Investigation of Fault Modeling in the Identification of Bearing Wear Severity

Recent research into machines involved in power generation processes has demanded deep investigation of model-based techniques for fault diagnosis and identification. The improvement of critical fault characterization is crucial in the maintenance process effectiveness, hence in time/costs saving, increasing performance and productivity of the whole system. Consequently, this paper deals with a common fault in hydrodynamically lubricated bearings assembled in rotating systems, namely, that of abrasive wear. Research on this topic points to an interesting query about the significance of model detail and complexity and the identification of its characteristic parameters for the important stages of fault diagnosis and fault identification. For this purpose, two models are presented and analyzed in their completeness concerning the fault signature by vibration measurements, as well as the identification of fault critical parameters which determine the machine lifetime estimation, maintenance procedures, and time costs regarding performance and productivity. From this study, the detailing in fault modeling has a substantial impact on fault parameter identification, even if its improvement is not so expressive in fault diagnosis procedures involving standard signal processing techniques of vibration signatures.</p

Analysis of numerical model of flexible disc coupling

Orientador: Katia Cavalca Lucchesi DediniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Desalinhamento é considerado a falha com a segunda maior incidência de ocorrência em máquinas rotativas, precedida pelo desbalanceamento. Acoplamentos são componentes mecânicos cuja função é, além de transmitir torque, acomodar pequenos desalinhamentos não intencionais entre os eixos. Se os acoplamentos forem projetados apropriadamente, podem diminuir a sensibilidade relativa ao desalinhamento que existe entre os componentes acoplados. Quando acoplamentos operam submetidos a desalinhamentos, forças e momentos de restituição são gerados, e introduzidos no rotor. A caracterização de acoplamentos desalinhados por coeficientes de rigidez, gerando forças e momentos com harmônicas adotadas a priori é comum em trabalhos no tema. Vibrações no dobro da velocidade de rotação são largamente aceitas como assinatura de desalinhamentos e empregadas no diagnóstico de falhas. Alternativamente, pesquisas têm sido empreendidas com a utilização dos esforços de reação nos acoplamentos, medidos em bancadas de teste experimentais. O presente trabalho propõe como abordagem a utilização do Método dos Elementos Finitos com o objetivo de caracterizar o acoplamento de disco, sendo o disco metálico descrito matematicamente pelo equilíbrio de cascas com material linear e elástico. As forças e momentos de restituição gerados durante a deformação elástica do acoplamento desalinhado, variando com o ângulo de rotação própria do eixo motor, são incluídos no vetor de forças nas posições de fixação entre o acoplamento e os eixos acoplados. Assim, o desalinhamento é considerado na resposta em regime permanente do sistema rotativo, e o espectro direcional de vibrações revela sua influência pela análise das harmônicas de frequência que surgem devido à ocorrência desta falha. Desalinhamentos angulares geram harmônicas de alta ordem, as quais são perceptíveis principalmente nas vibrações do disco, distinguindos e até a sétima harmônica para rotação subsíncrona igual a um quarto da frequência natural. Uma característica relevante indicando a presença de desalinhamentos, e verificada nas respostas simuladas, liga-se ao surgimento no espectro direcional de componentes de frequência harmônica com precessão retrógrada tendo amplitudes similares às componentes de precessão direta. A frequência síncrona surge como dominante para as configurações simuladas, e a contribuição das demais harmônicas depende tanto da velocidade de rotação do eixo quanto da amplitude do desalinhamento imposto, de forma que o diagnóstico de falhas para este tipo de acoplamento baseando-se somente na componente 2x pode ser inadequado. Por fim, desalinhamento é introduzido em uma bancada de testes, e respostas teóricas para desalinhamento angular originam o mesmo padrão no espectro, ao passo que o desalinhamento paralelo apresentou apenas frequência harmônica síncrona. A principal vantagem da abordagem proposta é a possibilidade de aplicação para diferentes geometrias de disco, em que a natureza dos esforços e as harmônicas induzidas na resposta do rotor são inerentes ao acoplamento caracterizado, sendo promissora para utilização em técnicas de diagnóstico de falhas baseadas em modelosAbstract: Misalignment is considered the fault with the second most common occurrence in rotating machines, preceded by unbalance. Couplings are mechanical components which function is accommodating small unintentional misalignments between the shafts, in addition to the transmitted torque. If the couplings are designed properly, they may decrease the misalignment sensitivity that exists between the coupled components. When couplings operate under misalignment, forces and moments of restitution are generated, and introduced on the rotor. Characterization of misaligned couplings through stiffness coefficients, generating forces and moments with harmonics adopted a priori is common in works on the theme. Vibrations at twice the speed of rotation are widely accepted as signatures of misalignments and used for fault diagnosis. Alternatively, researches have been developed using reaction efforts on couplings, measured on experimental test benches. The present work proposes as an approach the use of the Finite Element Method in order to characterize the disc coupling, in which the metallic disc is mathematically described through the equilibrium of shells with linear and elastic material. Restitution forces and moments generated during elastic deformation of misaligned coupling, varying with the spin rotation angle of the driving shaft, are included into the forces vector at the positions of fixation between the coupling and coupled shafts. Thus, misalignment is considered in the steady state response of the rotating system, and the full spectrum of vibrations reveals for its influence through analysis of harmonic frequencies arising due to this fault occurrence. Angular misalignments cause higher order harmonics, which are mainly noticeable at disc vibrations, distinguishing up to the seventh harmonic for the subsynchronous rotation speed equals to one quarter of the natural frequency. A relevant feature indicating the presence of misalignments, and verified in simulated responses, is related to the arising of harmonic frequency components in full spectrum with backward whirl showing similar amplitudes to the forward whirl components. Synchronous frequency arises as dominant for the simulated configurations, and the contribution of other harmonics depends on the rotation speed of the shaft as well as the amplitude of imposed misalignment, in a way that fault misalignment for this type of misalignment only based on the component 2x may be inadequate. Finally, misalignment is introduced in a test rig, and theoretical responses for angular misalignment originate the same spectrum pattern, whereas parallel misalignment showed harmonic synchronous frequency only. The main advantage of the proposed approach is the possibility of application for different disc geometries, in which the nature of their reactions and the harmonics induced in the rotor response are inherent in the characterized coupling, being promising for use in model based fault diagnosis techniquesDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânica2015/20363-6FAPES

Integration of rotor-hydrodynamic bearings-support structure systems for numerical resolution

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca DediniDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O estudo de máquinas rotativas ocupa uma posição destacada no contexto de máquinas e estruturas, tendo em vista a grande aplicação das máquinas rotativas e a importância de conhecer o seu funcionamento com fins de otimização e de projeto para diminuição de custos, melhora de qualidade e aumento da vida útil dos componentes. Estas máquinas, e seus componentes, possuem características peculiares em seu funcionamento, as quais se refletem em seu comportamento dinâmico e, conseqüentemente, nos problemas mecânicos a estes associados. A análise do comportamento das máquinas rotativas envolve considerável complexidade, já que são constituídas, geralmente, por um sistema de equipamentos que abrangem, além do rotor, eixos e mancais, fundação e outros equipamentos auxiliares, como, por exemplo, selos de fluxo. Portanto, para se estudar o comportamento dinâmico desses sistemas, é necessário determinar a interação de todos os componentes para o entendimento dos fenômenos envolvidos. O sistema rotativo foi matematicamente modelado através da modelagem do eixo por elementos finitos, através de um conjunto de discos rígidos e segmentos de eixo com massa e elasticidade distribuídas, e dos mancais hidrodinâmicos, cuja representação ocorre a partir de seus coeficientes equivalentes de rigidez e amortecimento. A fundação também teve sua influência contemplada pelas representações por Parâmetros Concentrados, Impedância Mecânica e Coordenadas Mistas. Portanto, neste trabalho, desenvolveu-se a configuração do pacote computacional, a padronização da entrada e saída dos arquivos, a implementação dos elementos de viga e de disco rígido, a excitação por desbalanceamento, a determinação dos carregamentos nos mancais e a resposta dinâmica do sistema no domínio da freqüência, tendo como objetivo robustez, flexibilidade, confiabilidade, além de usabilidade e interface amigável do pacoteAbstract: The Rotordynamics occupies a prominent position in the design of machines and structures, due to the wide application of rotating machinery and the importance of the knowledgment of its operation for purposes of optimization and design for cost reduction, quality improvement and increased component life cycle. These machines and their components have peculiar characteristics in its operation, which will reflect in its dynamic behavior and, consequently, on the mechanical problems associated with these. The behavior of rotating machinery involves considerable complexity, as they are composed, usually by a system of equipment which includes, besides the rotor, shafts and bearings, foundation and other auxiliary equipment, for example, shaft seals. Therefore, to study the dynamic of these systems, it is necessary to determine the interaction of all components for understanding the phenomena involved. The rotation system was mathematically modeled by the shaft modeling through the Finite Element Method, through a set of disks and shaft segments with elasticity and mass distribution, and hydrodynamic bearings, whose representation occurs through the coefficients of equivalent stiffness and damping. The foundation also had its influence covered by the formulation of Concentrated Parameters, Mechanical Impedance and Mixed Coordinates. Therefore, in this work, it is developed the computational package configuration, standardization of input and output files, the implementation of beam elements and disks, the unbalance excitation, the determination of loads on the bearings and the frequency dynamic response of the system, aiming at robustness, flexibility, reliability, usability and user-friendly of the softwareMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânic

Bayesian inference applied to journal bearing parameter identification

Stochastic methods application is emergent in engineering field, leading designers to better solutions during product development. The stochastic characteristic of system parameters, such as geometric dimensions, operating conditions, among others, may lead to unexpected or even undesirable behavior, making it mandatory to take into account the parameters' uncertainties aiming a robust project. An approach considered here to the uncertainties distribution model is the Bayesian inference. This method gives the estimation of the stochastic parameter from previous information and observations of experimental response. After that, it is possible to proceed with the correspondent propagation on the system response. In the context of rotor dynamics, stochastic methods are not yet scattered and deterministic approaches still prevail. This work aims the use of Bayesian inference, particularly the Markov Chain Monte Carlo method, in a simple rotor-bearing system model to evaluate the influence of uncertainties in the journal bearings parameters on the overall behavior of these components. The critical parameters considered here are radial clearance and oil viscosity as function of temperature39829833004CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPESFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESPNão temNão temNão temThe authors would like to thank CENPES-PETROBRAS, FAPESP, FAEPEX-UNICAMP, CAPES and CNPq for supporting this researc