Εφαρμογή νοημόνων μεθόδων επεξεργασίας δυναμικών σημάτων στη διάγνωση βλαβών μηχανολογικού εξοπλισμού

Abstract

The demodulation of dynamic signals is studied using two approaches towards the aim of the automated export of the diagnostic information. The first approach is based on the Teager-Kaiser non-linear Differential Energy Operator and the Energy Operator Separation Algorithm – EOSA is used. The second approach is based on the Complex Shifted Morlet Wavelets. A number of methodologies and criteria have been proposed for the automatic selection of the two optimal wavelet parameters. These criteria are systematically analyzed and compared. A new criterion for the simultaneous optimal selection of the critical parameters is proposed, offering opportunities in order to automate the extraction of the envelope of the signal and detect most reliably and safest the demodulation band. Moreover, the detection of cracks in beam structures is attempted using a combination of the Principal Orthogonal Decomposition and the Morphological Processing. The four basic morphological operators are compared, using different types of structuring elements. The operator of erosion (erosion) with a curved (spline) structuring element presents the better results. The performance of the method is assessed using different beam structures that present a "breathing" crack and several factors, such as the boundary conditions, the location of the crack, the depth of the crack, the existence of multiple cracks, the distance between the multiple cracks, the level of noise in the measurements and the spatial resolution of the measured points. Furthermore, an automatic system for the fault diagnosis of ball element bearings is proposed, using the method of Support Vector Machines. The automatic fault diagnosis can be divided into two main parts, the input – preprocessing of the signals and the classification procedure. A hybrid algorithm which is based on a stochastic simulation model of the dynamic response of ball bearings, on the strategy of One-Against-All and on the method of Support Vector Machines is proposed. The simulated signals are generated by a well defined model that describes the dynamic response of damaged bearings. The features, which can be extracted from the spectra of both the raw signal and the envelope of the signal and characterize the changing condition of the engine, are considered. The key aspect is the extraction of the energy which is developed and spread at carefully, correctly and precisely defined frequency bands, that can be determined based on the good understanding of the nature of the phenomenon of the occurrence of the damage from an engineering standpoint. The successful definition of the frequency bands can lead to a more accurate, reliable and automated monitoring of rotating machinery and to accurate and on time fault diagnosis. Likewise in order to overcome the deterioration of the spectrum due to the emergence of transient phenomena, the use of Order Analysis is proposed. The proposed methods are evaluated using simulated and real signals. The real signals are derived from measurements performed at industrial plants and from international databases containing experimental measurements.

Αρχικά μελετάται η αποδιαμόρφωση δυναμικών σημάτων με χρήση δύο προσεγγίσεων, με στόχο την αυτοματοποιημένη εξαγωγή διαγνωστικής πληροφορίας. Η πρώτη προσέγγιση βασίζεται στον Μη Γραμμικό Διαφορικό Ενεργειακό Τελεστή Teager-Kaiser και χρησιμοποιείται ο Αλγόριθμος Διαχωρισμού Ενεργειακού Τελεστή (Energy Operator Separation Algorithm - EOSA). Η δεύτερη προσέγγιση βασίζεται στη χρήση μετατοπισμένων μιγαδικών κυματιδίων Morlet. Για την αυτόματη και βέλτιστη επιλογή των δύο κυματιδιακών παραμέτρων έχουν προταθεί μια σειρά από μεθοδολογίες και κριτήρια. Τα κριτήρια αυτά ελέγχονται συστηματικά και συγκρίνονται μεταξύ τους. Προτείνεται ένα νέο κριτήριο για την ταυτόχρονη βέλτιστη επιλογή των κρισίμων παραμέτρων προσφέροντας δυνατότητες για αυτοματοποίηση της διαδικασίας υπολογισμού της περιβάλλουσας καθώς και εγκυρότερο και ασφαλέστερο εντοπισμό της ζώνης αποδιαμόρφωσης. Στη συνέχεια επιχειρείται ο εντοπισμός ρωγμών σε κατασκευές δοκών με συνδυασμό των μεθόδων Αποσύνθεσης Ορθοκανονικών Προβολών και Μορφολογικής Επεξεργασίας. Οι τέσσερεις βασικοί μορφολογικοί τελεστές συγκρίνονται, χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους δομικών στοιχείων. Ο τελεστής της διάβρωσης (erosion) με ένα καμπύλο (spline) δομικό στοιχείο φαίνεται να παρουσιάζει τα καλύτερα αποτελέσματα. Η απόδοση της μεθόδου εκτιμάται σε διαφορετικές κατασκευές δοκών που παρουσιάζουν μια “αναπνέουσα” ρωγμή, αναφορικά με διάφορους παράγοντες, όπως οι οριακές συνθήκες, η θέση της ρωγμής, το βάθος της ρωγμής, η ύπαρξη πολλαπλών ρωγμών, η απόσταση μεταξύ των πολλαπλών ρωγμών, το επίπεδο του θορύβου κατά την μέτρηση και η χωρική ευκρίνεια των μετρούμενων σημείων. Επιπλέον προτείνεται Αυτόματο Σύστημα Διάγνωσης Βλαβών Ένσφαιρων Τριβέων με χρήση της μεθόδου Μηχανών Διανυσματικής Υποστήριξης (Support Vector Machines). Η Αυτόματη Διάγνωση Βλαβών μπορεί να χωριστεί σε δύο βασικά τμήματα, στην εισαγωγή-προεπεξεργασία των σημάτων και στην μέθοδο ταξινόμησης. Προτείνεται ένας υβριδικός αλγόριθμος που βασίζεται σε ένα Στοχαστικό Μοντέλο Προσομοίωσης Δυναμικής Απόκρισης Ένσφαιρων Τριβέων, στην στρατηγική Ένας-Εναντίον-Όλων (One-Against-All) και στην χρησιμοποίηση της μεθόδου Μηχανών Διανυσματικής Υποστήριξης SVM. Τα προσομοιωμένα σήματα παράγονται από ένα καλά καθορισμένο μοντέλο που περιγράφει την δυναμική απόκριση φθαρμένων ένσφαιρων τριβέων. Εξετάζονται χαρακτηριστικά που μπορούν να εξαχθούν από τα φάσματα τόσο των αρχικών σημάτων όσο και της περιβάλλουσάς τους και αποτελούν περιγραφικούς δείκτες της μεταβολής της Κατάστασης Λειτουργίας της Μηχανής. Ως κύριο μέτρο-χαρακτηριστικό λαμβάνεται ο υπολογισμός της ενέργειας που κατανέμεται και αναπτύσσεται σε προσεκτικά, ορθά και αυστηρά καθορισμένες ζώνες συχνοτήτων, που μπορούν να καθοριστούν με βάση την καλή κατανόηση της φύσης του φαινομένου εμφάνισης της βλάβης από την σκοπιά ενός μηχανικού. Ο πετυχημένος ορισμός των συχνοτικών αυτών ζωνών μπορεί να οδηγήσει σε ακριβέστερη, πιο αξιόπιστη και αυτοματοποιημένη παρακολούθηση της κατάστασης λειτουργίας περιστρεφόμενου εξοπλισμού και στην έγκυρη και έγκαιρη διάγνωση βλαβών. Παράλληλα για να ξεπεραστεί η αλλοίωση του φάσματος συχνοτήτων λόγω εμφάνισης μεταβατικών φαινομένων προτείνεται η χρήση Ανάλυσης Τάξης (Order Analysis). Οι προτεινόμενες μέθοδοι αξιολογούνται με εφαρμογή τους σε προσομοιωμένα και πραγματικά σήματα. Τα πραγματικά σήματα προέρχονται από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και από διεθνείς βάσεις δεδομένων που περιλαμβάνουν μετρήσεις σε πειραματικές διατάξεις.