1

وپانول روشو مقایسه آن با لسپاشاک روش ام خرابی یاتاقان غلتشی باتشخیص زود هنگ

ارتعاشات

3، حسام الدین ارغند2علی داودآبادی ، *1مهدی بهزاد

m_behzad@sharif.eduاستاد، مکانیک، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، -1

alidavoodabadi@mech.sharif.eduتهران، ایران، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، ، دانشجوی کارشناسی ارشد -2

arghand@mech.sharif.edu، تهران، ایران، صنعتی شریف ، دانشگاهمکانیک دانشکدهدانشجوی دکترا، -3

چکیده عیب تشخیص پالس برایشاک نام به روشی اخیر هایدهه در. است ویژه اهمیت حائز های غلتشییاتاقان در خرابی رشد هنگام زود تشخیص

رعم هایآزمایش نتایج ارائه با مقاله این در. دارد را اولیه مراحل از عیب رشد تشخیص قابلیت که است شدهداده توسعه غلتشی یهایاتاقان در

از . است شده ارائه پالسشاک و ارتعاشات هایخصیصه از استفاده با هنگام وجود عیبزود تشخیص و تنزل روند غلتشی، هاییاتاقان پرشتاب

در عیببررسی وجود عالئم ارتعاشات برای انولوپ روشو از عیبص وجود تشخی های ارتعاشات برایخصیصه ریشه میانگین مربعات سیگنال

های سیگنالپالس ماکزیمم روند رشد خصیصه ،وع عیب استفاده شده است. همچنینتشخیص ن به منظورهای مشخصه یاتاقان غلتشی فرکانس

. نتایج اندمورد بررسی قرار گرفته عیببرای تشخیص نوع پالس های زمانی شاکو تبدیل سریع فوریه سیگنال عیبپالس برای تشخیص وجود شاک

نسبت به آنع و نو عیب پالس منجر به تشخیص زودتر وجودشاک روشهای استخراج شده از صهدهد که در اغلب موارد استفاده از خصینشان می

عمر پرشتاب های نتایج مشاهدات مود خرابی در پایان تمام تست. ضمنا اندشدههای ارتعاشات های استخراج شده از سیگنالاستفاده از خصیصه

انجام شده در مورد نوع عیوب است.های بینیمطابقت صحیح پیش ینشان دهندهانجام شده،

ارتعاشات انولوپپالس، ، شاکتشخیص زود هنگام عیبپایش وضعیت، یاتاقان غلتشی، های کلیدی:واژه

ACCEPTED MANUSCRIPT

2

مقدمه-2

هانماشی این نگهداری به مربوط هایهزینه از بخشی. است بوده صنعت در مهم مسائل جمله از دیرباز از صنعتی هایماشین نگهداری

کاربرد که غلتشی هاییاتاقان شده منتشر هایگزارش مطابق. [1]باشد می تولید عدم به مربوط یههزین شودنمی توجه هاآن به اغلب که

شوندمی محسوب خرابی آمار نظر از تجهیزات این در قطعه ترینحساس دارند، دوار تجهیزات و آالتماشین بیشتر در ایگسترده بسیار

تشخیص برای ارتعاشات از آنالیز. استفاده [4-2] است مذکور قطعات به مربوط تجهیزات قبیل این تصادفی هایخرابی تعداد بیشترین و

ارتعاشات روش هایمحدودیت از آن رشد اولیه ایجاد و مراحل در عیب تشخیص عدم با این حال .است متداول شیغلت هاییاتاقان عیب

که روش این. شد ابداع ی غلتشیهایاتاقان در عیب تشخیص برای 1پالسشاک روش نام به اخیر هایدهه در متفاوتی روش. باشدمی

برخی . دارد 2رشد ترک اولیه مراحل در را یاتاقان عیب گرفته شده است، قابلیت تشخیصبه کار توسعه یافته وسوئدی شرکتیک توسط

ایجاد یک عیب ، باروشمقاالت در زمینه مقایسه دو غالب اند.پالس پرداختهارتعاشات و شاک روشهای قابلیتی ن به مقایسهیقاز محق

هایسرعت در همچنین و یاتاقان به متفاوت اعمالی بارهای ازایایش هم بهمصنوعی در یاتاقان مورد نظر انجام شده است. شرایط کاری آزم

.[9-5]شفت بوده است مختلف

و ارتعاشات روش دو کمک به یاتاقان مختلف هایمحل در عیب شناسایی یزمینه در پژوهشی 2003 سال [7]4کیومارو 3تاندن

و مختلف بارهای برای هاگیریاندازه و گردید ایجاد یاتاقان خارجی رینگ در مصنوعی عیب یک پژوهش این در. ددادن انجام پالسشاک

معیوب یاتاقان پالسشاک روش در که بود این آمد دست به پژوهش این از که مهمی بسیار ینتیجه و شد انجام مختلف هایسرعت

است زیاد المس یاتاقان به نسبت معیوب یاتاقان برای شده گیریاندازه پالسشاک مقدار که این دلیل به. است بوده شناسایی قابل رتراحت

پالس،شاک ارتعاشات، روش چهار بین ایمقایسه 2007 سال در [8]همکاران و تاندن همچنین. نیست گونه این ارتعاشات روش در اما

رینگ رد مصنوعی عیب یک پژوهش این در. دادند انجام القایی موتورهای هاییاتاقان در عیب شناسایی برای استاتور جریان و صوتی نشر

رنش و پالسشاک روش که کردند گزارش گروه این نهایت در. شد انجام مختلف بارهای برای هاگیریاندازه و گردید ایجاد یاتاقان خارجی

.دارند استاتور جریان روش و ارتعاشات آنالیز به نسبت غلتشی یاتاقان عیب تشخیص در بهتری ردعملک صوتی

عیب و گسترش ی وضعیت یاتاقان در زمان شروعشود، عماًل امکان مطالعههایی که عیب مصنوعی روی یاتاقان ایجاد میدر آزمایش

های آن در پالس و تواناییشاک روشی کارایی حاضر، مطالعهنوآوری پژوهش آن وجود ندارد. لذا با توجه به مرور تحقیقات گذشته،

شخیص تکامل تحت شرایط ایجاد و رشد طبیعی عیب است که با رویکرد از شروع کار یاتاقان تا خرابی آنالیز ارتعاشات روشمقایسه با

خرابی تجربی یمطالعه نتایج مقاله این در. و این موضوع در مطالعات گذشته مغفول مانده است گرددوجود عیب انجام میزود هنگام

دو کمک به همزمان پرشتاب عمر هایتست در منظور بدین. گردندمی بررسی و ارائه پرشتاب عمر هایتست طریق از غلتشی یاتاقان

که است شده داده نشان نهایت در. است شده ثبت آنها تغییرات روند و شده گیریاندازه پالسشاک مقادیر و ارتعاشات مقادیر سنسور

5انولوپ روش اعمال کمک به همچنین. است کرده عمل ترموفق ارتعاشات به نسبت عیب هنگام زود تشخیص در پالسشاک خصیصه

یاتاقان در عیب نوع هنگام زود تشخیص مقایسه به پالس،سیگنال زمانی شاکروی 6سریع تبدیل فوریه و ارتعاشات سیگنال زمانی روی

.است شده پرداخته غلتشی

پالسمعرفی روش شاک -1-2

گردید تاسیس سوئد در 1970 سال 8ام اینسترومنتپیاس شرکت و ابداع شد 1969 سال در 7شول دایوین توسط پالسروش شاک

االستیک امواج هاپالسشاک. کرد ی غلتشیهاش جهت پایش وضعیت یاتاقانگیری با استفاده از این روتجهیزات اندازهو اقدام به توسعه

های یاتاقان وجود عیب دراسـت کـه مبتنی پالس بر این واقعیت علمیتکنولوژی شاک .شوندمی منتشر االستیک مواد در که هستند

1 Shock Pulse Method 2 Crack Initiation 3 N. Tandon 4 K.S.Kumar 5 Envelope Analysis 6 Fast Fourier Transform (FFT) 7 Eivind Schoel 8 SPM Instrument

ACCEPTED MANUSCRIPT

3

ها در فرکانس پایین و همه سیگنال روشدر این کنند. ماشین ایجاد می های بسیار باالتر از دورای و در فرکانسضربه هایپالس غلتشی

سنسور از استفاده باو شودمیحذف و ... باشد، هادهند رخچ، هارهپ، های آنماشین و هارمونیک گردشتواند ناشی ازمیه میانه ک

برابر 7تا 5 معادل با فرکانس طبیعی سنسورهای شاک پالس است()که کیلو هرتز 32در محدوده فرکانسی باال فرکانس امواج پالسشاک

در اشند.گیری بو اندازهتشخیص قابل های غلتشی یاتاقان های بسیار ضعیف ناشی از خرابیسیگنال که گرددسبب می و شودمی تقویت

تر لیشود. با اعمال این فذر اعمال میگابتدا فیلتر میان ،گیریتوسط دستگاه اندازه گیری سیگنال یاتاقان معیوباین روش پس از اندازه

خراج است انولوپها انجام شده و منحنی شوند. سپس عملیات یکسوسازی روی سیگنالهای فرکانسی بیشتر و کمتر حذف میمولفه

دو سیگنال های انجام شده روی سیگنال خام،فرآیند، پس از پردازشن در اینشان داده شده است. 1در شکل مذکور شود. روندمی

وجود عیوب نمایشگر هک 1میـا ماکزیمهای بلند پالسهای کوتاه. پالسو بلند هایپالسعبارتند از و است توجه قابلشود که استخراج می

کسب زمان طول در که است شاک پالس دامنه ترینقوی دهنده نشان پالس ماکزیمم مقدار .باشدمی های غلتشییاتاقان در سطوح

که این موضوع در دهدوضعیت روانکاری را نشان میشده و نمایش داده 2مفروشهای کوتاه یا پالسدیگری .شودمی یافت اطالعات

برای مقایسه بهتر در پالس ماکزیمم و کوتاه دینامیک بسیار باال، هر دو مقدار ی اختالف بازهبا توجه به .نشان داده شده است 2شکل

تواند چندین برابر )بیش از می عادی در حال کار در شرایط یاتاقانتولید شده از یک پالسشاکشود. دامنه یک مقیاس دسیبل بیان می

.[6] باشدمیمعیوب از یک یاتاقان تولید شده پالس شاکدامنه تر از بار( پایین 1000

پالسسیگنال شاک انولوپ. روند استخراج 1شکل

Fig. 1. The procedure of shock pulse signals envelope extraction

های زیر های سطحی و ترکاین چهار مرحله برای ترک 2که در شکل شودمیبه چهار مرحله تقسیم های غلتشییاتاقاندر عیبرشد

جدا ی مرحله پذیر است که بهزمانی امکانعیب تشخیص به کمک آنالیز ارتعاشات، یابیمایش داده شده است. در هنگام عیبنسطحی

بر اساس پالس شاکوش است. حال آنکه ر 2در شکل عیبکه مطابق با مرحله سوم و چهارم رشد رسیده باشد3شدن ذرات از سطح

( 3نشان داده شده در شکل عیب)یعنی گام اول رشد 4شروع رشد ترک عیب را در مرحله اولیه قابلیت تشخیصماهیت فیزیکی آن،

دارد.

1 HDm 2 HDc 3 Loose parts 4 Crack initiation

ACCEPTED MANUSCRIPT

4

[6]غلتشی یاتاقان عیب در. چهار مرحله رشد 2شکل

Fig. 2. Four stages of defect growth in rolling element bearings [6]

ارتعاشات انولوپ روشمعرفی -2-2

هک وجود داشته باشد، هنگامی( رینگ داخلی، رینگ خارجی و یا المان غلتشی) ی آناگر در یک یاتاقان غلتشی عیبی در یکی اجزا

مربوط به محل های کوتاه مدت متناوب با فرکانس مشخصهکند پالسبرخورد می سطح معیوباجزای دیگر با در حین چرخش یاتاقان،

[10] 2اسمیتو 1فادنمک شود.ارتعاشات ناشی از رزونانس با فرکانس مشخصه عیب مدوله میدر نتیجه، شود. وقوع عیب تولید می

ه توسط یابی پیشنهاد شدارائه نمودند. فرایند عیب انولوپبا آنالیز غلتشی مروری بر مطالعات انجام شده در مورد تشخیص عیب یاتاقان

گذر اعمال گیری سیگنال یاتاقان معیوب ابتدا فیلتر میاناست. در این روش پس از اندازه نشان داده شده 3این گروه در نمودار شکل

های فرکانسی بیشتر و کمتر حذف تر مولفهلیباشند. با اعمال این فد باال میگذر دارای یک حد پایین و یک حترهای میانلیشود. فمی

با اعمال تبدیل فوریه سریع ،نهایت در. شوداستخراج می انولوپو منحنی ها انجام شدهشوند. سپس عملیات یکسوسازی روی سیگنالمی

. [13-11] آیدبه دست می انولوپمنحنی فرکانسی موج

[10] انولوپبا استفاده از آنالیز یابی. نمودار جریان فرآیند عیب3شکل

1 McFadden 2 Smith

ACCEPTED MANUSCRIPT

5

Fig. 3. The procedure of fault detection, using envelope analysis [10]

باند ابانتخ کلیدی و مهم نکته روش این از استفاده در است. غلتشی هاییاتاقان در عیب تشخیص جهت کارآمد روشی انولوپ آنالیز

اند دهدهایی در این خصوص ارائه کرن پیشنهاکه برخی محققی است پالسشاک و ارتعاشات سیگنال کردن فیلتر برای مناسب فرکانسی

استفاده پالسشاک و عاشاتارت هایسیگنال روی از غلتشی یاتاقان عیوب شناسایی برای آنالیز روش این از نیز مقاله این یادامه در. [14]

. شد خواهد

های عمر پرشتاب یاتاقان غلتشی آزمایش -3

توسعه و غلتشی هاییاتاقان سالمت مدیریت و خرابی بینیپیش روی مطالعه منظور به شریف صنعتی دانشگاه ارتعاشات آزمایشگاه در

طرح( 4 شکل) تجربی پلتفرم یک روی غلتشی یاتاقان پرشتاب عمر هایآزمایش از ایمجموعه ،اجزا این در خرابی بینیپیش هایروش

هاشآزمای این در. گردید انجام پلتفرم این روی غلتشی هاییاتاقان پرشتاب عمر تست در راستای اهداف پژوهش حاضر، هشت. شد ریزی

ها یاتاقان مورد انجام شده است. در این آزمایش یاتاقان روی ارتعاشات سنسور و پالسشاک سنسور توسط گیریاندازهبه طور همزمان

.ثبت گردیده است نهایی خرابی زمان تا نصب ابتدای از های آنو داده داشت قرار شدید بارگذاری تحتمطالعه

های عمر پر شتاب یاتاقان غلتشیجهت انجام آزمایش پلتفرم تجربی. 4شکل

Fig. 4. The rolling element bearings accelerated-life experiments test-rig

پالس و همچنین یک سنسور دما نیز نشان داده شده است، یک سنسور ارتعاشات، یک سنسور شاک 4در این پلتفرم که در شکل

باشد. می 6907های شیار عمیق با کد ها از نوع یاتاقان. یاتاقان مورد تست در این آزمایشگرفته استروی یاتاقان مورد تست قرار

در یاتاقان به بار مکانیزم اعمالانجام شده است. N9000و بار rpm2000 های عمر پرشتاب در شرایط کاری ثابت با سرعت آزمایش

ی باالیی روی قرار دارد. صفحه 5 ی یاتاقان مورد تست روی صفحه باالیی نشان داده شده در شکلنشان داده شده است. پوسته 5 شکل

شود ی پایینی، نیروسنج به سمت پایین کشیده میی صفحههای قرار گرفته در چهار گوشهقرار گرفته است. با سفت کردن پیچ نیروسنج

ACCEPTED MANUSCRIPT

6

انتهای تا سالم وضعیت از) تست طول در شفت، دور و بارگذاریگیرد. و لذا قسمت باالیی یاتاقان غلتشی مورد تست تحت بار قرار می

و در کیلو هرتز 6/25سنج برداری در سنسور شتابفرکانس نمونهگردد. می ثبت لحظه هر در و شده تنظیم ثابت مقداری در (خرابی

ها آزمایش ارائه شده است. در این آزمایش هشتمدت زمان عمر یاتاقان تست در 1باشد. در جدول می کیلو هرتز 5/8س پالسنسور شاک

خرابی 6در شکل به عنوان آستانه خرابی یاتاقان غلتشی و معیار توقف تست در نظر گرفته شده است. g30به مقدار شتابرسیدن دامنه

ها پس از دمونتاژ آن در انتهای هر آزمایش نشان داده است.مشاهده شده در هر کدام از یاتاقان

ی از بارگذاری بر یاتاقان هدف. نحوه5کل ش

Fig. 5. The loading mechanism on the test rolling element bearing

Table 1. Test Rolling element bearing life and the observer failure mode in all experiments

آزمایش و نوع خرابی مشاهده شده در هشت . مدت زمان عمر یاتاقان تست1جدول

مشاهده شده در پایان تست نوع خرابی عمر مفید یاتاقان غلتشی)ثانیه( شماره تست

رینگ داخلی 11670 1

رینگ داخلی 4081 2

ساچمه 306610 3

رینگ داخلی 26294 4

ساچمه 5731 5

ساچمه 13704 6

ساچمه 30205 7

ساچمه 14742 8

4تست 3تست 2تست 1تست

ACCEPTED MANUSCRIPT

7

8تست 7تست 6تست 5تست

شده در انتهای هر آزمایشتست هاییاتاقان. نتایج بازرسی چشمی 6شکل

Fig. 6. Visual inspection results of damage on the tested rolling element bearings at the end of

each experiment چمه و مشخصات دینامیکی ی مربوط به عیوب رینگ داخلی، رینگ خارجی، ساهای مشخصهفرکانسابعاد یاتاقان و 2در جدول

یاتاقان تست ذکر شده است.

Table 2. The specifications of the test rolling element bearing (type: deep groove, code: 6907)

6907 شیار عمیق غلتشی یاتاقان مشخصات. 2 جدول

مقدار عنوان

ابعاد

خارجی قطر 55mm

داخلی قطر 35mm

10mm عرض

هاساچمه تعداد 11

های مشخصه خرابی فرکانس

rpm2000 دوریاتاقان در

5/204 فرکانس گذر ساچمه از رینگ خارجی1 Hz

1/262 فرکانس گذر ساچمه از رینگ داخلی2 Hz

9/132 فرکانس چرخش ساچمهها3 Hz

6/14 فرکانس اصلی4 Hz

1 Ball Pass Frequency of Outer race (BPFO) 2 Ball Pass Frequency of Inner race (BPFI) 3 Ball Spin Frequency (BSF) 4 Fundamental Train Frequency (FTF)

ACCEPTED MANUSCRIPT

8

مشخصات دینامیکیاستاتیکی بار 6850 N

N 9550 بار دینامیکی

نتایج -3

نوع زودهنگام تشخیص و وجود عیب هنگام زود تشخیص هدف دو با پالسشاک و ارتعاشات آنالیز هایروش مقایسه بخش این در

.شودمی پرداخته آن به ادامه در که است گرفته قرار بررسی مورد عیب

ی روند مقایسه -1-4

عیب وقوع پالس جهت تشخیص زود هنگام تغییرات ارتعاشات و شاکنسبت به زمان و نسبت 2پالسسیگنال شاک پالس ماکزیمم و روند تغییرات 1شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعات تغییرات

نشان داده شده 8 شکل و 7به ترتیب در شکل مورد مطالعه در این مقالهانجام شده و به همدیگر برای هر هشت تست عمر پرشتاب

پالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتی روند تغییرات هر دو خصیصه 7 شکلکدام از نمودارهای در هر است.

پالس اکش روشبرای مقایسه بهتر همچنین چین نمایش داده شده است. خطو نقطه خطبا به ترتیب در یک نمودار پالسسیگنال شاک

ناحیه اول که با ی شروع تست تا لحظه خرابی نهایی به سه ناحیه تقسیم شده است. و ارتعاشات در هر آزمایش، عمر یاتاقان از لحظه

ریشه میانگین مربعاتن هر دو خصیصه آه در نشان داده شده است، مربوط به وضعیت سالم یاتاقان است ک مربع و عالمترنگ سبز

متعال وصورتی کنند. در ناحیه دوم که با رنگ روند ثابتی را دنبال می پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال

یشه رروند صعودی را دنبال کرده است. در حالی که خصیصه پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم نشان داده شده است، خصیصه مثلث

نشان داده است دایره وم هم که با رنگ قرمز و با عالمتروند ثابتی را دارد. ناحیه سهمچنان شتاب ارتعاشات سیگنال میانگین مربعات

در پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعات دهد که هر دو خصیصهوضعیتی را نشان می

شروع به رشد زمان یک هر دو خصیصه در های اول تا چهارمتستشود، در مشاهده می 7همان طور که در شکل حال رشد هستند.

دتر زو پالسشاکسیگنال پالس ماکزیمم در تست پنجم خصیصه از طرفی، .ی صورتی وجود نداردها ناحیهو بنابراین در این تست نداکرده

یگنال سپالس ماکزیمم هشتم روند تغییرات همچنین در تست های ششم تا روند صعودی را نسبت به خصیصه ارتعاشات آغاز کرده است.

معیار تشخیص ست.شروع به رشد کرده ا شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتخصیصه تر از روند تغییرات خیلی قبل پالسشاک

لحظه شروع روند عیب، در نظر گرفتن ده درصد رشد در خصیصه بوده است. البته این نکته نیز لحاظ شده است که روند رشد پس برای

به طوری که اگر رشد ناگهانی در یک از آن ادامه دار بوده باشد و ضمنا عالئم وجود عیب نیز در مراحل بعدی، وجود عیب را تایید کند.

ز مدت کوتاهی وضعیت خصیصه به شرایط سابق آن باز گردد، این نقطه به عنوان وقوع عیب در نظر گرفته خصیصه دیده شود و بعد ا

ثانیه در تست ششم 3000در زمان حدود پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم ی نشده است. برای مثال افزایش ناگهانی روند خصیصه

.ای از همین موارد استنمونه

1 Vrms 2 SPMHDm

ACCEPTED MANUSCRIPT

9

ACCEPTED MANUSCRIPT

10

پالس و ارتعاشات برای هشت تست عمر پر شتاب یاتاقان غلتشیهای شاک. مقایسه روند رشد خصیصه7شکل

Fig. 7. The comparison between the trend of SPMHDm and Vrms for all accelerated-life experiments

ACCEPTED MANUSCRIPT

11

ارتعاشات نسبت به هم در هشت تست عمر یاتاقان غلتشیپالس و . روند تغییرات خصیصه شاک8شکل

ACCEPTED MANUSCRIPT

12

Fig. 8. Vrms - SPMHDm plots for all accelerated-life experiments

این جدول همان طور که نتایج ها ارائه شده است.ی تستپالس در همهلحظه شروع روند رشد خصیصه ارتعاشات و شاک 3در جدول

ریشه میانگین مربعات خصیصه نسبت به عیبدر تشخیص زود هنگام شروع پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم یدهد خصیصهنشان می

دو تغییراتنمایش دیگری از روند 8در شکل .تر یا حداقل یکسان عمل کرده استارتعاشات همواره موفقشتاب ارتعاشات سیگنال

ارائه شده است که برای توصیف وضعیت پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتی خصیصه

ه مربوط به وضعیت سالم هستند ک مربع سبزسالمت یاتاقان غلتشی در مسائل دسته بندی مفید است. در نمودارهای این شکل، نقاط

شود که با کم از ناحیه مذکور خارج میکموضعیت تجهیز در این نمودارها عیب،اند و با شروع رشد در یک ناحیه کوچک متمرکز شده

)که هر دو خصیصه شروع قرمزدایره و ها در آن رشد کرده است( ی رشد عیب که فقط یکی از خصیصه)مراحل اولیه صورتیمثلث نقاط

اند.نشان داده شده اند(به رشد کرده

Table 3. Rising moment at the trends of Vrms and SPMHDm

جدول 3. لحظهی روند صعودی شدن خصیصه ارتعاشات و شاکپالس

شماره تستپالس ماکزیمم رشد خصیصه شروعی لحظه

)ثانیه( پالسسیگنال شاک

ریشه رشد خصیصه شروعی لحظه

شتاب سیگنال میانگین مربعات

)ثانیه( ارتعاشات

عمر یاتاقان غلتشی

1تست 9856 9856 11670

2تست 679 679 4081

3تست 301412 301412 306610

4تست 24379 24379 26294

5تست 4406 5007 5731

6تست 7161 12984 13704

7تست 3427 27268 30205

8تست 5051 13290 14742

پالس در تشخیص زود هنگام نوع عیب ارتعاشات و شاک انولوپروش ی مقایسه -2-4

پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتخصیصه ی روند در بخش قبل به مقایسه

سیگنال ریشه میانگین مربعاتنسبت به خصیصه پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم خصیصه پرداخته شد. همان طور که مشاهده شد

عیب در مراحل اولیه دارد. حال در این بخش به بررسی امکان تشخیص نوع عیب در شروععملکرد بهتری در تشخیص شتاب ارتعاشات

سیگنال پالس ماکزیمم که در آن روند دو لحظه )یکی در ناحیه دوم شود. بدین منظور در هر تست پرداخته می آنمراحل اولیه رشد

که روند هر دو سومثابت هست و دیگری در ناحیه شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتدر حال رشد و روند پالسشاک

2یاتاقان )که پیشتر در جدول یهای مشخصهاز روی فرکانس عیبخصیصه در حال رشد است( انتخاب شده است. برای تشخیص نوع

ه پالس در این دو لحظشاکروی سیگنال زمانی سریع و تبدیل فوریه های زمانی ارتعاشاتی سیگنالرو انولوپمعرفی گردید( آنالیز

دوم )ناحیهی انتخاب شده در ناحیه و لحظه Aبا عالمت ی صورتی رنگ()ناحیه ی انتخاب شده در ناحیه دومست. لحظهاعمال گردیده ا

های مربوط به عیب به طور بیانگر اولین جایی است که فرکانس Aنقطه نشان داده شده است. 7در شکل Bهم با عالمت رنگ( قرمزی

ACCEPTED MANUSCRIPT

13

ه ریشو پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم که هر دو خصیصه تا چهارم اول هایدر تستواضح در طیف فرکانسی مشاهده شده است.

فقط یک سیگنال اند،و همزمان شروع به رشد کرده انددر تشخیص عیب یکسان عمل نموده شتاب ارتعاشات سیگنال میانگین مربعات

خاب ی انتپالس لحظهسیگنال زمانی ارتعاشات و تبدیل سریع فوریه شاک انولوپآنالیز 9زمانی برای مقایسه انتخاب شده است. در شکل

در این است. ن داده شده( ارائه گردیدهنشا 7در نمودار تست اول در شکل Bثانیه که با عالمت 10989 لحظهدر تست اول )شده

پالس به وضوح شاکسریع ارتعاشات و تبدیل فوریه انولوپبندهای آن در رینگ داخلی و ساید یمشخصهفرکانس در رشد دامنهشکل

.گرددمیمشاهده

سیگنال ارتعاشات( انولوپطیف فرکانسی پالس، چپ: طیف فرکانسی سیگنال شاک در تست اول )راست:B لحظه عیب در. تشخیص نوع 9شکل

Fig. 9. Fault detection at the moment B of the first experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left: FFT

of the vibration signal)

اب شدهی انتخپالس لحظهشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپبه ترتیب آنالیز 12 تا 10در شکل به طور مشابه

)لحظه وم سدر تست ی انتخاب شدهلحظهو نشان داده شده( در نمودار مربوطه Bعالمت ثانیه که با 2040)در لحظه در تست دوم

ثانیه که با 26120)لحظه در تست چهارم ی انتخاب شدهنشان داده شده( و لحظهدر نمودار مربوطه Bعالمت ثانیه که با 303610

رشد دامنه فرکانس( 4 و 2های )مربوط به تست12 و 10های در شکلاست. گردیده نشان داده شده( ارائه در نمودار مربوطه Bعالمت

پالس قابل مشاهده است.شاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپبندهای آن در رینگ داخلی و ساید یمشخصه

تبدیل سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپبندهای آن در ساچمه و ساید یمشخصه( فرکانس 3ست )مربوط به ت 11همچنین در شکل

های اند با نتایج خرابیتشخیص داده شده 12تا 9های عیوبی که در تحلیل نمودارهای شکلقابل مشاهده است. پالسشاکسریع فوریه

ت دارد.نشان داده است مطابق 6ها که در شکل مشاهده شده در بازرسی چشمی در پایان تست

ACCEPTED MANUSCRIPT

14

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست دوم B لحظه عیب. تشخیص نوع 10شکل

Fig. 10. Fault detection at the moment B of the second experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست سوم B لحظه عیب. تشخیص نوع 11شکل

Fig. 11. Fault detection at the moment B of the third experiment (Right: FFT of the shock pulse signal

Left: FFT of the vibration signal)

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست چهارم B لحظه عیب. تشخیص نوع 12شکل

Fig. 12. Fault detection at the moment B of the fourth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

ACCEPTED MANUSCRIPT

15

روند صعودی پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم خصیصه ،بعد از گذشت زمان کوتاهی از شروع تست تا هشتم هم پنجمدر تست

طوالنی روند ثابتی را حفظ کرده برای مدت نسبتاً شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاته را آغاز کرده است، حال آنکه خصیص

لحظه ) در ناحیه اول تست پنجمی انتخاب شده پالس در لحظهشاکسریع فوریه تبدیلسیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپ 13است. شکل

ای در رشد دامنه طیف فرکانسی دهد. در این شکل مطابقت قابل مالحظهنشان داده شده( را نشان می Aعالمت ثانیه که با 4888

نیز ساچمه که وقوع آن پس از دمونتاژ یاتاقان عیب)به طور خاص فرکانس مشخصه ی عیب مشخصههای پالس با فرکانسسیگنال شاک

14سیگنال زمانی ارتعاشات قابل مشاهده نیست. در شکل انولوپطیف در شود. درصورتی که همین عالئمدیده میتایید شده است(

عالمت ثانیه که با 5605)لحظه در ناحیه سوم تست پنجمی انتخاب شده پالس در لحظهسیگنال زمانی ارتعاشات و شاک انولوپآنالیز

B انولوپرینگ داخلی و سایدبندهای آن در یبی عمشخصهفرکانس در است. در این لحظه رشد دامنه گردیدهنشان داده شده( ارائه

از تست و پسدر بازرسی چشمی انتهای این گردد. پالس به وضوح مشاهده نمیشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و

فرکانسی در همین موضوع روی کیفیت طیف رسد به نظر میاند. شدهآسیب دچارساچمه 5( مشاهده شد که 6دمونتاژ یاتاقان )شکل

ای های غلتشی با المان غلتشی ساچمهالزم است توجه شود که این موضوع به طور کلی در خصوص یاتاقان .استاین نقطه اثر گذاشته

ها امکان دوران در جهات مختلف را دارند و ممکن است عیب روی توجیه منطقی برای این موضوع این است که ساچمه وجود دارد.

خارجی برخورد نکند. به همین رینگ خاطر قرارگیری راستای آن، علیرغم چرخش ساچمه، با رینگ داخلی و ه ایط بساچمه در بعضی شر

خارجیرینگ دلیل در بعضی موارد که عیب روی ساچمه وجود دارد ممکن است که ضربات منظم برخورد عیب ساچمه با رینگ داخلی و

کند.موضوع در طیف فرکانسی نیز انعکاس پیدا میدر سیگنال ثبت شده وجود نداشته باشد و همین

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست پنجم A لحظه عیب. تشخیص نوع 13شکل

Fig. 13. Fault detection at the moment A of the fifth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

ACCEPTED MANUSCRIPT

16

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاک پنجمدر تست B لحظه عیب. تشخیص نوع 14شکل

Fig. 14. Fault detection at the moment B of the fifth experiment (Right: FFT of the shocck pulse

signal Left: FFT of the vibration signal) 7729 )لحظهدر تست ششم ی انتخاب شده اول پالس در لحظهشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپ 15شکل

ای در رشد دامنه طیف فرکانسی فقط مطابقت قابل مالحظه نیز دهد. در این شکلنشان داده شده( را نشان می Aعالمت ثانیه که با

ن تایید اساچمه که وقوع آن پس از دمونتاژ یاتاق عیب)به طور خاص فرکانس مشخصه عیبهای پالس با مشخصه فرکانسسیگنال شاک

انولوپ 16ده نیست. در شکل سیگنال زمانی ارتعاشات قابل مشاه انولوپطیف شود. در حالی که عالئم مذکور در شده است( دیده می

عالمت ثانیه که با 13704) لحظه در تست ششم ی انتخاب شده دومپالس در لحظهشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و

B گنال سی انولوپبندهای آن در و ساید المان غلتشیی عیب مشخصهنشان داده شده( ارائه شده است. در این لحظه رشد دامنه فرکانس

2( مشاهده شد که 6در بازرسی چشمی انتهای این تست و پس از دمونتاژ یاتاقان )شکل .گرددزمانی ارتعاشات به وضوح مشاهده نمی

اند. همین موضوع روی کیفیت طیف فرکانسی در این نقطه اثر گذاشته است.ساچمه دچار آسیب شده

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست ششم A لحظه عیب. تشخیص نوع 15شکل

Fig. 15. Fault detection at the moment A of the sixth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

ACCEPTED MANUSCRIPT

17

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاک ششمدر تست B لحظه عیب. تشخیص نوع 16شکل

Fig. 16. Fault detection at the moment B of the sixth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal

Left: FFT of the vibration signal) 7376)لحظه در تست هفتم ی انتخاب شده اول پالس در لحظهشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپ 17شکل

سیگنال انولوپای در رشد دامنه طیف دهد. در این شکل مطابقت قابل مالحظهنشان داده شده( را نشان می Aعالمت ثانیه که با

ساچمه که وقوع آن پس از دمونتاژ یاتاقان تایید شده عیب)به طور خاص فرکانس مشخصه عیبهای پالس با مشخصه فرکانسشاک

سیگنال انولوپآنالیز 18قابل مشاهده نیست. در شکل سیگنال زمانی ارتعاشات، عالئم مذکور انولوپیف ط درشود و است( دیده می

نشان داده شده( ارائه Bعالمت ثانیه که با 30135)در لحظه در تست هفتم ی انتخاب شده دوم پالس در لحظهزمانی ارتعاشات و شاک

سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپو ساید بندهای آن در المان غلتشی ی عیبمشخصهشده است. در این لحظه رشد دامنه فرکانس

( 6ل کگردد که با نتایج بازرسی چشمی در انتهای تست و پس از دمونتاژ یاتاقان )شپالس به وضوح مشاهده میشاکسریع تبدیل فوریه

مطابقت دارد.

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست هفتم A لحظه عیب. تشخیص نوع 17شکل

Fig. 17. Fault detection at the moment A of the seventh experiment (Right: FFT of the shock pulse

signal Left: FFT of the vibration signal)

ACCEPTED MANUSCRIPT

18

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست هفتم B لحظه عیب. تشخیص نوع 18شکل

Fig. 18. Fault detection at the moment B of the seventh experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

)لحظه در تست هشتم ی انتخاب شده اولپالس در لحظهشاکسریع تبدیل فوریه سیگنال زمانی ارتعاشات و انولوپ 19شکل

انولوپای در رشد دامنه طیف مطابقت قابل مالحظه همدهد. در این شکل نشان داده شده( را نشان می Aعالمت ثانیه که با 11518

ساچمه که وقوع آن پس از دمونتاژ یاتاقان تایید عیب)به طور خاص فرکانس مشخصه عیبهای پالس با مشخصه فرکانسگنال شاکسی

سیگنال زمانی انولوپ 20قابل مشاهده نیست. در شکل ، این عالئمسیگنال زمانی ارتعاشات انولوپطیف درشود و شده است( دیده می

نشان داده Bعالمت انیه که با ث 14671 )لحظه در تست هشتم ی انتخاب شده دومپالس در لحظهشاکسریع تبدیل فوریه ارتعاشات و

سیگنال زمانی انولوپو ساید بندهای آن در ی عیب المان غلتشیمشخصهشده( ارائه شده است. در این لحظه رشد دامنه فرکانس

ساچمه 3( مشاهده شد که 6نتهای این تست و پس از دمونتاژ یاتاقان )شکل در بازرسی چشمی اگردد. به وضوح مشاهده نمیارتعاشات

اند. همین موضوع روی کیفیت طیف فرکانسی در این نقطه اثر گذاشته است.دچار آسیب شده

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست هشتم A لحظه عیب. تشخیص نوع 19شکل

Fig. 19. Fault detection at the moment A of the eighth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

ACCEPTED MANUSCRIPT

19

سیگنال ارتعاشات( انولوپپالس، چپ: طیف فرکانسی )راست: طیف فرکانسی سیگنال شاکدر تست هشتم B لحظه عیب. تشخیص نوع 20شکل

Fig. 20. Fault detection at the moment B of the eighth experiment (Right: FFT of the shock pulse signal Left:

FFT of the vibration signal)

هابحث در مورد نتایج تحلیل -3-4

د، های قبلی ارائه گردیهای غلتشی که در بحثهای به دست آمده در هشت تست عمر پرشتاب یاتاقانبر اساس نتایج تحلیل سیگنال

و تشخیص داده شده استزودتر یا همزمان عیبپالس همواره نسبت به روش آنالیز ارتعاشات رشد شود که در روش شاکمشاهده می

شود که در تمام حاالتی ها، مشاهده میشروع به رشد کرده است. با بررسی مودهای خرابی رخ داده در این تستی مربوط به آن خصیصه

ی که هایپالس زودتر شروع به رشد کرده است، عیب ایجاد شده مربوط به المان غلتشی بوده است. حال آنکه، تمامی تستکه روش شاک

به پالسسیگنال شاکپالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال یشه میانگین مربعاترخصیصه خرابی در رینگ داخلی رخ داده است،

یاتاقان یپالس در پوستهشاک سنسورشود که توجه اند. برای توجیه این موضوع الزم است به این نکته طور همزمان شروع به رشد کرده

های اولیه ایجاد شده در رینگ داخلی بایستی از و نزدیک به رینگ خارجی نصب شده است. لذا امواج االستیک تولید شده در اثر ترک

سطح رینگ خارجی و پوسته و پوسته و خلی و ساچمه، ساچمه و رینگ خارجی،چهار سطح تماس بین اجزا )سطح تماس بین رینگ دا

رینگ خارجی فیلم روغن نیز وجود دارد. ند. ضمن اینکه بین اجزای رینگ داخلی و ساچمه و همچنین ساچمه وسنسور( عبور کن پراب

فرکانس باال در عبور امواج گیرد و میراییرا اندازه می (هرتز کیلو 32پالس امواج فرکانس باال )با توجه به این که سنسور شاک ،بنابراین

به قادر گردند و این سنسورپالس تا حد زیادی تضعیف میاز سطوح تماس بیشتر است، این امواج در موقع رسیدن به سنسور شاک

به شروع تا زمانی که شدت آنها در اثر جدا شدن ذرات از سطح بیشتر شود که در این هنگام ارتعاشات نیز غالباً ؛ باشدتشخیص آنها نمی

ری و فیلم روغن کمت است، امواج االستیک از تعداد سطوح تماسی المان غلتشیکند. حال آنکه زمانی که رشد ترک اولیه در افزایش می

توجه به این نکته ضروری است که تشخیص نوع عیب مربوط به المان غلتشی کنند و مسلما میرایی کمتری نیز خواهند داشت.عبور می

های تجربی گزارش شده در با چالش مواجه است. در حالی که مطابق نتایج تست در عملای( مان کروی )ساچمههای با الدر یاتاقان

، عملکرد بسیار عیبای و تعیین نوع های غلتشی ساچمهدر المانپالس در تشخیص زودهنگام وقوع عیب شاک روشپژوهش حاضر،

های خارجی رخ نداده است، اما مطابق با بحث انجام انجام شده خرابی رینگهای هیچ یک از تست در خوبی را نشان داده است. اگرچه

تواند در نیز عملکرد مطلوبی داشته باشد که این موضوع میرینگ خارجی عیب در تشخیص پالسشاکرود روش فوق، انتظار می یشده

مطالعات آینده مورد بررسی قرار گیرد.

ACCEPTED MANUSCRIPT

20

گیرینتیجه -4

اب های عمر پرشتای از تست. گزارش انجام مجموعهشدهای غلتشی معرفی یابی یاتاقانپالس برای عیبشاک روشدر این مقاله ابتدا

سیگنال پالس ماکزیمم و شتاب ارتعاشات سیگنال ریشه میانگین مربعاتهای غلتشی ارائه گردید. سپس روند رشد خصیصه یاتاقان

پالس ماکزیمم ی مورد مطالعه بررسی شد. نتایج مطالعه تجربی نشان داد که در مجموع خصیصه نمونه هشتپالس در شاک پالسشاک

عیوبدر تشخیص زود هنگام مربوط به المان غلتشی بوده است( عیب)به خصوص زمانی که عملکرد بهتری پالسسیگنال شاک

نیز عملکرد این دو خصیصه یکسان بوده رینگ داخلی است( بعی مربوط به )که غالباًهای غلتشی دارد. هر چند در بعضی موارد یاتاقان

را نیز آننوع عیب،تشخیص زود هنگام وقوع عالوه بر روشپالس، این های شاک، با بکار بردن طیف فرکانسی سیگنالاست. از طرفی

به خوبی تعیین کند. است توانسته

تشکر و قدر دانی

گیری و کمک تک( به دلیل در اختیار قرار دادن تجهیزات اندازهصنعت آموز نوین پارسی )پارسیدانند از شرکت نویسندگان مقاله الزم می

.ا تقدیر و تشکر به عمل آورندهبه انجام آزمایش

منابع -5[1] A. Davies, Handbook of Condition Monitoring, 1998, in, Chapman and Hall, London. [2] P. Albrecht, J. Appiarius, R. McCoy, E. Owen, D.J.I.T.o.E.c. Sharma, Assessment of the reliability of motors in utility applications-Updated, (1) (1986) 39-46. [3] C.J. Crabtree, D. Zappalá, P.J. Tavner, Survey of commercially available condition monitoring systems for wind turbines, (2014). [4] A. Rai, S.J.T.I. Upadhyay, A review on signal processing techniques utilized in the fault diagnosis of rolling element bearings, 96 (2016) 289-306. [5] D.J.N.-D.T. Butler, The shock-pulse method for the detection of damaged rolling bearings, 6(2) (1973) 92-95. [6] T.J.A.S.I.W.P. Sundström, SPM Instruement AB, An Introduction to the SPM HD Method, (2010). [7] N. Tandon, K.J.N. Kumar, V. Worldwide, Detection of defects at different locations in ball bearings by vibration and shock pulse monitoring, 34(3) (2003) 9-16. [8] N. Tandon, G. Yadava, K.J.M.s. Ramakrishna, s. processing, A comparison of some condition monitoring techniques for the detection of defect in induction motor ball bearings, 21(1) (2007) 244-256. [9] R. Yang, J. Kang, J. Zhao, J. Li, H. Li, A case study of bearing condition monitoring using SPM, in: Prognostics and System Health Management Conference (PHM-2014 Hunan), 2014, IEEE, 2014, pp. 695-698. [10] P. McFadden, J.J.T.i. Smith, Vibration monitoring of rolling element bearings by the high-frequency resonance technique—a review, 17(1) (1984) 3-10. [11] S. Abdusslam, P. Raharjo, F. Gu, A. Ball, Bearing defect detection and diagnosis using a time encoded signal processing and pattern recognition method, in: Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2012, pp. 012036. [12] D.J.D.i. Howieson, SKF Reliability Systems, Vibration Monitoring: Envelope Signal Processing, (2003). [13] H. Konstantin-Hansen, H.J.S. Herlufsen, Vibration, Envelope and cepstrum analyses for machinery fault identification, 44(5) (2010) 10. [14] J.J.M.s. Antoni, s. processing, The spectral kurtosis: a useful tool for characterising non-stationary signals, 20(2) (2006) 282-307.

ACCEPTED MANUSCRIPT

21

Using Shock Pulse Method for Early Fault Detection of Rolling Element Bearings and Comparing

with Vibration Envelope Technique

Mehdi Behzada1, Ali Davoodabadia, Hesam Addin Arghanda

a School of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

Abstract:

Ddiagnostics and early fault detection of the rolling element bearings (REBs) lead to the reliability enhancement

of rotating machines. In recent decades, the shock pulse method (SPM) has been developed to detect faults in the

early stage of REBs degradation. In this paper, the measurement results of some REBs accelerated life tests have

been reported. Then, using extracted features from vibration and SPM, early fault detection in these experiments

has been investigated. To analyze vibration signals, the trend of Vrms (root mean squares of vibration signals) is

used for detecting fault existence. In addition, REBs characteristic frequencies and envelope technique is employed

for predicting fault type. On the other hand, the trend of SPMHDm feature is also studied for early stage fault

existence in REBs. The fast Fourier transform (FFT) of SPM time signals have been employed for diagnostics aim.

The presented results show that usually fault existence and fault type could successfully be detected earlier in

extracted features from SPM rather than those extracted from vibration signals. However, in some cases, both

techniques have detected faults at the same time. The observed failure modes at the end of all experiments are in

an excellent agreement with predicted fault types.

Keywords: Rolling element bearings, condition monitoring, early fault detection, shock pulse method, vibration

envelope technique

1 m_behzad@sharif.edu

ACCEPTED MANUSCRIPT