HỆ THỐNG GIÁM SÁT SỰ RUNG ĐỘNG CỦA
HỆ THỐNG ĐẨY TRÊN TÀU THỦY
1. TỔNG QUAN
Hệ thống đẩy là một trong những hệ thống quan trọng nhất trên tàu thủy,
có nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ động cơ thành lực đẩy để tạo
chuyển động cho tàu.
Một hệ thống đẩy điển hình có thể bao gồm:
Động cơ chính.
Khớp nối.
Hộp giảm tốc, nếu có.
Hệ trục.
Các ổ đỡ.
Trục chân vịt.
Chân vịt.
Các thiết bị đo và điều khiển.
Trong quá trình vận hành, hệ thống đẩy có thể phát sinh rung động do
tải trọng động của động cơ, mất cân bằng chân vịt, sai lệch tâm trục,
biến dạng thân tàu, hư hỏng ổ đỡ hoặc các hiện tượng cộng hưởng.
Rung động quá mức có thể làm tăng ứng suất và gây ảnh hưởng đến độ
bền của trục, ổ đỡ, động cơ và các bộ phận liên quan. Vì vậy, giám sát
rung động là một nội dung quan trọng trong bảo dưỡng và quản lý tình
trạng máy tàu.
Các nghiên cứu về hệ truyền động tàu thủy cho thấy rung động xoắn
đặc biệt đáng quan tâm đối với đường trục và trục khuỷu.
2. KHÁI NIỆM VỀ RUNG ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐẨY
2.1. Khái niệm
Rung động là dao động cơ học của một hệ thống quanh vị trí cân bằng.
Trong hệ thống đẩy tàu thủy, rung động có thể xuất hiện dưới nhiều
dạng khác nhau và truyền qua động cơ, hệ trục, ổ đỡ, thân tàu và các
kết cấu liên quan.
2.2. Các thông số cơ bản
Các thông số thường được sử dụng để đánh giá rung động gồm:
Biên độ.
Tần số.
Vận tốc rung.
Gia tốc rung.
Pha.
Tốc độ quay.
Mômen dao động.
Tần số thường được biểu diễn bằng Hz hoặc vòng/phút (RPM).
Quan hệ giữa tần số và tốc độ quay:
f = n/60
Trong đó:
f: tần số quay, Hz.
n: tốc độ quay, vòng/phút.
3. CÁC DẠNG RUNG ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẨY
3.1. Rung động ngang
Rung động ngang là dao động của hệ trục theo phương vuông góc với
trục quay.
Nguyên nhân có thể gồm:
Mất cân bằng.
Sai lệch tâm.
Cong trục.
Hư hỏng ổ đỡ.
Lực thủy động từ chân vịt.
3.2. Rung động dọc trục
Là dao động theo phương dọc của trục.
Rung động dọc trục có thể liên quan đến:
Lực đẩy của chân vịt.
Dao động của động cơ.
Độ cứng của hệ trục.
Điều kiện làm việc của ổ chặn.
3.3. Rung động xoắn
Rung động xoắn là dao động góc của trục quanh trục quay.
Đây là một dạng rung động quan trọng trong hệ thống truyền công suất
của tàu thủy. Nghiên cứu về hệ truyền động tàu cho thấy rung động
xoắn có thể gây nguy hiểm cho đường trục và trục khuỷu, đặc biệt khi hệ
thống hoạt động gần các tần số riêng.
Nếu mômen dao động lớn kéo dài, có thể dẫn đến hiện tượng mỏi và hư
hỏng trục.
4. NGUYÊN NHÂN GÂY RUNG ĐỘNG
4.1. Mất cân bằng
Mất cân bằng xảy ra khi khối lượng của bộ phận quay không phân bố
đều quanh trục quay.
Ví dụ:
Chân vịt mất cân bằng.
Rotor động cơ mất cân bằng.
Hư hỏng hoặc bám bẩn không đều trên chân vịt.
4.2. Sai lệch tâm
Sai lệch tâm giữa các bộ phận của hệ trục có thể làm tăng lực động và
rung động.
Nguyên nhân:
Lắp đặt không chính xác.
Biến dạng thân tàu.
Dịch chuyển ổ đỡ.
Biến dạng nền máy.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy sai lệch vị trí ổ đỡ có thể làm tăng biên
độ rung và gia tốc rung của hệ trục.
4.3. Hư hỏng ổ đỡ
Ổ đỡ có vai trò duy trì vị trí và hỗ trợ hệ trục.
Các vấn đề thường gặp:
Mòn ổ đỡ.
Bôi trơn không phù hợp.
Nhiệt độ tăng cao.
Sai lệch vị trí.
Phân bố tải không đều.
4.4. Rung động từ động cơ
Động cơ diesel tạo ra các lực và mômen tuần hoàn do quá trình cháy và
chuyển động của cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu.
Những kích thích này có thể truyền sang hệ trục.
4.5. Tác động của chân vịt
Chân vịt tạo ra lực đẩy và mômen quay đồng thời chịu tác động của
dòng nước không đồng đều.
Các hiện tượng như:
Cavitation.
Mất cân bằng.
Hư hỏng cánh.
Biến dạng cánh.
có thể làm thay đổi đặc tính rung động.
5. HỆ THỐNG GIÁM SÁT RUNG ĐỘNG
5.1. Mục đích
Hệ thống giám sát rung động được sử dụng để:
Phát hiện bất thường.
Theo dõi tình trạng thiết bị.
Phát hiện sớm hư hỏng.
Đánh giá mức độ nguy hiểm.
Hỗ trợ bảo dưỡng dự đoán.
Giảm nguy cơ sự cố nghiêm trọng.
Một hệ thống giám sát hiện đại có thể được thiết kế để phát hiện sự thay
đổi của rung động xoắn, đánh giá mức độ nguy hiểm và hỗ trợ xác định
nguyên nhân sự cố.
6. CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT
Một hệ thống cơ bản gồm:
Cảm biến → Bộ thu nhận tín hiệu → Bộ xử lý → Phân tích → Cảnh
báo → Lưu trữ dữ liệu
6.1. Cảm biến
Các loại cảm biến thường sử dụng:
Cảm biến gia tốc
Dùng để đo gia tốc rung của máy và kết cấu.
Cảm biến vận tốc
Đo vận tốc dao động, thường dùng trong đánh giá tình trạng máy quay.
Cảm biến dịch chuyển
Dùng để đo chuyển vị của trục hoặc các bộ phận chuyển động.
Cảm biến tốc độ
Đo tốc độ quay và làm cơ sở xác định các thành phần rung động theo
bậc tốc độ.
7. GIÁM SÁT RUNG ĐỘNG XOẮN
Đối với rung động xoắn, một phương pháp quan trọng là đo sự biến
thiên tốc độ góc tức thời của trục.
Một số hệ thống sử dụng cảm biến quang học để đo tốc độ góc tức thời
trên đường trục. Dữ liệu có thể được chuyển đổi thành tín hiệu theo thời
gian và phân tích bằng phương pháp FFT.
Các bước cơ bản
1. Đo tốc độ quay.
2. Thu thập tín hiệu.
3. Xác định biến thiên tốc độ góc.
4. Chuyển đổi tín hiệu.
5. Phân tích miền thời gian.
6. Phân tích miền tần số.
7. Xác định thành phần bất thường.
8. Đưa ra cảnh báo.
8. ĐO MÔMEN XOẮN
Mômen xoắn có thể được xác định thông qua biến dạng của trục.