Application of statistical process control method to monitor wear and broken tooth faults in spur gears using vibration data

Year 2018, , 181 - 191, 01.04.2018

Sinan Maraş Hakan Arslan

https://doi.org/10.16984/saufenbilder.221303

Abstract

Gears are
machine elements used extensively in many areas of industry to transmit power
and motion. Damage occurs due to working under compulsive conditions effective
gear fault detection is crucial to prevent greater drawbacks and economic losses.
The objective of this study is to monitor the existence of different types of
gear defects by examining changes in the vibrations of spur gears due to faults
using vibrations analysis and statistical process control methods. For this
purpose, a closed-loop test rig was constructed. Firstly, good gears were
attached to the test assembly and vibrations data which received at radial direction
via sensors on the bearings were recorded by operating the system at various
loading and number of cycle’s conditions. Thus, a reference spectrum was
obtained. Then the system was operated with artificial wear and fracture which
were created on the surfaces of spur gears at various loading and number of
cycles conditions. Vibrations data which were received from the bearings were
recorded. These data were plotted on statistical control carts and frequency
spectrum. Graphs of data obtained from good gears and defective gears were
compared with each other. Thus it was possible to detect the existence of worn
gear, one tooth broken pinion gear and one
tooth broken from each pinion and wheel gears.

Keywords

spur gears, gear faults, vibrations, statistical process control, fault diagnosis

Düz dişlilerdeki aşınma ve kırık diş hatalarının tespit edilmesinde titreşim verileri kullanılarak istatistiksel proses kontrol uygulaması

Abstract

Dişli çarklar güç ve hareket iletimi için endüstrinin her
alanında, değişik ortam ve koşullarda kullanılan makine elemanlarıdır.
Makinelerin bu önemli elemanlarının zorlayıcı şartlar altında çalışması sonucu,
dişilerde hasarlar meydana gelmekte ve daha büyük olumsuzlukları önleyebilmek
için bu hasarların bilinmesi ve oluşum nedenlerinin tespit edilmesi
gerekmektedir. Bu çalışmada amaç, dişli arızalarının sebep olduğu titreşimlerin
istatistiksel proses kontrol grafiklerinde analiz edilerek düz dişli hata tespitini
gerçekleştirmektir. Bu amaçla bir deney düzeneği kurulmuş, önce sağlam
dişlilerin kullanılması ile farklı yükleme ve devir sayıları durumları için
rulmanlı yataklar üzerinden radyal yöndeki titreşimler kaydedilerek referans
spektrumları elde edilmiştir. Daha sonra sağlam dişliler üzerinde yapılan
işlemlerle suni olarak aşınma ve kırık hasarları oluşturulmuştur. Düzenek
çeşitli ön yük ve devir sayılarında çalıştırılarak rulman yataklarındaki
titreşimler kaydedilmiştir. Bu titreşimlerin frekans spektrumları ve
istatistiksel proses kontrol grafikleri çizdirilmiştir. Sağlam ve hasarlı dişli
durumları için oluşturulan grafikler karşılaştırıldığında aşınmış dişli, tek
dişi kırık pinyon dişli ve tek dişi kırık pinyon ve tekerlek dişli hasarlarının
varlığı tespit edilebilmiştir.

Keywords

Düz Dişli Çarklar; Dişli Arızaları; Titreşimler; İstatistiksel Proses Kontrol, Hata Teşhisi

References

• Fakhfakh, T., Chaari, F., Haddar, M., ‘‘Numerical and Experimental Analysis of A Gear System With Teeth Defects’’, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Cilt 25, 542-550, 2005.
• Ai, S., Li, H., ‘‘Gear Fault Detection Based on Ensemble Empirical Mode Decomposition and Hilbert-Huang Transform’’, 5th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery, Shandong, 173-177, 18-20 Ocak 2008.
• Öztürk, H., Yeşilyurt, İ., ve Sabuncu, M., ‘‘Dişli Çark Oyukçuk Arızasının Titreşim Analizi ile Tespiti’’, Makine Teknolojileri Dergisi., Aralık, 72-79, 2005.
• Baydar, N., Ball, A., ‘‘A Comparative Study of Acoustic And Vibration Signals in Detection of Gear Failures Using Wigner-Ville Distribution’’, Mechanical Systems and Signal Processing., Cilt 15, No 6, 1091-1107, 2001.
• Park, C., Lee, J.M., ‘‘Experimental Investigation of the Effect of Lead Errors on Helical Gear and Bearing Vibration Transmission Characteristics’’, KSME International Journal, Cilt 16, No 11, 1395-1403, 2002.
• Loutridis, S.J., ‘‘Damage Detection in Gear systems Using Empirical Mode Decomposition’’, Engineering Structures, Cilt 26, No 12, 1833-1841, 2004.
• Wang, W., ‘‘Early Detection of Gear Tooth Cracking Using the Resonance Demodulation Technique’’, Mechanical Systems and Signal Processing, Cilt 15, No 5, 887-903, 2001.
• Parey, A., Tandon, N., ‘‘Impact Velocity Modelling and Signal Processing of Spur Gear Vibration For the Estimation of Defect Size’’, Mechanical Systems and Signal Processing, Cilt 21, No 1, 234–243, 2007.
• Sung, C.K., Tai, H.M., Chen, C.W., ‘‘Locating Defect of A Gear System By the Technique of Wavelet Transform’’, Mechanism and Machine Theory, Cilt 35, No 8, 1169-1182, 2000.
• Amabili, M., Fregolent, A., ‘‘A Method To Identify Modal Parameters and Gear Errors By Vibrations of A Spur Gear Pair’’, Journal of Sound and Vibration, Cilt 214, No 2, 339-357, 1998.
• Andrade, F.A., Esat, L.L, Badi, M.M., “Gear condition monitoring by a new application of the Kolmogorov-Smirnov test”, Journal of Mechanical Engineering Science, Cilt 215, 653-661, 2001.
• Birgören, B. ve Koçer B., “İstatistiksel proses kontrol çizelgelerinde hata teşhisine yönelik yaklaşımlar”, G. Ü. Fen Bilimleri Dergisi, Cilt 17, No 4, 59-69, 2004.
• Zhan, Y., Makis, V., Jardine, A.K.S., “Adaptive state detection of gearbox under varying load conditions based on parametric modelling”, Mechanical Systems and Signal Processing, Cilt 20, Sayı 1, 188-221, 2006.
• Wang, W.Q., Ismail, F., Golnaraghi, M.F., “Assessment of gear damage monitoring techniques using vibrations measurements”, Mechanical Systems and Signal Processing, Cilt 15, No 5, 905-922, 2001.
• Djeddou, F., Zegadi, R., “Practical statistical methods for predicting life reliability of fine pitch gear pairs”, Journal of Engineering and Applied Sciences, Cilt 2, No 3, 494-500, 2007.
• Yimin, S., Mechefske, C. K., “Gearbox vibration monitoring using extended kalman filters and hypothesis tests”, Journal of Sound and Vibration, Cilt 325, 629–648, 2009.
• Orhan, S., ve Aktürk "Aktarma Organı Dişlilerinde Oluşan Fiziksel Hataların Titreşim Analizi ile Belirlenmesi", Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlik Fakültesi Dergisi, Cilt 18, No 3, 97-106, 2003.
• Taylor, J. I., The Vibration Analysis Handbook, Vibration Consultant Inc., Florida, A.B.D., 1994.
• Örümlü, M., “Üretim sürecinde istatistiksel proses kontrol ve işletme uygulamaları”, Yüksek Lisans Tezi, Celal Bayar Üniv., Fen Bil. Enst., 2006.