Khi phát triển một sản phẩm mới hoặc xây dựng một công trình mới, bạn cần đảm bảo rằng nó đáp ứng được kỳ vọng của người dùng cuối. Sản phẩm phải có khả năng chịu được áp lực hàng ngày trong quá trình sử dụng thông thường và đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quan trọng. Bạn cũng cần liên tục theo dõi tình trạng của sản phẩm để đảm bảo tuổi thọ lâu dài.

Kiểm tra độ rung là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để đánh giá tình trạng và độ bền của vật thể, từ các bộ phận cơ khí nhỏ đến các bộ phận lớn như vệ tinh và phụ tùng ô tô. Kiểm tra độ rung giúp bạn xác định và xử lý các khiếm khuyết trong các bộ phận này, tìm hiểu cách vật liệu phản ứng với ứng suất môi trường và đảm bảo sản phẩm được thiết kế và sản xuất phù hợp với mục đích sử dụng.

Bài viết này sẽ giải thích mọi thứ bạn cần biết về thử nghiệm độ rung, cách thực hiện và các công cụ bạn có thể cần.

Rung động là gì?

Rung động là một hiện tượng vật lý xảy ra tự nhiên trong mọi vật thể, bao gồm máy móc quay và các cấu trúc rắn. Ví dụ, các tòa nhà rung động do các lực bên ngoài, chẳng hạn như động đất và gió. Rung động cũng xảy ra ở các sinh vật sống khi chúng chịu tác động của các lực bên ngoài.

Các loại rung động

Có ba loại rung động:

• Dao động tự do: Dao động tự do xảy ra do tác dụng của lực quán tính, gây ra sự gia tăng năng lượng trong vật thể. Dao động này chậm dần cho đến khi năng lượng dư thừa bị tiêu tán và vật thể trở lại trạng thái cân bằng.
• Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức xảy ra khi các lực xen kẽ làm nhiễu loạn một hệ thống hoặc cấu trúc cơ học. Một ví dụ điển hình về rung động cưỡng bức là sự rung động của một tòa nhà trong trận động đất. Tần số của tòa nhà vẫn không đổi cho đến khi động đất xảy ra và năng lượng của tòa nhà bị thay đổi đột ngột.
• Giảm rung: Giảm rung xảy ra khi trọng lực hoặc ma sát làm chậm rung động và loại bỏ rung động cưỡng bức. Nhiều linh kiện và sản phẩm cơ khí được tích hợp bộ giảm rung để giảm thiểu tác động của rung động. Ví dụ, bộ giảm xóc trong ô tô có tác dụng giảm rung động từ điều kiện lái xe khắc nghiệt. Kiểm tra giảm rung giúp đảm bảo các sản phẩm đó đáp ứng các thông số kỹ thuật.

Các thông số đo được của độ rung

Kiểm tra độ rung phân tích các thông số sau, thường ở miền tần số, để hiểu tình trạng của vật thể được kiểm tra:

• Vận tốc là tốc độ mà một vật thể di chuyển theo một hướng nhất định trong suốt thời gian thử nghiệm. Vận tốc này liên quan trực tiếp đến lực rung và do đó là một thông số quan trọng cần đo lường. Nó nhấn mạnh cả tần số thấp và tần số cao như nhau.
• Gia tốc đo tốc độ tăng tốc của một chuyển động trong một khoảng thời gian nhất định. Phép đo này hiệu quả nhất trong thử nghiệm rung động tần số cao vì nó nhấn mạnh vào tần số cao. Nó cũng có thể được chuyển đổi thành vận tốc hoặc độ dịch chuyển để hiểu rõ hơn.
• Độ dịch chuyển là khoảng cách mà điểm đo di chuyển trong quá trình thử nghiệm, không giống như gia tốc. Độ dịch chuyển nhấn mạnh vào tần số thấp và chủ yếu hữu ích cho các đánh giá phổ rộng.

Các đặc điểm dữ liệu rung động quan trọng khác cần đo bao gồm:

• Cường độ đo khoảng cách một vật thể di chuyển từ vị trí cố định trong quá trình rung động. Cường độ được xác định bằng cách phân tích biên độ rung động.
• Tính tuần hoàn là thước đo số lần biên độ sóng được lặp lại trong một khoảng thời gian nhất định. Chu kỳ được xác định bằng cách phân tích tần số sóng.
• Cộng hưởng xảy ra khi một lực tác động lên vật thử khiến nó rung động ở cùng tần số với tần số dao động riêng của vật. Cộng hưởng khiến lực bên ngoài truyền một lượng năng lượng tối đa đến vật thử, điều này có thể tiết lộ giới hạn của vật thử.

Kiểm tra độ rung là gì?

Kiểm tra độ rung phân tích các kiểu rung động trong hệ thống cơ khí hoặc các thành phần và cấu trúc riêng lẻ để xác định các khiếm khuyết và đánh giá tình trạng chung của đối tượng thử nghiệm.

Phân tích rung động cho phép các nhà sản xuất và kỹ sư:

• Phát hiện và chẩn đoán lỗi về cấu trúc hoặc hệ thống.
• Xác định giới hạn và dung sai của sản phẩm
• Đảm bảo sản phẩm đáp ứng được mục đích sử dụng dự kiến.
• Xác nhận tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng
• Cải thiện chất lượng và độ bền của sản phẩm

Kiểm tra độ rung hoạt động như thế nào?

Có hai phương pháp phân tích rung động: miền thời gian và miền tần số. Phương pháp phân tích bạn chọn sẽ phụ thuộc vào thông tin bạn muốn thu thập.

Phân tích miền thời gian

Dạng sóng rung động xuất hiện trong miền thời gian, được hiển thị dưới dạng đồ thị biên độ theo thời gian. Phân tích dạng sóng này có thể tiết lộ thông tin chung về thời điểm và cách thức hệ thống gặp sự cố.

Các kỹ sư thực hiện phân tích miền thời gian bằng cách trích xuất và nghiên cứu bước sóng bằng các thông số sau:

• Căn bậc hai trung bình (RMS)
• Biên độ cực đại
• nheo mắt
• Độ lệch chuẩn
• Các yếu tố hàng đầu
• Độ lệch

Cuối cùng, phân tích miền thời gian là phương pháp tốt nhất để chẩn đoán tình trạng sức khỏe tổng thể của một hệ thống hoặc thành phần, trong khi phân tích phổ thường hiệu quả hơn trong việc tìm ra các vấn đề cụ thể.

Phân tích miền tần số

Việc chuyển đổi bước sóng thành quang phổ bằng thuật toán Biến đổi Fourier nhanh (FFT) sẽ đưa bước sóng vào miền tần số, tại đó bước sóng được tách thành tất cả các tần số.

Phương pháp này cung cấp phân tích chuyên sâu hơn so với việc kiểm tra bước sóng trong miền thời gian. Có hai cách tiếp cận để phân tích miền tần số:

• Phân tích kết hợp : Tín hiệu rung động thay đổi theo thời gian, do đó, việc phân tích nhiều phổ đồng thời bằng kỹ thuật Gabor-Wigner-Wavelet rất hữu ích để xem xét các vấn đề tiềm ẩn trong hệ thống một cách chi tiết hơn.
• Phân tích Mô thức : Phân tích Mô thức nghiên cứu các đặc tính động của một hệ thống hoặc thành phần trong miền tần số. Phương pháp này sử dụng phần mềm máy tính để trực quan hóa các chế độ rung khác nhau mà vật thể thử nghiệm đang trải qua. Việc điều chỉnh các biến số như độ cứng hoặc khối lượng cho phép bạn hiểu cách vật thể thử nghiệm sẽ phản ứng với các kích thích khác nhau.

Phương pháp kiểm tra độ rung

Có ba phương pháp kiểm tra độ rung chính: sin, ngẫu nhiên và kết hợp. Mỗi phương pháp tiết lộ thông tin khác nhau về đối tượng thử nghiệm, vì vậy điều quan trọng là phải xác định cẩn thận phương pháp thử nghiệm sẽ sử dụng trước khi bắt đầu.

Kiểm tra rung động hình sin

Kiểm tra rung động hình sin hay hình sin là phương pháp kiểm tra rung động lâu đời nhất và đơn giản nhất. Tên gọi này xuất phát từ đồ thị được tạo thành bởi dao động hình sin, trông giống như một sóng hình sin.

Phương pháp này sử dụng các dao động tuyến tính có thể dự đoán được của vật thể thử nghiệm. Có thể thực hiện theo hai cách:

• Sử dụng một âm thanh tập trung duy nhất để tìm tần số tự nhiên của vật thể thử nghiệm.
• Quét rung động được thực hiện trên một phạm vi tần số để xác định tần số cộng hưởng và đánh giá độ bền của vật thể trong các chu kỳ quét liên tiếp.

Kiểm tra hình sin cho phép bạn nghiên cứu hành vi của sản phẩm trong điều kiện khắc nghiệt liên tục, nhưng không thể đánh giá chính xác khả năng chịu đựng của sản phẩm trong điều kiện sử dụng thực tế. Vì lý do này, kiểm tra hình sin phù hợp nhất với các sản phẩm có rủi ro thấp, sử dụng ở mức độ nhẹ đến trung bình, chẳng hạn như các sản phẩm gia dụng nhỏ.

Kiểm tra rung động ngẫu nhiên

Kiểm tra rung động ngẫu nhiên là phương pháp kiểm tra tiên tiến đưa các biến ngẫu nhiên vào môi trường thử nghiệm để mô phỏng các môi trường không thể đoán trước bên ngoài phòng thí nghiệm.

Thông thường, thử nghiệm ngẫu nhiên sử dụng máy rung cho phép người vận hành rung vật thể thử nghiệm theo các khoảng thời gian ngẫu nhiên. Quá trình này giúp hiểu được khả năng chịu đựng áp lực của sản phẩm trong quá trình sử dụng hàng ngày. Ví dụ, nếu sản phẩm bị hư hỏng nhanh chóng trong quá trình thử nghiệm ngẫu nhiên, nhà sản xuất sẽ biết cách xem xét lại cách cải thiện độ bền của sản phẩm.

Kiểm tra rung động ngẫu nhiên có thể áp dụng cho mọi loại vật thể, nhưng đặc biệt quan trọng đối với các sản phẩm có rủi ro cao được thiết kế để sử dụng nặng, chẳng hạn như thiết bị quân sự hoặc các bộ phận máy bay.

Kiểm tra độ rung tổng hợp

Một số ứng dụng yêu cầu thử nghiệm cụ thể hơn là chỉ sử dụng thử nghiệm rung động hình sin hoặc ngẫu nhiên.

Các phương pháp kết hợp phổ biến bao gồm các thử nghiệm sin ngẫu nhiên và lấy mẫu ngẫu nhiên, nhưng khả năng kết hợp hầu như là vô tận.

Kiểm tra môi trường tích hợp

Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và độ cao đều ảnh hưởng đáng kể đến độ rung của vật thể. Việc kiểm soát và điều chỉnh các biến số môi trường trong quá trình thử nghiệm rung động cho phép bạn tạo ra một môi trường thử nghiệm phản ánh chính xác các điều kiện thực tế.

Lợi ích của Kiểm tra độ rung

Đây là lý do tại sao thử nghiệm độ rung là một phần thiết yếu của bất kỳ quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm nào:

• Độ tin cậy và tuổi thọ được tăng lên
• Giảm chi phí sản xuất linh kiện bằng cách loại bỏ các linh kiện/bộ phận được thiết kế quá mức (bao bì, vận chuyển, điện thoại, v.v.)
• Được thiết kế và xây dựng cho môi trường làm việc của họ
• Kiểm tra độ rung thường xuyên giúp thực hiện các quy trình bảo trì dự đoán hiệu quả hơn.
• Giúp công ty của bạn duy trì tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng quan trọng.

Thiết bị kiểm tra độ rung

Việc lựa chọn đúng công cụ kiểm tra cho ứng dụng của bạn là chìa khóa để thu thập dữ liệu chính xác và chất lượng cao.

Hầu hết các hệ thống kiểm tra độ rung đều có các cảm biến sau:

• máy đo gia tốc
• Cảm biến lực
• Tế bào mô-men xoắn
• Máy đo ứng suất

Các cảm biến này được gắn vào vật thể thử nghiệm hoặc bề mặt mà vật thể thử nghiệm nằm trên đó, chẳng hạn như bàn rung.

Máy lắc

Hệ thống rung kiểm tra các vật thể bằng cách cho chúng chịu tác động ngẫu nhiên, quét hình sin và xung động tạm thời.

Một hệ thống lắc điển hình bao gồm một số bộ phận hoạt động cùng nhau để thu thập dữ liệu:

• Hệ thống kiểm soát rung động (VCS) khởi tạo và kiểm soát chuyển động của máy lắc theo loại thử nghiệm mà người vận hành muốn thực hiện.
• Bộ khuếch đại hoặc nguồn điện thủy lực cung cấp đủ điện năng để di chuyển máy lắc trong thời gian thử nghiệm đã chỉ định.
• Máy đo gia tốc đo gia tốc của vật thể thử nghiệm và gửi tín hiệu điều khiển đến VCS.

Bạn có thể sử dụng ba loại bình lắc:

• Máy lắc rung cơ học: Máy lắc rung cơ học là loại máy lắc phổ biến nhất được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Thiết kế đơn giản giúp chúng dễ sử dụng và đáng tin cậy, nhưng khả năng điều chỉnh độ rung và tốc độ rung bị hạn chế.
• Máy lắc thủy lực servo (SH): Máy lắc thủy lực SH hoạt động bằng cách kích thích điện lên bàn rung thủy lực, truyền rung động đến vật thể thử nghiệm. Vì khả năng điều chỉnh tốt hơn so với máy lắc cơ học, chúng lý tưởng cho các ứng dụng tải trọng trung bình.
• Máy lắc điện động (ED): Máy lắc ED lý tưởng cho các ứng dụng tiên tiến như sản xuất hàng không vũ trụ do khả năng tinh chỉnh và đạt tốc độ rung cao.

Làm thế nào để biết nên sử dụng công cụ nào

Việc sử dụng đúng công cụ là rất quan trọng để có được dữ liệu chính xác và đầy đủ. Bạn nên chọn những công cụ có thể hỗ trợ an toàn cho các mục bạn muốn kiểm tra và tạo ra một môi trường kiểm tra phù hợp.

Việc xem xét các yếu tố sau đây có thể giúp bạn xác định công cụ nào phù hợp nhất cho các thử nghiệm bạn muốn thực hiện:

• Các loại thử nghiệm
• Tốc độ lấy mẫu
• Mức độ rung động
• Dải tần số động
• Tốc độ tối đa
• Tần suất tối đa
• Môi trường làm việc chung
• Thời gian thử nghiệm

Ứng dụng phân tích rung động

Phân tích độ rung rất quan trọng đối với sản phẩm trong mọi ngành công nghiệp. Ví dụ về các ứng dụng thực tế trong công nghiệp bao gồm:

• Không gian: Tên lửa và tàu vũ trụ phải chịu những rung động mạnh từ lúc phóng đến khi hạ cánh. Ví dụ, Hệ thống Phóng Không gian (SLS) của NASA trải qua quá trình thử nghiệm mô thức rộng rãi để đánh giá tần số tự nhiên của tên lửa trước khi phóng. Phân tích này cho phép người vận hành phân biệt tần số tự nhiên của tên lửa với các rung động bên ngoài, điều rất quan trọng để hoạt động hiệu quả trên quỹ đạo.
• Ô tô: Kiểm tra các bộ phận ô tô trước khi lắp đặt cho phép các nhà sản xuất giảm thiểu hoặc thậm chí loại bỏ nguy cơ hệ thống bị lỗi.
• Hàng không: Kiểm tra độ rung toàn diện cho phép các nhà sản xuất máy bay phát hiện lỗi ở nhiều bộ phận khác nhau, ngăn ngừa các lỗi hệ thống tiềm ẩn có thể trở thành tai nạn trong quá trình vận hành.
• Kỹ thuật xây dựng: Các kỹ sư xây dựng sử dụng thử nghiệm rung động để xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn về kết cấu trong cầu, tòa nhà và đường ống.
• Hàng tiêu dùng: Sản phẩm gia dụng phải chịu được nhu cầu sử dụng hàng ngày. Kiểm tra độ rung giúp xác định giới hạn của các sản phẩm này và đảm bảo an toàn cho người dùng.
• Bảo vệ: Bằng cách sử dụng thử nghiệm rung động, các nhà sản xuất quốc phòng có thể đảm bảo rằng thiết bị và hệ thống vũ khí an toàn khi vận chuyển và hiệu quả trong các tình huống chiến đấu.
• Sản xuất thiết bị điện tử: Các nhà sản xuất thiết bị điện tử tiến hành thử nghiệm độ rung trên các nguyên mẫu để xác định các lỗi và hư hỏng tiềm ẩn.
• Bảo trì thiết bị: Kiểm tra độ rung cho phép bạn kiểm tra tình trạng của máy móc công nghiệp và tất cả các bộ phận của nó, bao gồm các bộ phận phức tạp như khớp nối, thiết bị đốt và trục quay.
• Sản xuất thiết bị y tế: Hỏng hóc thiết bị bệnh viện thực sự là vấn đề sống còn. Thử nghiệm sản phẩm trước khi đưa ra thị trường cho phép các nhà sản xuất ngăn ngừa hỏng hóc của các thiết bị cứu sinh quan trọng.

Tiêu chuẩn chính cho thử nghiệm rung động

Nhiều ngành công nghiệp và tổ chức tiêu chuẩn đã phát triển các tài liệu quy định và tiêu chuẩn kiểm tra độ rung để xác định kết quả chấp nhận được. Một số tiêu chuẩn đáng chú ý bao gồm:

• MIL-STD-810: Phương pháp 514 của tiêu chuẩn quân sự này—cập nhật lần cuối vào năm 2019— thiết lập các phương pháp thử nghiệm độ rung được chấp nhận cho thiết bị chắc chắn.
• Chương trình thử nghiệm ISTA: Một chương trình của Hiệp hội Vận tải An toàn Quốc tế (ISTA) được thiết kế để đảm bảo sản phẩm có thể chịu được ứng suất tần suất cao ngẫu nhiên trong quá trình vận chuyển.
• ISO 10816 : Chỉ thị của Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) đặt ra các tiêu chuẩn cụ thể cho việc thử nghiệm độ rung trong mọi ngành công nghiệp.