Kiểm định máy cân bằng động trục ngang theo tiêu chuẩn ISO 21940-21 - Phạm Cao An Trường

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 49 KIỂM ĐỊNH MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG TRỤC NGANG THEO TIÊU CHUẨN ISO 21940-21 VERIFICATION TESTS FOR HORIZONTAL DYNAMIC BALANCING MACHINES ACCORDING TO ISO 21940-21 Phan Cao An Trường Khoa Máy tàu thủy, trường ĐH Giao thông vận tải Tp.HCM Tóm tắt: Nhu cầu về việc cân bằng động các chi tiết máy tham gia vào chuyển động quay trong lĩnh vực công nghiệp nói chung và hàng hải nói riêng ngày càng gia tăng. Rotor tua bin tăng áp khí xả, cánh quạt thông gió, cánh bơm, rotor động cơ điện, puly truyền động là các chi tiết máy thường được cân bằng động khi tiến hành công việc bảo dưỡng, sửa chữa. Một vài đơn vị đã đầu tư máy móc, thiết bị để cung cấp dịch vụ cân bằng động. Tuy nhiên, hiện trong nước chưa có phòng thử nghiệm đạt chuẩn Vilas cung cấp dịch vụ kiểm định máy cân bằng động. Vì vậy, bài viết đưa ra quy trình hướng dẫn kiểm định máy cân bằng động trục ngang dựa theo tiêu chuẩn ISO 21940-21 nhằm kiểm tra, đánh giá định kỳ các chức năng của máy cân bằng động trong quá trình sử dụng, từ đó đi đến kết luận về tính chính xác của phương tiện đo này, nhằm đảm bảo tính chính xác của kết quả đo. Từ khóa: Máy cân bằng động, rotor chuẩn, ISO 21940-21. Abstract: Balancing demands for the rotating parts in general industrial fields, or restricted marine fields have rapidly become rasing. Turbo charger rotor, ventilation fan, pump impeller, electric rotor shaft, drive pulley are the key parts proceeded with dynamic balance in the maintenance and repairing progress. Several people and organizations have invested machines to provide dynamic balancing services. However, there are not any Vilas laboratory supplying the verification services for balancing machines. Therefore, this paper presents a procedure to guide for verification tests according to ISO 21940-21 in order to check and evaluate periodically the performance of horizontal balancing machines during operation. The findings helps to conclude with the accuracy of measuring mean, so that the measuring results will be realiable. Keywords: Balancing machine, test rotor, ISO 21940-21. 1. Giới thiệu Khi tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ, việc cân bằng động cho các chi tiết máy chuyển động quay trong lĩnh vực công nghiệp hay hàng hải như: Trục rotor tua bin tăng áp khí xả, cánh quạt thông gió, cánh bơm... ngày càng trở nên phổ biến, nhằm đảm bảo các chi tiết có thể chuyển động cân bằng trên các gối đỡ, ít rung động, kéo dài tuổi thọ của ổ đỡ trục, ngăn ngừa hư hỏng. Từ nhu cầu thực tiễn, nhiều đơn vị đã đầu tư thiết bị, máy móc để cung cấp dịch vụ cân bằng động rotor. Tuy nhiên, hiện trong nước vẫn chưa có phòng thử nghiệm đạt chuẩn Vilas cung cấp dịch vụ kiểm định máy cân bằng động. Vì vậy, nhiều máy cân bằng động hiện không được kiểm tra định kỳ (6 tháng hoặc 1 năm) theo quy định đối với các phương tiện đo lường, dẫn đến tính chính xác của kết quả đo chưa được đảm bảo. Bài viết trình bày quy trình hướng dẫn kiểm tra định kỳ máy cân bằng động trục ngang theo tiêu chuẩn ISO 21940-21. Việc kiểm tra để đánh giá lại các chức năng của máy cân bằng động, nhằm đảm bảo chất lượng của phương tiện đo mặt khác thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật sau một thời gian đưa vào khai thác, sử dụng, từ đó khẳng định tính chính xác của kết quả đo lường từ phương tiện đo. Các nội dung kiểm tra sẽ được tiến hành thực nghiệm trên máy cân bằng động trục ngang của hãng Cemb, Italia, đặt tại Phòng thí nghiệm cơ khí động lực và kiểm định thiết bị thuộc Khoa kỹ thuật tàu thủy, Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM). 2. Quy trình kiểm định 2.1. Rotor chuẩn Máy cân bằng động cần thiết phải được tiến hành kiểm tra định kỳ để đảm bảo rằng 50 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 máy đang hoạt động ổn định và duy trì tốt các chức năng. Việc kiểm tra, đánh giá máy cân bằng động có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng rotor chuẩn. Rotor chuẩn được phân chia thành ba loại: Loại A: Loại rotor không có cổ trục, dùng trong kiểm tra máy cân bằng động trục đứng. Hình 1. Rotor chuẩn loại A. 1, 2, 3 - vị trí các mặt phẳng kiểm tra. I, II - vị trí mặt phẳng gối đỡ. Loại B: Loại rotor phía trong cổ trục, dùng trong kiểm tra các máy cân bằng động trục ngang, thường tại hai mặt phẳng giữa các gối đỡ. Hình 2. Rotor chuẩn loại B. Rotor chuẩn loại C: Loại rotor phía ngoài cổ trục, dùng trong kiểm tra các máy cân bằng động trục ngang, tại hai mặt phẳng ở phía đầu trục. Hình 3. Rotor chuẩn loại C. 2.2. Thông số kỹ thuật của rotor chuẩn loại B Hình 4. Bản vẽ thiết kế rotor chuẩn loại B, số hiệu 5. Rotor chuẩn loại B gồm bảy loại, số hiệu từ 1 đến 7, khối lượng từ 0,5 đến 500 kg. Tác giả bài viết đã lựa chọn và gia công, chế tạo một rotor chuẩn loại B, số hiệu 5, theo bản vẽ thiết kế và thông số như ở hình 4. 2.3. Thao tác kiểm tra Tiêu chuẩn ISO 21940-21 yêu cầu việc đánh giá chức năng làm việc của máy cân bằng động phải thực hiện các thử nghiệm sau: - Kiểm tra lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được Umar. - Kiểm tra độ giảm mất cân bằng URR. Trong quá trình kiểm tra, nếu kết quả không đạt, máy cân bằng cần được kiểm tra kỹ thuật và hiệu chỉnh, sau đó tiến hành lại các thử nghiệm nói trên nhằm đảm bảo chất lượng và các chức năng của máy cân bằng được thỏa mãn. 2.3.1. Phương pháp kiểm tra Umar Việc kiểm tra nhằm xác nhận khả năng của máy có thể cân bằng đến giá trị lượng cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được như khai báo. Umar = emar . m Umar: Lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được (khai báo) [g.mm]; emar: Độ lệch tâm nhỏ nhất [microns] hoặc lượng mất cân bằng riêng [g.mm/kg]; m: Khối lượng rotor [kg].  Thao tác thực hiện Đặt một khối lượng thử bằng 10Umar lên vị trí mặt phẳng giữa P3 của rotor chuẩn. Tiến hành chạy máy, ghi lại giá trị mất cân bằng ở các mặt phẳng kiểm tra P1 và P2. Tiếp tục di chuyển khối lượng thử này đến tất cả các vị trí lỗ sẵn có trên mặt phẳng P3. Tiến hành chạy máy, ghi lại giá trị mất cân bằng ở cả hai mặt phẳng P1 và P2 ứng với vị trí đặt khối lượng thử. Giá trị đo đạc ghi vào bảng dữ liệu và lượng mất cân bằng chuẩn được dùng để vẽ đồ thị. Hình 5. Đồ thị kiểm tra, đánh giá Umar. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 51  Đánh giá đồ thị kiểm tra Umar Máy cân bằng được xem là thỏa mãn bước kiểm tra Umar hay nói cách khác là lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được theo khai báo của máy là đảm bảo nếu tất cả các điểm hoặc có duy nhất một điểm được vẽ trên đồ thị đều nằm trong khu vực giữa hai đường giới hạn (0,88 và 1,12). 2.3.2. Phương pháp kiểm tra URR Thử nghiệm nhằm kiểm tra máy cân bằng động về độ chính xác tổng hợp của kết quả đo lượng mất cân bằng, vị trí mất cân bằng và khả năng phân tách ảnh hưởng giữa các mặt phẳng kiểm tra.  Thao tác thực hiện Sử dụng hai khối lượng tĩnh, mỗi khối lượng bằng 20 đến 60 Umar và hai khối lượng động, mỗi khối lượng động bằng 5 lần khối lượng tĩnh. Chọn vị trí bất kỳ trên mặt phẳng kiểm tra thứ nhất và hai để đặt các khối lượng thử tĩnh thứ nhất và hai, nhưng không được chọn cùng vị trí hoặc đối diện. Chọn vị trí bất kỳ trên mặt phẳng kiểm tra thứ nhất và hai (trong số 11 vị trí còn lại) làm điểm đặt (bắt đầu) của khối lượng thử động thứ nhất và hai. Tiến hành chạy máy ở lượt thứ nhất, ghi lại kết quả đo lượng mất cân bằng và vị trí góc mất cân bằng. Thay đổi vị trí của các khối lượng thử động cho các lần chạy kế tiếp theo quy tắc như sau: + Ở mặt phẳng kiểm tra thứ nhất: Theo chiều tăng với khoảng chia 30o. + Ở mặt phẳng kiểm tra thứ hai: Theo chiều giảm với khoảng chia 30o. Lấy giá trị mất cân bằng đo được chia cho khối lượng thử tĩnh Ustation và biểu diễn tương ứng các vị trí trên đồ thị đường tròn giới hạn URR.  Vẽ đồ thị đường tròn giới hạn URR Sử dụng phần mềm Autocad vẽ đồ thị đường tròn giới hạn URR. Chọn tỷ lệ thích hợp theo đơn vị Ustation trên trục 0o biểu diễn lượng mất cân bằng của rotor chuẩn. Véctơ khối lượng thử tĩnh ms: Gốc trùng gốc tọa độ, độ lớn bằng một đơn vị, hợp với trục 0o một góc bằng góc đặt khối lượng thử tĩnh trên rotor chuẩn. Xác định điểm gốc của đường tròn giới hạn URR: Trùng với ngọn của vector khối lượng thử tĩnh mS. Vẽ 12 đoạn thẳng xuất phát từ điểm gốc của đường tròn giới hạn hướng ra phía ngoài, với khoảng chia bằng nhau 30o, độ lớn bằng 5 đơn vị. Tâm của các đường tròn giới hạn nằm trên đường thẳng xuất phát từ điểm gốc của đường tròn giới hạn, cách điểm gốc một khoảng cách bằng năm đơn vị. Từ tâm này, vẽ các đường tròn đồng tâm (đường tròn giới hạn URR) với bán kính r.  Công thức tính toán đường tròn giới hạn Khoảng cách R từ điểm gốc của đồ thị đến tâm của đường tròn giới hạn URR: 2 2 s T s TR = m + m + 2m m cosα mS : Khối lượng thử tĩnh (1 Ustation); mT : Khối lượng thử động (5 Ustation); α : Góc hợp bởi vectơ khối lượng thử tĩnh và khối lượng thử động. Công thức xác định góc γ giữa véctơ khối lượng thử tĩnh mS và vectơ hợp lực R như sau: 2 2 2 s T s m + R - m cosγ = 2m R Với mS, mT, R và r là các bội số của Ustation và mT = 5mS, các công thức trên được viết lại như sau: R = 26 + 10cosα 2R - 24 cosg = 2R Bán kính r của đường tròn giới hạn URR: mar RR station U r = R(1 - U ) + 2U  Đánh giá đồ thị URR Nếu điểm kiểm tra nằm hoàn toàn bên trong vòng tròn trong cùng (hoặc nằm trên đường tròn), giá trị đọc sẽ là vòng tròn 95% 52 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 (URR = 95%). Nếu điểm kiểm tra nằm giữa vòng tròn 95% và vòng tròn 90% (hoặc nằm trên đường tròn 95%), giá trị đọc tương ứng sẽ là URR = 90%. Máy cân bằng được xem là thỏa mãn kiểm tra URR nếu tất cả các điểm kiểm tra trên đồ thị đánh giá đều rơi vào trong các đường tròn giới hạn URR tương ứng với giá trị URR khai báo, hoặc chấp nhận chỉ có duy nhất một điểm nằm ngoài. 3. Kết quả thực nghiệm 3.1. Thông số máy cân bằng động - Model: ZB750 / TG/GV (truyền động đai). - Loại: máy cân bằng trục ngang, ổ đỡ mềm. - Hãng/Năm sản xuất: Cemb, Italia / 2014. - Lượng mất cân bằng riêng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được: emar = 0,3 g.mm/kg. - Độ giảm mất cân bằng URR = 90%. 3.2 Chất lượng của máy cân bằng động Lượng mất cân bằng nhỏ nhất máy có thể đo đối với rotor chuẩn loại B, số 5, tính bằng gram cho từng mặt phẳng kiểm tra: m mar rotor mar e m 0,3x 54 U = = = 0,09g 2R 2 x88 3.3. Chất lượng của rotor chuẩn Lượng mất cân bằng tối đa của rotor chuẩn, tính bằng gram, cho từng mặt phẳng kiểm tra, ứng với mức chất lượng G = 0,16: r rotor mar rotor m9550 x G 9550 x 0,16 54 U = x = x = 0,10 g n 2R 4500 2 x88 Bảng 1. Lượng mất cân bằng thực tế của rotor chuẩn. Lượt quay Kết quả đo trên mặt phẳng 1 Kết quả đo trên mặt phẳng 2 Hiệu chỉnh Umar (g) Vị trí (o) Umar (g) Vị trí (o) 1 0,111 227 0,074 205 Có 2 0,043 247 0,081 219 Có 3 0,066 257 0,134 96 Có 4 0,053 198 0,078 234 Có 5 0,029 230 0,067 63 Không 3.4. Thực nghiệm kiểm tra Umar Dùng một khối lượng thử bằng 1,8 g đặt tại các vị trí trên mặt phẳng thứ ba, cách đều nhau góc 30o. Hình 6. Kiểm tra Umar trên máy cân bằng động ZB750. Bảng 2. Kết quả kiểm tra thực nghiệm Umar. Rotor chuẩn loại: B(5) Khối lượng: 54 kg Umar = emar x mrotor = 16,2 g.mm Khối lượng thử: 1,8 g Tốc độ thử = 10% x 4.500 = 450 v/p Vị trí thử Lượng mất cân bằng đo được (g) Lượng mất cân bằng chuẩn U Lần thử o P1 (1) P2 (2) P1 (5)=(1)/( 4) P2 (6)=(2)/(4) 1 0 0,78 0,74 1,03 0,95 2 30 0,70 0,85 0,92 1,09 3 60 0,83 0,72 1,09 0,93 4 90 0,75 0,77 0,99 0,99 5 120 0,81 0,72 1,07 0,93 6 150 0,70 0,81 0,92 1,04 7 180 0,81 0,80 1,07 1,03 8 210 0,72 0,73 0,95 0,94 9 240 0,69 0,73 0,91 0,94 10 270 0,79 0,82 1,04 1,05 11 300 0,77 0,84 1,01 1,08 12 330 0,76 0,81 1,00 1,04 Tổng (3) 9,11 9,34 Trung bình: (4)=(3)/12 0,76 0,78 Hình 7. Đồ thị thực nghiệm kiểm tra, đánh giá Umar. Nhận xét: Từ đồ thị hình 7, nhận thấy tất cả các điểm mất cân bằng chuẩn của rotor đều nằm lọt vào bên trong của hai đường giới hạn U = 0,88 và U = 1,12. Vì vậy, máy cân bằng thỏa mãn kết quả kiểm tra Umar, nghĩa là lượng mất cân bằng còn lại nhỏ nhất có thể đạt được của rotor khi cân bằng trên máy, emar = 0,3 g.mm/kg theo công bố của nhà chế tạo, là đảm bảo. Nói cách khác, máy cân bằng động vẫn còn đảm bảo yêu cầu chất lượng kỹ thuật của nhà sản xuất và có thể tiếp tục được sử dụng cho các hoạt động TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 53 kiểm tra cân bằng mà không yêu cầu bất kỳ một thao tác hiệu chuẩn nào khác. 3.5. Thử nghiệm kiểm tra URR Đặt lần lượt hai khối lượng thử tĩnh bằng 5,5 g ở mặt phẳng thứ 1, 2 tại vị trí 0o và 60o. Tiếp tục đặt lần lượt hai khối lượng thử động bằng 27,6 g ở mặt phẳng thứ 1, 2 tại vị trí 30o và 90o. Bảng 3. Kết quả kiểm tra thực nghiệm URR. Rotor chuẩn: B(5); Khối lượng: 54 kg; Umar: 16,2 g.mm Ustation = 30Umar = 486 g.mm; Utravel = 5 x Ustation = 2.430 g.mm Khối lượng thử tĩnh: 5,5 g; Khối lượng thử động: 27,5 g Lượt chạy thứ Vị trí khối lượng thử (góc) Lượng mất cân bằng RU1 / Ustation Lượng mất cân bằng RU2 / Ustation P1 P2 P1 P2 Tĩnh (o) Động (o) Tĩnh (o) Động (o) U1 (g) (o) U2 (g) (o) 1 0 30 60 90 32,5 24 5,91 34,4 86 6,25 2 0 60 60 30 30,7 51 5,58 34,1 35 6,20 3 0 90 60 0 28,5 80 5,18 32,0 8 5,82 4 0 120 60 330 26,6 110 4,84 29,7 339 5,40 5 0 150 60 300 24,6 143 4,47 27,4 308 4,98 6 0 180 60 270 23,4 177 4,25 25,0 275 4,55 7 0 210 60 240 23,7 214 4,31 24,1 240 4,38 8 0 240 60 210 25,5 248 4,64 24,8 206 4,51 9 0 270 60 180 28,4 280 5,16 27,2 172 4,95 10 0 300 60 150 31,1 307 5,65 29,8 141 5,42 11 0 330 60 120 33,0 333 6,00 31,9 112 5,80 Nhận xét: Từ đồ thị hình 8, các điểm 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11 nằm trong vòng tròn giới hạn 95% URR và các điểm còn lại nằm trong vòng tròn giới hạn 90% URR. Do đó, độ giảm mất cân bằng URR trên mặt phẳng thứ 1 đạt được là 90%. Từ hình 9, các điểm 3 và 11 nằm trong vòng tròn giới hạn 95% URR và các điểm còn lại nằm trong vòng tròn giới hạn 90% URR. Do đó, độ giảm mất cân bằng URR trên mặt phẳng thứ 2 là 90%. Tổng hợp, không có điểm kiểm tra nào trên mặt phẳng 1 và 2 nằm ngoài vòng tròn giới hạn URR = 90%, do đó máy cân bằng thỏa mãn thử nghiệm với giá trị độ giảm mất cân bằng URR = 90% đúng như chất lượng kỹ thuật đã công bố của nhà chế tạo. Hình 8. Đồ thị đánh giá Hình 9. Đồ thị đánh URR trên mặt phẳng thứ 1. giáURR trên mặt phẳng thứ 2. 4. Kết luận Với các kết quả thu được, nội dung trình bày có thể được tiếp tục phát triển và biên soạn thành quy trình kiểm định máy cân bằng động. Giới hạn của phần trình bày này chỉ dừng ở mức kiểm tra, đánh giá cho máy cân bằng động trục ngang  Tài liệu tham khảo [1] Cemb S.p.A, (2014), Introductory Booklet, Z750 Basic operations, Use and Maintenance manual. [2] Ing. Giordano Manni, (2013), Dynamic Balancing (Basic course – R1.1). Cemb, Italy. [3] Ing. Giordano Manni, (2013), Dynamic Balancing (Advanced course – R1.). Cemb, Italy. [4] ISO 1940-1, (2003), Mechanical vibration – Balancing quality requirements for rotors in s constant (rigid) state – Part 1: Specification and verification of balamce tolerances. [5] ISO 19499, (2007), Mechanical vibration – Balancing – Guidance on the use and application of balamcing standards. [6] ISO 21940-21, (2012), Mechanical vibration – Rotor balancing – Part 21: Description and evaluation of balancing machines. Ngày nhận bài: 26/9/2016 Ngày chuyển phản biện: 29/9/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 20/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2016