Experimental Investigation of the Rolling Contact Fatigue Behaviour of Toroidal Bearings Using Acoustic Emission
Loading...
Date
Authors
Mohammad, Housam
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Ložiska jsou nezbytnou součástí většiny mechanismů a jejich selhání je hlavní příčinou poruch strojů. Poškození ložiska, pokud je správně namontováno, seřízeno, mazáno, udržováno a není přetěžováno, se připisuje vzniku tzv. kontaktní únavy, což je degradační proces vznikající v důsledku cyklického, lokalizovaného zatížení. Jejím důsledkem může být poškození, které má podobu důlků vzniklých na povrchu, nebo dalších strukturních defektů, vznikajících pod zatěžovaným povrchem. Tato práce se soustředila na specifický typ ložiska, který si od svého zavedení do praxe získal zvýšenou popularitu, a to toroidní válečkové ložisko. Hlavní výhodou tohoto typu ložisek je jejich schopnost současně vyrovnávat axiální nesouosost a případné úhlové naklápění. V důsledku vysokých zatížení (momentů) na hlavní hřídeli a náhlým poruchám ložisek bylo jedním z hlavních podnětů k experimentálnímu studiu tohoto typu ložiska v laboratoři a v provozu s využitím akustické emise jako primární metody nedestruktivní diagnostiky. Existuje velké množství výzkumů, které dokumentují použití akustické emise jako úspěšného nástroje nedestruktivního zkoušení pro predikci a detekci iniciace defektů v ložiscích. Většina studií používala pro znázornění časové průběhy základních parametrů signálu AE, která se ukázala být do jisté míry užitečná. V počáteční fázi této práce byly z důvodů porovnání použity parametry v časové oblasti společně s měřením úrovně vibrací a změny teploty. Větší pozornost pak byla věnována charakteristikám AE ve frekvenční oblasti, zejména použití dominantní frekvence (DF) hitů AE, protože se v poslední době mnoha studiemi v oblasti geotechnického inženýrství prokázalo, že poskytuje úzkou korelaci s aktivními defekty ve sledovaném materiálu. Hodnocení stavu toroidních ložisek se neomezilo pouze na laboratorní zkoušky, ale rozšířilo se na dlouhodobá měření přímo v provozu, kde byla toroidní ložiska instalována. Za tímto účelem byl vyvinut bezdrátový systém dálkového monitorování stavu. Pro lepší vizuální znázornění zastoupení DF byl zaveden koncept DF map a pro automatizaci a usnadnění jejich tvorby byla vyvinuta řada kódů v Matlabu. Shromáždění map DF do jednoho grafu pro určité časové intervaly a možnost jejich statistické analýzy poskytly rozšířené možnosti hodnocení technického stavu ložiska a v případě dalšího výzkumu také predikci zbývající životnosti.
Bearings are an essential part of most types of machines and their failure is the main reason for the machines’ failure. The failure of a bearing when it is properly mounted, aligned, lubricated, maintained and not overloaded is attributed to the so-called rolling contact fatigue, which is a degradation phenomenon as a result of cyclic, localized loading. It results in early fatigue damage called crack-like flaws, which takes the shape of surface originated pitting and/or subsurface originated spalling. This work concentrated on a specific type of bearing that has gained increased popularity since its introduction, which is the Toroidal Roller bearing. The main advantage of this type of bearing is its ability to accommodate axial misalignment and angular tilting together. The successful application of toroidal bearings on the main shaft of wind turbines was one of the leading incentives to study this type of bearing experimentally in a laboratory and on-site using acoustic emission as a primary nondestructive testing technique. There is a big body of research that documents the use of acoustic emission as a successful NDT tool for detecting and predicting the initiation of defects in bearings. Most of the studies used time-domain feature extraction in AE, which was proved to be useful to a certain extent. In the early stage of this work, time-domain parameters were used for comparison reasons, as well as vibration and temperature. More concentration was then put on the frequency-domain of AE signal, especially the use of dominant frequency of AE hits as a parameter, since it has been proven recently, by many studies in geotechnical engineering field, to give close correlation with the defects in the monitored material. The condition monitoring of toroidal bearing was not confined to laboratory tests, but extended to long measurements on-site where they were installed. For that purpose, a wireless remote condition monitoring system was developed. For better visual representation of the dominant frequency representation, the concept of DF maps was introduced, and a number of Matlab snippets codes were developed to automate and facilitate its creation. Collecting DF maps in a single graph for specific time intervals and the ability to statically analyze them gave an opportunity to quantify the defects, which would be a solid foundation for any future work.
Bearings are an essential part of most types of machines and their failure is the main reason for the machines’ failure. The failure of a bearing when it is properly mounted, aligned, lubricated, maintained and not overloaded is attributed to the so-called rolling contact fatigue, which is a degradation phenomenon as a result of cyclic, localized loading. It results in early fatigue damage called crack-like flaws, which takes the shape of surface originated pitting and/or subsurface originated spalling. This work concentrated on a specific type of bearing that has gained increased popularity since its introduction, which is the Toroidal Roller bearing. The main advantage of this type of bearing is its ability to accommodate axial misalignment and angular tilting together. The successful application of toroidal bearings on the main shaft of wind turbines was one of the leading incentives to study this type of bearing experimentally in a laboratory and on-site using acoustic emission as a primary nondestructive testing technique. There is a big body of research that documents the use of acoustic emission as a successful NDT tool for detecting and predicting the initiation of defects in bearings. Most of the studies used time-domain feature extraction in AE, which was proved to be useful to a certain extent. In the early stage of this work, time-domain parameters were used for comparison reasons, as well as vibration and temperature. More concentration was then put on the frequency-domain of AE signal, especially the use of dominant frequency of AE hits as a parameter, since it has been proven recently, by many studies in geotechnical engineering field, to give close correlation with the defects in the monitored material. The condition monitoring of toroidal bearing was not confined to laboratory tests, but extended to long measurements on-site where they were installed. For that purpose, a wireless remote condition monitoring system was developed. For better visual representation of the dominant frequency representation, the concept of DF maps was introduced, and a number of Matlab snippets codes were developed to automate and facilitate its creation. Collecting DF maps in a single graph for specific time intervals and the ability to statically analyze them gave an opportunity to quantify the defects, which would be a solid foundation for any future work.
Description
Citation
MOHAMMAD, H. Experimental Investigation of the Rolling Contact Fatigue Behaviour of Toroidal Bearings Using Acoustic Emission [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (předseda)
Univ.-Prof. Dipl-Ing. Dr. techn. Franz Rauscher (člen)
Assist. Prof. Dr. Tomaž Kek (člen)
prof. Ing. Luboš Pazdera, CSc. (člen)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
Defence
Disertační práce splňuje požadavky plynoucí z § 47 Zákona č. 111/1998 Sb., Zákona o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů a z článku 42 Studijního a zkušebního řádu Vysokého učení technického v Brně. Obsahuje původní výsledky uveřejněné mj. ve třech článcích v impaktovaném časopise.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení