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

Information Theory and Its Application in Machine Condition Monitoring

Condition monitoring of machinery is one of the most important aspects of many modern industries. With the rapid advancement of science and technology, machines are becoming increasingly complex. Moreover, an exponential increase of demand is leading an increasing requirement of machine output. As a result, in most modern industries, machines have to work for 24 hours a day. All these factors are leading to the deterioration of machine health in a higher rate than before. Breakdown of the key components of a machine such as bearing, gearbox or rollers can cause a catastrophic effect both in terms of financial and human costs. In this perspective, it is important not only to detect the fault at its earliest point of inception but necessary to design the overall monitoring process, such as fault classification, fault severity assessment and remaining useful life (RUL) prediction for better planning of the maintenance schedule. Information theory is one of the pioneer contributions of modern science that has evolved into various forms and algorithms over time. Due to its ability to address the non-linearity and non-stationarity of machine health deterioration, it has become a popular choice among researchers. Information theory is an effective technique for extracting features of machines under different health conditions. In this context, this book discusses the potential applications, research results and latest developments of information theory-based condition monitoring of machineries

Utilizing SVD and VMD for Denoising Non-Stationary Signals of Roller Bearings

Copyright: © 2021 by the authors. In view of the fact that vibration signals of rolling bearings are much contaminated by noise in the early failure period, this paper presents a new denoising SVD-VMD method by combining singular value decomposition (SVD) and variational mode decomposition (VMD). SVD is used to determine the structure of the underlying model, which is referred to as signal and noise subspaces, and VMD is used to decompose the original signal into several band-limited modes. Then the effective components are selected from these modes to reconstruct the denoised signal according to the difference spectrum (DS) of singular values and kurtosis values. Simulated signals and experimental signals of roller bearing faults have been analyzed using this proposed method and compared with SVD-DS. The results demonstrate that the proposed method can effectively retain the useful signals and denoise the bearing signals in extremely noisy backgrounds.National Natural Science Foundation of China, No. 51105291; Shaanxi Provincial Science and Technology Department, No. 2020GY-124 and NO.2019GY-125; Key Laboratory Project of Department of Education of Shaanxi Province, No.19JS034

Identification of initial fault time for bearing based on monitoring indicator, WEMD and Infogram

Rolling element bearing is a core component in the rotating machine. The performance of the whole machine is mainly dominated by the performance condition of the rolling element bearing. The Initial Fault Time (IFT) is a beginning landmark of the unhealthy condition of bearings. In order to identify accurately and rapidly the IFT under the weak fault signatures and heavy background noise, an identification method of the IFT is proposed by the monitoring indicator and envelope analysis with Weighted Empirical Mode Decomposition (WEMD) and Infogram. The monitoring indicator is constructed by the variation coefficient of the summation of the multiple standardized statistical features of the vibration signal. The approximate IFT can be obtained by the minimum before the early stage of the continuous increase in the monitoring indicator. Whereafter, a more accurate IFT can be detected by envelope analysis with WEMD and Infogram based on interval-halving backtracking strategy. The proposed method is verified by the tested dataset provided by Intelligent Maintenance System (IMS). The results show that the proposed method is efficient, rapid and simple for identifying the IFT

A rolling bearing fault diagnosis method based on VMD – multiscale fractal dimension/energy and optimized support vector machine

To achieve the goal of automated rolling bearing fault diagnosis, a variational mode decomposition (VMD) based diagnosis scheme was proposed. VMD was firstly used to decompose the vibration signals into a series of band-limited intrinsic mode functions (BLIMFs). Subsequently, the multiscale fractal dimension (MSFD) and multiscale energy (MSEN) of each BLIMF were calculated and combined together as features of the original vibration signals. In an attempt to accelerate the classification speed, one-way analysis of variance (ANOVA) test was adopted to extract significant features from the redundant features. Finally, those significant features were fed into the optimized support vector machine (SVM), which was optimized by the genetic algorithm (GA), for classification. Experimental results on the international public Case Western Reserve University bearing data indicate the effectiveness of the proposed method with a classification accuracy of 99.75 % for seven classes. Moreover, our approach also shows good anti-noise performance in different signal-to-noise ratios (SNRs)

Friction, Vibration and Dynamic Properties of Transmission System under Wear Progression

This reprint focuses on wear and fatigue analysis, the dynamic properties of coating surfaces in transmission systems, and non-destructive condition monitoring for the health management of transmission systems. Transmission systems play a vital role in various types of industrial structure, including wind turbines, vehicles, mining and material-handling equipment, offshore vessels, and aircrafts. Surface wear is an inevitable phenomenon during the service life of transmission systems (such as on gearboxes, bearings, and shafts), and wear propagation can reduce the durability of the contact coating surface. As a result, the performance of the transmission system can degrade significantly, which can cause sudden shutdown of the whole system and lead to unexpected economic loss and accidents. Therefore, to ensure adequate health management of the transmission system, it is necessary to investigate the friction, vibration, and dynamic properties of its contact coating surface and monitor its operating conditions