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

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

Trends in condition monitoring of pitch bearings

The value of wind power generation for energy sustainability in the future is undeniable. Since operation and maintenance activities take a sizeable portion of the cost associated with offshore wind turbines operation, strategies are needed to decrease this cost. One strategy, condition monitoring (CM) of wind turbines, allows the extension of useful life for several parts, which has generated great interest in the industry. One critical part are the pitch bearings, by virtue of the time and logistics involved in their maintenance tasks. As the complex working conditions of pitch bearings entail the need for diverse and innovative monitoring techniques, the classical bearing analysis techniques are notsuitable. This paper provides a literature review of several condition monitoring techniques, organized as follows: first, arranged according to the nature of the signal such as vibration, acoustic emission and others; second, arranged by relevant authors in compliance with signal nature. While little research has been found, an outline is significant for further contributions to the literature.Postprint (published version

Implementación de un Sistema de Monitorización Industrial: caso de uso Máquina Eléctrica

El ámbito de los sistemas de monitorización de la condición (Condition Monitoring Systems, CMS) ha vivido en los últimos años un período de novedosos desarrollos, los cuales permiten detectar el malfuncionamiento de un sistema o componente. Además, permiten en muchos casos localizar el origen del mismo y estimar su vida útil remanente en función de diferentes señales obtenidos de sensores ubicados dentro del sistema mecatrónico. Sin embargo, estas soluciones a menudo plantean desarrollos más ajustados a lo requerido por el cliente (sistemas ad-hoc). Por más que los proveedores de soluciones industriales realicen esfuerzos por adaptar sus soluciones a diferentes problemáticas, la necesidad de estandarizar estas soluciones dificulta su implantación por la industria. Es así como grandes fabricantes de sistemas de automatización (Siemens, Beckhoff, B&R, Omron) ofrecen soluciones generalistas, los cuales en múltiples ocasiones no poseen las prestaciones de otros métodos. El presente proyecto fin de máster plantea la integración de técnicas avanzadas de monitorización de la condición en equipos de uso industrial. Para ello, emplea en primera instancia hardware disponible en la industria. Esto permite conocer más de cerca las soluciones disponibles en el mercado actual junto a su análisis de factibilidad técnica en la integración con técnicas más avanzadas de monitorización. Como caso práctico, se realiza el CMS de una máquina eléctrica

Entropy indicators: an approach for low-speed bearing diagnosis

To increase the competitiveness of wind energy, the maintenance costs of offshore floating and fixed wind turbines need to be reduced. One strategy is the enhancement of the condition monitoring techniques for pitch bearings, because their low operational speed and the high loads applied to them make their monitoring challenging. Vibration analysis has been widely used for monitoring the bearing condition with good results obtained for regular bearings, but with difficulties when the operational speed decreases. Therefore, new techniques are required to enhance the capabilities of vibration analysis for bearings under such operational conditions. This study proposes the use of indicators based on entropy for monitoring a low-speed bearing condition. The indicators used are approximate, dispersion, singular value decomposition, and spectral entropy of the permutation entropy. This approach has been tested with vibration signals acquired in a test rig with bearings under different health conditions. The results show that entropy indicators (EIs) can discriminate with higher-accuracy damaged bearings for low-speed bearings compared with the regular indicators. Furthermore, it is shown that the combination of regular and entropy-based indicators can also contribute to a more reliable diagnosis.This study was partially funded by the Spanish Agencia Estatal de Investigación (AEI)—Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (MINECO), the Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) through the research projects DPI2017-82930-C2-1-R and DPI2017-82930-C2-2-R, and by the Generalitat de Catalunya through the research project 2017 SGR 388.Peer ReviewedPostprint (published version

Trends in condition monitoring for pitch bearings

The value of wind power generation for energy sustainability in the future is undeniable. Since operation and maintenance activities account for a sizeable portion of the cost associated with offshore wind turbine operation, strategies are needed to decrease this cost. One strategy, condition monitoring (CM) of wind turbines, allows the useful life of several parts to be extended and has generated great interest in the industry. Pitch bearings are one type of critical component, by virtue of the time and logistics involved in their maintenance tasks. As the complex working conditions of pitch bearings entail the need for diverse and innovative monitoring techniques, the classical bearing analysis techniques are not suitable. This paper provides a literature review of several condition monitoring techniques. First, they are arranged according to the nature of the signal, such as vibration, acoustic emission and so on. Secondly, they are arranged by relevant authors in compliance with the signal nature. While little research has been performed, an outline is significant for further contributions to the literature.Peer ReviewedPostprint (published version

Trends in condition monitoring for pitch bearings

The value of wind power generation for energy sustainability in the future is undeniable. Since operation and maintenance activities account for a sizeable portion of the cost associated with offshore wind turbine operation, strategies are needed to decrease this cost. One strategy, condition monitoring (CM) of wind turbines, allows the useful life of several parts to be extended and has generated great interest in the industry. Pitch bearings are one type of critical component, by virtue of the time and logistics involved in their maintenance tasks. As the complex working conditions of pitch bearings entail the need for diverse and innovative monitoring techniques, the classical bearing analysis techniques are not suitable. This paper provides a literature review of several condition monitoring techniques. First, they are arranged according to the nature of the signal, such as vibration, acoustic emission and so on. Secondly, they are arranged by relevant authors in compliance with the signal nature. While little research has been performed, an outline is significant for further contributions to the literature.Peer Reviewe

Revision of the condition based monitoring techniques of the pitch bearings from wind turbines

El aumento continuo del consumo energético ha sido una necesidad para el desarrollo de la sociedad humana, produciendo la energía necesaria históricamente con combustibles fósiles. El uso de estos combustibles y su contribución negativa al planeta ha sido evidente con el fenómeno del cambio climático. Esto ha provocado la concienciación por parte de la sociedad e instituciones de la generación de electricidad por medios convencionales (combustibles fósiles) como insostenible a medio y largo plazo. Por este motivo, las fuentes de energía sostenibles y eficientes se están convirtiendo en un objetivo fundamental en la actualidad. La energía eólica es una de estas opciones, al contar con costes económicamente viables. Una gran parte de los costes asociados a los aerogeneradores instalados mar adentro son producto de las actividades de operación y mantenimiento, las cuales pueden ser mejoradas. Para ello, una estrategia es la monitorización de la condición, que permite extender la vida útil de los componentes que forman el aerogenerador. Dentro de los componentes presen- tes en un aerogenerador, los rodamientos de pala son uno de los elementos críticos por ser frecuente su fallo, junto con el tiempo y la logística involucradas en su recambio. Estos temas en su con- junto motivan la realización de la presente revisión de las técnicas empleadas en la monitorización de la condición. Identificar estos temas permite visualizar y proponer líneas futuras de investigación.Peer ReviewedPostprint (published version

Revision of the condition based monitoring techniques of the pitch bearings from wind turbines

El aumento continuo del consumo energético ha sido una necesidad para el desarrollo de la sociedad humana, produciendo la energía necesaria históricamente con combustibles fósiles. El uso de estos combustibles y su contribución negativa al planeta ha sido evidente con el fenómeno del cambio climático. Esto ha provocado la concienciación por parte de la sociedad e instituciones de la generación de electricidad por medios convencionales (combustibles fósiles) como insostenible a medio y largo plazo. Por este motivo, las fuentes de energía sostenibles y eficientes se están convirtiendo en un objetivo fundamental en la actualidad. La energía eólica es una de estas opciones, al contar con costes económicamente viables. Una gran parte de los costes asociados a los aerogeneradores instalados mar adentro son producto de las actividades de operación y mantenimiento, las cuales pueden ser mejoradas. Para ello, una estrategia es la monitorización de la condición, que permite extender la vida útil de los componentes que forman el aerogenerador. Dentro de los componentes presen- tes en un aerogenerador, los rodamientos de pala son uno de los elementos críticos por ser frecuente su fallo, junto con el tiempo y la logística involucradas en su recambio. Estos temas en su con- junto motivan la realización de la presente revisión de las técnicas empleadas en la monitorización de la condición. Identificar estos temas permite visualizar y proponer líneas futuras de investigación.Peer Reviewe

Trends in condition monitoring for pitch bearings

The value of wind power generation for energy sustainability in the future is undeniable. Since operation and maintenance activities account for a sizeable portion of the cost associated with offshore wind turbine operation, strategies are needed to decrease this cost. One strategy, condition monitoring (CM) of wind turbines, allows the useful life of several parts to be extended and has generated great interest in the industry. Pitch bearings are one type of critical component, by virtue of the time and logistics involved in their maintenance tasks. As the complex working conditions of pitch bearings entail the need for diverse and innovative monitoring techniques, the classical bearing analysis techniques are not suitable. This paper provides a literature review of several condition monitoring techniques. First, they are arranged according to the nature of the signal, such as vibration, acoustic emission and so on. Secondly, they are arranged by relevant authors in compliance with the signal nature. While little research has been performed, an outline is significant for further contributions to the literature.Peer Reviewe