Bảo trì dự báo: Công nghệ siêu âm
dành cho bôi trơn
Một cơ sở sản xuất có một chiếc máy với hai ổ bi 8”. Các kỹ thuật viên bảo trì biết rằng
một trong hai ổ bi là nguyên nhân gây sự cố trong vận hành của chiếc máy, họ cũng biết
rằng sự cố sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm. Một cảm biến siêu âm có tên
CTRL UL101 đã được sử dụng để nghe tiếng ồn phát ra từ cả hai ổ bi.
Kết quả một ổ bi phát ra âm thanh như khi đang hoạt động bình thường, tuy nhiên ổ bi
còn lại không gây ra âm thanh nào cả. Do đó, người ta nghi ngờ rằng nó đã được bôi trơn
nhiều hơn cần thiết, một nửa số mỡ bôi trơn được hút ra khỏi ổ bi bị nghi ngờ. Và cảm
biến siêu âm được sử dụng để theo dõi trong suốt quá trình bôi trơn cho đến khi âm thanh
phát ra từ ổ bi nói trên cho phép kết luận nó đã ở trong tình trạng bình thường. Một khi
được bôi trơn hợp lý, các thiết bị sẽ vận hành một
cách hoàn hảo.
Giới thiệu:
Công nghệ siêu âm (UT) đã và đang trở nên phổ
biến đối với ứng dụng phát hiện rò rỉ cả cho hệ
thống áp lực và không áp lực. Hầu hết các công ty
bảo trì máy nén và một số nhà sản xuất đều có trong
tay một vài loại cảm biến siêu âm để tìm ra các rò rỉ.
Các tổ chức có thể dễ dàng cân đối chi phí đầu tư
cho một cảm biến siêu âm với số chi phí đáng kể
gây ra do thất thoát năng lượng từ các rò rỉ. Tuy nhiên, có những ứng dụng khác của công
nghệ siêu âm mà người dùng, các tổ chức NDT, và thậm chí là những nhà phát triển và
sản xuất cảm biến siêu âm thường không nhận thấy được hay bỏ qua chúng. Công nghệ
siêu âm có thể được sử dụng làm phương tiện phát hiện sớm các hiện tượng mài mòn của
bộ phận thiết bị như các ổ bi và bánh răng do bôi trơn không đầy đủ ( quá nhiều hoặc quá
ít).
Công nghệ siêu âm dành cho bôi trơn:
Hàng trăm triệu đô la được các tổ chức chi ra mỗi năm để theo dõi tình trạng các thiết bị
sử dụng cho dây chuyền sản xuất. Bảo trì ngăn ngừa (PM) ngày càng được chấp nhận
rộng rãi giúp ngăn ngừa các ngừng trệ sản xuất không đúng lúc và kéo dài vòng đời sử
dụng của các ổ bi và bánh răng so với mong đợi. Tuy nhiên, giới hạn của chương trình
bảo trì ngăn ngừa là nó bị phụ thuộc chủ quan vào khả năng chuyên môn của các kỹ thuật
viên. Một chương trình bảo trì ngăn ngừa thông thường có thể đòi hỏi một kỹ thuật viên
phải có “khả năng kiểm tra ổ bi bằng mắt để tìm ra những dấu hiệu mài mòn”. Mặc dù
những động tác này là hữu ích, thậm chí cần thiết, nhưng nó cũng không thể đạt hiệu quả
tuyệt đối và bị giới hạn bởi không giúp cải thiện sản xuất.
Các cải tiến có ở cảm biến siêu âm như CTRL UL101 trong những năm vừa qua đã cho
phép các tổ chức mở rộng hoạt động theo dõi kiểm tra hệ thống của mình. Độ nhạy cao
hơn của thiết bị này cũng giúp phát hiện ra những dấu hiệu nhỏ hơn. Nó còn cho phép
người dùng phát hiện ra những vết rạn nhỏ hơn và sớm hơn. Những trục trặc nhỏ đối với
vấn đề bôi trơn cũng sẽ được phát hiện bởi tiếng ồn gây ra trong ổ lăn của bạc đạn. Tính
chọn lọc âm tốt hơn của thiết bị sẽ giúp loại bỏ những tiếng ồn từ môi trường hay giảm
được âm thanh tĩnh của chính thiết bị. Các phân tích và lượng hóa sẽ dễ dàng hơn khi tín
hiệu nguồn của một vòng bi được theo dõi và phân biệt với những tiếng ồn từ những phụ
kiện ở xung quanh. Đồng thời, một khi tiếng ồn của chính thiết bị được loại bỏ, chất
lượng tín hiệu cũng được cải thiện và phục vụ tốt hơn cho việc phân tích. Khi một vòng
bi bắt đầu bị mài mòn hay bôi trơn không đầy đủ, nó hoạt động kém hiệu quả hơn, tín
hiệu siêu âm sẽ tăng lên trong biên độ và các vết nứt sẽ trở nên rõ ràng hơn.
Cách thức công nghệ siêu âm hoạt động
Tiếng ồn gây ra do ma sát, va chạm và phóng tia lửa điện. Khi hai vật cọ xát với nhau,
chúng tạo ra ma sát. Ma sát không chỉ gây tiếng ồn mà còn tạo nhiệt năng làm nóng vật.
Nhìn chung, ma sát càng lớn, tiếng ồn và nhiệt lượng tạo ra càng cao. Với những phụ
kiện như ổ bi, khi nhiệt lượng tăng lên làm cho vật liệu của ổ bi giãn ra. Ở một số chỗ, độ
giãn vượt quá mức cho phép, kích cỡ tăng lên sẽ gây sự cố trong thiết bị, do đó sản xuất
phải ngừng lại. Đồng thời, khi có quá nhiều ma sát, vật liệu cấu tạo của các phụ kiện bị
mài mòn. Người ta vẫn sử dụng dầu bôi trơn để giảm ma sát nhưng không thể loại bỏ
thực tế rằng ổ bi càng cũ thì bề mặt nó sẽ càng trở nên thô ráp hơn.
Sự va chạm chỉ là một khoảnh khắc của ma sát. Khi các bánh răng quay, các răng khớp
vào nhau và mỗi lần khớp như vậy chúng va chạm với nhau tạo ra tiếng ồn. Sự chuyển
đông hỗn loạn thì được tạo ra do các phân tử khí ga. Khi ga thoát ra khỏi một hệ thống áp
suất này sang một hệ thống khác, các phân tử chuyển động hỗn loạn từ trong ra ngòai.
Trong trường hợp có rò rỉ chân không, các phân tử chuyển động hỗn loạn từ ngoài vào
trong. Tương tự, tia lửa điện phóng ra sẽ kích hoạt các phân tử trong không khí. Một khi
đã bị kích động, sự va chạm giữa các phân tử sẽ xảy ra và do đó gây ra tiếng ồn.
Khi có tiếng ồn, sóng âm với tần số khác nhau sẽ di chuyển từ nguồn ra các hướng.
Khoảng cách mà sóng âm đi xa được và biên độ của nó phụ thuộc vào mức năng lượng
được chuyển hóa vào sóng âm ở tại nguồn và tần số của sóng âm đó. Sóng âm có tần số
thấp đi xa hơn những sóng âm có tần số cao. Thông thường, các trận động đất tạo ra sóng
âm với tần số rất thấp. Một trận động đất tại California có thể tạo ra sóng âm có khả năng
đi xuyên qua vỏ quả đất đến tận Nhật Bản. Một số loài động vật, như dơi, lại tạo ra những
sóng âm với tần số cao và không đi được xa. Những sóng âm này được ứng dụng để tìm
ra những vật nhỏ, như côn trùng chẳng hạn, từ những khoảng cách gần.
Trong mỗi trường hợp đã đề cập trên đây, tai người đều không thể nghe thấy được do tần
số sóng âm nằm ngoài khoảng mà tai người bình thường có thể nghe thấy, tức là dưới
20Hz và trên 20kHz. Các cảm biến siêu âm dùng đến các microphone để tìm ra sóng âm
với tần số có thể lên đến 40kHz, bỏ xa ngưỡng nghe được của tai người bình thường.
Sóng siêu âm thu nhận được sau đó sẽ được chuyển đổi hoặc hạ tần số xuống ngưỡng
nghe được và chuyển ra một tai nghe để kỹ thuật viên có thể nhận định hoặc dành cho
máy tính phân tích.
Bằng cách lắng nghe các linh kiện ở khoảng âm lên tới 40kHz, những dấu hiệu hư hỏng
dù ở dạng tế vi vẫn có thể bị phát hiện, chẳng hạn như những vết xước nhỏ khi ổ bi hoạt
động hay sạn trong bôi trơn. Khi một ổ bi hay bánh răng quay, các vết xước hay sạn đều
gây ảnh hưởng xấu và những khiếm khuyết này chỉ có thể được phát hiện bằng sóng siêu
âm. Hơn thế nữa, sóng âm tạo ra trong khoảng 40kHz cũng không đi quá xa so với nguồn
tạo ra nó. Do đó, dùng đầu dò rà vào ổ bi để lắng nghe tiếng ồn phát ra, những tiếng ồn từ
các linh kiện xung quanh cũng không gây nhiễu. Điều này ngăn chặn việc chẩn đoán sai
và cho phép nhanh chóng chỉ ra vấn đề thực sự nằm ở đâu.
Trong một trường hợp tương tự, một con tàu của Hải quân Hoa Kỳ đã tham gia một loạt
các kiểm tra trên khoang sử dụng công nghệ siêu âm để đánh giá các lợi ích tiềm năng
của việc thực hiện công nghệ này tại một số lĩnh vực. Trong quá trình kiểm tra, thủy thủ
đoàn của một tàu khác đã hỏi về khả năng của công nghệ này trong việc xác định các vấn
đề nội tại liên quan đến bơm. Vấn đề mà họ đang gặp phải là bơm mỡ bôi trơn chính hoạt
động bằng điện đã không tạo ra đủ áp lực cần thiết. Chiếc tàu nhanh chóng được đưa đến
và thủy thủ đoàn không thể xác định nguyên nhân thất thoát áp lực của những chiếc bơm
này khi sử dụng những công nghệ khác. Hệ thống kiểm tra siêu âm CTRL UL101 và thiết
bị SoundCTRL đã được dùng để kiểm tra các bơm trên tàu. Trong số 4 chiếc bơm được
kiểm tra, người ta đã phát hiện ra chiếc bị hỏng do nó tạo ra sóng siêu âm với số lượng
bất thường, những chiếc khác được tạm ngưng kiểm tra. Những chiếc bơm được tháo ra
và xem xét, kết quả cho thấy một chiêc có linh kiện bị hỏng và những chiếc khác bị tác
động.
Có gì ở một cảm ứng siêu âm:
Các cảm biến siêu âm dùng cho mục đích phát hiện rò rỉ và phân tích mát thông thường
sử dụng một microphone tĩnh điện với tần số thu được trong khoảng 40kHz để có thể thu
được sóng siêu âm và chuyển đổi chúng sang dạng tín hiệu điện tử. Có nhiều mức giá
dành cho các loại cảm biến khác nhau, tuy nhiên về cơ bản có ba mức để cân nhắc. Mức
giá thấp với chi phí vào khoảng từ 100 đến 1000 đô la Mỹ. Mức giá tầm trung từ 1500
đến 4000 đô la Mỹ. Và mức giá cao tầm trên 10 000 đô la Mỹ.
Nhiều cảm biến giá rẻ được quảng cáo trong các catalogue và thường được sử dụng cho
mục đích phát hiện rò rỉ. Hầu hết đều sử dụng điều chỉnh âm lượng, cho phép thực hiện
những điều chỉnh đơn giản đối với những tín hiệu nghe được sau khi đã chuyển đổi, tuy
nhiên không thể điều chỉnh được độ nhạy. Những cảm biến này thường được bán với chỉ
ít phụ kiện kèm theo hoặc không có phụ kiện đi kèm.
Những cảm biến giá cao cũng tương tự với dạng cảm biến tầm giá trung nhưng có thêm
phần mềm bổ trợ. Phần mềm sẽ giúp ghi lại và/ hoặc phân tích các tín hiệu đầu ra mà cảm
biến thu được. Phần mềm sử dụng để phân tích các tín hiệu siêu âm cũng có thể có một
số chức năng như ghi lại các tín hiệu thực, một số loại tín hiệu dạng đại lượng bình quân,
tính toán biên độ bình quân thường sử dụng trong phương pháp RMS, các bất thường
chung, là thiết bị lưu trữ và là dụng cụ bảo trì,…
Những cảm biến ở mức giá tầm trung thường kết hợp các đặc trưng và chức năng của loại
giá thấp và giá cao. Một số có chức năng điều chỉnh âm lượng. Một số có thể điều chỉnh
độ nhạy. Quan trọng là phải phân biệt được hai loại này. Loại điều chỉnh được độ nhạy
cần trong trường hợp tìm kiếm những tín hiệu yếu hơn và từ khoảng cách xa. Nó cũng
được dùng để giảm thiểu sóng siêu âm từ môi trường có thể làm nhiễu những chuẩn đoán
đối với các ổ bi, bánh răng, và các van.
Điều chỉnh được tần số cũng là một chức năng quan trọng khác mà người dùng nên cân
nhắc. Mỗi microphone tập trung vào khoảng tần số sóng âm lên khoảng 40kHz. Nếu điều