Giám sát tình trạng

Mục tiêu của bảo trì dựa trên tình trạng hoặc bảo trì dự đoán (PdM) là thực hiện các biện pháp bảo trì kịp thời. “Kịp thời” có nghĩa là đủ sớm để giữ chi phí sửa chữa ở mức thấp nhất có thể trước khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng hơn đòi hỏi nỗ lực lớn hơn, nhưng cũng đủ muộn để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của máy móc và tối đa hóa việc sử dụng các bộ phận cho đến hết vòng đời của chúng. Đảm bảo thời điểm sử dụng an toàn cuối cùng là một thách thức lớn. Do đó, chiến lược đầu tiên thường được áp dụng trong thực tế. Mục tiêu của chiến lược bảo trì dựa trên tình trạng là giảm thiểu chi phí bảo trì thông qua việc phát hiện và sửa chữa sự cố sớm. Việc xác định sớm các dấu hiệu hư hỏng là nhiệm vụ cốt lõi của các phương pháp chẩn đoán dựa trên siêu âm. Giám sát tình trạng thường được định nghĩa là việc sử dụng các công nghệ phù hợp để xác định trạng thái vận hành thực tế của máy móc. Trạng thái vận hành là sự kết hợp giữa quá trình và tình trạng máy móc. Trước đây, người vận hành hoặc kỹ thuật viên bảo trì phải thực hiện giám sát tình trạng chỉ bằng các giác quan như thính giác, thị giác hoặc xúc giác. Ngày nay, do nhiều máy móc và quy trình đang vận hành không cần người điều khiển và các cơ sở ngày càng trở nên phức tạp hơn, nên cần phải có một kỹ thuật giám sát.

Ngoài ra, kỹ thuật này có thể mang lại nhiều khả năng mới để theo dõi các thông số 24 giờ mỗi ngày, không gián đoạn. Điều này có nghĩa là các máy móc và hệ thống không người lái có thể được điều khiển từ xa một cách tương đối dễ dàng. Các thông số khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, chất lượng dầu hoặc độ rung, có thể được giám sát để phát hiện trạng thái hoạt động của máy móc. Các thông số này có thể được bổ sung bằng các thông số khác, chẳng hạn như dòng điện hoặc lực của trục chính truyền động. Hai thông số cuối cùng được đề cập thường được cung cấp cho người vận hành máy công cụ ngay từ khi máy xuất xưởng. Vì hầu hết các lỗi trên máy móc có bộ phận quay đều dẫn đến rung động, nên hầu hết thông tin về trạng thái của máy (sức khỏe của máy) cũng như các thông số quy trình (đặc tính vận hành) đều có thể được thu thập thông qua giám sát tình trạng bằng phương pháp đo rung động. Điều này có nghĩa là có thể giám sát cả trạng thái của máy và trạng thái quá trình chỉ bằng một công nghệ duy nhất. Khả năng tối ưu hóa năng suất và bảo trì đồng thời này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả tổng thể của các nhà máy.

Ứng dụng siêu âm trong lĩnh vực bảo trì

Nhờ những ưu điểm đã nêu ở trên, trên thực tế, đo rung động là phương pháp được ưu tiên hàng đầu để giám sát các máy móc có bộ phận quay. Các cảm biến rung động có đáp ứng tần số tuyến tính lên đến 20 kHz thường được sử dụng để đo rung động. Vì các quá trình âm thanh có thể được sử dụng cho bảo trì bao phủ dải tần số rộng hơn, lên đến 1 MHz, nên cần phải có các cảm biến đặc biệt. Các cảm biến siêu âm này được sử dụng khi tần số cần kiểm tra quá cao, hoặc khi độ lệch quá nhỏ so với khả năng của cảm biến rung động. Hơn nữa, việc phân tích trong dải tần số siêu âm mang lại lợi thế là vô số tiếng ồn của máy móc trong dải tần số có thể nghe được sẽ không gây nhiễu cho quá trình đo lường. Các tác giả phân loại việc sử dụng các phương pháp siêu âm là một cách tiếp cận bổ sung cho phân tích rung động. Các nguyên nhân gây ra phát xạ âm thanh trong dải siêu âm khác với các nguyên nhân gây ra rung động. Các tác động quan trọng nhất cần được ghi nhận trong bảo trì cuối cùng đều dựa trên ma sát. Các hoạt động như vậy bao gồm, ví dụ, giám sát bôi trơn hoặc phát hiện vận hành khô, dòng chảy rò rỉ và các quá trình ma sát kỹ thuật trên ổ trục trơn hoặc phanh. Tuy nhiên, các nguyên nhân khác gây ra phát xạ âm thanh, như nhiễu loạn, hiện tượng xâm thực hoặc các quá trình xả, cũng mở rộng phạm vi ứng dụng sang các quá trình không xuất phát từ máy móc có bộ phận quay. Đối với tất cả các nguyên nhân này, các ưu điểm của phương pháp siêu âm được sử dụng để phát hiện hư hỏng hoặc thay đổi quy trình càng sớm càng tốt. Như được thể hiện trong Hình 2, loại tín hiệu phát hiện và do đó việc sử dụng siêu âm trong bảo trì có thể được chia thành hai loại là âm thanh truyền qua không khí và âm thanh truyền qua kết cấu.

Đối với âm thanh truyền qua không khí, các ứng dụng như phát hiện rò rỉ trên hệ thống khí nén, kiểm tra rò rỉ chủ động trên cabin và container hoặc phát hiện phóng điện cục bộ đã được biết đến. Các ứng dụng liên quan đến âm thanh truyền qua kết cấu như kiểm tra van xả hơi, chẩn đoán ổ trục và kiểm tra van cũng đã được áp dụng rộng rãi. Các cảm biến siêu âm dựa trên vật liệu composite áp điện đã được phát triển và sử dụng cho các ứng dụng âm thanh truyền qua kết cấu trong giám sát quá trình. Với đáp ứng tần số phẳng và độ nhạy cao, các cảm biến mới này phù hợp cho các ứng dụng băng tần rộng.

Năm 2016, công ty SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH đã ra mắt một thiết bị kiểm tra mới. Thiết bị này được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra bằng sóng siêu âm trong lĩnh vực bảo trì. Những điểm khác biệt chính giữa thiết bị này và các thiết bị đã có trước đây là dải tần số rộng của các cảm biến và thiết kế mô-đun của thiết bị đo lường kỹ thuật số. Ngoài ra, tất cả các tính năng của các thiết bị di động phổ biến như điện thoại thông minh và máy tính bảng đều được tích hợp trong máy dò siêu âm cầm tay mới này. Với SONAPHONE mới, dải tần số từ 20 đến 100 kHz có thể được phát hiện và phân tích.

Thiết bị này sẽ được trang bị các ứng dụng chuyên dụng, giúp hỗ trợ kỹ sư bảo trì trong quá trình kiểm tra, cũng như trong việc đánh giá dữ liệu và lập hồ sơ kiểm tra. SONAPHONE được phát triển như một thiết bị kiểm tra cầm tay di động dành cho tất cả các ứng dụng bảo trì nêu trên. Hiện tại, nền tảng này được thiết kế để ghi và xử lý đồng bộ hai tín hiệu: tín hiệu siêu âm và tín hiệu nhiệt độ (được tích hợp trong cảm biến âm thanh truyền qua kết cấu) có thể được ghi lại đồng bộ theo thời gian.

Đối với các ứng dụng liên quan đến âm thanh truyền qua không khí, chẳng hạn như phát hiện rò rỉ, kiểm tra độ kín và phát hiện phóng điện cục bộ, các phụ kiện khác nhau (Hình 3, góc trên bên phải) đã được phát triển cho cảm biến âm thanh truyền qua không khí nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể. Nhờ đó, đặc tính thu nhận của cảm biến có thể được điều chỉnh theo phạm vi phát hiện và góc khẩu độ. Đối với các ứng dụng truyền qua kết cấu, chẳng hạn như kiểm tra van xả hơi hoặc kiểm tra ổ trục, các phụ kiện cũng đã được phát triển (Hình 3, góc dưới bên phải).

Cảm biến âm thanh truyền qua kết cấu có thể được trang bị giá đỡ từ tính hoặc các ống dẫn sóng có độ dài khác nhau. Thiết bị này cũng có thể được vặn trực tiếp vào điểm kiểm tra. Về ứng dụng giám sát tình trạng, thiết bị cầm tay này được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm di động, định kỳ dưới dạng đo so sánh hoặc phân tích xu hướng dựa trên nhiều lần đo. Điều này có nghĩa là việc giám sát tình trạng diễn ra vào các thời điểm cụ thể đã được xác định trước và có thể được mô tả như một quá trình ước lượng tình trạng thông qua một "ảnh chụp nhanh".

Động lực và bối cảnh phát triển công nghệ cảm biến mới đã được mô tả chi tiết trong một số bài báo, chẳng hạn như. Các đầu dò siêu âm mới dành cho các ứng dụng giám sát tình trạng đã được phát triển dựa trên vật liệu composite áp điện, vốn đóng vai trò trung tâm trong việc kết hợp sử dụng tần số thấp và cao theo triết lý ứng dụng tích hợp.

Việc sử dụng công nghệ này mang lại nhiều lợi ích. Đường cong đáp ứng tần số của cảm biến tương đối mượt mà và các cộng hưởng không mong muốn được triệt tiêu. Điều này có nghĩa là các đặc tính tần số có thể được tuyến tính hóa ở một mức độ nhất định, cho phép khai thác các đặc tính quang phổ của tín hiệu và áp dụng phân tích thời gian-tần số tiên tiến trong thời gian thực. Một khía cạnh quan trọng khác xuất phát từ việc tăng số bậc tự do trong thiết kế bộ chuyển đổi; ví dụ, việc chế tạo các bộ chuyển đổi linh hoạt hoặc có hình dạng cong đặc biệt trở nên khả thi.

Trong Hình 4, hai đường cong trở kháng điện được trình bày. Đường cong màu xanh lam đại diện cho cảm biến loại piezoceramic truyền thống, còn đường cong màu đỏ đại diện cho cảm biến loại piezocomposite mới. Sự khác biệt giữa hai đường cong minh họa việc triệt tiêu các cộng hưởng không mong muốn ở cảm biến piezocomposite. Ngược lại, loại gốm áp điện cho thấy nhiều cộng hưởng do các chế độ rung động khác nhau của đĩa gốm, chẳng hạn như phần chính của bộ chuyển đổi.

Vật liệu composite áp điện được sử dụng trong công trình này được sản xuất bằng công nghệ “dice-and-fill” (Hình 5). Kỹ thuật sản xuất phức tạp này đã được phát triển tại SONOTEC vào năm 2008. Các tấm gốm áp điện (ví dụ như titanat zirconat chì (PZT)) được cắt một phần bằng máy cắt wafer theo hai hướng với góc 90°. Các khe hở được lấp đầy bằng polyurethane hoặc nhựa epoxy. Sau khi đông cứng, tấm được mài đến độ dày cuối cùng. Cuối cùng, vật liệu composite được mạ kim loại và phân cực.

Quy trình sản xuất này rất phức tạp và bao gồm nhiều bước với các mức độ khó khác nhau. Điều này mang lại nhiều khả năng đa dạng, tạo điều kiện cho các tính chất mới của bộ chuyển đổi. Có thể tạo ra các biến thể thông qua việc thay đổi loại gốm áp điện, loại ma trận nhựa, khoảng cách và bố trí các cột gốm áp điện, chiều rộng khe hở, độ dày tấm, hình dạng tấm và khoảng cách vĩ mô của các phần tử bộ chuyển đổi.

Những ưu điểm của các cảm biến mới dựa trên vật liệu composite áp điện cũng có thể được minh họa bằng các thí nghiệm đơn giản. Hình 6 cho thấy các phổ quang phổ và phổ tần số được tạo ra trong một thí nghiệm ma sát.

Thí nghiệm bao gồm hai loại cảm biến khác nhau, được gắn cố định trên một ống thép. Một cảm biến rung động tần số cao truyền thống được so sánh với một trong những cảm biến siêu âm băng tần rộng mới. Việc kích thích bằng giấy nhám được sử dụng làm nguồn âm thanh truyền qua cấu trúc. Trong các phổ phổ, sự dao động này có thể nhận thấy trong khoảng từ hai đến bảy giây. Các phổ tần số được tính toán từ một khoảng thời gian trong phạm vi thời gian này. Cả phổ quang phổ và phổ tần số đều cho thấy rõ sự khác biệt giữa hai loại cảm biến.

Mục đích của ví dụ này là giới thiệu khả năng ứng dụng các cảm biến siêu âm mới trong việc giám sát tình trạng quá trình gia công các chi tiết gốm sứ bằng máy cắt wafer chính xác. Động lực cho việc này là nhằm tối ưu hóa tổng thể các quy trình cắt, đặc biệt là đối với các vật liệu được gọi là “khó cắt”, hoặc giám sát tình trạng quá trình gia công các chi tiết có giá trị rất cao. Trục truyền động của máy cắt được trang bị các cảm biến siêu âm dựa trên vật liệu composite áp điện. Tần số cộng hưởng theo độ dày của các cảm biến này là khoảng 1 MHz. Các tín hiệu được thu thập bằng thẻ thu thập dữ liệu DT 9847-2-2 (Data Translation) và phân tích bằng phần mềm MATLAB của Mathworks.

Tốc độ lấy mẫu 216 kHz đã được áp dụng. Hình 7 cho thấy hai trong số các cảm biến mới, cũng như trục truyền động của máy cắt wafer được trang bị các cảm biến này. Ví dụ về máy cắt wafer là một ứng dụng thú vị do các trục truyền động đặc biệt được sử dụng trong các máy này. Các trục chính tốc độ cao với tốc độ quay lên đến 60.000 vòng/phút là các trục chính sử dụng ổ trục khí nén kết hợp với động cơ không chổi than. Do đó, không có sự kết nối cơ học trực tiếp giữa các bộ phận quay và bộ phận đứng yên trong quá trình này. Ngoài ra, ổ trục khí nén liên tục gây ra hiện tượng phát xạ âm thanh do luồng khí thoát ra.

Một quy trình cắt lát tiêu chuẩn gồm ba đĩa gốm được cố định thành một hàng đã được phân tích (Hình 8). Quy trình này mất khoảng sáu giây cho mỗi đường cắt. Đầu tiên, trục truyền động di chuyển xuống (theo hướng trục z). Quá trình cắt thực tế diễn ra ở bước thứ hai. Nhìn sơ qua, tín hiệu thời gian không cung cấp bất kỳ thông tin có giá trị nào cho việc điều khiển quy trình.

Do đó, cần phải áp dụng phương pháp xử lý tín hiệu thời gian-tần số. Trên phổ phổ (Hình 8, bên phải), toàn bộ quá trình cắt lát được hiển thị. Một số tần số thấp cố định được đo liên tục. Đây là kết quả của trục quay với tốc độ quay cố định 30.000 vòng/phút và các hiện tượng nhiễu loạn tại đầu ra của ổ trục khí, kết hợp với các tác động từ tia nước làm mát.

Vào đầu và cuối quá trình cắt (bước 1 và bước 3), gia tốc rất cao của trục z dẫn đến biên độ lớn trong dải tần số rộng tối đa 5 kHz. Trong quá trình cắt (bước 2), việc gia công ba đĩa dẫn đến những thay đổi có thể tái tạo được của phổ ở các tần số khác nhau. Biên độ cao nhất được tạo ra ở khoảng 20 kHz, đây là một dấu hiệu tốt cho thấy việc giám sát tình trạng trong dải tần số siêu âm có thể hoạt động hiệu quả. Với kết quả này, có thể giám sát các thay đổi trong các thông số gia công – ví dụ, tốc độ tiến dao càng cao, biên độ trong dải tần số siêu âm càng cao.

Trong ví dụ sau đây, kết quả được trình bày cho một loạt thử nghiệm nhằm tối ưu hóa tốc độ tiến dao. Trong quá trình tăng tốc độ tiến dao từ đường cắt này sang đường cắt tiếp theo, một tấm gốm đã được gia công. Hiện tại, giá trị dòng điện truyền động trục chính là thông tin duy nhất về trạng thái quá trình. Do sự thay đổi rất nhỏ của dòng điện truyền động trục chính so với sự thay đổi của tốc độ tiến dao, kết quả giám sát là chưa đủ. Có thể thu thập được nhiều thông tin hơn nữa bằng các cảm biến siêu âm được đặt tại trục chính truyền động.

Hình 9 cho thấy ảnh chụp tấm gốm đã được cắt một phần. Có thể thấy một mảnh gốm bị vỡ ở giữa đường cắt cuối cùng. Sáu đường cắt trước đó, có thể quan sát thấy những dấu hiệu hư hỏng đầu tiên ở đáy rãnh cắt, điều này có nghĩa là quá trình cắt đã ở trong tình trạng nguy cấp.

Ma sát tăng cao ở trạng thái quá trình tới hạn, và đặc biệt là sự gãy vỡ của lá gốm, gây ra những thay đổi trong phổ tần số của các tín hiệu. Tại thời điểm đo 2,3 s, một số đường cộng hưởng bị gián đoạn. Sự kiện thoáng qua này đã được các cảm biến phát hiện và có thể do sự gãy vỡ của lamella gốm gây ra, như được thể hiện trong Hình 9. Vị trí hình học của vết gãy có thể được xác định gần đúng dựa trên sự kiện thoáng qua quan sát được trong phổ tín hiệu.

Hiện tại, việc xác định chính xác vẫn chưa thể thực hiện được do không có tín hiệu kích hoạt từ trục chuyển động của máy để đồng bộ hóa với trục thời gian đo lường. Ngoài ra, việc phân tích chi tiết các hiện tượng vật lý và kỹ thuật cần được đưa vào các nghiên cứu tiếp theo và sẽ được công bố trong các bài báo sắp tới. Tóm lại, có thể khẳng định rằng các cảm biến siêu âm mới dựa trên vật liệu piezocomposite có thể được sử dụng rất hiệu quả để giám sát tình trạng của các quy trình cắt lát.

Một bệ thử nghiệm ổ trục đã được sử dụng để nghiên cứu chẩn đoán ổ trục bằng máy dò siêu âm SONAPHONE mới. Các ổ bi loại 6002 đã được chuẩn bị với các lỗi thử nghiệm khác nhau nhằm mô phỏng hư hỏng.

Hình 11 minh họa một ví dụ về vùng được tô bóng trong rãnh lăn bi của vòng ngoài. Cả rãnh lăn của vòng trong lẫn các bi đều có thể được chế tạo bằng phương pháp khắc laser. Mục đích của phương pháp này là sử dụng kỹ thuật chuẩn bị có thể lặp lại. Điều này rất quan trọng để có thể tái tạo tình trạng ban đầu của quá trình mài mòn dự kiến bao nhiêu lần tùy ý.

Trong quá trình vận hành, hư hỏng mô phỏng này tạo ra rung động và âm thanh truyền qua kết cấu. Hình 12 minh họa quá trình chạy lên-xuống trên một vòng bi mới (bên trái) cũng như trên một vòng bi đã được chuẩn bị (bên phải). Vòng bi bị hư hỏng có thể được phân biệt với vòng bi mới thông qua sự khác biệt về mức độ tiếng ồn cũng như qua đánh giá trực quan phổ âm thanh. Trong trường hợp vòng bi đã được xử lý, thậm chí sóng siêu âm cũng được phát hiện trên toàn dải tần số của SONAPHONE lên đến 100 kHz.

Hình 11 cho thấy các ảnh chụp màn hình của phần mềm Data-Viewer đang chạy trên máy tính cá nhân. Mức âm thanh được hiển thị ở phía trên và các phổ âm thanh trong khoảng thời gian đo được hiển thị ở phía dưới. Độ tin cậy của công nghệ siêu âm băng rộng cũng có thể được thể hiện trong ví dụ hiện tại về chẩn đoán ổ trục. Có thể thấy trong các phổ âm thanh rằng có những dải tần số mà hầu như không phát ra năng lượng âm thanh nào.

Kết luận

Việc ứng dụng siêu âm trong bảo trì đã được phân loại trong bối cảnh các phương pháp bảo trì hiện đại ở phần đầu của bài viết này. Đặc biệt trong lĩnh vực giám sát tình trạng thiết bị, kỹ thuật siêu âm đóng góp đáng kể vào việc phát hiện sớm các lỗi. Bài viết đã trình bày ngắn gọn về việc phát triển một thiết bị kiểm tra mới cùng các ví dụ ứng dụng đầu tiên. Các ưu điểm của quy trình đo lường băng tần rộng, bao gồm việc sử dụng các cảm biến siêu âm mới với vật liệu piezocomposite làm thành phần cốt lõi của bộ chuyển đổi, đã được mô tả. Phân tích dữ liệu băng tần rộng và độ tin cậy cao hơn của kết quả kiểm tra nhờ đó đã được nhấn mạnh.

Lời cảm ơn

Một phần của công trình này đã nhận được sự hỗ trợ từ Bộ Giáo dục và Nghiên cứu Liên bang UMKlaD (BMBF, chương trình: kMU-innovativ, dự án: 01IS15051A).