Low-speed bearing fault diagnosis based on permutation and spectral entropy measures

Despite its influence on wind energy service life, condition-based maintenance is still challenging to perform. For offshore wind farms, which are placed in harsh and remote environments, damage detection is critically important to schedule maintenance tasks and reduce operation and maintenance costs. One critical component to be monitored on a wind turbine is the pitch bearing, which can operate at low speed and high loads. Classical methods and features for general purpose bearings cannot be applied effectively to wind turbine pitch bearings owing to their specific operating conditions (high loads and non-constant very low speed with changing direction). Thus, damage detection of wind turbine pitch bearings is currently a challenge. In this study, entropy indicators are proposed as an alternative to classical bearing analysis. For this purpose, spectral and permutation entropy are combined to analyze a raw vibration signal from a low-speed bearing in several scenarios. The results indicate that entropy values change according to different types of damage on bearings, and the sensitivity of the entropy types differs among them. The study offers some important insights into the use of entropy indicators for feature extraction and it lays the foundation for future bearing prognosis methods.Postprint (published version

Information Extraction and Data Fusion for Nondestructive Evaluation of Concrete Bridge Decks

The objective of the dissertation is to improve and extend the application of impact echo (IE) and ground penetrating radar (GRP) methods in the field of concrete condition evaluation. At the beginning, an ensemble empirical mode decomposition (EEMD) approach is proposed to decompose the IE testing data into different spectral composition for defect signal extraction. The EEMD approach overcomes the challenge of extracting reflected P-wave from the IE signal that may contain strong surface wave. Then, to realize direct visualization of internal defects of concrete structures, an automated data fusion and visualization process is developed based on IE testing with source-receiver arrays. Both the simulation and experimental results demonstrate that the proposed method can effectively extract delamination regions from the IE data. In the end, the f-x variational mode decomposition (f-x VMD) method is adopted to remove the direct wave clutter of GPR Data from RC bridge decks, which are the main problem hindering the discrimination of the target of interest. The superiority and effectiveness of proposed methods are demonstrated in simulation, experiment, and field test environments over the average background subtraction method and F–K filter with dip relaxation method.Ph.D

Diagnosis of low-speed bearings via vibration-based entropy indicators and acoustic emissions

Tesi del Pla de doctorat industrial de la Generalitat de Catalunya. Tesi en modalitat compendi de publicacions, amb diferents seccions retallades per drets dels editorsWind energy is one ofthe main renewable energies to replace fossil fuels in the generation of electricityworldwide. To enhance and accelerate its implementation at a large scale, it is vital to reduce the costs associated with maintenance. As com ponent breakages force the turbine to stop for long repair times, the wind industry m ust switch from the old-fashioned preventive or corrective maintenance to condition-based maintenance (also called predictive maintenance). The condition­based maintenance of pitch bearings is especiallychallenging, as the operating conditions include high mechanical stress and low rotational speed. Since these operating conditions im pact negatively on the results of the standard methods and techniques applied in current condition-based monitoring systems, the condition-based maintenance of pitch bearings is still a challenge. Therefore, this thes is is focused on the research of novel methods and techniques that obtain reliable information on the state of pitch bearings for condition-based maintenance. lnitially, the acknowledgment ofthe state ofthe art is performed to recognize the methods and signals. This step endorses the decision to analyze the vibration signals and acoustic emissions throughout this thesis. Due to the particular operating conditions of pitch bearings, this research states the need to create data sets to replicate the particular operating conditions in a controlled laboratory experiment. As a res ult, a datas et based on vibrations, and a second datas et based on acoustic emissions are generated. The vibration datas et allows the validation of a novel algorithm for the low-speed bearing diagnosis, which is based on the concept of entropy by the definition of Shannon and Rényi. In com parison to the classical methods found in the literature, the diagnosis of low-speed bearings based on entropy-based indicators can extract more reliable information. Moreover, the research of the com bination of several indicators to improve the diagnosis revea Is that the entropy-based indicators can extract more information than regular indicators used in academia. The datas et of acoustic emissions from low-speed bearings helps to contribute to the development of methods for diagnosis. In this research, the analysis of the energyfrom the signals reveals a dependencyon the intensityand the presence of damage. In addition, a relation between the waveform ofthe analyzed energy and the existence of damage is em phas ized.La energía eólica es una de las principales energías renovables consideradas para reemplazar los combustibles fósiles en la generación de electricidad a nivel mundial. Para mejorar y acelerar su implementación a gran escala, es vital reducir los costes asociados con el mantenimiento. Como las roturas de los componentes obligan a la turbina a detenerse durante largos períodos de reparación, la industria eólica necesita cambiar del anticuado mantenimiento preventiv o correctivo al mantenimiento basado en la condición (también llamado mantenimiento predictivo). El mantenimiento basado en la condición de los rodamientos pitch es especialmente desafiante, porque las condiciones de operación incluyen un alto estrés mecánico y bajas velocidades de rotación. Debido a que estas condiciones de operación impactan negativamente en los resultados de los métodos y técnicas estándar aplicados en los sistemas actuales de monitoreo basados en el estado, el mantenimiento basado en el estado de los rodamientos pitch sigue siendo un desafío. Por tanto, esta tesis se centra en la investigación de métodos y técnicas novedosas que obtengan información fiable sobre el estado de los rodamientos pitch para el mantenimiento basado en la condición. Inicialmente, se realiza el reconocimiento del estado del arte para reconocer los métodos y señales utilizados. Este paso avala la decisión de analizar las señales de vibración y las emisiones acústicas a lo largo de esta tesis. Debido a las condiciones de funcionamiento particulares de los rodamientos pitch, esta investigación reconoce la necesidad de crear un conjunto de datos para replicar las condiciones de funcionamiento particulares del rodamiento pitch en una experiencia de laboratorio controlado. Como resultado, se genera un conjunto de datos basado en vibraciones y un segundo conjunto de datos basado en emisiones acústicas. El conjunto de datos de vibraciones permite la validación de un algoritmo novedoso para el diagnóstico de rodamientos de baja velocidad, el cual se basa en el concepto de la entropía según la definición de Shannon y Rényi. En comparación con los métodos clásicos que se encuentran en la literatura, el diagnóstico de rodamientos de baja velocidad basado en indicadores basados en la entropía puede extraer información más confiable. Además, la investigación de la combinación de varios indicadores para mejorar el diagnóstico revela que los indicadores basados en la entropía pueden extraer más información que los indicadores habituales utilizados en la academia. El conjunto de datos de las emisiones acústicas de los rodamientos de baja velocidad ayuda a contribuir al desarrollo de métodos de diagnóstico. En esta investigación, el análisis de la energía de las señales revela una dependencia de la intensidad y la presencia de daño. Además, se enfatiza una relación entre la forma de onda de la energía analizada y la existencia de daño.L'energia eòlica és una de les principals energies renovables considerades per reemplaçar els combustibles fòssils en la generació d'electricitat a nivell mundial. Per millorar i accelerar la seva implementació a gran escala, és vital reduir els costos associats amb el manteniment. Com els trencaments dels components obliguen a la turbina a aturar-se durant llargs períodes de reparació, la industria eòlica necessita canviar de l'antiquat manteniment preventiu o correctiu al manteniment basat en la condició (també anomenat manteniment predictiu). El manteniment basat en la condició dels rodaments de pas és especialment desafiant, perquè les condicions d’operació inclouen un alt estrès mecànic i baixes velocitats de rotació. A causa de que aquestes condicions d’operació impacten negativament en els resultats dels mètodes i tècniques estàndard aplicats en els sistemes actuals de monitorització basats en l'estat, el manteniment basat en l'estat dels rodaments de pas segueix sent un desafiament. Per tant, aquesta tesi se centra en la investigació de mètodes i tècniques noves que obtinguin informació fiable sobre l'estat dels rodaments de pas per al manteniment basat en la condició. Inicialment, es realitza el reconeixement de l'estat de l'art per reconèixer els mètodes i senyals utilitzats. Aquest pas avala la decisió d'analitzar els senyals de vibració i les emissions acústiques al llarg d'aquesta tesi. A causa de les condicions de funcionament particulars dels rodaments de pas, aquesta investigació reconeix la necessitat de crear un conjunt de dades per replicar les condicions de funcionament particulars del rodament de pas en un experiment de laboratori controlat. Com a resultat, es genera un conjunt de dades basat en vibracions i un segon conjunt de dades basat en emissions acústiques. El conjunt de dades de vibracions permet la validació d'un algoritme nou per al diagnòstic de rodaments de baixa velocitat, el qual es basa en el concepte de l'entropia segons la definició de Shannon i Renyi. En comparació amb els mètodes clàssics que es troben a la literatura, el diagnòstic de rodaments de baixa velocitat basat en indicadors basats en l'entropia pot extreure informació més fiable. A més, la investigació de la combinació de diversos indicadors per millorar el diagnòstic revela que els indicadors basats en l'entropia poden extreure més informació que els indicadors habituals utilitzats en la literatura. El conjunt de dades de les emissions acústiques dels rodaments de baixa velocitat ajuda a contribuir al desenvolupament de mètodes de diagnòstic. En aquesta investigació, l’anàlisi de l'energia de les senyals revela una dependència de la intensitat i la presència de dany. A més, s'emfatitza una relació entre la forma d'ona de l'energia analitzada i l’existència de dany.Energia eolikoa mundu mailan elektrizitatea sortu eta erregai fosilak ordezkatzeko energia berriztagarri nagusietako bat da. Eskala handiko ezarpena hobetu eta bizkortzeko, ezinbestekoa da mantentze-lanekin lotutako kostuak murriztea. Osagaien hausturek turbina konponketa-aldi luzeetan gelditzera behartzen dutenez, industria eolikoak mantentze-lan prebentibo edo zuzentzaile zaharkitutik egoeran oinarritutako mantentzelanetara aldatu behar du (mantentze-lan prediktiboa ere esaten zaio). Pitch errodamenduen egoeran oinarritutako mantentzea bereziki desa atzailea da, tentsio mekaniko handiak jasaten baitituzte eta errotazio-abiadura txikietan egoten baitira abian. Operaziobaldintza horiek eragin negatiboa dutenez egoeran oinarritutako egungo monitorizazio sistemetan erabiltzen diren metodo eta teknika estandarren emaitzetan, pitch errodamenduen egoeran oinarritutako mantentze-lanak erronka bat izaten jarraitzen du. Tesi hau egoeran oinarritutako mantenurako pitch errodamenduen egoerari buruzko informazio dagarria lortzen duten metodo eta teknika berritzaileen ikerketan oinarritzen da. Hasieran, teknologiaren egungo egoera aztertzen da, erabilitako metodoak eta seinaleak ezagutzeko. Urrats honek tesi honetan zehar bibrazio-seinaleak eta emisio akustikoak aztertzeko erabakia bermatzen du. Pitch errodamenduen funtzionamendu baldintza bereziak direla eta, ikerketa honek adierazten du beharrezkoa dela datu multzo bat sortzea pitch errodamenduaren funtzionamendu baldintza partikularrak erreplikatzeko laborategi kontrolatuko testuinguru batean. Ondorioz, bibrazioetan oinarritutako datu-multzo bat eta emisio akustikoetan oinarritutako bigarren datu-multzo bat sortzen dira. Bibrazioen datu-multzoak abiadura txikiko errodamenduen diagnostikorako algoritmo berritzaile bat baliozkotzea ahalbidetzen du, zeina entropiaren kontzeptuan oinarritzen baita Shannon eta R enyiren de nizioaren arabera. Literaturan dauden metodo klasikoekin alderatuta, entropian oinarritutako adierazleek abiadura txikiko errodamenduen diagnostikorako informazio dagarriagoa atera dezakete. Gainera, diagnostikoa hobetzeko hainbat adierazleren konbinazioaren ikerketak agerian uzten du entropian oinarritutako adierazleek akademian erabiltzen diren ohiko adierazleek baino informazio gehiago atera dezaketela. Abiadura txikiko errodamenduen emisio akustikoen datu multzoak diagnostiko metodoak garatzen laguntzen du. Ikerketa lan honetan, seinaleen energiaren azterketak intentsitatearekiko eta kaltearen presentziarekiko dependentzia adierazten du. Gainera, aztertutako energiaren uhin-formaren eta kaltearen arteko erlazioa nabarmentzen da.Postprint (published version

Exploring the optimal potential of transient reflection method through mel-frequency ceptrums coefficient and artificial neural network for leak detection and size estimation in water distribution systems

Water pipeline systems are critical infrastructures that provide potable water to communities. The design and operation of these systems are complex and require careful consideration of various factors, such as system reliability. Regular maintenance and inspection of pipelines and other components are necessary to prevent leaks and ensure that the system operates effectively. The efficient detection and accurate estimation of leaks in water distribution systems are crucial for maintaining the integrity and functionality of the infrastructure. This research aims to unleash the full potential of the transient reflection method through the integration of Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) and Artificial Neural Network (ANN) techniques for leak detection and size estimation in water distribution systems. By leveraging the combined power of signal processing and machine learning, this study aim to advance the state-of-the-art methodologies for leak detection and size estimation, providing more accurate and efficient approaches based on transient reflection method. The objectives of this research are to explores the application of MFCC as a signal processing technique to extract vital information from the transient reflection signals. The transient reflection signals carry valuable insights into the characteristics of the water distribution system and can aid in identifying leaks. Furthermore to investigate and select significant features derived from the transient reflection signals that reflect the nature of leak size. Finally, is to develop and validate an ANN-based model for leak size estimation that harnesses the power of the extracted TRM features. To achieve these objectives, extensive experimentation and analysis will be conducted using transient reflection method obtained from laboratory scale water distribution systems. The data will be collected from various sizes of leaks. The collected dataset will serve as the foundation for training and validating the developed ANN model. Performance evaluation metrics, such as accuracy, precision, recall, and mean squared error, will be utilized to assess the effectiveness and reliability of the leak detection and size estimation technique. The expected outcomes of this research include advancements in leak detection and size estimation techniques in water distribution systems. The integration of MFCC and ANN techniques has the potential to significantly improve the accuracy and efficiency of leak detection, leading to timely identification and mitigation of leaks. The developed estimation model can aid in assessing the severity of leaks, enabling more effective allocation of resources for repair and maintenance activities. Ultimately, the findings of this research will contribute to the enhancement of water distribution system management, promoting water conservation and minimizing the adverse impacts of leaks on infrastructure and the environment. In conclusion, this research endeavors to unleash the full potential of the transient reflection method through the integration of MFCC and ANN techniques for leak detection and size estimation in water distribution systems. By leveraging signal processing and machine learning, this study aims to advance the state-of-the-art methodologies and provide more accurate and efficient approaches to address the challenges associated with leak detection and size estimation. The outcomes of this research have the potential to significantly benefit water management authorities, utilities, and researchers working in the field of water distribution system management and conservation