عیب‌یابی هوشمند خرابی یاتاقان غلتشی در شرایط کاری متغیر با شبکه‌ عصبی پیچشی برمبنای سیگنال‌های حوزه‌ زمان و فرکانس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشکده ی مهندسی مکانیک, دانشگاه صنعتی شریف

10.24200/j40.2024.63396.1697

چکیده

تشخیص هوشمند و زودهنگام عیوب‌ یاتاقان غلتشی‌ در واحدهای صنعتی ارزش اقتصادی بسیاری دارد. استفاده از الگوریتم‌های سنتی تشخیص هوشمند، زمان‌بر و نیازمند تجربه‌ کارشناسان برای استخراج مشخصه‌های مناسب هستند. شبکه‌ عصبی پیچشی در مقایسه با آنها، می‌تواند با دقت بالا، حجم وسیعی از اطلاعات را پردازش و ویژگی‌ها را به طور خودکار از سیگنال ارتعاشی استخراج کند. در این پژوهش با استفاده از این روش، علاوه بر تعیین سلامت یا خرابی یاتاقان غلتشی، نوع عیوب در صورت تشخیص خرابی شناسایی می‌گردد. به منظور یافتن بهترین کارایی شبکه، نتایج ورودی‌های مختلف شامل سیگنال زمانی، طیف فرکانسی و انولوپ مقایسه می‌گردد. برای پیاده‌ سازی الگوریتم‌ها، یک ستاپ آزمایشگاهی طراحی و ساخته شده و با ایجاد خرابی‌های مصنوعی روی یاتاقان‌ها، تست‌ها در چهار وضعیت سالم و خرابی رینگ داخلی، رینگ خارجی و ساچمه در 36 شرایط کاری مختلف (9 دور و 4 حالت بارگذاری) انجام گردیده است. نتایج نشان می‌دهد که دقت مدل در عیب‌یابی یاتاقان غلتشی با ورودی طیف فرکانسی، بیشتر از دو ورودی دیگر و برابر 95% می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Intelligent Fault Detection of Rolling Element Bearing under Variable Operating Conditions by Convolutional Neural Network using Time and Frequency Domain Signals

نویسندگان [English]

  • Ali Farahani 1
  • Ali Davoodabadi 1
  • Somaye Mohammadi 1
  • Mehdi Behzad 2
1 M.Sc. Student of Faculty of Mechanical Engineering, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Sharif University
چکیده [English]

Intelligent detection of rolling element bearing faults is a critical aspect of rotating equipment condition monitoring. Early detection of faults holds significant economic value for industrial units in terms of maintenance and planning. Traditional intelligent fault detection algorithms, which rely on a combination of feature extraction and signal classification, are time-consuming and require a high level of expertise to define appropriate inputs that are the most relevant to the desired output. In comparison to traditional methods, Convolutional Neural Networks (CNNs) can process a large volume of data with high accuracy and automatically extract features from vibration signals. Therefore, in this research, an attempt has been made to use a simple and shallow CNN to determine the health state of rolling element bearings and identify the defective element, which can be inner race, outer race, or rolling element bearing. For this purpose, a CNN model has been employed to investigate three common faults in rolling element bearings. In order to achieve the best performance, various inputs, including time waveform, frequency spectrum, and envelope spectrum, have been utilized and the results are compared to select the best and appropriate input. CNN requires a large amount of data to be trained. So, a laboratory setup has been designed and constructed to collect the required data for training the models and verifying them. After creating artificial faults on the bearings, experiments were conducted under 36 different operating conditions, comprising 9 different speeds, each at 4 different loads, encompassing four healthy states, including healthy, inner race fault, outer race fault, and rolling element fault. The obtained results have illustrated that the fault detector model with the frequency spectrum input is more accurate with an accuracy of 95% than the models receiving the other two inputs.



Keywords: Condition Monitoring, Intelligent Fault Diagnosis, Convolutional Neural Network, Rolling Element Bearing, Variable Operating Conditions, Vibration Analysis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Condition Monitoring
  • Intelligent Fault Diagnosis
  • Convolutional Neural Network
  • Rolling Element Bearing
  • Variable Operating Conditions