Indonesi an  Journa l  of El ect ri cal Engineer ing  an d  Comp ut er  Sci ence   Vo l.  9,  No.  2,   Februa ry 20 18,  pp.  493 ~ 501   IS S N: 25 02 - 4752, DO I: 10 .11 591/ijeecs .v9.i 2.pp 493 - 501          493       Journ al h om e page :  http: // ia es core.c om/j ourn als/i ndex. ph p/ij eecs   A Re al Tim e Con diti on Moni toring Sy stem fo r Gea rs Ope rating  un der Var i able Load  Co nd itions       Alw ad ie . A   Facul t y   of Engin ee ring ,   El e ct ri cal  Eng ine er ing  D epa rtment ,   Na jran Unive rsit y ,    King  Abdulaziz   Road,   St at e   Najr an,   Saud i  Arab ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   J un   9 , 201 7   Re vised  N ov   2 0 , 2 01 7   Accepte d  Dec  11 , 201 7       Gea rs  are  important   component  of  the   ro ta t ional   power  tra nsm ission  s y stem   and  are   la rg ely   u sed  in  var i abl e l oad  and  spee d  a ppli c at ions. The   fau lt s on  the  gea r  gen erate   ex ce ss ive   vibr at ion   which  leads  to  bre akdown  of  th e  m ac hine.   Sensor  base d  m et hods  coul d  d ia g nose  gea r  fau l ts  but  prove d  to  be   expe nsiv e   and  have   l imited  appl icat ions  due  to  hea v y   cost   an d  nee d  of  a c ce ss   of  gea r   box  for  sensor  insta llati on .   T he  m otor  stat or   cur ren t  ana l y si s  has  bee n   rep orte d  to  ove rco m e  the   dra wbac ks  of  the   sensor  base d  fau lt   det e ct i o n   m et hods.  How eve r,   m otor  stat or   cur ren t  an aly sis  has  a  li m it ed  capabi lit y   for   rel i abl e  d e t ec t io n  of  sm al l  gear  fau lt   sign at ur es  t y p ically   for   low  loa d   condi ti ons .   Th is  pape r   pre sen ts  an  a lt ern at iv e  n on - inva sive   app roa ch  b ase d   on  insta nta n eous   power  ana l y sis  of  the   m otor  to  r el i ably   di agnose   gea r  fau lt s  for  var ia b le   load  appl i ca t ions.  The   th eor etic al  and  expe r ime nta l  r esult s  indi c at es  that  the   insta nta n eou s  power  ana l y si s  offe rs  thre e  fau lt   relat ed   har m onic s  and  amplit ude  v aria ti ons  on  the se   har m onic s  could  give   th e  indi c at ion  of   he al th  st at us  of  t he  ge ar.     The  superior ity   of   t he  proposed   insta n ta n eous  p ower  ana l y sis  te chn ique   has  bee n  conf irmed   through  expe riments  pe rform ed  on  thr ee   oper a ti ng  point s  of  the   m otor.   The  compari son  of  the   ampli tude   s ensit ivit y   of  th e  m otor  stat or   cur ren t   and  insta nta n eous  power  at   three  ope rat ing  poin ts  has  bee n  per form ed   to  val id ate   the   super iori t y   o f  the proposed te chni que .   Ke yw or d s :   Gear healt h m on it ori ng   Motor co uple d gea r  fa ults   Re li able fau lt   detect ion   Sign al   proces sing   Copyright   ©   201 8   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Alwa die.  A ,    Faculty  of E ngineerin g, Ele ct rical  Enginee ring D e pa rtm ent , N a jran  Unive rsity   King  Abd ulazi z Roa d,   Stat e N aj ra n,   Saudi  Ar a bia   Em a il :  al wad ie @hotm ail.co m       1.   INTROD U CTION     The  gear s  a re  the  im po rtant  c om po ne nt  of  the  in dustria l  f aci li ti es  and   ar e  us e d  in  the  m achines  f or  the  r otati on al   powe r  tra ns m iss ion .   Th e  reli ab il ity  and   c os t  e ff ect ive  operati on  of  in dustria l  m achines  c ould  be   ens ur e d  thr ou gh   a doptio n  of  the  pro pe r  conditi on   m on i toring  te ch nique  [ 1 - 5].  The   un e xpect ed  m achine   sh ut dow ns   an d  cat ast rop hic  fail ur es  co uld  be  av oid e d  thr ough  co ntin uous   c onditi on  m on it or in g  a nd   fau l t   diag nosis  proc ess.  Ma ny  c onditi on   m on it ori ng   te c hn i qu es   su c h  as  vib rat ion   a naly sis,  tem per at ure  an al ysi s ,   so un d  a naly sis,  aco us ti c  em i ssion,  n on - i nvasi ve  m oto r  st at or   c urre nt  a naly sis  ha ve  be en  repor te d  i n  the   li te ratur e  [6 - 9].  Me asur em ent  m et ho d,   co st  of   the  se nsors ,   instal la ti on   of  the  sensors  a nd   r el ia bili ty   of   the  m easur ed  data   are  the  i m po r ta nt  par am et ers  in  the  sel ect i on   of   the  pro pe r  co nd it io n  m on it ori ng  te ch nique  [10 - 12] .   Seve ral  stud ie s  hav e  bee n  c onduct ed  in  the  past  to  m o nitor   the  co nd it ion   of   the  ge ar  thr ough   vibrat ion   a naly sis  te chn iq ue  [ 13 - 17 ] .  Althou gh   vibrat ion   a naly sis  hav e  be en  sho wn   t o  s uccess fu ll y  dia gnos e   the  gea r  f aults   but  it   involve s  the  huge  c ost   of   t he  acce le ro m et ers  us e d  for  data  colle ct ion   a nd  it s  use   is   lim it ed  wh e re  acce ss  to  the  ge arbo x  is  no t  po s sible  f or   se ns or  instal la ti on  [ 18 - 24 ] .  T he   non - i nv a sive  m oto r  sta tor  c urre nt  a naly sis  has   bee n  pro po s ed   by   few  resea rc hers   to  overc om e  the  dr a wb ac ks  associat ed   wit h  t he   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   493  –   501   494   vibrat ion   analy sis  te chn i qu e   [ 25 - 27 ] .  T he  st at or   c urren t  c ould  be  m easure d  f r om   the  m otor  s upply  li ne   an d  thu s  it   do e s  not  re qu i res  ac cess  to  t he  ge arbo x.   Althou gh,  m oto r  sta t or   c urre nt  ana ly sis  te chn iq ue   is  b est   al te rn at ive  to   vibrat ion  anal ysi s  te chn iq ue   for  th e  de vel op m ent  of  an   econom ic al   and   ver sat il e  co nd it io n  m on it or ing   syst e m ,  howev e r,   m os t  of   the  r es earche rs  have  us e d  this  m et ho d  only   on  f ull   load  c onditi on   [28 - 30 ] .  Hence ,  th ere  is  a  nee d  to  ex plore  th e  e ff ect ive ness  of  m oto r  sta to r  c urren t  a naly sis  m et ho d  to  dia gnose   gear   fa ults  for  var ia ble  loa ding  poi nts  of  the   m oto r.   F ur the rm or e,  the  tw o  fau lt   relat e d  c om po ne nts  pr oduce d  by  sta tor  c urre nt  sp ect r um   app ear  nea r  to  fund am ental   co m po nen t  a nd   a m pl it ud e  o f  the se  fau lt   c om po nen ts  i s   su pp resse d  by  the  la rg e  am plit ud e  of  the  f undam ental   co m po nen t  [ 31 - 33] .  Th us,  the  r el ia ble  fau lt   de te ct ion   thr ough m oto r st at or  c urren t  a naly sis i s sti ll  a ch al le ngin g  is su e i n on - li ne  c onditi on m on it or i ng appli cat ion s .   Re centl y ,  so m e  of   t he  resear cher s   ha ve  repor te d  the  us e  of  insta ntane ou s   powe r  sig nal  ( wh ic h  ta ke s   the infor m at ion  fro m  b oth  t he  stat or  curre nt  an d v oltage)  f or  th e d ia gnos i s o f beari ng   fa ults. Th e e xper i m enta l   resu lt s  ha ve  s how n  a  bette r   capab il it y  of   detect ing   b ea rin g  fau lt s  thr ough  re ported   te chn iq ue.   H ow e ve r ,   theo reti cal   and  ex per im ental   inv est igati ons  of   i ns ta nta neous  powe r  f or  ge ar  fa ult  detect ion   ha ve  nev e r   bee n  perform ed  in  e arli er  rese arc h  work  [ 34,  35] .  The   m ai n  cont ribu ti ons  of  th is  pa per   a re  1)  De rivati on  of   ge a r   fau lt   fr e quenc y  m od el   in  var ia ble  loadi ng  co nd it io ns   f or   insta ntane ous  pow er  s pe ct ra  2)   E xp e ri m ental  confirm at ion   of  the  de rive d  ge ar  fa ult  fr e quency  m od el   3)  Com par ison   of  the  m oto r  sta tor  cu rr e nt  ana ly sis  te chn iq ue  a nd   instanta ne ous   powe r  a nal ysi s  te chn iq ue  f or   reli able  c onditi on  m on it or i ng   of  gea r   fau lt s  sp eci fical ly  un der va riable l oa d  c onditi ons.   The  rest  of  th e  pap e r  has  be en  orga nized  as  fo ll ows:  Se ct ion   II   der i ve s  the  gear   fa ul t  fr eq uen cy   m od el   fo r  inst antane ous  pow er  sp ect ra  for  var ia ble   load  op e rati ons  of  the  m oto r.   Sect ion   I II   pro vid e s  the  desig n  of  the  exp e rim ental   t est   rig  and   da ta   acqu isi ti on   syst e m .  Sect io n  IV   pro vid es   the  sp ect ra  of  th e   instanta ne ous  powe r  an d  m otor  sta tor  cu rr e nt  for  heal thy  and   fa ulty   gear   operat ing   in  va riabl e  l oad  conditi ons.  Th e  com par ison   of   the  gea r  fa ult  detect ion   capab il it ie s  of   the  m oto r  sta tor  cu rr e nt  ana ly sis  te chn iq ue  a nd  instanta ne ous  powe r  analy sis   te chn i qu e   has   al so   bee n  giv e n  in  t his  sect io n.   Fi nally ,  Sect ion   V  pr ese nts t he  c oncl us i on of thi s p a per.       2.     THE   MA T HEM ATICA L MO DEL O F THE ST AT OR C URREN T AND  IN STAN T AN E OUS  POWER  FO R  GEA R CO N DITIO N MO NITO RING     S t a t or   c ur r e nt   of   t he   m ot or   w i t h  he a l t hy   ge ar   c on ne c t e d  o n   t he   s ha f t   d oe s   no t   c o nt a i n  s i de   ba n ds   of   t he   ge a r   de f e c t   f r e qu e nc i e s .   H ow e ve r ,   du r i ng   t he   f a ul t y  ge a r ,   l ow e r   s i de   ba nd   a n d  up pe r   s i de   ba nd   ha r m on i c s   a r e   a pp e a r e d  a r ou nd   t he   f u nd am e nt al   f r e qu e nc y   of   t he   c ur r e nt ,   a s   de s c r i be d  i n  E q ua t i on   ( 1 ) .   T he   ge a r   f a ul t   f r e q ue nc i e s   ha ve   be e n  c a l c ul a t e d  us i ng   E qu a t i on   ( 2)   a nd   a r e   s ho w n  i n   T a bl e   1 .     ( )   =   0 ( )   +    0   ( ) cos [ 2 ( ±   ) − 0 ]           (1)      =   |     − + |         , {   −                    +                          (2)     wh e re:   ,                         is   t he   ge a r   chara cte ri st ic   defec t   freq ue ncy     0 ( ) ,   is t he  c urren t i n  the  m oto r  f or  h eal thy  gear.   ( ) ,   is t he  c urren t i n  the  m oto r  f or  f a ulty  g e ar.   ,   is t he  f re qu e nc y of t he  s upply  curre nt.   0 ,   is t he  loa d  a ngle .       T ab le   1 .  Calcu lat e d   Gear   Fau lt Ha r m o n ics  in   Stato r  Cu r rent Sp ectra   Load  Co n d itio n s   Moto r  Sp eed ( rp m )   Lower Side  Ban d  ( Hz)   Up p er  Sid e Ban d  ( Hz)   No  L o ad   1485   2 5 .2   7 4 .8   Mediu m   Load   1432   2 6 .2   7 3 .8   Fu ll L o ad   1392   2 6 .8   7 3 .2       Wh e reas,  for h eal thy gear , th e  instanta neous powe r of  t he  m otor c ou l d be  de scribe d usin g Eq uation ( 3).      Po ( t ) = V 0 ( t ) I 0 ( t )                 (3)     wh e re:   ( ) ,   is t he  ideal  i ns t antane ous P ow er   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Rea l  Time C onditi on M on it or in g System  for Gea rs  Op e r ating   un der  V ari ab le   Loa d  … ( Alw ad ie . A )   495   V 0 ( t ) ,   is t he  insta ntan eous s upply   vo lt age   I 0 ( t ) ,   is t he  insta ntan eous s upply cu rr e nt   Wh e n  we  rep la ce  the  he al thy  gear   with  t he  de fected  gear,  t he  m oto r  s haf t  fluctuate d  du e  to  ef fect  of   def ect e d  te et h.  The   sym m et r y  of  the  el ect r om agn et ic   flu x  betwee n  sta to r  a nd  r otor  is  disturbe d  du e   t o  t he se   fluctuati ons  of  the  sh aft.  T he  distu r bed   s ymm et ry  event ually   create s  side  ba nd   harm on ic s  aro un d  the   fun dam ental   fr equ e ncy.  T hes e  sideba nd   harm on ic s  are  calcu la te d  us i ng   Eq uation  ( 4)  and   ( 5)  an d  are  sh ow n  in Ta ble  2 .     ( ) =  ( ) + 0 ( ) ( ) [  { 4 ( − ) − 0 −   6 } +  { 4 ( + ) − 0 −   6 }   +   2  ( 0 −   6 )  ( 2 ) ]    (4)      =   | 2   − + |           , { 2   −                    2   +                               (5)        Table   2 .  Ca lc ulate d   Gea r Faul t Harm on ic s  In Insta ntane ous  Power Spe ct ra   Load  Co n d itio n s   Moto r  Sp eed  (r p m )     (Hz )   Lower Side  Ban d  ( Hz)   Up p er  Sid e Ban d  ( Hz)   No  L o ad   1485   2 4 .8   7 5 .2   1 2 4 .8   Mediu m   Load   1432   2 3 .8   7 6 .2   1 2 3 .8   Fu ll L o ad   1392   2 3 .2   7 6 .8   1 2 3 .2           It  has   bee n  obser ve d  f r om   Table  I   an d  II  that  the  def e ct   in  gea r  ca use s  m oto r  cu rrent  analy si s   pro du ce  t wo  har m on ic s  at   lowe r  side ba nd  a nd   uppe r  s ideba nd  f requ encies.  Wh il e   three  har m onic s  are  induced   i n  i ns t antane ous  pow er  s pectr um   at   ge ar   fa ult  fr e qu e ncy   ( ),  lo w er  si de band   an d  up per  side ba nd   fr e qu e ncies.  T hu s ,  the  i ns ta nt aneous  power  sp ect r um   pr ovides  m or e  ha rm on ic   com po nen ts  relat ed  t o  gea r   def ect   as  com par e d  to  sta to r   cur re nt  analy sis.  This  is  th e  disti nguish   f eat ur e  of  the  i ns ta nta neous  powe r   analy sis  for  re li able  fau lt   di agnosis  a ppli cat ion s.  These   m at he m at ic a l  der i vations  are   co nf irm ed  th rou gh  exp e rim ents in  the  nex t  sect io n.         3.    E X PE RI M ENTAL  DESI GN       A  te st  rig  was  desig ne d  to  c onduct   the  e xpe rim ents  of   the  healt hy  an d  fa ulty   gear s .  T he   schem at i c   diag ram   of   the  desig ned   te st   rig  has  been   sh ow n  in  Fig ure  1.   It  c on sist s  of   a  cu rr e nt  sens or   (i 5S P Q 3),  a  vo lt age  se nsor   (EV CC ),   a  ta cho m et er  (R7050),   La bVIE W ,  Data  acqu isi t ion   boa rd   ( NI   6281) ,  healt hy   gear  assem bly,  fau lt y  gear   assem bly  and   a  th r ee  ph a se  1HP,  50   Hz,   in duct ion  m oto r.   Sam pling   rate  was  10   kH z  and f reque ncy  reso l ution o f 0. 2 Hz.       Sing le   sta ge  be vel  gear   as se m bl y  cou ple d  with  m oto r  sha ft  was  us e d  i n  this  stu dy.  T he  co nical ly  sh a ped   rac k  a nd   pin io n  gea r s  are  m ou nte d  on   sh a fts  that  are   90   de gree s  apar t.  Th e  pitch  su r face  of   bev el   gear s   is a co ne  sh a pe.  T he  te et h  of the g ea rs  a re cu t  strai ght   and  a re all  p ar al le l t o  the  li ne  p oi nting  to  t he  ap e x  of  the  c one  on  w hich  t he  te et h  a re  base d .  In  this  work,  t he   num ber   of  te e th  of  t he  pin io n  gea r   ( 1 )  is  20  an d  nu m ber  of   te et h  on  t he   w heel   gea r   ( 2 )  is   30.  The   ex pe rim en ts  we re   co nduc te d  on  t he  he al thy  pi nion  ge ar ,   too th   dam aged  pin i on  gea r,   unde r  th ree  diff e ren t  l oad i ng  co nd it io ns .  T he  fa ult  on  ge ar  to oth   was  c reate d  arti fici al ly  u sing  elec tric   disch arg e  m achine (EDM).  T he he al thy and de fec te d  gea rs  a re show n  in  Fig ure  2 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   493  –   501   496       Figure  1. The   Schem at ic   Diagr am   of  t he  De velo ped  Set - Up           (a)   (b)     Figure  2 .    Gear  U nd e r  Te st  (a )   Healt hy  Gear  (b)  Fa ult  Gea r       4.    R ES ULTS  AND DIS C USSION S   4.1 Case   S tu d y 1: Fa ult  dia gnosis  of   th e  gear  th r ough  i nstantane ous  po w er  analysi s   The  norm al iz e d  sp ect ra  of   t he  instanta neous  powe r  f or   t he  healt hy  an d  fa ulty   gear   op e rati ng  in   var ia ble  load   c onditi on  has  be en  s how n  in  i n  Fig ure  3  a nd   4  res pecti vely .  The  i ns ta nta ne ous  po wer   s pe ct ra   pro vid es  t hr ee fau lt   relat e d  f r equ e ncies  a nd the  am plit ud e  values  on  the se   fau lt  f re quenci es  are  m on it or ed  a nd  recorde d.  F or  exam ple,  the  a m pl it ud e  value s  are   - 71.98, - 64. 6  a nd  - 59. 04  dB  f or  healt hy   gear  a nd  - 68.98,  - 61.55  a nd   - 56. 1  dB  f or  de fec te d  gea r  operat ing   under   no - l oad   c onditi on.  Th us ,  a  3  dB  c hange  in  am plit ud e   values  at  g ear fault   fr e qu e ncie s  occ ur  d ue  t o  fau lt   in  the g ea r.   Sim il arl y,  a  change o f  6  dB  and  13  dB h as   been  ob s er ved  at   m edium   load  a nd  fu ll - l oad  co ndit ion .   T he  s um m ar y  of   the   a m plit ud e  var i at ion s  at   gea r  def ec t   fr e qu e ncies  ha s b ee n give n  i n Table   3 .             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Rea l  Time C onditi on M on it or in g System  for Gea rs  Op e r ating   un der  V ari ab le   Loa d  … ( Alw ad ie . A )   497   Table  3 . Sum m ary o f  the   Am plit ud e  Va riat i ons  for  Helt hy  a nd  Fa ulty   Gear  in  In sta ntane ous  P ower   S pec tra   Op erating  Poin t   A m p litu d e Values  f o r  Health y   Gear   (dB )   A m p litu d e   Valu es  f o r  Fau lty   Gear   (dB )   Dif f erence in A m p litu d e ( d B)   No  L o ad   - 7 1 .98   - 6 8 .98   3   Mediu m   Load   - 8 7 .54   - 8 1 .01   6   Fu ll L o ad   - 7 2 .48   - 5 9 .2   1 3 .28             (a)     (b)           (c)     Figure  4.   The   I ns ta nta neou s  P ow e r  S pectra   of the   Fa ulty   Ge ar  f or  T hr ee   O per at in g  Po i nts  (a)  N o  Loa d     ( b)   Me diu m   Load  (c )  F ull   L oa d       4.2 Case   st ud y 2 :  F au lt  dia gnosis  of the  ge ar thr ough  m otor st ator cu rrent  analysis       As  desc ribe d  earli er,  the  gea r   fau lt s  has  bee n  inv est i gated  in  var i ou s  stu di es  through  m otor  sta tor   current  a naly sis  unde r  f ull  load  co ndit ion s.  Howe ver,  the  us e  of  m oto r  s ta tor  cu rr e nt  analy sis  for  gea r  fa ults  detect ion   in  va riable  loa ding  conditi ons  has  nev e r  be en  i nvest igate d  in  previo us   stu dies.   W hile  this  pa per   has   consi der e d  t hr e e d if fer e nt loa di ng  c onditi ons  to in vestigat e t he gear  f a ults v ia   m oto r  sta t or   current a naly sis.              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   493  –   501   498         (a)     (b)       (c)     Figure  5. T he  Motor  Stat or  C urren t  Sp ect ra  of  the  Healt hy  Gear  f or  Th ree   O per at in g  Po i nts  (a )  N o  L oa d  (b)  Me diu m   Load   (c)   Fu ll   L oa d           The  norm al iz e d  sp ect ra  of   th e  m oto r  sta tor   cur re nt  f or   th e  healt hy  and   def ect e d  gea r  op e rati ng  in   var ia ble  loa d  c onditi on  has  be en  s how n  i n  i n  Fi gure  5  an d  6  res pect ively .  T he  m oto r   sta tor  c urre nt  s pe ct ra   pro vid es  tw o  f ault  relat ed  fr e qu e ncies  an d  the  am plit ud e  values  on  these  fau lt   fr e quenci es  are  m on it or ed  a nd   recorde d.   F or   e xam ple,  the  a m pl it ud e  value s  are  - 69. 91   an d  - 67. 52  dB  for  healt hy  gear   and   - 68. 91,  - 66. 53   dB   for  de fected  ge ar  operati ng  unde r  no - l oad   conditi on.  Th us,  a  1  dB  c hange  in  am plit ud e  values  at   gea r  fau lt   fr e qu e ncies o c cur  due  to f a ult  in  the g ear .  Si m il arly ,  a  change o f  3  dB  an d  7  dB  has   bee n  obser ve d  at   m edium  load  a nd   fu ll - l oad   c onditi on.   The  s umm a ry   of   the  am plit ud e  var ia ti ons  at   gear   de fect  fr e qu e ncies  ha s  been  giv e n  in  Ta ble  4       Table  4 . Sum m ary O f  T he Am plit ud e  Va riat ion s  F or H el thy  And Fa ulty  Gea r  I n St at or Current  Sp ect ra   Op erating  Poin t   A m p litu d e Values  f o r  Health y   Gear   (dB )   A m p litu d e Values  f o r  Fau lty   Gear   (dB )   Dif f erence in A m p litu d e  (dB )   No  L o ad   - 6 9 .91   - 6 8 .91   1   Mediu m   Load   - 7 3 .58   - 7 0 .01   3   Fu ll L o ad   - 7 0 .03   - 6 3 .04   7           It  has   been  co nclu ded  f r om   Table  IV  that  the  dia gnos is   of  the  gea r  fa ults  th rou gh  non - in vasiv e   m oto r  sta tor  c urren t  a naly sis   is  sen sit ive  to   the  operati ng  po i nt  of  t he  m otor  a nd  this  t echn i qu e   giv es   bette r   resu lt s  only  at fu ll  loa ding c onditi on.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Rea l  Time C onditi on M on it or in g System  for Gea rs  Op e r ating   un der  V ari ab le   Loa d  … ( Alw ad ie . A )   499         (a)     (b)         (c)     Figure  6. T he  Motor  Stat or  C urren t  Sp ect ra  of the  Faulty   G ear  f or  T hr ee   Op e rati ng  P oint s    (a)   N o  L oa d  ( b)  Me di um   Load   (c)   Fu ll   L oa d           The  Fig ur e  7  pr ese nts  the  c om par ison   of   t he  am pli tud e  var ia ti ons  on  gear   def ect   fr e qu e ncies  f or   instanta ne ous  powe r  s pectra  and  m oto r  sta t or  cu rr e nt  s pe ct ra.  It   has   be en  obser ved  th at   the  c hange  in  th e   a m plit ud e  in  m oto r  sta tor  current  s pectra  is  ver y  sm all  un de r  lo w  load  op e rati ng  poin ts,  hen ce ,  m ot or   sta to r   current  a naly sis  is  no t  su it able  for  the  diagnosis  of   ge ar  fa ults  unde r  low  l oad   a ppli cat ion s.  Howev e r ,   ob s er vab le   am plit ud e  var ia ti on s  of  great er   than  6  dB  a re  f ound  f or   f ull  load  op e ra ti on s  of  the  m oto r.   Com par at ively ,  the  la rg e r  c ha ng e s  in   am pli tud e  we re  detect ed  in   instant aneous   po wer   sp ect ra  e ve n  a t  lo w   load  operati ng  conditi ons  an d  eve n  m or e  pr om inent  a m plitu de   dif fer e nce  was  f ound  at   f ull  load  c onditi on   of  the  m oto r.   A nothe r  prom inent  featur e  of   the  instanta neous  powe r  anal ysi s  is  that  it  pro vid es  thre e   fau lt   relat ed  c om po nen ts  which  enhance s the  r el i abili ty  o f  f ault  detect ion i n o nl ine cond it io n m on it or ing sy s tem .           Figure  7. Com par is on of t he  Am plit ud es  Va riat ion s  of the   Gear  Fa ult  Fr e qu e ncies  for  t he   I ns ta ntane ou s  P ower  Sp e ct rum   and   Moto r  S ta tor  Cu rr e nt  S pectr um   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2502 - 4752   Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci,   Vo l.   9 ,  No.  2 ,  Fe bruary  2 01 8   :   493  –   501   500   5.    CON CLU S ION       A  reli able  no n - i nv asi ve  fa ul t  diagnosis  t echn i qu e   has   been  desi gn e d  in  this  resea rch   f or   t he  conditi on  m onit or in g  of  the  gear s   c oupled   with  i nductio n  m oto r  s pecifi cal ly   fo r   va ria ble  loa d  a ppli cat ion s.  The  gear   fa ult  fr e quencies  ha ve  been   f orm ula te d  theo r et ic al ly   and   th ei r  sensiti vity   to  fa ult  le vels   unde r  var ia ble  loa d  conditi ons  has   bee n  c onfirm ed  e xp e rim ent al ly   in  t he  in sta ntane ou s   powe r  s pectr um .  The  com par ison   of   capab il it ie s  of   the  instanta ne ous  powe r  anal ysi s  m e tho d  for  the  reli able  f ault  diagnosis  unde r  var ia ble  loa d  c onditi ons  ha s  been  do ne  with  the   previ ously   us ed   sta tor   c urren t  a naly sis  m e tho d.  It  ha s  bee n  pr oved  t hat  th e  instanta ne ou s  powe r  s pect ru m   con ta ins  three  fau lt   rel at ed  com pone nts  an d  ha ve  high  a m plit ud e  sen sit ivit y  as  com par ed  to  m o tor  cu rr e nt  sig natu re  analy sis  wh ic h  has  only   two  fa ult  relat e d  com po ne nts.       REFERE NCE S   [1]   Nooli  P.  K. ,   "A   ver satile  and  co m puta ti onall y   ef fic i ent   condi t ion   indi c at or   for  A H - 64  rotorc raf t  gea rboxe s,"   Deg ree   of  Master   of  Sci enc e   Univer si t y   of  South Ca ro li n a,   2011 .     [2]   Al - Arbi,   Sal em,   "Conditi on  m o nit oring  of   ge ar   s y stems   using  vibra ti on   an aly s is,"  Doctor a l  th esis,   Univer si t y   of   Huddersfie ld, 20 12.   [3]   Hena o,   H . ,   Kia ,   S.H.,   C apol ino ,   G. - A.:   Torsiona l   vibration  assess m ent   and  g ea r   f aul t   dia gnosis  in   railwa y   t racti on   s y stem.  I EEE  Tr ansa ctions on  In dustria l   Elec t ron ic s,  vo l. 58, i ss ue  5,   pp.   1707 – 17 17,   2011 .   [4]   Kar,   C. ,   Mohant y ,   A.R.:  Vibra ti o n  and  cur r ent   t ra nsient   m onit orin g  for  gea rbox  f a ult   de te c ti on  usi ng  m ult ire solut i on  Fourier  tr ansform .   Journal  of   Sound a nd  Vib ratio n,   vol .   311 ,   pp .   1 09 – 132,   2008 .   [5]   Kia,   S.H.,   Hena o,   H.,   Capol ino ,   G . - A.:   Anal y tical   and  exp eri m ent a l  stud y   of  gea rbox  m ec hanica l  eff ec t  on  th e   induc ti on   m ac hi ne  sta tor  cur ren t   signat ur e.  IEEE   Tra nsa ct ions   on   Industrial  E lect ronic s,  vo l.  45,   i ss ue  4,   pp .   1405 – 1415,   2009 .   [6]   Kia,   S.H.,   Hen a o,   H.,   Capolino,   G.A.:   Gea r  too th   surfac e  dama ge  fau lt   de te c ti o n  using  induc ti o n  m ac hine   stat o r   cur ren t   spac e  v e ct or analy sis .   I E EE   Tra nsa ct ions   on  Industri al E l ec tron ic s,   vol. 6 2,   issue   3,   pp.   18 66 – 2001,   2015 .   [7]   Kia,   S.H.,   Hena o,   H.,   Capol ino ,   G. - A.:   Deve lop m ent   of  a  te st  benc h  dedica t ed  t o  condi ti on  m onit oring  of  wind  turbi nes,   IE EE - I ECON,  Dallas ( TX,   US A),  Nov ember  2014.     [8]   Lout as,   T. H . ,   So ti ria d es,   G. ,   Ka l ai t zogl ou,   I.,  Kos topoul os,  V.:   C ondit ion  m onit or ing  of  a  sing le - st age   ge arb ox  wit h   art if ic i al l y   indu c ed  gea r  cr ac ks  u ti lizing  on - l ine   v ibra ti on  and  ac o ustic   emiss ion  m ea surem ent s.  Applie d  Acousti cs,   vol.   70 ,   pp .   1148 – 1159,   2009 .     [9]       Feki,   N.,   Cle rc ,   G.,   Vel ex,   P.:  An  int egr ate d  el ectro - m ec ha nic a l  m odel   of  m otor - gea r  unit s   -   appl ic a ti ons  t o  toot h   fau lt de t ection  b y   elec tr ic m ea su rement s.  Me chanic a l  S y s te m   an d  Signal Proce ss ing,   vo l. 29, pp.  377 – 390,   2012 .   [10]   Dane shi - Far ,   Z.,   Hena o,   H. ,   Ca poli no,   G. - A,  " Plane t ar y   ge arb ox  eff e ct s  on   in duct ion   m ac hin e  in   wind  turb i ne:  m odel ing  and  a naly s is,"  In:  Pro ce ed ings  of  Int e rna ti on al   Conf er enc e   on  Elec tri c al   Mac h ine s  (IC EM),   Marsei ll e   (Franc e) ,   pp .   17 90 – 1796,   2 – 5   Se pte m ber ,   2012.   [11 ]   Otte will,  J.R.,  Orkisz,   M,  "Condi ti on  m onit oring  of  gea rboxe s using  sy n chr onousl y   av era ged el e ctric  m otor  signal s,"   Mec hanica l   S y st em a nd  Sign al   P roc essing,   v ol. 3 8,   issue ,   2 ,   pp .   4 82 – 498,   2013 .   [12]   Girsang,   I. P.,   D hupia ,   J.S. ,   Mulja di,   E . ,   Singh,  M.,   P ao,   L. Y,    "G ea rbox  and  dri ve  tra in  m odel s  to  stud y   of  d y na m ic   eff ects of  m oder n  wind  turb ine s, " IE EE T r ansa c tions   on  Industrial   Applicati ons,   v ol.   50 ,   pp .   3777 – 3786,   2014 .   [13]   Dalpi a z,   G . ,   R iv ola ,   A.,   Rub ini,  R. ,   "Eff ective n e ss   and  sensiti vi t y   of   vibratio n  pr oce ss ing  techniq ues  for  local  fau lt   det e ct ion   in   gear s,"  Mec han ic a l  S y stem  and  Signa l  Proce ss ing, vol.  14 ,   issue   3,   pp.   387 – 412,   2000 .   [14]   Ba y d ar,   N . ,   Ba l l,   A,  "Case  stu d y - de tecti on  of   gea r  fa il ur es  via   vibr at ion  an d  ac ousti c  sign al s  using  wave l et  tra nsform , " Mechani c al   S y stem  a nd  Signal Proce s sing,  vol .   17 ,   pp .   787 – 804,   2003.   [15]   Mohant y ,   A.R . ,   Kar,   C,   "M onit oring  g ea r  v i bra ti ons  throug h  m otor  cur ren t  signat ur e  an aly sis  and  wav elet   tra nsform , " Mechani c al   S y stem  a nd  Signal Proce s sing,  vol .   20 ,   issue,   1 ,   pp .   158 – 1 87,   2006 .   [16]   Stranga s,  E. G. :  Response  of  ele ct ri ca l  d rive s  to   gea r  and  be ari ng   fau lt s  -   d ia gnos is  under   tr ansie n t  and  st ea d y   st ate   condi ti ons .   In:   Proce edi ngs  of   W orkshop  on  El ectrical   M ac hin es  Design  Cont rol  and   Diagno sis  (W EMDCD ) ,   invi te d   p ap er,  Pa ris  (Franc e ), pp.   289 – 297,   11 – 12   Marc h  2013 .   [17]   A.  Kouadri ,   G.   R.   Ibra him  and  A.  Albar bar ,   "V ar y ing  lo ad  det e ct ion  in  a  g ea rbox  s y st em  base d  on  ada ptive   thre shold  esti m a ti on, " MATEC   W eb  of  Confer e nce s,  2016 .   [18]   Karnve er ,   "A   stu d y   on  ge arb ox  n oise  with   induce d  toot h   def ec ts,   m aste r  the sis ,   Th apa r  Univ esity   I ndia ,   Jul y   2015 .   [19]   Miguel   Delga do   Priet o,   Dani el  Zuri ta   Mi ll an ,   W ensi  W ang,   Anderson  Mac hado  Ortiz,  Juan   Antonio  Orteg a  Redondo,   and  L uis  Rom era l  Marti ne z, "S el f - pow ere d  wire le ss   sensor  a ppli ed  to  gea r  di agnosis  base d  on  ac oust i c   emiss ion, " IE E E   Tra nsa ct ions   on   Instrum ent ation   and  Me asure m e nt,   vo l. 65, i ss ue, 01, Ja nuar y   201 6.   [20]   R.   Li   and  D.  He,   “ Rota ti on al   m ac hin e  health  m onit oring  and  fa ult   detec t ion  using  EMD - base d  ac ousti c  emiss ion   fea tur e  qu ant if icati on , ”  I EEE  Tr a nsac ti ons  on   Inst rum ent at ion   and   Mea surem ent,  v ol.   61 ,   no .   4 ,   pp .   990 – 1001,   Apr .   2012.   [21]   I.   Yesil y u rt,   “ Th e  appl icat ion  of  the   condi t iona l  m om ent s  ana l y si s  to  gea rbox  fau lt   det ection — A  c om par at ive   stud y   using t he   spec tro gra m   and  sc al og ram,”   ND T E  In t . ,   vol. 37, no. 4,  pp.   309 – 320 ,   Ju n.   2004 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind on esi a n  J  E le c Eng &  Co m p  Sci     IS S N:  25 02 - 4752       A Rea l  Time C onditi on M on it or in g System  for Gea rs  Op e r ating   un der  V ari ab le   Loa d  … ( Alw ad ie . A )   501   [22]   C.   K.  T an,   P.   Ir ving,   and   D.  Mb a,   “ A  compara t i ve  expe r imental  stud y   on  the   d iagnos ti c  and  pr og nostic   c apa bi li t i e s   of  ac ousti cs  emi ss ion,   vibration  and  spec trometric  oil  anal y s is  for   spur  gea rs, ”  Me ch.   S y s t.  Signal   Proce ss . ,   vol .   21 ,   no.   1 ,   pp .   208 – 2 33,   Jan .   2007 .   [23]   D.  Gala r,   A.  Thaduri,   M.  Catel an i,   and  L .   Cia n i,   “ Conte xt  awa r enes s  for  m ai nte nan ce   de ci sion  m aking:  A  dia gnosis  and  prognosis  ap proa ch,”  Me asur ement, vol .   67,   p p.   1 37 – 150 ,   Ma y   2015.   [24]   Chee   Keong   Tana,   Phi l  Irving a,  David  M,   "A   c om par at ive  exp e rimenta l   stud y   o n  the   d ia gnost ic  and  prognost ic  ca pab il i ti es  of  a cousti cs  emiss io n,   vibration  and  spec trometric  oi l   ana l y sis  for  spu r  gea rs,"  Me chanic a l  S y st ems   and   Signal   Pr oc essing,   vol .   21 ,   pp .   20 8 – 233,   2007 .   [25]   Mohant y ,   A.R.,  Kar,   C. :  Fault   de te c ti on  in  a  m ult ista ge  ge arb ox  by   demodulation  of  m otor  cur ren t  wave form .   IEEE   Tra nsac ti ons on   Industria l   Elec tr onic es,   vol .   53 ,   i ss ue,   4,   pp.   1285 – 1297,   2006 .   [26]   Sun - Ki  Hong,  Ki - Seok  Kim ,   Yong - Ho  Cho,   "M otor  gea r  fau lt   dia gnosis  b y   cur ren t ,   noise  a nd  vibra t ion  on   ac  m ac hine   consid eri ng  envi ronm ent ,   "  Int ern ati onal   Journa l  of   El e ct r ic a l,  Co m pute r,   En erg e t ic ,   Elec t ronic  a nd   Com m unic at ion Engi ne eri ng  Vol :9,   No:8 ,   2015 .   [27]     Jidong  Zha ng   ;     Jaspree t  S.  Dhu pia   ;     Chanda n a  J.  Gaja na y a ke ,   "S ta tor  cur ren t  ana l y sis  from   elec tr ic a l  m ac hin es   using  resona nce  residua l  te ch ni que  to  de te c t  f aul ts  in  pl aneta r y   g ea rboxe s ,   "  IEE E  Tra nsa ctions  on  Industrial   El e ct roni cs ,   vo l.  62,   Iss ue  9 ,   Sep t ember  2015.   [28]   Jidong  Zha ng   ;     Jaspree t  S.  Dhup ia   ;     Chanda n a  J.   Gaja na y a ke ,   " Model  base d  cur ren t  an aly sis  of  el e ct ri ca l   m ac hi nes  to  detec t   fau lts   in  pla n et ar y  gea rbox es, "   I EE E/ AS ME  Int ern ational  Conf ere nc e  on   Ad v anc ed   Intelli g e nt  Mec hat ron ic s (A IM),  2014.     [29]   Shahin  Heda y a t i  Kia   ;     Moh amm ad  Hos ei nta ba r  Marz ebali   ;     Hum ber to  Hena o   ;     Gér ard - André   Capol ino   ;     Jaw ad  Faiz , "  Sim ula tion  and  expe ri m ent al   anal y s es  of  pla net ar y   g ea r  toot h  def ect  using  el ec tr ical  and  m ec hanica l   signat ure s  o f   wound  rotor  induc t ion  gen era to rs,"  IEE E   11th  Inte r nat ion al   S y m pos ium  on  Diagnost ic s  for  Elec tr ica l   Mac hine s,   Pow e r  Elec tron ic s  and   Drive s (SD EMPED),  2017.     [30]   J.  Igba ,   K.  Alemza deh ,   C.   Durugbo,  and  K.  Henningse n,   “ Perform anc e  assess m e nt  of  wind  turbi ne  gea rboxe s  usi ng   in - service  da ta :  Curre nt  appr o aches  and  futur e  t ren ds,”   R ene wa ble   and  Sus taina ble   En erg y   Rev i ews,  vol.   50 ,   pp .   144 - 159,   Oc tober 2015.   [31]   I.   Bravo - Im az,  H .   Dava ri  Arda kani ,   Z.   L iu,   A.   Garc ía - Arrib as,   A.  Arnai z ,   and   J.  Le e ,   “ Motor  cur ren t  sign at u re   ana l y sis  for  gea rbox  condi ti on   m onit oring  un der   tra nsien t  spee ds  using  wave let  ana l y sis  an d  dual - le v el   tim e  s y nchr onous  averagi ng, ”  Me cha n ic a l  S y s te m s a nd   Signal  Proce ss i ng,   vol .   94 ,   pp .   7 3 - 84,   Sept .   2017 .   [32]   J.  R.   Otte will,   A.  Ruszczy k ,   and  D.  Broda,   ‘‘Monitori ng  toot h  profil e  fa ult s  in  epi c y c lic  gea rboxe s  using  s y nchr onousl y   a ver age d  m otor  c urre nts:  Math ematica l  m odeling  and  expe r imental  val id at ion  con dit ion  m o nit orin g   of  gea rboxe s  using  sy n chr onousl y   av era ged  e lect ric   m otor  signal s,’’  Mec hanica l  Sy stem  and  Signa l  Proce ss ing,   vol .   84,   Part   A,   pp.   7 8 - 79,   2017 .   [33]   Bogia tzidis,  I . X. ,   Safa c as,   A.N. ,   Mitroni kas,   E. D   , "D et e ct ion  of   bac kl ash  pheno m ena   appeari ng  in  a  singl e  c ement  kil n  drive   using  the   cur r ent   and  t he  elec tromagn e ti c  torqu e  signature, "  IEEE  Tr an sac ti ons  on  Indu stria l  E lectr oni cs,   vol.   60 ,   issue,   8 ,   pp.   3441 – 3453 ,   2013.   [34]   Irfa n,   M.,   Saad ,   N.,   Ibra him,  R. ,   As irva dam,  V.S,  "  An  int el li ge nt  fau lt   dia gnos is  o f  induc ti on  m otors  in  an  arb it rar y  nois y   envi ronm ent , "  Journ al   of   Nondestruc t ive  Evala lu at ion ,   v ol.   35 ,   issue  12 ,   doi :10. 1007/s1 0921 - 015 - 0327 - 3,   Marc h  2016 .   [35]   Irfa n,   M. ,   Saad ,   N.,   Ibra h im,  R. ,   As irva dam,  V. S,  "A   non  inva sive  m et hod  for  condi ti on  m on itoring  of  inducti on  m otors  oper at in g  under   arb it r ar y  loa ding  cond it i ons,"  Arabi an  Journal  of  Scie n ce  and  Engi ne eri n g,   vol.   41 ,   issue  9,   pp.   3463 – 3471 ,   2016.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.