Thạc Sĩ Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng truyền động bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng truyền động bánh răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh
Mô tả bị lỗi font vài chữ, file tài liệu thì bình thường

MỤC LỤC
Trang phụbìa
Lời cam ñoan
Mục lục
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG VÀ ÂM THANH .5
1.1. Tổng quan vềchẩn ñoán hưhỏng cơkhí .5
1.1.1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và bảo dưỡng thiết bị .5
1.1.1.1. Bảo dưỡng thiết bị .5
1.1.1.2. Theo dõi thiết bị 6
1.1.2. Phát hiện và chẩn ñoán hưhỏng 6
1.1.2.1. Phát hiện và chẩn ñoán hưhỏng . 6
1.1.2.2. Các kỹthuật theo dõi và chẩn ñoán hưhỏng 7
1.2. Các dạng hỏng chủyếu trong truyền ñộng bánh răng 7
1.2.1. Tróc vì mỏi bềmặt răng 7
1.2.2. Gãy răng 8
1.2.3. Mòn răng 8
1.2.4. Dính răng .9
1.2.5. Biến dạng dẻo 10
1.3. Các phương pháp chẩn ñoán hưhỏng của bánh răng bằng phân tích tín hiệu
rung ñộng và âm thanh 10
1.3.1. Phương pháp chẩn ñoán hưhỏng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng .10
1.3.1.1. Nhận dạng hưhỏng bằng phân tích tín hiệu rung ñộng 10
1.3.1.2. Kết hợp phân tích rung ñộng và phân tích dầu trong chương trình
bảo trì dựa trên tình trạng thiết bị 13
1.3.2. Phương pháp phân tích tín hiệu âm thanh bằng biến ñổi Wavelet 13
1.3.2.1. Lý thuy ết vềâm thanh phát ra từmáy 13
- 3 -
1.3.2.2. Phân tích gãy răng với tín hiệu âm thanh 14
1.3.2.3. Phân tích nứt răng với tín hiệu âm thanh 15
1.3.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .16
1.4. Nhận xét và kết luận . 18
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU RUNG ĐỘNG VÀ ÂM
THANH NHẰM CHẨN ĐOÁN HƯHỎNG THÔNG DỤNG 19
2.1. Lý thuyết vềtín hiệu và hệxửlý tín hiệu 19
2.1.1. Khái niệm vềtín hiệu .19
2.1.2. Khái niệm và phân loại hệxửlý tín hiệu .19
2.2. Phương pháp phân tích tín hiệu dao ñộng và âm thanh . 20
2.2.1. Phương pháp Kurtosis .20
2.2.2. Phép biến ñổi Fourier FFT .21
2.2.2.1. Lý thuy ết phép biến ñổi Fourier của tín hiệu liên tục .21
2.2.2.2. Biến ñổi Fourier rời rạc (DFT) .23
2.2.2.3. Ứng dụng biến ñổi Fourier ñểphân tích dao ñộng .24
2.2.3. Phương pháp phân tích hình bao .24
2.2.4. Phương pháp trung bình hoá tín hiệu ñồng bộ 26
2.2.4.1. Trung bình hóa tín hiệu trên miền thời gian 27
2.2.4.2. Trung bình hóa tín hiệu trong miền tần số 28
2.2.5. Phương pháp phân tích Wavelet 28
CHƯƠNG 3: PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET VÀ ỨNG DỤNG 30
3.1. Giới thiệu phép biến ñổi Wavelet 30
3.2. Cơsởtoán học của phép biến ñổi Wavelet 32
3.2.1. Phép biến ñổi Wavelet liên tục .32
3.2.2. Ý nghĩa của phép biến ñổi Wavelet liên tục .35
3.2.3. Biến ñổi Wavelet rời rạc .35
3.2.4. Giới thiệu một sốhọWavelet 36
3.3. Tính chất của biến ñổi Wavelet 38
3.3.1. Tính chất sóng .38
- 4 -
3.3.2. Đặc trưng vềnăng lượng .38
3.4. So sánh biến ñổi Wavelet và Fourier 39
3.5. Một số ứng dụng nổi bật của biến ñổi Wavelet . 42
3.6. Nhận xét và kết luận . 43
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ SƠ ĐỒGHI ĐO TÍN HIỆU ÂM THANH, RUNG
ĐỘNG PHÁT RA TỪHƯHỎNG TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG 44
4.1. Nghiên cứu hệthống thiết bị ñểtheo dõi và chẩn ñoán hưhỏng . 44
4.1.1. Sơ ñồnguyên lý hệthống theo dõi và chẩn ñoán tình trạng thiết bị .44
4.1.2. Mô hình thiết bịthu nhận, phân tích tín hiệu âm thanh và rung ñộng .45
4.2. Các thiết bịvà phần mềm thu nhận tín hiệu dùng trong ñềtài 46
4.2.1. NI compact DAQ 9172 46
4.2.1.1. Giới thiệu 46
4.2.1.2. Chức năng .47
4.2.1.3. Môñun ñược hỗtrợ .47
4.2.1.4. Phần mềm hỗtrợ .47
4.2.2. Thiết bịthu nhận tín hiệu NI 9233 48
4.2.3. Các loại cảm biến 48
4.2.3.1. Cảm biến quang 48
4.2.3.2. Cảm biến dao ñộng .49
4.2.3.3. Micro 50
4.2.4. Phần mềm thu nhận tín hiệu 50
4.2.5. Phần mềm Matlab 50
4.2.6. Mô hình thực tế 51
4.3. Phương pháp thu nhận tín hiệu 52
4.3.1. Thu tín hiệu rung ñộng 53
4.3.1.1. Quy tắc chung khi gắn cảm biến gia tốc .53
4.3.1.2. Cách thu tín hiệu rung ñộng .53
4.3.2. Thu tín hiệu âm thanh 55
4.4. Thuật toán và phần mềm xửlý tín hiệu 56
- 5 -
4.4.1. Thuật toán xửlý .57
4.4.1.1. Thuật toán Fourier nhanh- FFT 57
4.4.1.2. Thuật toán Wavelet liên tục .57
4.4.2. Phần mềm xửlý tín hiệu 58
4.4.2.1. Xây dựng phần mềm xửlý 58
4.4.2.2. Khối “Tải file” 58
4.4.2.3. Khối biến ñổi Fourier “Fourier Transform” 60
4.4.2.4. Khối biến ñổi Wavelet liên tục “Wavelet Continuous Transform” 61
4.5. Mô phỏng hưhỏng bánh răng 63
4.6. Phân tích tín hiệu âm thanh dùng Wavelet 64
4.7. Phân tích tín hiệu rung ñộng dùng Wavelet 69
4.9. Nhận xét và kết luận 78
KẾT LUẬN . 79
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀTÀI LUẬN VĂN (bản sao)

MỞ ĐẦU
I. Lý do chọn ñềtài
Tình trạng hoạt ñộng của thiết bị, ngay cảtrong các ñiều kiện bình thường
vẫn dẫn ñến sựlão hóa của vật liệu, ñôi khi gây nên sựcốhay tai nạn. Đểkhai thác
tốt thiết bị, phải duy trì thiết bị ởtình trạng hoạt ñộng tốt cần thiết phải bảo dưỡng
thiết bị.
Đểduy trì trạng thái hoạt ñộng tốt của thiết bịmáy móc, có thểsửdụng hai giải
pháp sau ñây:
+ Thay thếcác chi tiết sau một sốgiờsửdụng nhất ñịnh, do nhà sản xuất quy
ñịnh, ñược gọi là bảo dưỡng ngăn ngừa có hệthống. Giải pháp này thực tếkhông
hoàn toàn hợp lý, bởi vì có thểdẫn ñến việc thay thếcác chi tiết còn tốt và do ñó
làm tăng ñáng kể giá thành bảo dưỡng (giá thành chi tiết, dừng máy, giá nhân
công .). Ngoài ra, việc tháo lắp nhiều lần một máy còn trạng thái làm việc tốt sẽcó
khuynh hướng làm giảm tuổi thọcủa máy.
+ Theo dõi ñịnh kỳhay liên tục trạng thái hoạt ñộng của thiết bị, và chỉcan
thiệp thay thếkhi kiểm tra phát hiện có sựthay ñổi bất thường hành vi của máy.
Giải pháp này ñược gọi là bảo dưỡng có ñiều kiện thường ñược quan tâm hơn hơn,
vì giảm ñược sốlần can thiệp có hệthống thường ñắt tiền và cho phép tránh ñược
các hưhỏng, nhờbiết rõ tình trạng “sức khoẻ” của máy.
Có rất nhiều kỹthuật phân tích ñã ñược phát triển ñầy ñủtrong nhiều năm
qua cho việc xử lý tín hiệu rung ñộng ñể thu ñược những thông tin chẩn ñoán.
Những nghiên cứu gần ñây chú trọng ñến việc sửdụng thời gian trung bình của tín
hiệu rung ñộng, quang phổ, phân tích Fourier, biên ñộ và k ỹ thuật ñiều chế pha
nhằm phát hiện các loại hư hỏng khác nhau của bánh răng. Hầu hết các phương
pháp thường dùng xác ñịnh tốt các bất thường và xác ñịnh ñược các loại hưhỏng
mà không thểcung cấp nhiều thông tin vềchúng, nhưvịtrí và mức ñộnghiêm trọng
của hưhỏng.
Trong chẩn ñoán máy móc, phát hiện các trạng thái lỗi ởgian ñoạn sớm nhất
có thểlà một việc rất quan trọng. Việc giám sát trạng thái của các cơcấu quay dựa
2
- 2 -
trên tín hiệu rung ñộng ñã ñược tiến hành qua nhiều thập kỷ. Ngược lại, giám sát
trạng thái âm thanh của cơcấu thì lại ít ñược quan tâm. Đây có lẽlà do nhận thức
ñược rằng việc theo dõi âm thanh từmột thiết bịtrong một môi trường công nghiệp
rất ồn ào là phức tạp. Trong vài năm qua, thiết bịâm thanh cùng với kỹthuật xửlý
tín hiệu phức tạp ñã có một sốtiến bộ ñáng kểvà ñã làm cho công việc trích xuất
thông tin chuẩn ñoán từtín hiệu âm thanh bịô nhiễm ñó trởnên khảthi.
Chính vì các lý do nêu trên, tác giảchọn ñềtài nghiên cứu cho luận văn cao
học của mình là “Nghiên cứu phương pháp chẩn ñoán hưhỏng truyền ñộng bánh
răng bằng phân tích tín hiệu âm thanh”.
II. Mục ñích nghiên cứu
- Xây dựng phương pháp chẩn ñoán hưhỏng bằng cách trích xuất thông tin
chẩn ñoán từâm thanh bịô nhiễm từ ñó xây dựng phần mềm phân tích và xửlý tín
hiệu âm thanh
- Xây dựng sơ ñồthiết bịthí nghiệm thu nhận tín hiệu âm thanh sinh ra từbộ
truyền bánh răng.
- So sánh ưu và nhược ñiểm của phương pháp chẩn ñoán hưhỏng bằng âm
thanh với phương pháp chẩn ñoán hưhỏng bằng phân tích rung ñộng.
III. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu sựphát triển hưhỏng cục bộtrong một hộp tốc ñộ, sửdụng tín
hiệu âm thanh và tín hiệu rung ñộng. Tất cảcác nghiên cứu này ñều sửdụng tín
hiệu rung ñộng nhưlà một thông sốgiám sát.
- Nghiên cứu xây dựng sơ ñồthiết bịghi ño tín hiệu âm thanh xuất ra từcác
dạng hỏng khác nhau của truyền ñộng bánh răng trong các thiết bịcơkhí.
- Nghiên cứu các phương pháp xửlý tín hiệu âm thanh thu nhận ñược,
phân tích tín hiệu nói trên, từ ñó ñưa ra các chẩn ñoán vềtình trạng hưhỏng
bánh răng.
3
- 3 -
IV. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về các dạng hỏng cơ bản trong truyền ñộng bánh
răng; tổng quan về các phương pháp cơ bản sử dụng trong chẩn ñoán hư hỏng
truyền ñộng bánh răng.
- Nghiên cứu lý thuyết vềphép biến ñổi Wavelet và ứng dụng của nó vào
việc phân tích tín hiệu âm thanh và tín hiệu dao ñộng nhằm phát hiện tình trạng gãy
răng và nứt răng trong truyền ñộng bánh răng.
- Nghiên cứu so sánh việc theo dõi tín hiệu âm thanh và rung ñộng của hộp
số nhiều cấp, hoạt ñộng dưới một loạt trạng thái thường và trạng thái hư hỏng.
Nhằm chứng minh môi trường âm thanh chắc chắn ảnh hưởng ñến quá trình ño
lường trạng thái âm thanh nhưng không làm giảm ñáng kểviệc khai thác các thông
tin chẩn ñoán có ích. Trên thực tế, việc giám sát trạng thái âm thanh có thểcó hiệu
quảtrong việc xác ñịnh hưhỏng của hộp số.
- Nghiên cứu xây dựng sơ ñồmô hình thí nghiệm tiếp nhận các tín hiệu âm
thanh và dao ñộng sinh ra từcác hưhỏng trong truyền ñộng bánh răng thông qua
gia tốc kếvà micro.
- Xây dựng hoặc ứng dụng phần mềm có sẵn nhằm phân tích tín hiệu dao
ñộng và âm thanh phục vụchẩn ñoán hưhỏng.
- Nghiên cứu thực nghiệm sửdụng phân tích tín hiệu dao ñộng và âm thanh
nhằm chẩn ñoán tình trạng hưhỏng trong truyền ñộng bánh răng.
V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đềtài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp một công cụvà phương
pháp có thể sử dụng vào chẩn ñoán hư hỏng các hệ truy ền ñộng cơ khí sử dụng
trong các thiết bịtự ñộng. Góp phần ñảm bảo sựan toàn cho con người và thiết bị,
giảm ñến mức thấp nhất thời gian dừng sản xuất, ñảm bảo chất lượng sản phẩm và
tối ưu hóa giá thành bảo dưỡng.
- Ứng dụng vào việc chẩn ñoán các hưhỏng sớm của ổlăn, bánh răng sử
dụng trong thiết bịcơkhí, góp phần vào công tác bảo dưỡng dựphòng thiết bị, nhất
là các thiết bịcơkhí sửdụng trong dây chuyền sản xuất tự ñộng.
4
- 4 -
VI. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở ñầu, kết luận và hướng phát triển ñềtài, danh mục tài liệu tham
khảo nội dung chính của luận văn ñược chia thành 4 chương nhưsau:
Chương 1: Tổng quan vềphương pháp chẩn ñoán hưhỏng bằng phân tích tín
hiệu dao ñộng và âm thanh.
Chương 2: Phương pháp xửlý tín hiệu dao ñộng và âm thanh nhằm chẩn ñoán
hưhỏng thông dụng.
Chương 3: Phép biến ñổi Wavelet và ứng dụng.
Chương 4: Mô hình và sơ ñồghi ño tín hiệu âm thanh, rung ñộng phát ra từhư
hỏng truyền ñộng bánh răng.


Chương 1
TỔNG QUAN VỀVẤN ĐỀCHẨN ĐOÁN HƯHỎNG
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG
VÀ ÂM THANH
1.1. Tổng quan vềchẩn ñoán hưhỏng cơkhí
1.1.1. Tầm quan trọng của việc theo dõi và bảo dưỡng thiết bị
1.1.1.1. Bảo dưỡng thiết bị
Tình trạng hoạt ñộng của thiết bị, ngay cảtrong các ñiều kiện bình thường ñều
dẫn ñến sựlão hóa của vật liệu, ñôi khi gây nên sựcốhay tai nạn. Đểkhai thác tốt
thiết bị, phải duy trì thiết bị ởtình trạng hoạt ñộng tốt nên ta phải bảo dưỡng thiết
bị. Đểduy trì trạng thái hoạt ñộng của máy móc thiết bịcó hai phương pháp là bảo
dưỡng ngăn ngừa hệthống và bảo dưỡng có ñiều kiện. Việc bảo dưỡng thiết bịkhá
tốn kém nên phải tìm ra phương thức tối ưu ñểbảo dưỡng thiết bịvới giá thấp nhất
nhưng không gây nguy hiểm cho máy và người vận hành.
Hình 1.1. Tối ưu hóa chính sách bảo dưỡng
Theo biểu ñồtrên ta nhận thấy không bảo dưỡng thiết bịgây nên quá nhiều sự
cố, chi phí giải quyết các sựcốtăng lên. Còn nếu bảo dưỡng ngăn ngừa quá nhiều
tổng chi phí cũng tăng lên. Hiệu quảcủa việc theo dõi là chi phí giải quyết sựcố


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Lê Cung (2004), Chẩn ñoán hư hỏng thiết bị cơ khí, Đại học bách khoa Đà
Nẵng, Đà Nẵng.
[2] Nguyễn Hải(2002), Phân tích dao ñộng máy, NXB khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội.
[3] Nguyễn Hải Hà (2003), Kỹthuật chẩn ñoán tình trạng thiết bịdựa trên kỹthuật
giám sát và phân tích dao ñộng của thiết bị, Viện nghiên cứu cơkhí, Hà Nội.
Tiếng Anh
[4] N. Baydar and A. Ball (2001), Mechanical Systems and Signal Processing,
Manchester School of Engineering, UK.
[5] Martin Vetterli (2007), Wavelets and subband coding, University of California
at Berkeley, US.