị khối lượng tại bán kính đó tạo ra.
5. Tính toán khối lượng và góc hiệu chỉnh để đưa độ rung về 0 (phép toán vectơ).
6. Tháo khối lượng thử nghiệm, lắp khối lượng hiệu chỉnh, kiểm tra lại bằng lần chạy cuối cùng.

Phương pháp cân bằng hai mặt phẳng tuân theo cùng một logic nhưng giải quyết hệ thống hệ số ảnh hưởng 2×2, cho phép hiệu chỉnh đồng thời các thành phần tĩnh và mô men.

Những thách thức đặc thù của môi trường biển

• Chuyển động của tàu — Độ rung nền từ sóng và động cơ có thể che lấp tín hiệu 1×. Biện pháp khắc phục: lấy trung bình phép đo trên nhiều vòng quay, lên lịch đo trong điều kiện lặng gió hoặc khi neo đậu tại cảng.
• Quyền truy cập hạn chế — Các mặt phẳng hiệu chỉnh có thể nằm bên trong các vỏ bọc. Việc lập kế hoạch trước và các phương pháp gắn trọng lượng tùy chỉnh thường là cần thiết.
• Hiệu ứng nhiệt — các máy được cân bằng khi nguội có thể phát sinh thêm mất cân bằng ở nhiệt độ làm việc do giãn nở chênh lệch. Lý tưởng nhất, hãy xác minh cân bằng ở nhiệt độ vận hành bình thường.

8.4 Các cách tiếp cận khác để giảm rung động

Khi việc cân bằng và căn chỉnh không đưa độ rung về mức chấp nhận được, có thể áp dụng một số kỹ thuật khác.

Sửa đổi nguồn

Thiết kế lại hoặc điều chỉnh linh kiện để giảm lực kích thích — ví dụ, tối ưu hóa khe hở giữa cánh quạt và bộ khuếch tán trong máy bơm, cải thiện dung sai sản xuất hoặc chọn tốc độ vận hành xa hơn tốc độ tới hạn.

Thay đổi độ cứng và độ giảm chấn

Việc gia cố móng làm dịch chuyển tần số dao động tự nhiên của nó ra khỏi tần số kích thích. Việc thêm các lớp giảm chấn (các phương pháp xử lý lớp hạn chế, các giá đỡ đàn hồi nhớt) làm giảm sự khuếch đại ở tần số cộng hưởng. Cả hai phương pháp đều có thể được áp dụng sau khi lắp đặt, mặc dù việc gia cố móng trên tàu bị hạn chế bởi giới hạn trọng lượng kết cấu.

Cách ly rung động

Đế đàn hồi (cao su, lò xo, khí nén) tách rời máy khỏi kết cấu thân tàu. Việc cách ly trở nên hiệu quả khi tần số kích thích vượt quá khoảng √2 × tần số riêng của đế đỡ. Bộ cách ly dùng trên tàu biển còn phải chịu được tải trọng do chuyển động của tàu và chống chịu môi trường ăn mòn.

Bộ hấp thụ và giảm chấn được điều chỉnh

Bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMD) — một hệ khối lượng-lò xo thứ cấp nhỏ được điều chỉnh tới tần số gây vấn đề — hấp thụ năng lượng từ kết cấu chính tại đúng tần số đó. Hiệu quả cho các vấn đề dải hẹp như cộng hưởng boong do máy phát hoặc do tần số cánh chân vịt kích thích. Nhược điểm là mỗi TMD chỉ xử lý một tần số.

9. Các công nghệ mới nổi

Hướng đi của chẩn đoán rung động trong môi trường biển — cảm biến không dây, điện toán biên, máy học và con đường hướng tới bảo trì tự động.

9.1 AI và học máy

Học máy đang chuyển đổi chẩn đoán rung động từ các bộ quy tắc được định nghĩa thủ công sang nhận dạng mẫu dựa trên dữ liệu. Các ứng dụng trước mắt nhất là phân loại lỗi tự động và dự đoán tuổi thọ hữu ích còn lại.

Phân loại

Mạng nơ-ron tích chập (CNN) được huấn luyện trên các tập dữ liệu rung động được dán nhãn có thể phân loại các lỗi ổ trục, bánh răng, mất cân bằng và sai lệch với độ chính xác tương đương với các nhà phân tích giàu kinh nghiệm — với điều kiện dữ liệu huấn luyện bao gồm các điều kiện hoạt động thực tế. Học chuyển giao và thích ứng miền giải quyết vấn đề phổ biến về dữ liệu hàng hải được dán nhãn hạn chế bằng cách bắt đầu từ các mô hình được huấn luyện trên các tập dữ liệu công nghiệp và tinh chỉnh bằng dữ liệu trên tàu.

Phát hiện bất thường

Các bộ mã hóa tự động (autoencoder) và bộ mã hóa tự động biến phân (variational autoencoder) học một biểu diễn nén của dao động bình thường. Khi một phép đo mới nằm ngoài phân bố đã học, hệ thống sẽ đánh dấu nó là bất thường — mà không cần các ví dụ trước đó về mọi loại lỗi có thể xảy ra. Điều này đặc biệt có giá trị đối với các chế độ hỏng hóc hiếm gặp.

Bản sao kỹ thuật số

Bản sao số là mô hình dựa trên vật lý hoặc mô hình lai của một máy, chạy song song với máy thật và được cập nhật liên tục bằng dữ liệu cảm biến. Sai lệch giữa dự đoán của mô hình và số đo thực cho thấy điều kiện bên trong đang thay đổi. Bản sao số cho phép mô phỏng kịch bản ("nếu tăng tốc độ thêm 5 % thì sao?") và tiên lượng đáng tin cậy hơn vì chúng tích hợp vật lý thay vì chỉ dựa vào ngoại suy thống kê.

9.2 Cảm biến không dây và điện toán biên

Các cảm biến rung động không dây đã trưởng thành đến mức tuổi pin vượt quá năm năm, độ tin cậy liên lạc đủ cho việc giám sát không phải an toàn tới, và xử lý trên bo mạch cho phép cảm biến tính toán các tham số thống kê cục bộ, chỉ truyền tải các bản tóm tắt và báo động thay vì các dạng sóng thô. Điều này giảm đáng kể chi phí cài đặt — không cần dây cáp, không cần ống dẫn, không cần hộp nối — và làm cho việc giám sát hàng trăm máy phụ trợ trước đây chưa được giám sát trở nên kinh tế.

Điện toán biên đặt sức mạnh xử lý tại hoặc gần cảm biến, cho phép tạo cảnh báo theo thời gian thực, thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh cục bộ (FFT) và thậm chí cả suy luận mạng nơ-ron mà không cần dựa vào kết nối đám mây trên bờ. Điều này rất quan trọng đối với các tàu thuyền thường xuyên hoạt động trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần với băng thông vệ tinh hạn chế.

9.3 Chẩn đoán tự động và tích hợp

Xu hướng dài hạn hướng tới các hệ thống có khả năng phát hiện, chẩn đoán và xử lý sự cố với sự can thiệp tối thiểu của con người:

• Cảm biến tự hiệu chuẩn Chúng tự kiểm tra tình trạng hoạt động và bù đắp cho sự sai lệch.
• Chẩn đoán lỗi tự động Được tích hợp với hệ thống bảo trì định kỳ của tàu — chức năng phát hiện lỗi ổ trục tự động tạo ra lệnh công việc, kiểm tra kho phụ tùng và đề xuất khung thời gian bảo trì.
• Phân tích cấp đội xe — Việc so sánh cùng một loại thiết bị trên toàn bộ đội tàu giúp xác định các vấn đề mang tính hệ thống (một lô vòng bi bị lỗi, hiện tượng cộng hưởng liên quan đến thiết kế) mà việc giám sát trên từng tàu riêng lẻ sẽ bỏ sót.
• Hợp nhất đa tham số — Việc kết hợp dữ liệu về độ rung, phân tích dầu, đo nhiệt độ và hiệu suất trong một chỉ số sức khỏe duy nhất sẽ cung cấp đánh giá tình trạng đáng tin cậy hơn so với bất kỳ kỹ thuật đơn lẻ nào.

Chuẩn bị cho việc nhận con nuôi

Công nghệ thôi chưa đủ. Việc áp dụng thành công đòi hỏi phát triển nguồn nhân lực (đào tạo kỹ năng sử dụng dữ liệu cho các kỹ sư vốn quen với công việc sửa chữa chứ không phải thuật toán), lập kế hoạch an ninh mạng (các hệ thống giám sát kết nối là một bề mặt dễ bị tấn công) và một cách tiếp cận theo từng giai đoạn — thử nghiệm trên một vài tàu, chứng minh giá trị, rồi mới mở rộng quy mô.