I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 2 0 ,   p p .   5 2 8 8 ~ 5 2 9 5   I SS N:  2088 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 10 i 5 . pp 5 2 8 8 - 5 2 9 5           5288       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   Fault  d ia g no sis  of   r o lling   e le m en t  b ea ring s    using  artificial n e ura l net w o rk       Sa a di L a ribi So ua d 1 ,   B endia bd ella h Az ze d ine 2 ,   Sa m ir  M er a di 3   1 De p a rtm e n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   L a b o ra to ry   o f   L 2 G E G I,   Un iv e rsit y   Ib n   Kh a ld o u n ,   A lg e ria   2 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   L a b o ra to ry   o f   L DEE,     Un iv e rsit y   o f   S c ien c e s a n d   T e c h n o lo g y   M o h a m e d   Bo u d iaf ,   A lg e ri a   3 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   N a ti o n a l  P o ly tec h n ic S c h o o l,   A lg e ria       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 3 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   2 8 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Ma y   9 ,   2 0 2 0       Be a rin g s  a re   e s se n ti a l  c o m p o n e n ts  in   th e   m o st  e lec tri c a l  e q u ip m e n t.   P r o c e d u re s  f o r  m o n it o ri n g   th e   c o n d it io n   o f   b e a rin g s  m u st  b e   d e v e lo p e d   to   p re v e n t  u n e x p e c ted   f a il u re   o f   th e se   c o m p o n e n ts  d u ri n g   o p e ra ti o n   to   a v o i d   c o stly   c o n se q u e n c e s.  In   t h is  p a p e r,   th e   d e sig n   o f   a   m o n it o rin g   s y ste m   f o r     th e   d e tec ti o n   o f   ro ll in g   e lem e n t - b e a rin g s  fa il u re   is  p ro p o se d .   T h e   m e th o d   f o r   d e tec ti n g   a n d   lo c a ti n g   t h is  ty p e   o f   f a u lt   is  c a rried   o u t  u sin g   a d v a n c e d   in telli g e n t  tec h n iq u e s  b a se d   o n   a   p e rc e p tro n   m u lt il a y e r  a rti f ic ial  n e u ra l   n e tw o rk   (M L P - AN N);  it s  d a tab a se   u se s  sta ti stic a l  in d ica to rs  c h a ra c teriz in g   v ib ra ti o n   sig n a ls.   T h e   e ff e c ti v e n e ss   o f   th e   p ro p o se d   m e th o d   is  il lu stra ted   u sin g   e x p e rim e n tall y   o b tain e d   b e a rin g   v ib ra ti o n   d a ta,  a n d   th e   re su lt s  h a v e   sh o w n   g o o d   a c c u ra c y   in   d e tec ti n g   a n d   l o c a ti n g   d e f e c ts .   K ey w o r d s :   B ea r in g   Dete ctio n   Diag n o s is   ML P   n e u r al  n et w o r k   T im e - d o m ai n   an al y s is   Co p y rig h t  ©   2 0 2 0   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Saad i L ar ib i So u ad ,   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   L ab o r ato r y   o f   L 2 GE GI ,   Un i v er s it y   I b n   Kh a ld o u n ,   T iar et,   A l g er ia.   E m ail:  s o u ad . lar ib i@ u n i v - tiar et. d z       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  o b j ec tiv e  o f   co n d itio n - b ased   m ai n te n an ce   is   to   d etec t  f ail u r es  o f   r o tati n g   m ac h i n er y   b ef o r e     a  cr itical  f ailu r e  o cc u r s .   T h is   m ai n ten a n ce   ap p r o ac h   h as  m a n y   ad v a n ta g es,  as  it  av o id s   t h e  n ee d   to   d is m a n tle   th e  m ac h i n e  to   ch ec k   t h e  co n d itio n   o f   its   co m p o n e n t s .   I n   ad d itio n ,   th e  ch a n ce s   o f   d etec ti n g   a  d ef ec t  b ef o r e  it   b ec o m e s   cr itical  i n cr ea s e,   t h u s   av o id in g   a  m a x i m u m   o f   lo s s es  an d   f ail u r es  o f   t h e  m ac h in e .   Fo r   th ese  r ea s o n s ,   th e  au to m atio n   o f   f au l t  d iag n o s is   in   p r o ce s s e s   is   i n d is p en s a b le.   T h e  in d u s tr ial  s ec to r   h a s   ar o u s ed   th e  i n ter est  o f   s ev er al  r esear c h er s   o v er   th e   p ast d ec ad es.   B e a r i n g s   i n   r o t a t i n g   m a c h i n e r y   a r e   v u l n e r a b l e   c o m p o n e n t s   a n d   t h e   p r e s e n c e   o f   d e f e c t s   i n   t h e   b e a r i n g s   ca n   lead   to   th e  f ailu r e  o f   th ese  m ac h in e s .   T h e  b ea r in g s   g e n e r all y   co n s i s t  o f   t w o   r i n g s ,   an   in n er   an d   an   o u ter ,   b e t w e e n   w h i c h   t h e r e   i s   a   s e t   o f   b a l l s   o r   r o t a t i n g   r o l l e r s .   B a l l   b e a r i n g   d e f e c t s   a r e   g e n e r a l l y   c l a s s i f i e d   i n   t h e   c a t e g o r y   o f   ec ce n tr icit y   d ef ec t s   a n d   ca n   b e  cla s s i f ied   a s   a  d e f ec t  o f   t h e  o u ter   r in g ,   d ef ec t  o f   th e   i n n er   r in g   a n d   d ef ec t    o f   b alls   [ 1 ] .   T h er ef o r e,   ea r ly   id en ti f icatio n   o f   th e  s er io u s n es s   o f   t h ese  b ea r in g   f au l ts   d u r i n g   o p er atio n   ca n   p r ev en t   m ac h in er y   m al f u n c tio n   an d   f a ilu r e.   Def ec ti v e  b ea r in g s   ca u s e  v ib r atio n s ,   th er e f o r e  th ese  v i b r atio n   s ig n als  ca n   b e  u s ed   to   ev al u ate  t h e m .   T h e  f ir s t  d e f ec t  d etec tio n   ap p r o ac h es  co n s i s ted   o f   t h e  an a l y s is   o f   v ib r atio n   s i g n a l s   ex tr ac ted   f r o m   t h e  m ac h i n e  [ 2 - 5 ] .   Diag n o s tic  tec h n iq u es   f o r   b ea r in g   f ail u r es  ca n   b e  clas s if i ed   in to   th r ee   ap p r o ac h es:  ti m e  an a l y s i s   b a s e d   o n   s t a t i s t i c a l   p a r a m e t e r s   [ 5 ,   6 ] ,   f r e q u e n c y   a n a l y s i s   [ 7 ,   8 ] ,   a n d   t i m e - f r e q u e n c y   a n a l y s i s ,   s u c h   a s   t h e   w a v e l e t   tr an s f o r m   ( W T )   [ 9 - 1 1 ]   an d   t h e  Hi lb er t - H u an g   tr an s f o r m   ( HHT )   [ 1 2 ] .   T im e - b ased   d ia g n o s tic s   i s   n o t  v er y   ef f ec tiv e  w h e n   ap p lied   to   in cip ien t f a u lt s ,   o r   w h e n   t h e  s y s te m   is   e x p o s ed   to   lo w   lo ad s ,   as d escr ib ed   in   [ 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F a u lt d ia g n o s is   o f  r o llin g   ele men t b ea r in g s   u s in g   a r tifi cia l n eu r a l n etw o r k   ( S a a d i La r ib i  S o u a d )   5289   Sp ec tr al  an al y s is   is   t h e  m o s t  class ic  ap p r o ac h   to   d etec ti n g   f ail u r es  in   r o tatin g   m ac h in er y ,   an d   en v elo p e  an a l y s is   i s   t h e  m o s t   p o p u lar   m et h o d   o f   d iag n o s i n g   b ea r in g   f ai lu r es.  I n   a  co m p l ex   v ib r atio n   s i g n a l  f r o m   a n   i n d u s tr ia l  m ac h in e,   e n v elo p e  a n al y s is   ca n   b e  u s ed   t o   ex tr ac t  p er io d ic  i m p ac ts   s u c h   as  th o s e   p r o d u ce d   d u r in g   b ea r in g   d eter io r atio n   [ 6 ] .   Ho w e v er ,   t h is   c lass ic  to o l  is   s er io u s l y   a f f ec ted   b y   n o is e,   esp ec iall y   i n   th e   ea r l y   s tag e s   o f   d e f ec ts .   An o th er   to o l u s u all y   u s ed   to   e x a m i n e  t h e  f r eq u e n c y   d o m ai n   o f   s i g n al s   is   e m p ir ical   m o d e  d ec o m p o s itio n   ( E MD ) ,   w h ich   allo w s   to   d ec o m p o s e  a  s ig n al  in to   d if f er en t  m o d e s   o r   I MFs  ( in tr in s ic  m o d e  f u n ctio n )   [ 1 3 ,   1 4 ] .   Du e  to   th e   d r a w b ac k s   o f   f r eq u en c y   a n al y s i s ,   it   is   n ec ess ar y   to   f in d   ad d itio n a l  m et h o d s   f o r   an al y zin g   th e  n o n - s tatio n ar y   o f   t h e  s i g n al.   T i m e - f r eq u e n c y   d o m ai n   a n al y s i s   i s   t h e  m o s t   p o p u lar   ap p r o ac h   f o r   th e   a n al y s i s   o f   s u ch   s i g n als;   s o m e   ca n   b e  cited   s u c h   as   th e   W ig n er - f ile   d is tr ib u tio n   ( W VD)   an d   t h e  s h o r t - ter m   f o u r i e r   t r a n s f o r m   ( S T F T ) .   T h e s e   m e t h o d s   p e r f o r m   a   o n e - d i m en s i o n a l   s i g n a l   t r a n s f o r m a t i o n   t o   a   t w o - d i m e n s i o n a l   f u n ctio n ;  a n d   ca n   t h er ef o r e   p r o v id e  tr u e  t i m e - f r eq u e n c y   r ep r esen ta t io n s   o f   t h e  s i g n al,   b u t   ea ch   o f   th e  f r eq u en c y - ti m e  a n al y s i s   m et h o d s   s u f f er   f r o m   s o m e  p r o b lem s .   Ho w ev er ,   t h e  u s e  o f   th ese  m et h o d s   f o r   id en ti f y i n g   t h e  n at u r e  o f   t h e  d ef ec t  an d   th e   esti m atio n   o f   i ts   s e v er it y   r eq u ir es   th e   k n o w l ed g e  o f   t h e  e x p er t   w h o   is   n o t  a l w a y s   a v ailab le  [ 1 5 ,   1 6 ] .   T o d ay ,   t h an k s   to   th e   d ev elo p m en t   o f   ar ti f ic ial  i n tel lig e n ce   tec h n iq u es,   th is   o b s tacle   is   o v er co m e.   T h ese  tec h n iq u es   ar e  ca p ab le  o f   m an a g i n g   a   m o n ito r in g   p r o ce d u r e  o f   w h ic h   th e y   r ep r esen t  th e  e x p er tis e  s id e  an d   th u s   ta k e  t h e  r o le  d esig n ed   f o r   th e  ex p er t.     I n   a  d iag n o s t ic  p r o ce d u r e,   af ter   th e  ex tr ac tio n   o f   c h ar ac ter i s tics ,   an   i n tell ig e n t  clas s i f icati o n   s y s te m   is   r eq u ir ed .   Se v er al  i n telli g e n t  cla s s i f icat io n   s y s te m s   h a v e  b ee n   d ev elo p ed   an d   u s ed   f o r   m o n ito r in g   a n d   d iag n o s i s ,   s u c h   a s   f u zz y   clas s if ier s ,   g e n etic   alg o r it h m s ,   a n d   s u p p o r t  v ec to r   m ac h i n es   ( S VM s )   a n d   ar tific ial  n eu r al  n e t w o r k   ( A N N )   [ 1 7 - 1 9 ] .   N.   T alb i,   et  al. ,   [ 1 9 ]   p r o p o s ed   a  r o b u s t  b ea r in g   d ef ec t  class i f icatio n   tech n iq u e,   w h ich   w a s   u s ed   b y   t h e  ad ap tiv e  n et w o r k   r ef e r en ce   in f o r m atio n   s y s te m   ( ANFI S).   T h e  r esu lts   o b tain ed   b y   t h is   tec h n iq u e  g a v e  a  b etter   ac cu r ac y   o f   d ef ec t   class i f icatio n .   I n   t h i s   co n tex t ,   w e  h a v e  tr ied   to   d ev elo p   an o th er   ap p r o ac h   f o r   th e  d etec tio n   an d   clas s i f icati o n   o f   b ea r in g   d e f ec ts   u s i n g   ag ain   t h e  ad v a n ce d   in telli g e n t  tec h n iq u e,   b u t  t h i s   ti m e  th e   tech n iq u e  i s   b ased   o n   a  p er ce p tr o n   m u ltil a y er   ar ti f i cial  n e u r al  n et w o r k   ( ML P - A NN) .   T h e  m et h o d   is   p r o p o s ed   to   co m b in e  v ib r atio n   s ig n al  a n al y s is   a n d   ( ML P - AN N) .     S e v e r a l   s t a t i s t i c a l   i n d i c a t o r s   e x i s t   i n   t h e   l i t e r a t u r e ,   m o r e   o r   l e s s   e f f i c i e n t   a n d   a d e q u a t e   t o   c h a r a c t e r i z e   a   g i v e n   s i g n a l .   T h e   i n d i c a t o r s   m o s t   s e n s i t i v e   t o   d e f e c t s   h a v e   b e e n   s e l e c t e d   a n d   u s e d   a s   i n p u t s   f o r   ( M L P - A N N ) .     T h is   tech n iq u e  is   u s ed   f o r   th e  d etec tio n   an d   lo ca lizatio n   o f   b ea r in g   f au lts   u n d er   d if f er en t  lo ad   co n d itio n s .     T h e  ef f ec ti v e n ess   o f   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   test s   w ith   e x p er im en tal  r esu lts .       2.   E XP E R I M E NT A L   RE SUL T S   T h e  d atab ase  u s ed   is   a  s et  o f   r o llin g   v ib r atio n   s i g n als  f r o m   " C ase  W es ter n   R eser v e   Un i v er s it y   B ea r in g   Data   C en ter ,   [ 2 0 ] .   T h e  d atab ase  o f   n o r m al  o r   d ef ec tiv e  b all  b ea r in g s   i s   co llect ed   o n   a  test   b en c h   co n s is tin g   o f   a   m o to r ,   a   co u p lin g   an d   a  g en er ato r .   De f ec t s   i n   t h e  f o r m   o f   d o ts   o f   d i f f e r en t  d ia m eter s   a n d   d ep th s   h av e   b ee n   cr ea ted   o n   t h e  d i f f er e n t  p ar ts   o f   t h e  b ea r in g s .   As  s h o w n   i n   Fi g u r e  1 ,   t h e  test   b en c h   co n s is t s   m ai n l y   o f   a  m o to r   o n   t h e  le f t  s id e,   a  co u p lin g   " tr an s d u ce r   /  e n co d er "   at  th e  ce n ter ,   a  d y n a m o m e ter   at  t h e  r ig h t   s id e  an d   th e  co n tr o l c ir cu its   n o t v is ib le  i n   th e  F ig u r e  1 .           Fig u r e  1 .   E x p er i m en tal  test - b e d   ( Data   b ea r in g   ce n ter )       2 . 1 .     I dentif ica t io n o f   t he  bea ring s   us ed   T h e   t e s t e d   b e a r in g s   s u p p o r t   th e   m o t o r   s h af t   o n   b o t h   s i d e s   ( d r i v e   s i d e   a n d   f an   s i d e ) .   S im p le   d o t - s h a p e d   f au lt s   a r e   c r e a t e d   o n   th e   t es t   b e a r i n g s ,   u s in g   e l e c t r o - d is ch a r g e   m a ch in in g .   F au lt s   r an g in g   f r o m   0 . 0 0 7   i n c h e s   t o   0 . 0 2 8   i n c h e s   i n   d i am e t e r   a r e   in t r o d u c e d   s e p a r a t ely   in :     T h e  b ea r in g   in n er   r in g ;   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0   :    5 2 8 8   -   5295   5290     T h e  r o llin g   ele m e n t ( t h e  b all) ;     T h e  b ea r in g   o u ter   r in g .   A ll  d ata  f ile s   ar e  in   Ma t lab   f o r m at  ( *   . m at) .   E ac h   f ile  co n ta in s   t h r ee   d ata:  v ib r atio n   s i g n a ls   o n   b o t h   co u p lin g   a n d   f an   s id e s   as   w e ll  as   t h e  s p ee d   o f   r o tatio n   o f   th e   m o to r .   Th e  b ea r in g s   u s e d   in   o u r   w o r k   ar e     th e  s id e  co u p li n g   b ea r i n g s .     2 . 2 .   Repre s ent a t io n o f   t i m e  s ig na ls   Fo r   th e  v alid atio n   o f   th e  d i ag n o s tic  p r o ce d u r e  u s ed ,   th e  ac q u is itio n s   o f   ti m e - d o m ai n   v ib r atio n   s ig n al s   r ec o r d ed   o n   th e  co u p lin g   s id e  f o r   f o u r   lo ad   lev e ls   ( 0 ,   1 ,   2 ,   3   HP )   an d   1 2 , 0 0 0   p o in ts / s ec o n d   ar e  f o r   th e  f o llo w i n g   o p er atin g   m o d e s ,   s ee   Fi g u r e s   2   a n d   3 :   1   m il  =   0 . 0 0 1   in ch es,  1   in c h   =   2 5 . 4 m m ,   1   HP   =  1   Ho r s e   P o w er   =  7 4 5 . 6 9   W att                   Fig u r e  2 .   Vib r atio n   ti m e  s ig n a ls   f o r   h ea lt h y   an d   f a u lt y   o p er atio n   f o r   d if f er en t r es is ti v e  to r q u es    an d   d ef ec t d ia m eter s   ( 0 . 0 0 7   " )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F a u lt d ia g n o s is   o f  r o llin g   ele men t b ea r in g s   u s in g   a r tifi cia l n eu r a l n etw o r k   ( S a a d i La r ib i  S o u a d )   5291       Fig u r e  3 .   Vib r atio n   ti m e  s ig n a ls   f o r   f a u lt y   o p er atio n   f o r   d if f e r en t r esis ti v e  to r q u es    an d   d ef ec t d ia m eter s   ( 0 . 0 0 7   " )       3.   AP P L I CA T I O N  O F   ANN  F O R  DE T E C T I O N  O F   B E A RIN G   DE F E C T S   T h e  am p lit u d e  o f   th e  s h o ck s   ap p lied   to   th e  b ea r in g   d ep en d s   d ir ec tl y   o n   th e  d ia m et er   o f   t h e  d ef ec t.     T h e  lar g er   th e  d ef ec t,  th e  g r ea ter   th e  s h o ck .   T h e  v ib r atio n   s i g n al,   w h ic h   is   th e  r esp o n s e  to   th e  s h o ck ,   i s   also   d ir ec tl y   r elate d   to   th e  s ize  o f   th e  d ef ec t.   T o   ch ar ac ter ize  a   v ib r atio n   s i g n al,   s e v er al  ti m e  d escr ip to r s   ex is t,  allo w i n g   h a v i n g   i n f o r m atio n   b y   m ea n s   o f   a  u n iq u e  v al u e.   T h e  b est  k n o w n   ar e  th e  P E AK  ( m ax i m u m   v al u e) ,   th e  R M S  ( r o o t  m ea n   s q u ar e)   w h ic h   r ep r esen ts   t h e  R M S  v al u e  o f   th e  s ig n al,   t h e  cr est  f ac t o r   an d   th e  k u r to s i s .   T ab le  1   s u m m ar izes t h e  m a in   co n v e n tio n al  d escr ip to r s   t h at  w e   ar e  g o i n g   to   u s e  i n   o u r   w o r k .       T ab le  1 .   T em p o r al  d escr ip to r s   [ 2 1 ]   T e mp o r a l   i n d i c a t o r s   Ex p r e ssi o n   Pe a k   p e a k   =   su p 1 ≤ K ≤ N | a k |       R o o t   M e a n   S q u a r e   RMS = √ 1 = ∑ 2 = 1     Kurt o si s   Kurt o si s = 1 = ∑ ( − ̅ ) 4 = 1  4   I mp u l se   F a c t o r   I M F   = p e a k 1 = ∑ | | = 1   C r e st   F a c t o r   CF = p e a k RMS   TA L A F   T A LA F = lo g [ +   0 ]   T H I K A T   T HI KA T =   lo g [ ( )  + ( 0 )  ]       I n   o r d er   to   d eter m i n e  t h e  t y p e  o f   ex i s ti n g   b ea r in g   d ef ec t,  a   f a u lt  d etec tio n   an d   d iag n o s i s   p r o ce d u r e  ar e  p r o p o s ed   u s in g   a  co m b in a tio n   o f   a  s tatis tical  an al y s is   te ch n iq u e  b ased   o n   v ib r atio n   s i g n al  i n d icato r s   an d   an   i n telli g e n t  tec h n iq u e   b ased   o n   ar ti f icial   n e u r al  n et w o r k s   ( A NN)   [ 2 1 - 2 6 ] .   Fi g u r e  4   s h o w s   a  s i m p lifie d   f lo w  ch ar t o f   th e  p r o p o s ed   p r o ce s s .   T h e  s tep s   o f   co n s tr u ctio n   a n d   v alid atio n   o f   n e u r al  n et w o r k s   ar e  d iv in g   in to   t h r ee   p h ases :   -    C h o ice  o f   n et w o r k   in p u ts   T h e  lear n in g   b ase  o f   th e  A N N  is   p r esen ted   in   th e  f o r m   o f   a  f ile  o r   a   tab le  ( m atr ix ) .   I t  is   r ep r esen ted   b y   clas s es  o f   v ec to r s ,   w h er e  ea ch   class   r ep r esen t s   a  t y p e  o f   o p er atio n ,   an d   ea ch   v ec to r   is   r ep r esen ted   b y     th e  s a m p led   v al u es.  I n   o u r   ca s e  s t u d y ,   th er e  ar e   s e v er al  v ec to r s ,   w h ic h   r ep r esen t  t h e  f o u r   t y p es   o f   o p er atio n   m o d e s ,   a n d   t h ese  r ep r ese n t  f o u r   v ec to r s   f o r   th e   d if f er en t  lo ad s   ( 0 ,   1 ,   2 ,   3   HP )   an d   1 2 , 0 0 0   p o in ts /s ec o n d   co n ce r n ed .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0   :    5 2 8 8   -   5295   5292   T h e  s a m p led   v al u es  c h o s e n   as  in p u ts   o f   t h e  n e u r al  n e t w o r k   ar e  t h e  s tatis ti c al  i n d icato r s   o f   th e  v ib r atio n   s i g n als,  t h eir   m at h e m a tical  e x p r ess io n s   ar e  g i v e n   in   T ab le  1 .   H en ce   th e  n u m b er   o f   in p u ts   o n   th i s   n et w o r k   i s   eq u al  to   7 :     [ Pe a k       R M S       Ku       IM F       CF       TAL A F       THIK A T ]     -     C h o ice  o f   n et w o r k   o u tp u t s   W h en   a  f a u lt  i s   d etec ted ,   t h e  n et w o r k   m u s t  i n d icate   a  b i n ar y   n u m b er   t h r o u g h   its   o u t p u t,  w h ich   co r r esp o n d s   to   a  ty p e  o f   f au l t;  th i s   is   ca lled   t h e  clas s if ica tio n   s tep .   I n   t h is   w o r k ,   f o u r   t y p es  o f   f a u lts   ar e   co n s id er ed   an d   ar e  b in ar y   co d ed   as sh o w n   i n   T ab le  2 .       T ab le  2 .   C lass if icatio n   o f   t y p e s   o f   r o llin g   d ef ec t s   B e a r i n g   c o n d i t i o n   C o d i f i c a t i o n / d e si r e d   o u t p u t   H e a l t h y   st a t e   1 0 0 0   F a u l t   i n   t h e   i n n e r   r i n g   0 1 0 0   F a u l t   i n   t h e   o u t e r   r i n g   0 0 1 0   F a u l t   i n   t h e   b a l l   0 0 0 1       -    C h o ice  o f   ac ti v atio n   f u n ctio n     Sin ce   th e   o u tp u ts   ar e  b i n ar y   a n d   th e   i n p u ts   ar e  r ea l,  t h e  ac ti v atio n   f u n ctio n   is   a   s i g m o id   f u n ct io n   a s   d ep icted   in   Fig u r e  5 .   T h is   f i g u r e  illu s tr ate s   th e  s tr u ct u r e  o f   t h e  ML P - A NN  n e u r o n   n et w o r k   u s ed   in   o u r   w o r k .           Fig u r e  4 .   C lass if ica tio n   s c h e m e  b y   R N A - b ased   o n   v al u es o f   th e  te m p o r al  i n d icato r s           Fig u r e  5 .   Neu r al  n et w o r k   d es i g n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F a u lt d ia g n o s is   o f  r o llin g   ele men t b ea r in g s   u s in g   a r tifi cia l n eu r a l n etw o r k   ( S a a d i La r ib i  S o u a d )   5293   3 . 1 .     Resul t s   o f   lea rning   T h e  b est  lear n i n g   p er f o r m an ce s   o b tain ed   t h r o u g h   a  g o o d   ch o ice  o f   th e  ANN  s tr u ct u r e  an d   af ter   s ev er al  lear n i n g   test s .   T h e  r e s u lt in g   n et w o r k   is   ch ar ac ter iz ed   b y   a  s i m p le  ar ch i tectu r e  c o m p r i s in g   an   i n p u t   la y er   ( r etin a) ,   an   o u tp u t  la y er   f o r   th e  d ec is io n   an d   a  h id d en   la y er   co m p o s ed   o f   ten   n e u r o n s   w h o s e  tr an s f er   f u n ctio n   is   o f   s i g m o id   t y p e  an d   o f   lin ea r   t y p e  f o r   th e  n e u r o n   o f   th e  o u tp u t  la y er   as  s h o w n   i n   Fig u r e  6 .   T h e  lear n in g   p er f o r m a n ce   o f   t h e  u s ed   A NN  i s   ev al u ated   t h r o u g h   t h e  m ea n   s q u ar ed   er r o r   ( MSE ) .   Fo r   o u r   ca s e,   th e  A NN  r ea c h es  a  v alu e  o f   7 . 1 1 9 2 e - 1 1   af ter   1 8   iter atio n s   as  s h o w n   in   Fig u r e  7 .   Fro m   t h e  r esu lt s   o b tain ed   i n   th e  test   p h a s e,   ca n   b e  s ee n   th a t  th e  o u tp u ts   o f   t h e  A NN  f o ll o w   al m o s t  ex ac t l y   ( w it h   an   er r o r   o f   7 . 1 1 9 2 e  - 1 1 )   th e  d esire d   p r e - estab lis h ed   o u t p u ts .           Fig u r e  6 .   B u ild in g   t h e  A N N  b lo ck           F ig u r e  7 .   P er f o r m a n ce   o f   th e  n eu r o n   n et w o r k       3 . 2 .     T ests o f   t he  ANN  f o r  f a ult  det ec t io n   On ce   t h e  ANN  h as  b u ilt  a n d   its   lear n in g   h as   ac h ie v ed   s atis f ac to r y   p er f o r m an ce ,   w e   m o v e   to     th e  co m p ar i s o n   s ta g e  b et w ee n   ex a m p les   at  t h e  e n tr an ce   o f   t h e  n et w o r k .   I n   f ac t,  t h e s e  e x a m p les  b elo n g   to   t w o   d atab ases ,   th e  f ir s t  b ein g   t h e  l ea r n in g   b ase  an d   th e  s ec o n d   b ein g   t h e  test   b ase  o n   w h ic h   o n e  test s   th e  ab ilit y   o f   th e  n et w o r k   to   r ec o g n ize  n o r m al  e x a m p les  ( n o t  lear n ed ) .   T h e  last   o p er atio n   m ak e s   it   p o s s ib le  to   es ti m a te     th e  g e n er aliza tio n   ca p ac it y   o f   th e  A NN  n et w o r k .   As  f o r   th e  n et w o r k   test   o n   t h e  ex a m p les  th at  ar e  n o t  lear n ed   in   t h e  lear n i n g   p h ase  ( n e w   e x a m p les),   th e ir   r esu l ts   ar e  s h o w n   in   Fi g u r e  8 .   Fro m   th e  r es u lt s   o b tain ed   in   t h e  test   p h ase,   it  ca n   b e  s ee n   t h at  t h e  o u tp u ts   o f   t h e  A NN   ev o l v e  ac co r d in g   to   th e  p r e - estab li s h ed   d esire d   o u tp u ts   f o r   th e  d if f er en t t y p es o f   o p er atio n   ( h ea lt h y   s tate  a n d   f a u lt y   s tat e  w it h   b ea r in g   d ef ec t s ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 0   :    5 2 8 8   -   5295   5294     ( a)       ( b )       ( c)       ( d )     F ig u r e  8 .   Ou tp u t s   an d   er r o r s   o f   A NN  lear n in g ,   ( a)   Hea lth y   m ac h in e:  d es ir ed   o u tp u t 1 0 0 0 ,   ( b )   Ma ch in e  w ith   Fau lt i n   t h e  in n er   r in g : d esire d   o u tp u t 0 1 0 0 ,   ( c)   Ma ch in e  w it h   Fa u lt in   t h e  o u ter   r i n g : d es ir ed   o u tp u t 0 0 1 0     an d   ( d )   Ma ch in e  w it h   Fa u lt i n   th e  b all: d esire d   o u tp u t 0 0 0 1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F a u lt d ia g n o s is   o f  r o llin g   ele men t b ea r in g s   u s in g   a r tifi cia l n eu r a l n etw o r k   ( S a a d i La r ib i  S o u a d )   5295   4 .     CONC L U S I O N    T h is   w o r k   is   d e v o ted   to   t h e   p r o p o s al  o f   t h e  b ea r in g   d e f ec t  clas s i f icatio n   u s i n g   ar ti f i cial  n e u r al   n et w o r k s   ( A NN) .   T h e  r esu lti n g   n et w o r k   i s   ch ar ac ter ized   b y   a  s i m p le  ar ch itect u r e  w ith   a n   in p u t  la y er   ( r etin a) ,   an   o u tp u t  la y er   f o r   th e  d ec is io n   an d   a  h id d en   la y er   o f   1 0   n eu r o n s ,   an d   g r ap h ical  r es u lts   t h at  s h o w   th e  r es u lt s   o f   t h e  tr ai n in g .   I t   ca n   b e  co n clu d ed   th at   b etter   lear n in g   p e r f o r m an ce   ac h iev e s   t h r o u g h   a   g o o d   ch o ice  o f   a n   A N N  s tr u c tu r e  a f ter   s ev er al  le ar n in g   test s .       RE F E R E NC E S   [1 ]   B.   M u r u g a n a th a m ,   e t  a l. ,   “ Ro ll e r  El e m e n t  Be a rin g   F a u lt   Di a g n o sis  Us in g   S i n g u lar  S p e c tru m   A n a l y sis,”   M e c h a n ica l  S y ste ms   a n d   S i g n a l  P ro c e ss in g ,   v o l.   3 5 ,   n o .   1 - 2 ,   p p .   1 5 0 - 1 6 6 ,   2 0 1 3 .   [2 ]   S.  Ku lk a rn i   a n d   S .   W a d k a r . ,   “ Ex p e rim e n tal  In v e stig a ti o n   f o r  Distr ib u te d   De f e c ts  in   Ba ll   Be a rin g   U sin g   V i b ra ti o n   S ig n a tu re   A n a l y sis,”   Pro c e d ia   En g in e e rin g ,   v o l.   1 4 4 ,   n o .   2 0 1 6 ,   p p .   7 8 1 - 7 8 9 ,   2 0 1 6 .     [3 ]   A .   P a v a n   a n d   P .   Ja y a s w a l,   “ S e l e c ti o n   o f   Be st  Cla ss i f ica ti o n   A l g o rit h m   f o r  F a u lt   Dia g n o sis  o f  Be a rin g   Us in g   V ib ra ti o n   S ig n a tu re   A n a l y sis,”   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f  In n o v a ti v e   T e c h n o l o g y   a n d   Exp l o rin g   En g i n e e rin g ,   v o l.   8 ,   n o .   5 ,   p p .   5 3 8 - 5 4 6 ,   2 0 1 9 .   [4 ]   A .   Bo u g u e r n e ,   e t  a l. ,   " Op ti m isa ti o n   o f   Vib ra ti o n   Da ta  Us i n g   P a r ti c le  S w a r m   Op ti m i z a ti o n   A p p li e d   to   In d u c ti o n   M a c h in e   F a u l ts,”  In ter n a ti o n a l  C o n fer e n c e   o n   Ren e wa b le E n e rg ies ,   2 0 1 3 .   [5 ]   B.   M u r u g a n a th a m .   e t  a l. ,   “ Be a rin g   F a u lt   De tec ti o n   a n d   Clas sif ica ti o n   Us in g   A NC - Ba se d   F il tere d   V i b ra ti o n   S ig n a l, ”   In ter n a t io n a l  C o n fer e n c e   o n   C o mm u n ica t io n s a n d   Cy b e r P h y sic a l  En g i n e e rin g ,   p p .   3 2 5 - 3 3 4 ,   2 0 1 8 .   [6 ]   D.  Did ik ,   e t  a l . ,   “ F a u lt   Dia g n o s is  o f   Ro ll e r  Be a rin g   Us in g   P a ra m e ter  Ev a lu a ti o n   T e c h n iq u e s  a n d   M u lt i - Clas s   S u p p o rt   V e c to r  M a c h i n e , ”   In t e rn a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   En g in e e rin g ,   S c ie n c e   a n d   Na n o tec h n o lo g y ,   2 0 1 6 .   [7 ]   A .   Bo u d in a r,   e t  a l. ,   “ Im p ro v e d   S tato r  C u rre n t  S p e c tral  A n a ly sis  Tch n iq u e   f o r  Be a rin g   F a u lt   Dia g n o sis,”     1 6 t h   In ter n a ti o n a l  Po we r E lec tro n ics   a n d   M o t io n   Co n tro l   Co n fer e n c e   a n d   Exp o siti o n ,   p p .   1 2 2 8 - 1 2 3 3 ,   2 0 1 4 .     [8 ]   S .   Dja b a ll a h   a n d   M .   Ka m e l,   “ D e tec ti o n   a n d   Dia g n o sis  o f   F a u lt   Be a rin g   Us in g   Wav e let  P a c k e t  T ra n s f o r m   a n d   Ne u ra l  Ne tw o rk , ”   Arti c le i n   Fra tt u ra   E d   I n teg rità   S tr u tt u ra le,   v o l .   1 3 ,   n o .   4 9 ,   p p .   2 9 1 - 3 0 1 ,   2 0 1 9 .   [ 9 ]   L .   C .   J o s é .   e t   a l . ,   “ B e a r i n g   F a u l t   D i a g n o s i s   B a s e d   o n   N e u r a l   N e t w o r k   C l a s s i f i c a t i o n   a n d   W a v e l e t   T r a n s f o r m , ”   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   6 t h   W S E A S   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   W a v e l e t   A n a l y s i s   &   M u l t i r a t e   S y s t e m s ,   p p .   16 - 1 8 ,   2 0 0 6 .   [1 0 ]   T .   Na re n d iran a th   Ba b u ,   e t  a l . ,   “ Jo u rn a l  Be a rin g   F a u lt   De tec ti o n   Ba se d   o n   Da u b e c h ies   W a v e l e t, ”   Arc h ive s  o f   Aco u stics ,   v o l.   4 2 ,   n o .   3 ,   p p .   4 0 1 - 414 ,   2 0 1 7 .     [1 1 ]   A .   Ka b la  a n d   K.  M o k ra n i,   “ Be a r in g   F a u lt   Dia g n o sis  Us i n g   Hilb e rt - Hu a n g   T ra n sf o r m   (HH T )  a n d   S u p p o rt   V e c t o r  M a c h in e   (S V M ) , ”   M e c h a n ics   &   I n d u stry ,   v o l.   1 7 ,   n o .   3 ,   2 0 1 6 .     [1 2 ]   W .   T s a o ,   e t  a l. ,   “ Re so n a n t - F re q u e n c y   Ba n d   Ch o ice   f o r  Be a rin g   F a u lt   Dia g n o sis  Ba se d   o n   EM D  a n d   En v e lo p e   A n a l y si s,  In   I n telli g e n t  C o n tr o l   a n d   A u to m a ti o n   (W CICA ), ”   8 th   W o rl d   Co n g re ss   o n   I n telli g e n t  C o n tr o l  a n d   Au to m a ti o n ,   p p .   1 2 8 9 - 1 2 9 4 ,   2 0 1 0 .     [1 3 ]   J.  Be n   A li ,   e t  a l. , “ A p p li c a ti o n   o f   E m p iri c a l  M o d e   De c o m p o siti o n   a n d   A rti f icia l  N e u ra l  Ne t w o rk   f o r  A u to m a ti c   Be a rin g   F a u l t  Dia g n o sis Ba se d   o n   V ib ra ti o n   S ig n a ls,”  A p p li e d   Aco u stics ,   v o l.   8 9 ,   p p .   1 6 - 2 7 ,   2 0 1 5 .     [1 4 ]   L .   Ho n g m e i,   e t  a l. ,   “ Ro ll i n g   Be a rin g   F a u lt   Dia g n o sis   Ba se d   o n   S T F T - D e e p   L e a rn in g   a n d   S o u n d   S ig n a ls,”  S h o c k   a n d   Vi b ra ti o n ,   v o l.   2 0 1 6 ,   n o .   2 ,   p p .   1 - 1 2 ,   2 0 1 6 .   [1 5 ]   R.   R.   S h a rm a ,   e t  a l. ,   “ A n   E m p iri c a l  W a v e let  T ra n s f o r m - Ba s e d   A p p ro a c h   f o r  Cro ss - T e r m s - F re e   W ig n e r – V il le  Distrib u ti o n , ”   S i g n a l,   Im a g e   a n d   Vi d e o   Pr o c e ss in g ,   v o l.   14,   n o .   2 ,   p p .   2 4 9 - 2 5 6 ,   2 0 2 0 .     [1 6 ]   S.   Ja g a th ,   e t  a l. ,   “ Early   De tec ti o n   a n d   Clas sif ica ti o n   o f   Be a rin g   F a u lt s  u si n g   S u p p o rt  V e c to r  M a c h i n e   A lg o rit h m , ”   IEE E  W o rk sh o p   o n   El e c trica l   M a c h in e s De sig n ,   Co n tro l  a n d   Di a g n o sis,   p p .   2 5 0 - 2 5 5 ,   2 0 1 7 .     [1 7 ]   A .   Ch o u g ,   e t  a l. ,   “ De te c ti o n   a n d   Clas sif ica ti o n   o f   Be a rin g   F a u lt s  in   In d u strial  G e a r e d   M o to rs  Us in g   Te m p o ra l  F e a tu re s a n d   A d a p ti v e   Ne u ro - F u z z y   In f e r e n c e   S y ste m , ”   H e li y o n ,  v o l.   5 ,   n o .   8 ,  p p .   1 - 1 1 ,   2 0 1 9 .   [1 8 ]   J.  L e e ,   e t  a l. ,   “ F a u lt   Dia g n o sis  o f  In d u c ti o n   M o t o r  Us in g   Co n v o lu t i o n a l  Ne u ra l  Ne tw o rk , ”   Ap p li e d   S c ien c e s,   v o l.   9 ,   n o .   1 5 ,   p p .   1 - 1 0 ,   2 0 1 9 .   [1 9 ]   N.  T a lb i,   e t  a l. ,   “ Dia g n o sis  o f   Be a rin g   De f e c ts  b y   A n f i s  in   T h e   In d u c ti o n   M o to r , ”   Ca r p a t h ia n   J o u rn a l  o f  E lec trica l   En g i n e e rin g ,   v o l.   1 3 ,   n o .   1 ,   p p .   3 0 - 4 4 ,   2 0 1 9 .   [2 0 ]   Un iv e rsit y   C  W   R.   “ Be a rin g   Da ta  Ce n ter,”  e d   S e c o n d a ry ,   Un iv e rs it y   C  W   R  (Un it e d   S tate :  Ca se   W e ste rn   Re v e rse   Un iv e sit y ),   2 0 1 6 .   [2 1 ]   P .   P r o f ,   e t  a l. ,   “   F a u lt   De tec ti o n   in   Ro ll i n g   El e m e n t  Be a rin g   Us in g   V ib ra ti o n   Ba se d   A n , a l y si s,”   In ter n a ti o n a l  Co n fer e n c e   o n   Id e a s ,   Imp a c t  a n d   In n o v a ti o n   i n   M e c h a n ica l  En g in e e rin g ,  v o l .   5 ,   n o .   6 ,   p p .   1 6 6 6 - 1 6 7 4 ,   2 0 1 7 .     [2 2 ]     B.   Na re n d iran a th   Ba b u ,   e t  a l. , “ A p p li c a ti o n   o f   EM D  A NN   a n d   DN N  f o r  S e lf - A li g n in g   Be a rin g   F a u lt   Dia g n o sis,”   Arc h ive s o f  a c o u stics ,   v o l.   4 3 ,   n o .   2 ,   p p .   1 6 3 - 1 7 5 ,   2 0 1 8 .     [ 2 3 ]   M .   T a l h a ,   e t   a l . ,   “ A   M a t l a b   a n d   S i m u l i n k   B a s e d   T h r e e - P h a s e   I n v e r t e r   F a u l t   D i a g n o s i s   M e t h o d   U s i n g   T h r e e - D i m e n s i o n a l   F e a t u r e s , ”   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   F u z z y   L o g i c   a n d   I n t e l l i g e n t   S y s t e m s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   3 ,   p p .   1 7 3 - 1 8 0 ,   2 0 1 6 .   [2 4 ]   E.   L e v e n t,   “ Be a rin g   F a u lt   De t e c ti o n   b y   On e - Di m e n sio n a l  Co n v o lu ti o n a l  Ne u ra l  Ne tw o rk s,”   M a th e ma ti c a l   Pro b lem s in   En g in e e rin g ,   v o l.   2 0 1 7 ,   p p .   1 - 9 ,   2 0 1 7 .     [2 5 ]   C.   Zh iq ia n g ,   a t  a l. ,   ” V ib ra ti o n - Ba se d   G e a rb o x   F a u lt   Dia g n o sis  Us in g   De e p   Ne u ra l  Ne t w o rk s,”   J o u rn a l  o f   Vi b ro e n g i n e e rin g ,   v o l.   1 9 ,   n o .   4 ,   p p .   2 4 7 5 - 2 4 9 6 ,   2 0 1 7 .     [2 6 ]   B.   Be ss a m .   e t  a l. ,   “ De tec ti o n   o f   Bro k e n   Ro t o r  Ba r  F a u lt s  in   I n d u c ti o n   M o to r   a t  L o w   L o a d   Us in g   Ne u r a l  Ne tw o rk , ”   IS A  tra n sa c ti o n s,   v o l.   6 4 ,   p p .   2 4 1 - 2 4 6 ,   2 0 1 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.