Bài viết này là bản tin công nghệ đăng năm 2016. Nội dung gốc kể về một thiết bị thu năng lượng từ rung động của xe khi chạy qua đường xóc để sạc pin điện thoại, do một học sinh trung học chế tạo. Mười năm sau, ý tưởng đó không trở thành sản phẩm tiêu dùng, nhưng chính đại lượng rung ấy lại trở thành số liệu được theo dõi nhiều nhất trong bảo trì máy quay. Phần cuối bài nói về việc đo rung trong nhà máy.
Bản tin năm 2016: sạc điện thoại bằng rung xóc dọc đường
Tác giả của thiết bị là Phạm Lê Song Ngân, học sinh lớp 12 trường trung học phổ thông Lương Thế Vinh. Bài toán đặt ra rất cụ thể: người đi đường dài tới nơi hẻo lánh thì hết pin điện thoại, mà chỗ đó không có ổ cắm. Giải pháp là tận dụng thứ luôn có sẵn khi xe chạy, đó là dao động của thân xe trên mặt đường không phẳng.
Thiết bị đã giành giải nhất cuộc thi Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh trung học cấp tỉnh năm học 2015 – 2016. Bản tin ghi chi phí chế tạo mỗi bộ vào khoảng hai trăm nghìn đồng, kích thước nhỏ, lắp đặt đơn giản. Vào thời điểm đó, tác giả nhận xét rằng năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã có nhiều sản phẩm thương mại, còn năng lượng rung thì vẫn là hướng mới.
Nguyên lý: từ dao động cơ học sang dòng điện một chiều
Thiết bị hoạt động theo nguyên lý máy phát điện một chiều. Điểm khó của mọi bộ thu năng lượng rung nằm ở chỗ chuyển động vào là chuyển động tịnh tiến lên xuống, còn máy phát lại cần chuyển động quay. Toàn bộ phần cơ khí sinh ra để giải quyết đúng chỗ đó.
| Khối | Nhiệm vụ trong chuỗi biến đổi |
|---|---|
| Hệ dao động | Lò xo mang vật nặng, dao động thẳng đứng theo độ xóc của mặt đường và giữ lại một phần cơ năng |
| Hệ truyền động | Thanh truyền nối mặt bên vật nặng với tay quay, hai bạc đạn ở hai đầu, biến tịnh tiến thành chuyển động tròn |
| Hệ bánh răng | Tăng tốc độ quay trước khi vào máy phát, vì cuộn dây quay chậm thì suất điện động rất nhỏ |
| Máy phát điện | Sinh điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ |
| Bộ lưu điện | Tích trữ điện năng để người dùng cắm sạc khi cần, thay vì phải sạc đúng lúc xe đang chạy |
Chuỗi biến đổi này có một hệ quả mà bản tin không nói tới. Mỗi khâu đều mất mát: ma sát ở bạc đạn, ma sát ở bánh răng, tổn hao trong cuộn dây, tổn hao khi nạp và xả bộ lưu điện. Cơ năng đưa vào vốn đã nhỏ, sau bốn lần biến đổi thì phần điện thu được còn nhỏ hơn nữa.
Nhìn lại sau mười năm: rung không sạc pin, nhưng nói được máy sắp hỏng
Dự đoán ngầm trong bản tin là các thiết bị dạng này sẽ tiện cho người đi đường dài. Điều đó đã không xảy ra, và lý do nằm ở con số. Một viên pin điện thoại chứa khoảng mười tới mười lăm watt-giờ. Các bộ thu năng lượng rung gắn trên phương tiện hay trên thân máy, kể cả loại áp điện hiện đại, cho công suất ở mức micrôwatt tới milliwatt. Muốn nạp đủ một viên pin điện thoại ở mức đó thì phải chạy liên tục nhiều ngày.
Trong khi đó pin dự phòng lithium rẻ đi rất nhanh sau năm 2016. Một cục sạc dự phòng hai mươi nghìn milliampe-giờ nay nhẹ, nạp lại được trong khoảng một giờ và có giá thấp hơn nhiều so với công sức chế tạo một bộ thu cơ khí. Cuộc so sánh kết thúc ở đó.
Nhưng hướng thu năng lượng rung không biến mất. Nó chuyển sang một chỗ khác, nơi công suất milliwatt là đủ dùng: nuôi các nút cảm biến không dây gửi vài bản tin mỗi giờ, gắn ở vị trí không kéo được dây điện. Và quan trọng hơn, bản thân rung động trở thành thứ được đo chứ không còn là thứ được thu.
Trong nhà máy, rung là dấu hiệu sớm nhất của hỏng hóc cơ khí. Một động cơ mất cân bằng, một trục lệch tâm, một vòng bi bắt đầu tróc rỗ đều làm phổ rung thay đổi trước khi nhiệt độ tăng hay tiếng ồn nghe thấy được. Bộ tiêu chuẩn ISO 20816 quy định cách đo và các mức đánh giá theo tốc độ rung hiệu dụng, đơn vị milimét trên giây, đo trong dải mười tới một nghìn hertz cho phần lớn máy quay công nghiệp.
Chọn thiết bị đo rung cho cụm máy quay
Có hai cách đưa số rung về hệ giám sát. Cách thứ nhất dùng bộ chuyển đổi rung, tức cảm biến đã tính sẵn giá trị hiệu dụng và xuất ra tín hiệu 4~20 mA. Cách này rẻ, ổn định, hợp với việc theo dõi xu hướng dài hạn. Cách thứ hai dùng cảm biến gia tốc thô và thiết bị lấy mẫu ở dải kilôhertz để dựng phổ tần, dùng khi cần chỉ ra hỏng hóc nằm ở chi tiết nào. Bảng dưới là thiết bị cho cách thứ nhất, cách phổ biến hơn trong nhà máy.
| Vai trò | Thiết bị | Đặc điểm theo tài liệu hãng |
|---|---|---|
| Đọc tín hiệu từ bộ chuyển đổi rung | ADAM-4017+ | 8 kênh vào tương tự, độ phân giải 16 bit, cấu hình mềm cho mV, V hoặc mA, hỗ trợ 4~20 mA, cách ly 3.000 VDC, giao thức Modbus RTU trên RS-485 |
| Máy tính gom số liệu và chạy quy tắc cảnh báo | UNO-2484G | Nền Intel Core i7/i5/i3, 4 cổng Gigabit, 4 cổng RS-232/422/485, thiết kế không quạt và không dây nối bên trong, dải nhiệt làm việc -20 đến 60 độ C khi có luồng gió 0,7 m/s, chịu rung 3 Grms theo IEC 60068-2-64 với ổ mSATA |
| Nối các tủ máy về phòng kỹ thuật | EKI-5525M | 4 cổng Fast Ethernet cộng 1 cổng quang 100FX đầu SC, dòng ProView, dùng khi khoảng cách vượt quá giới hạn của cáp đồng |
Ba lưu ý khi lên cấu hình. Thứ nhất, đếm số điểm đo trước khi đếm số mô-đun: mỗi gối đỡ cần ít nhất một kênh, một máy bơm hai gối là hai kênh, và nên chừa dự phòng khoảng hai mươi phần trăm. Thứ hai, chọn máy tính chịu rung tốt nếu tủ đặt ngay cạnh cụm máy, vì chính thiết bị giám sát cũng nằm trong môi trường rung. Thứ ba, giá trị đo chỉ có ích khi so được với chính nó ở kỳ trước, nên phải cố định vị trí gắn cảm biến và ghi lại điều kiện vận hành lúc đo.
Cách xây dựng chương trình theo dõi từ một cụm máy nằm trong bài bảo trì chủ động với thiết bị Advantech. Danh sách mô-đun thu thập của hãng có tại dòng ADAM-4000 và nhóm máy hộp không quạt có tại danh mục máy tính không quạt. Kiến thức nền về máy tính công nghiệp dùng trong nhà máy có ở chuyên mục Advantech trên IPC247. Khi cần lọc máy theo số cổng nối tiếp và dải nhiệt, dùng công cụ chọn máy theo nhu cầu.
Câu hỏi thường gặp về thu năng lượng từ rung động
Thu năng lượng từ rung động cho ra bao nhiêu điện?
Rất ít. Các bộ thu áp điện hoặc điện từ gắn trên thân máy thường cho công suất từ vài chục micrôwatt tới vài milliwatt, phụ thuộc biên độ và tần số rung. Mức đó đủ nuôi một nút cảm biến gửi bản tin ngắn theo chu kỳ, không đủ để sạc pin điện thoại vốn cần hàng chục watt-giờ.
Thiết bị trong bản tin năm 2016 hoạt động theo nguyên lý nào?
Theo nguyên lý máy phát điện một chiều. Vật nặng gắn trên lò xo dao động khi xe chạy qua đoạn đường xóc, chuyển động tịnh tiến đó được biến thành chuyển động quay qua thanh truyền và tay quay, hệ bánh răng tăng tốc rồi làm quay máy phát. Điện sinh ra nạp vào bộ lưu điện để dùng sau.
Vì sao rung động lại là số liệu quan trọng trong bảo trì?
Vì hư hỏng cơ khí xuất hiện trên phổ rung trước khi xuất hiện trên nhiệt độ hay tiếng ồn. Mất cân bằng, lệch trục, lỏng chân đế và tróc rỗ vòng bi đều để lại dấu ở những dải tần khác nhau. Theo dõi mức rung hiệu dụng theo thời gian cho biết máy đang xấu dần hay vẫn ổn định.
Mô-đun ADAM có thay được máy phân tích phổ rung không?
Không. Mô-đun như ADAM-4017+ lấy mẫu ở mức 10 hoặc 100 mẫu mỗi giây trên toàn bộ kênh, đủ để đọc giá trị hiệu dụng do bộ chuyển đổi rung xuất ra dạng 4~20 mA. Muốn dựng phổ tần hoặc phân tích đường bao vòng bi thì cần thiết bị lấy mẫu ở dải kilôhertz.
Nên gắn cảm biến rung ở đâu trên một cụm máy quay?
Gắn trên gối đỡ, càng gần ổ trục càng tốt, trên bề mặt kim loại phẳng và cứng. Mỗi gối đỡ nên có ít nhất một điểm đo theo phương hướng kính. Tránh gắn lên vỏ che, tấm tôn mỏng hay chỗ có sơn dày vì đường truyền rung bị méo và số đọc mất ý nghĩa so sánh.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
