TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5392 ~ 53 9 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.514 0          5392     Re cei v ed  No vem ber 1 3 , 2013; Re vi sed  Jan uar y 6, 20 14; Accepted  February 5, 2 014   Resear ch on Operating Condition Effect on the Shock  Pulse Method      Ruife ng Yan g 1 , Jianshe Kang 1 , Lishan Hao 3 , Xinghui Zhang* 1 , Hong zhi Ten g 2 ,   Haiping Li 1   1 Mechan ical E ngi neer in g Col l ege, Shi jiaz h u ang, Ch in a   2 Lanzh ou Eq ui pment Mai n ten ance C enter, L anzh ou, Ch ina   3 Shijiaz h u a n g  Arm y  Comm an d Coll eg e, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : d y namic bnt @gmai l .com       A b st r a ct  Roll in g b ear ing s  are  o ne  of th e  most w i d e ly   used  el e m e n ts in  in dustri a l  ap plicati ons.  Sho ck pu l s e   meth od  (SPM)  has  prove n  s u ccessfully  as  a  di agn ostic to ol  in  det ermini ng  be arin g  hea lth .  On the  bas is  of   illustrati ng  the  pri n cip l e  of S P M, this p a p e r  mai n ly  c onc entrates  on  i n vestigati n g  the  effect of  diffe rent   oper ating c ond itions o n  SPM. T he shock pul se sign al s are  deriv ed fro m  the w i nd turbin e gear box test r i g   by SPM  instru me nt. T h rou g h  co mp arin g th e  slo p e  of  dB v a lu es w h e n  th e rotati ng  sp ee d or  l oad  ch an ges ,   effect of operat ing co nditi ons  on SPM is an al y z e d . T he an al ysis results sh ow  that SPM is more s ensitiv e  to  the rotating s p eed i n  contrast  w i th the load.     Ke y w ords :  sh ock puls e  meth od, cond itio n monitor i ng,  b eari ng fault di ag no sis, operati ng c ond ition     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    Wind  en ergy  is th e fa ste s t growi ng  rene wabl e  form of en ergy so urce i n  t he  worl d.  Ho wever, hig h  maintena nce co st of wind turbin e s  se riou sly hamp e rs its d e velo pment. As ba sic  components of  gearbox es in  drive trains, rollin g  bearings are widely  us ed in  wind turbines.  In   indu strial ap plicatio ns, be aring s  a r e cons i dered a s  critical m e chani cal comp onent s and  one   defect may le ad to cata stro phic failu re of  the wind turb ines a nd re su lt in major economi c  losse s .  Con d ition mo nitoring i s  an effective way to  detect the defect s  and p r event the failure s of  beari n g s . Ma ny re sea r che r s h ad  re sea r ched th e dia g n o si s meth od  of bea ring s [1 -4]. A revie w   of  vibration a n d  aco u sti c  me asu r em ent m e thod s for th e dete c tion in  rolling  bea ri ngs i s  p r e s en ted  for bea ring s condition mo ni toring by Tan don an d Ch o udhu ry [5].  Shock p u lse   method  (SPM ) ha s b een  wi dely us ed a s   a qua ntitative method fo r b earin gs  con d ition m o nitoring  [6]. SPM is  de rived  from SPM  in strum ent  whi c h  develo ped  and  pate n te d in  the ea rly 70’ s in S w ed en  [7]. Throu g h  years  of t e sting  and  rese archin g, SPM has  be en   develop ed a n d  pe rfecte d so as to repre s ent the   “true ”  op eratin g  condition  of th e bea rin g  bei ng   monitored [8-12].  SPM can pro v ide a direct  sho c k value indicating the beari ng condi tion [13]. By collectin g  the sho ck v a lue s  un de r different  op erating   condi tions, the  trend  of sh ock valu es  ca n be   analyzed to  predi ct the  o peratin g  con d ition of b ear ings  bein g  te sted. In thi s   pape r, we m a inly  investigate th e effect of  ro tating sp eed   and  lo ad  on t he SPM, whichh as  not b e en research e d .  The  sho c k  pu lse  sig nal s a r e obtai ned  by  SPM in strum ent from  two   experim ents  unde r diffe re n t   operating con d itions.   The structu r e  of this paper  is org ani zed  as fo llows. In Section 2, the theorie s of SPM are   illustrated bri e fly. The assessm ent parameters  of SPM  are di scussed.   In Section 3,  th e   experim ents  are introdu ce d. In  Section 4, the experimental re su lts are an alyzed. Sectio n  5   discu s ses the  analysi s  re su lts and con c lu sion s are given in Section  6.      2.  The Thories  of SPM  SPM is th e  monitori ng  an d an alyzatio n  of  hig h  frequ ency  sh ock  wave s g ene rated by  a  beari n g  whil e  rotatin g . Wh en  rolling  el e m ent  conta c t s   with  a d a m aged  a r ea  of  ra ce way i n  t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Operating Co ndition Effect on the Shock  Pulse Meth od  (Ruifen g  Yan g )  5393 rotating b e a r i ng, high freq uen cy sh ock  wave s are  ge nerate d  in th e interfa c e b e t ween th e roll ing  element  and  the racewa y. The sho c k  waves,  which present   non -continu ous pul se s, are  transfe rred  to  the  bea ring   hou sing  thro ugh th e i nne r materi al  of b earin g. Th e  signal s of  sho c k   wave s are re ceived  by the sho c k pul se  sen s o r s  whi c h are  pla c ed  on the be ari n g hou sing. T h e   way the s e  si gnal s a r e  se parate d  i s  re ally what  ma ke s thi s  te ch nology u n iqu e . Unli ke vib r ation  analysi s   that monitors  a broad  vibration band and  t h e n  trie s to isol ate uniq ue freque nci e s, S P M  has  develop e d  a mea n s to  only “loo k”  a t  the high fre quen cy sig n a l s of rotatin g   beari n g s . Th e   sho c k pul se  sen s o r s  are  also diffe re nt from  othe r vibration  sensor s an d  operate at their  resona nce freque ncy of 3 2 kHz. Acco rd ingly the  resulting bea rin g  sign als a r e  strong est. T h e   sho c k pul se s  will cause the  dampe d o sci llation of t he  sen s o r s  at their natu r al fre quen cy [5]. The  amplitude of  these  sign als is pro portio n a l to  the dam age level of the bea ring s.  Then the b a n d - pass filter ca n filter the me cha n ical interferen ce n ear  the bea ring a nd only let the high fre que ncy   comp one nt pass. The re su lting high freq uen cy si gn als pass thro ugh  the amplifier  and then afte r  envelop e de modulatio n [14], the shock  values in dicat i ng the bea rin g  con d ition can be de rived .   The ab solute  sho ck p u lse  level of a bearin g, mea s ured in  dB sv ,  is both a function of  rolling  sp eed  and of b eari n g co ndition. T o  neutraliz e the effect of  rolling  spee d  on the me asu r ed  value, SPM t hen  cal c ul ate  the initial  va lue  dB i , th e  starting  p o int of the  condi tion scal e fo r a   particula r bea ring. The  dB i  value dep end s on the  size  of inner  ra ce  and rotating speed, which i s   defined a s  [6]:    2 0 0 6 2150  i d B ( l gN . l gD l g )  (1)     Whe r e  N den otes the rotating sp eed of the bea ring,  D is the inne r di ameter.   The co ndition  scal e  is grad ed in normali zed  sho c k value,  dB n , which is defined as:    06 200 0 20 . SV dB n l g ND  (2)     Whe r e SV de n o tes the sho c k value.   SPM can  sa mple the  sho ck  pul se am p litude over  a  perio d of time  and di splay s : (1) Th e   maximum value  dB m   for the small num b e r of stron g  s hock pul se s. (2) Th e ca rp et value  dB c for  the large n u m ber of we aker sho ck p u lses.  The maxim u m value  dB m  define s  the  beari ng’ s po sition o n  the  con d ition  scale. The   differen c e bet wee n   dB m  and  dB c  is  used  for an alysi s   of the cau s e s  for redu ce d  or b ad  con d ition.  This meth od i s  used for  co mparative rea d ing on different beari n g s .  The m a jo r b enefit of SP M is p r ovidin g a  dire ct i n dicatio n  of  b earin g  con d ition o n  a   Gree n-Yell ow-Re d  scale.  Gree n mea n s a good be ari ng, Yellow is  a beari ng wit h  early dam a ge  and  Red i s  m o re  seve re d a mage. T h is i s  very imp o rt ant wh en m o nitoring i n stal led be arin gs  on   ma c h in es  for w h ic h th er e a r e  no  tren d s  or   c o mp a r ab le   r e a d in g s .  T h es e p a r a me ters fo r   evaluating th e beari ng con d ition ca n be  illustrate d as  Figure 1.        Figure 1. The  Diagram of Param e ters  for Evaluating the Bearin g Co ndition   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5392 – 53 98   5394 3.  Wind Turbin e  Gearb o x Experiment  Figure 2 sho w s the  win d  turbin e test ri g use d  for d a t a colle ction.  The test ri g i n clu d e s   two ge arb o xe s, one i s   spe ed-d o wn ge a r box, anot h e r is spee d-u p   gearbox, a 1 000 kw m o tor is  use d  for d r iving the  ge arboxes, th ree  motors  fo r l oadin g  with   power  355 kw, 500 kw,  655 kw  respe c tively, and a spee d  and torque  sensor for m e asu r ing th e rotating sp eed  and torq ue. The   spe ed-up ge a r box is the te st gear box. In the test gearbox, the ring  gear i s  statio nary, a sun g ear  r o ta te s  ar o und  a   fi xed ce nter, and plan et gears not onl y rota te arou nd their own cente r s b u t also   revolve aroun d the ce nter  of the sun  ge ar. T he pl ane t gears me sh  simultan eou sly with both  the   sun  ge ar  and  the  ring  gea r. The  inn e r  stru ctur e of t he te st ge arb o x and  mea s uring  poi nts  of  SPM sen s or  are de picte d  as Figu re 3.           Figure 2. The  Diagram of the Gea r box T e st Rig of FL 600 Wi nd Tu rbine           Figure 3. The  Diagram of the Test  G earbox and Mea s uri ng Point s  Location       As sh own in  Figure 3, the test gearbox  has  fou r  sh a fts, includin g  low spee d sh aft and  high spee d shaft which are viewed a s  i nput and o u tput shaft re spectively, su n gea r sh aft and   intermediate  shaft. Planet gear i s  driven by  low speed shaft, meshing  with sun gear. Sun  gear  mesh es  with  gear  of intermediate  shaf t. Gear of hi gh sp eed  sh aft also me shes  with ge a r  of  intermediate s haft.    In this  pap er,  we  a rra nge d two  expe ri ments. T he fi rst i s   no l o a d  expe rime nt but the   spe ed i n crea se s from 5 0 0  rpm to  15 17rp m   with  an in creme n t of 25 0  rpm .  The  se co n d   experim ent is the co nsta nt spe ed at 1 5 17rp m  an d five different lo ad level s : 0, 25%, 50%, 7 5 %,  and 10 0%. In each exp e ri ment, six measu r ing p o int s  (a s shown in Figure 3) a r e cho s e n .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Operating Co ndition Effect on the Shock  Pulse Meth od  (Ruifen g  Yan g )  5395 4. Experimenta l   Results   The value s  of   dBm  and  dBc  at ea ch me asu r ing  point  unde r differe nt workin g co ndition s  are d e rived b y  SPM instru ment. Figure 4-9  sho w   the  experim ental  results at different me asuri ng  points.           Figure 4. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 1          Figure 5. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 2          Figure 6. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 3  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5392 – 53 98   5396     Figure 7. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 4          Figure 8. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 5          Figure 9. The  Diagram of  dB  Values at the Mea s u r ing  Point 6      Acco rdi ng to  Figure 4 - 9,  the values of  dB m  and  dB c  chan g e  obviou s ly with th e   increa sing  sp eed. Ho weve r, whe n  the  l oad is i n crea sing, the  cha nge of  dB m  and  dB c  values is  not evide n t. In o r de r to  qua ntitatively explai n thi s  p r o b lem,  norm a lization  processing  of   hori z ontal o r dinate is imp l emented a n d  the slope  of the  dB  values at ea ch  measuri ng p o int  unde r differe nt spee d and  load is  cal c ul ated.  Table 1  and Tabl e 2 p r esent the re sults.  Thro ugh  co m pari s on  of th e slo pe, an al ysis  re sult sh owsthat the  rotating spee d  has  a   greate r  im pa ct on  the  dB  value s  tha n   load. Th erefo r e, SPM i s   more  sen s itive to the  rotat i ng  spe ed in cont rast  with load .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Operating Co ndition Effect on the Shock  Pulse Meth od  (Ruifen g  Yan g )  5397 Table 1. The  Slope of  dB  Value s  with No -load a nd Ch angin g  Spee d  Measuring point   Slope  dB m  dB c   1 15  33  2 31.5  42  3 25.5  31.5  4 27  42  5 27  28.5  6 25.5  24      Table 2. The  Slope of  dB  Value s  with Co nstant Spee d  and Ch angi n g  Load   Measuring point   Slope  dB m  dB c   1 3  5  2 -6   -2   3 4  5  4 2  5  5 1  9  6 7  0      5. Discus s ions   Rotating  spe ed and l oad  a r e both th e b a si c data of  o peratin g cond itions in b e a r ings. But   according  to  analysi s   re su lt, in cont ra st with the  loa d , SPM are  more  sen s itive to the  rotat i ng  spe ed.   As mention e d  earli er, SPM need s the  rotating  spe e d  and in ner  d i ameter a s  in put data.  Then i n itial v a lue  dB i , whi c h depe nd s on  the sp eed   and  i nne r  di ameter, ca n be calculated   to  obtain th e  no rmali z ed  sho c k value   dB n . The  dB n  can  indicate  the   b earin g con d ition  a n d   dB m  and   dB c  values a r e de rived b a se d on the   dB n . Therefore, the SPM can be co me a quantit ative   method for d e tecting the d e fects of be arings.   Obviou sly, the two i nput  data which  SPM need s  are i r relevant  to the loa d , but are  clo s ely rel a te d to the rotating spee d. Th erefo r e, t he a nalysi s  re sult  that SPM is  more  se nsitiv e to   rotating spee d than load i s  explainable.       6. Conclu sion   The u s e of shock pul se te chni que s ha s proven  rema rka b ly su cce s sful as a  qua ntitative   method for  b earin g conditi on monito ring . The prin cipl e of sho c k p u lse m e thod  and a s sessm ent  para m eters o f  SPM are illu strated. T h is  pape r mainly   con c e n trate s   on inve stigating the effe ct of  operating  con d ition on SP M throug h co mpari ng the  dB values  wh en the rotatin g  spe ed o r  lo ad   cha nge s. The  analysi s  result sho w s tha t  SPM is  more se nsitive to  the rotating  speed in  co ntrast  with the load.       Referen ces   [1]  Z hang  YP, Z h ang  T ,   T eng J, Su  HS. Impro v ed E n sem b le  Empiric a l  Mo de  Decom pos ition  for ro lli n g   bear ing  fault  di agn osis .T ELK O MNIKA Indon esia n Jo urna l  of Electrica l  En gin eeri n g . 2 0 1 4 ; 12( 1): 53 9- 549.   [2]  Li H, Yin YJ. Beari ng fault d i a gnos is bas ed o n  Lap lac e  W a velet T r ansform .T ELKOMNIKA Indon esi a n   Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 2; 10(8) : 2139-2 1 5 0 .  [3]  Lin g   X, W e i C.  Stud y  of Intel l i ge nce  Di agn o s is s y stem for   w i nd  turb in e g earb o x  fa ult.  TEL K OMNIKA  INDONESIAN Journ a l of Elec trical Eng i ne eri n g . 201 3; 11(8) : 4691-4 6 9 7 .  [4]  F eng Y X . Stud y of fau l t dia g n o sis metho d  fo r  w i nd tur b in e  w i t h  dec isio n c l assificati on  al gorithms a n d   expert s y stem.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2012; 1 0 (5): 9 05-9 10.   [5]  T andon N, C h oud hur y A. A r e vie w   of vibr ati on a nd  acousti c measur emen t methods for t he d e tectio n   of defects in rol ling  elem ent be arin gs.  T r ibolo g y Internatio na l . 1999; 3 2 : 46 9–4 80.   [6 ]  L i  Z, H e  ZJ, Zi  YY, C h en   X F . Be a r i n g  co n d i t i o n mo ni to ri ng  ba se d on  sho ck pu l s e me th od  a nd  improve d  red u nda nt lifting sc heme.  Mathe m atics and C o mputers in Si mul a tion . 20 08; 79 : 318-33 8.  [7]  T he shock p u lse m e thod  for determi ni n g  con d itio n o f  anti-friction  bear ings.  SP M T e chnic a l   Information . Sw eden: SPM Instruments AB.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5392 – 53 98   5398 [8]  Masaru F ,  Mi n o ru K. SPM s h ock pu lse m e thod f o r di ag no sitic s y stem of  rotating  rol l  b eari ng.  Japan  T appi Jo urn a l.  200 3; 57(4): 52 -57.  [9]  Moran do  LE.  Measuri n g  sho ck puls e s is  id eal for  b eari ng  cond ition  mon i torin g .  Pulp Paper . 1 988;  6 2 :   96– 98.   [10]  Moran do L. Me asuri ng Sh ock Pulse.  SPM Instrum e nt Inc . 2005.   [11]  T andon N,  Ya dava  GS, Ram a krish na KM.  A comp ariso n   of some  co ndit i on  mon i torin g   techni qu es f o r   the detecti on o f  defect in in du ction motor b a l l  bear in gs.  Me chan ical Syste m s a nd Si gn al  Processin g .  200 7; 21(1): 24 4-25 6.  [12] Prabh u  R.  Rol l i ng elem ent dia gnostics.  Pr oc eed ing  of th e I ndo- US Sy mp o s iu m o n  E m erg i ng  T r ends  i n   Vibrati on a nd  Noise E ngi ne e r ing . Ne w   Del h i .  1996; 31 1–3 2 0 .   [13]  Butler  DE. T he shock  pu lse   method  for  th e  detecti on  of d a mag ed r o ll in g  be arin g.  NDT  Int.  197 3; 6:   92– 95.   [14]  Ran dal l RB, A n toni J. Ro lli ng  eleme n t be ari ng di ag nostics  - A tutorial.  Me chan ical Syste m s a nd Si gn a l   Processi ng . 20 11; 25: 48 5–5 2 0 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.