Các vấn đề về tiếng ồn và rung động: Chiến lược Tối ưu hóa Hiệu suất và Bảo trì Dự đoán

Hệ thống băng tải tự động là xương sống của sản xuất công nghiệp, nhưng tiếng ồn và rung động (N&V) từ vòng bi, con lăn phản ánh trực tiếp tình trạng thiết bị. Bỏ qua các dấu hiệu này có thể gây dừng máy, giảm chất lượng sản phẩm và rủi ro an toàn lao động. Bài viết phân tích nguyên nhân N&V, phương pháp đo lường và kiểm soát, đồng thời giới thiệu các giải pháp công nghệ như Phân tích Tần số (FFT), cảm biến IIoT và Bảo trì Dự đoán (PdM), giúp tối ưu hóa tuổi thọ thiết bị và môi trường sản xuất bền vững.

1. Tổng quan về Tiếng ồn và Rung động (N&V) trong Băng tải

1.1. Định nghĩa và Bản chất Vật lý của N&V

Tiếng ồn và rung động là hai khía cạnh vật lý liên kết chặt chẽ, chúng là chỉ báo quan trọng về tình trạng cơ khí của hệ thống băng tải. Tiếng ồn là sóng âm thanh lan truyền trong không khí, cường độ được đo bằng đơn vị dB (Decibel). 

Hệ thống băng tải phát sinh tiếng ồn chủ yếu từ tiếng va đập vật liệu, tiếng ma sát của dây đai, và tiếng ồn khí động học từ quạt làm mát động cơ. Rung động là sự dao động cơ học qua lại của các bộ phận thiết bị, thường được đo bằng các thông số như vận tốc mm/s, gia tốc (g), hoặc dịch chuyển (micron). Tiếng ồn trong môi trường công nghiệp hầu hết là hệ quả thứ cấp của rung động cơ khí cường độ lớn.

1.2. Tác động Đa chiều của N&V Lớn

Rung động lớn gây ra sự suy giảm nhanh chóng độ tin cậy và tuổi thọ của Hệ thống băng tải tự động. Tác động đầu tiên là hư hỏng thiết bị quan trọng như Vòng bi và hộp số do tải trọng chu kỳ và nhiệt độ gia tăng. Sự hỏng hóc này dẫn đến các sự kiện Dừng máy đột ngột và ngoài kế hoạch, trực tiếp phát sinh Chi phí Dừng máy khổng lồ và làm giảm Tính sẵn sàng tổng thể của dây chuyền sản xuất. 

Hơn nữa, rung động không kiểm soát gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến Chất lượng Sản phẩm; ví dụ, trong các quy trình lắp ráp hoặc đóng gói nhạy cảm, rung động có thể làm sai lệch vị trí hoặc làm giảm độ chính xác của mối hàn.

2. Phân tích Nguyên nhân Cốt lõi Gây Rung động và Tiếng ồn

2.1. Nguyên nhân Cơ khí và Lắp đặt (Mechanical and Installation Faults)

Một trong những nguyên nhân phổ biến và nguy hiểm nhất là do lỗi Lệch thẳng hàng (Misalignment) giữa các trục quay. Lệch trục động cơ và hộp số tạo ra lực phản xạ hướng tâm và hướng trục lớn, phát sinh rung động tần số cao và quá nhiệt. Lỗi lắp đặt này gây áp lực không đồng đều lên các Vòng bi và khớp nối, dẫn đến hỏng hóc sớm hơn dự kiến. 

Tương tự, con lăn bị lệch hoặc không thẳng hàng làm tăng ma sát dây đai, gây ra tiếng ồn cọ xát lớn và hao mòn băng tải. Rung động thường xuyên nhất bắt nguồn từ Hư hỏng Vòng bi (Bearing Defects), đây là yếu tố then chốt cần được giám sát trong Bảo trì Dự đoán. Các khuyết tật như lỗi rãnh ngoài, rãnh trong, bi hoặc lồng sinh ra các tần số rung đặc trưng (Bearing Characteristic Frequencies) khi lăn qua điểm lỗi. 

Mất cân bằng động (Dynamic Unbalance) của các bộ phận quay như con lăn, puly truyền động hoặc quạt cũng là nguồn rung động lớn. Việc tích tụ vật liệu hoặc lỗi sản xuất khiến khối lượng không được phân bố đều, tạo ra lực ly tâm biến đổi theo chu kỳ quay, gây ra rung động 1times RPM.

2.2. Nguyên nhân Vận hành và Thiết kế (Operational and Design Factors)

Sai sót trong Căng băng tải (Belt Tension) là nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến tiếng ồn và rung động của hệ thống. Nếu dây đai quá căng, nó áp đặt tải trọng xuyên tâm lớn lên các Vòng bi của puly và trục, rút ngắn tuổi thọ vòng bi. Ngược lại, nếu dây đai quá lỏng, nó gây ra hiện tượng trượt (slippage) và va đập giữa dây đai và con lăn, tạo ra tiếng ồn va chạm lớn và rung động không ổn định. 

Hệ thống băng tải hoạt động vượt quá công suất thiết kế (Overload) làm tăng đáng kể áp lực lên toàn bộ kết cấu. Vận hành ở tốc độ cộng hưởng (Resonance frequency) là tình trạng đặc biệt nguy hiểm khi tần số vận hành trùng với tần số tự nhiên của kết cấu khung, khuếch đại biên độ rung động lên mức phá hủy. Cuối cùng, chất lượng Vật liệu Băng tải (ví dụ, băng tải quá cứng) góp phần vào tiếng ồn bằng cách làm tăng độ va đập khi vật liệu được đặt lên hoặc chuyển giao.

3. Đo lường và Tích hợp N&V vào Bảo trì Dự đoán (PdM)

3.1. Các Phương pháp và Công nghệ Đo lường Tiếng ồn

Việc đo lường tiếng ồn đòi hỏi sự dụng máy đo cường độ âm thanh (Sound Level Meter) để xác định mức áp suất âm thanh tổng thể, thường là dBA. Tuy nhiên, chỉ đo mức tổng thể là chưa đủ để chẩn đoán. Phân tích Tần số Tiếng ồn cho phép kỹ sư xác định các thành phần tần số cụ thể của tiếng ồn, từ đó truy tìm nguồn gốc chính xác. 

Ví dụ: Tiếng ồn có tần số cao thường liên quan đến dòng khí động học hoặc ma sát vòng bi, trong khi tiếng ồn tần số thấp có thể xuất phát từ các vấn đề cơ khí lớn như con lăn bị va đập.

3.2. Phân tích Tín hiệu Rung động như một KPI của PdM

Phân tích Rung động được coi là kỹ thuật chẩn đoán hiệu quả nhất trong chương trình Bảo trì Dự đoán (PdM). Thiết bị cảm biến, cụ thể là Gia tốc kế (Accelerometers), được lắp đặt cố định trên vỏ gối đỡ vòng bi để thu thập dữ liệu rung động liên tục (tức là Giám sát Thời gian Thực). 

Dữ liệu rung động thời gian được xử lý bằng kỹ thuật Phân tích Tần số (FFT), chuyển đổi tín hiệu sang miền tần số, cho phép chẩn đoán các lỗi cơ khí một cách chi tiết. Ví dụ, sự xuất hiện của biên độ rung động tại tần số 1times RPM (tần số quay của trục) thường chỉ ra lỗi mất cân bằng (Unbalance), trong khi tần số 2times RPM là đặc trưng của lỗi Lệch thẳng hàng. 

Quan trọng nhất, FFT giúp nhận diện các tần số đặc trưng của Vòng bi (BPFI/BPFO/FTF), báo hiệu sự khởi đầu của hư hỏng cấu trúc bên trong vòng bi. Các cảm biến IIoT hiện đại truyền dữ liệu này không dây tới hệ thống SCADA hoặc nền tảng đám mây để phân tích tự động.

3.3. Xây dựng Ngưỡng Cảnh báo Rung động (Vibration Thresholds)

Việc thiết lập các ngưỡng cảnh báo là bước không thể thiếu để tự động hóa quá trình giám sát trong PdM. Tiêu chuẩn ISO 10816 cung cấp hướng dẫn quốc tế để phân loại mức độ nghiêm trọng của rung động máy móc công nghiệp. Tiêu chuẩn này xác định các vùng hoạt động (Tốt, Chấp nhận được, Cảnh báo, Nguy hiểm) dựa trên vận tốc rung động tổng thể RMS mm/s và loại máy. 

Doanh nghiệp cần thiết lập một Baseline (mức rung động nền) của thiết bị mới hoặc sau khi bảo trì. Dựa trên Baseline này, các ngưỡng Cảnh báo (Alert) và Nguy hiểm (Danger) được định nghĩa, kích hoạt hành động bảo trì khi rung động vượt quá giới hạn, đảm bảo can thiệp kịp thời trước khi xảy ra Chi phí Dừng máy.

4. Các Giải pháp Kỹ thuật và Chiến lược Giảm thiểu Tiếng ồn & Rung động

4.1. Giải pháp Thiết kế và Vật liệu

Việc lựa chọn vật liệu có vai trò quyết định trong việc giảm thiểu N&V. Sử dụng con lăn đặc biệt làm từ Polymer hoặc Composite giúp giảm đáng kể tiếng ồn va đập và ma sát so với con lăn thép truyền thống. Vật liệu này cũng có khả năng hấp thụ chấn động tốt hơn. 

Tối ưu hóa kết cấu khung là cần thiết để tăng cường độ cứng vững của toàn bộ hệ thống băng tải, ngăn chặn rung động cộng hưởng (Resonance) khi vận hành. Hệ thống giảm chấn (Damping Systems), như các miếng đệm cao su chịu lực hoặc lò xo cách ly, nên được lắp đặt tại các điểm truyền động chính và gối đỡ để cách ly rung động từ nguồn sang kết cấu khung.

4.2. Chiến lược Bảo trì Khắc phục và Phòng ngừa

Chiến lược bảo trì phải tập trung vào việc loại bỏ tận gốc các nguồn gây rung động. Cân bằng Động (Dynamic Balancing) là quy trình bắt buộc đối với các bộ phận quay lớn có dấu hiệu Mất cân bằng động, đảm bảo sự phân bố khối lượng đồng đều và giảm rung động 1times RPM. 

Căn chỉnh Laser là phương pháp ưu việt để khắc phục lỗi Lệch thẳng hàng giữa động cơ và hộp số. Thiết bị Căn chỉnh bằng laser đảm bảo độ chính xác cao hơn nhiều so với phương pháp đo cơ khí truyền thống, giảm thiểu rung động 2times RPM. Cuối cùng, một chương trình Bôi trơn Tối ưu giúp giảm ma sát nội tại trong Vòng bi, kéo dài tuổi thọ thiết bị và duy trì mức độ rung động thấp.

4.3. Biện pháp Kiểm soát Tiếng ồn Môi trường (Acoustic Control)

Các biện pháp kiểm soát tiếng ồn chủ yếu tập trung vào việc ngăn chặn sự lan truyền của sóng âm. Tấm chắn Âm và Bao che được sử dụng để bao bọc các khu vực gây ồn nhất, chẳng hạn như trạm truyền động hoặc các khu vực chuyển vật liệu. 

Các vật liệu cách âm này hấp thụ năng lượng âm thanh, giảm thiểu tiếng ồn phát tán ra môi trường làm việc. Quản lý Vật liệu Rơi là một kỹ thuật quan trọng, liên quan đến việc tối ưu hóa thiết kế các điểm chuyển vật liệu (transfer point) để giảm thiểu độ cao rơi của vật liệu, hạn chế tiếng va đập cường độ cao.

Các giải pháp giảm thiểu rung động chính:

• Căn chỉnh: Sử dụng Căn chỉnh bằng laser để khắc phục Lệch thẳng hàng.
• Cân bằng: Thực hiện Cân bằng Động cho các puly và con lăn bị mất cân bằng.
• Cách ly: Lắp đặt hệ thống giảm chấn tại gối đỡ và khung để cách ly rung động.
• Vật liệu: Chuyển sang con lăn Polymer/Composite để giảm tiếng ồn va đập.

5. Tiêu chuẩn An toàn Lao động và Yếu tố Con người

5.1. Rủi ro Sức khỏe Nghề nghiệp (Occupational Health Risks)

Tiếng ồn và rung động tạo ra rủi ro sức khỏe nghề nghiệp nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến An toàn Lao động. Tiếp xúc kéo dài với tiếng ồn trên ngưỡng an toàn 85 dBA dẫn đến nguy cơ Giảm thính lực (NIHL) không thể phục hồi. 

Về mặt rung động, người lao động tiếp xúc trực tiếp với các công cụ hoặc thiết bị rung động mạnh có thể mắc Hội chứng Rung động Tay-Cánh tay (HAVS), gây tổn thương mạch máu và thần kinh ở chi trên. Rung động Toàn thân (WBV), xảy ra khi đứng hoặc ngồi trên sàn/ghế bị rung, gây ảnh hưởng đến cột sống và hệ cơ xương.

5.2. Tuân thủ Tiêu chuẩn Pháp lý và Quốc tế

Việc kiểm soát N&V là một yêu cầu pháp lý bắt buộc đối với các doanh nghiệp hoạt động trong sản xuất công nghiệp. Các công ty cần tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế, đặc biệt là Tiêu chuẩn ISO 10816, quy định mức độ rung động cho các loại máy móc khác nhau. 

Sự tuân thủ này không chỉ đảm bảo môi trường làm việc an toàn mà còn giảm thiểu trách nhiệm pháp lý của nhà sản xuất và người vận hành. Việc thực hiện các biện pháp kiểm soát tiếng ồn và rung động thể hiện cam kết của doanh nghiệp đối với An toàn Lao động và quản lý rủi ro toàn diện.

5.3. Xây dựng Chương trình Giám sát Sức khỏe

Một chương trình giám sát sức khỏe cần được thiết lập để bảo vệ nhân viên. Chương trình này bao gồm kiểm tra thính lực định kỳ (audiometric testing) cho tất cả nhân viên làm việc trong khu vực có tiếng ồn cao. Doanh nghiệp cần cung cấp và bắt buộc sử dụng Thiết bị Bảo hộ Cá nhân (PPE) chất lượng cao, đặc biệt là nút tai chống ồn hoặc bịt tai. Ngoài ra, việc Đánh giá Rủi ro Rung động cần được thực hiện thường xuyên để xác định các vị trí có nguy cơ HAVS hoặc WBV cao. Cần triển khai các biện pháp hành chính như luân chuyển công việc và giới hạn thời gian tiếp xúc để giảm thiểu phơi nhiễm.

6. Kết luận

Kiểm soát Tiếng ồn và Rung động trong Hệ thống băng tải tự động là một chiến lược không thể tách rời khỏi việc quản lý tài sản và vận hành hiệu quả trong sản xuất công nghiệp. N&V không chỉ là tác nhân gây ô nhiễm mà còn là dữ liệu cốt lõi và đáng tin cậy cho Bảo trì Dự đoán (PdM). Bằng cách tích hợp công nghệ IIoT và Phân tích Tần số (FFT) với các biện pháp khắc phục kỹ thuật như Căn chỉnh bằng laser và Cân bằng Động, các doanh nghiệp có thể chuyển đổi từ mô hình bảo trì phản ứng sang mô hình chủ động. Sự chuyển đổi này đảm bảo Tính sẵn sàng cao hơn, giảm thiểu Chi phí Dừng máy và, quan trọng nhất, duy trì một môi trường làm việc an toàn, tuân thủ các tiêu chuẩn như Tiêu chuẩn ISO 10816 và các quy định về An toàn Lao động. Đầu tư vào việc quản lý N&V chính là đầu tư vào tuổi thọ thiết bị và sự bền vững của hoạt động sản xuất.