EP4384792A1 - Method for detecting a bearing fault in a rotating system and monitoring system implementing this method - Google Patents
Method for detecting a bearing fault in a rotating system and monitoring system implementing this methodInfo
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- EP4384792A1 EP4384792A1 EP22769764.6A EP22769764A EP4384792A1 EP 4384792 A1 EP4384792 A1 EP 4384792A1 EP 22769764 A EP22769764 A EP 22769764A EP 4384792 A1 EP4384792 A1 EP 4384792A1
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Classifications
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Definitions
- TITLE Method for detecting a bearing fault of a rotating system and monitoring system implementing this method
- the present invention relates to a method for detecting a defect in a bearing of a rotary system, such as an aeronautical turbomachine bearing bearing.
- the invention finds applications in the field of monitoring the wear of bearings such as wind turbine bearings or car engine bearings. It finds, in particular, applications in the field of aeronautics for the monitoring of the bearings of the rotating systems of turbomachines.
- bearings such as ball or roller bearings
- bearings are often subject to specific monitoring in order to detect any damage or wear at an early stage.
- bearings are among the most stressed and critical mechanical components on many pieces of equipment, such as turbojets, compressors, thrust reversers, etc.
- Premature wear or an unforeseen failure on a bearing can affect the safe operation of equipment and even, in some cases, the safety of users. It is therefore necessary to monitor the state of health of complex equipment comprising several rotating elements (combustion rods, bearings, gears, fans, etc.) and in particular the state of health of the bearings in order to detect at the earliest the appearance of a defect or damage.
- patent document EP1970691 A1 proposes a method for detecting damage to a bearing supporting at least one rotating shaft of an engine in which a measurement period corresponding to a range of rotational speeds of the shaft during of a renewable activity at low engine operating speed is defined.
- the method then consists in acquiring, over the entire measurement period, a vibration acceleration signal, then in sampling the vibration signal as a function of the rotational speed of the engine during the measurement period, then in transforming the sampled vibration signal into a frequency signal to obtain spectral lines of frequency ordered according to the speed of rotation of the shaft, then to calculate the average of the amplitudes of the spectral lines, to determine peaks of amplitude around the multiples of the theoretical frequency of a roller damaged, calculating the ratio between each amplitude peak and the completed amplitude level for a healthy bearing, and comparing the ratio obtained with at least a predetermined damage threshold.
- This method has the disadvantage of being based on an analysis of the signal spectrum. However, it is well known in the literature that a simple analysis of the signal spectrum is not an adequate approach to detect a bearing defect, in particular when the signal-to-noise ratio is very low, as is the case in the aeronautical field.
- Patent document CN 106771598 A describes a method for detecting bearing faults in which a vibration signal of a mechanical vibration of the engine components is acquired over a measurement period P of variation in the speed N of the shaft. .
- the method then consists in sampling the signal during the period P, then in synchronizing the signal with the changes in the regime N, in converting the signal into a frequency signal to obtain spectral lines of frequency ordered according to the regime N, in calculating the average of the amplitudes of the spectral lines in order to obtain a current vibration signature of the engine, to calculate a deviation rate between the signature and a reference sound vibration signature and comparing the deviation rate with fault pointers from a pre-established database, listing the theoretical damage of the motor bearings in order to determine the potential damage of said bearings .
- this method is based on an analysis of the spectrum of the signal which is doomed to failure in particular for highly noisy environments.
- Patent document EP 2693176 A1 describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This process is based on signal pre-processing followed by envelope analysis. The purpose of this preprocessing is to separate the deterministic part from the random part and to improve the impulsivity of the signal. Once the envelope spectrum is calculated, a probabilistic approach is used to solve the fault frequency deviation problem. Thus, indicators based on the sum of the amplitudes of the harmonics of the fault frequency in the envelope are proposed as diagnostic indicators.
- the preprocessing techniques have a high computational cost and depend significantly on the parameters defined as input parameters.
- Patent document CN 104236908 B describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This method is based on a cyclostationary analysis of the vibration signal from the modulation intensity distribution. This process has the disadvantage of requiring the calculation of a matrix before the extraction of defect descriptors. It also has the disadvantage of not dealing with the problem of frequency deviation of the fault.
- Patent document EP 1970691 A1 also describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This process consists in calculating the edited spectrogram. It consists, in particular, in replacing the frequency variable of the spectrogram by the order of the rotating shaft carried by the monitored bearing. The average over time is then calculated and then the fault frequencies (as well as their multiple) are compared with reference cases in which the bearings are sound. The diagnostic information being obtained by a first-order spectral analysis, the effectiveness is therefore limited to well-defined applications.
- Patent document CN 105092249 A describes a method for detecting bearing defects by vibration analysis.
- This process consists in designing a Gabor filter whose parameters (the central frequency and the bandwidth) are optimized so as to maximize the index of the standards of the filtered signal.
- the envelope autocorrelation spectrum is then calculated on the filtered signal.
- the diagnostic information is in this distribution.
- This method based on an envelope analysis after a preprocessing of the vibration signal, has the disadvantage of being expensive due in particular to the preprocessing. It also has the disadvantage of not dealing with the problem of deviation from the characteristic frequency.
- Patent document CN 104655423 A describes a method for detecting bearing defects by vibration analysis. This method is based on a fusion of fault descriptors in the time-frequency domain. It consists in calculating the time-frequency distribution for healthy cases and cases including different types of defects. The redundancy between the distributions is removed and only the distinctive descriptors which allow a judgment by an operator are preserved.
- this method requires a database comprising all the types of defects, which is rarely available in the aeronautical context. In addition, this method entails a high computational cost.
- the patent document CN 106771598 A describes a method for detecting bearing defects by cyclostationary analysis. This process uses cyclic coherence and its integrated version to extract indicators which consist of the sum of the harmonics of the fault. This process has the disadvantage of a relatively low detectability of defects in a very low signal-to-noise ratio in the case of vibration signals in aeronautics.
- the applicant proposes a method for detecting a bearing fault in a very noisy environment, based on a advanced cyclostationary analysis of the vibration signal captured by one or more accelerometers. This method proposes to de-noise the signal, to estimate the real frequencies of the bearing defect, to analyze the signal by a cyclostationary analysis designed to obtain the signature of the defect even when the signal-to-noise ratio is small and to calculate diagnostic indicators informing about the state of health of the bearing.
- the invention relates to a method for detecting a fault in a bearing of a rotary system, comprising the following steps:
- Fine identification of signatures of interest by calculating a weighted and integrated cyclical coherence associated with the default;
- This method has the advantage of detecting very weak signatures, that is to say whose signal-to-noise ratio is very low, so as to take into account the aerodynamic and mechanical interference linked to the rolling environment.
- This process also has the advantage of being highly automated and requiring little user intervention.
- defects refers to any damage or wear of one or more elements of a bearing such as a ball bearing or a roller bearing.
- the term "signature” is used and the set of frequencies generated by the vibration signal and revealed by the application of certain transforms to the vibration signal, such as the Fourier transform, the envelope spectrum, the spectral correlation, etc.
- the method for detecting a bearing fault may have one or more additional characteristics from among the following, considered individually or according to all the technically possible combinations:
- the faults comprise four types of faults, the fault frequencies and the fault signatures being determined for each type of fault.
- the four types of faults are: an outer ring fault, an inner ring fault, a rolling element fault and a cage fault.
- step e) comprises an estimation, for each type of fault, of a current fault frequency corresponding to the most probable frequency between the lower limit and the upper limit.
- step f) comprises, for each type of defect, the determination of a contrast of the signature of the defect then the application of this contrast to the square of the amplitude of the spectral coherence.
- step g) comprises, for each type of defect, the determination of a weight associated with said defect then the calculation of a weighted and integrated cyclic coherence for this defect.
- the diagnostic indicators comprise, for each type of defect, a contrast of the signature of interest in the weighted and integrated cyclic coherence, a contrast of the signature of interest in an envelope spectrum of the residual signal and a relevance indicator of the signature of interest.
- the diagnostic indicators are each quantified by means of a value, said value being close to zero in the absence of a fault.
- step c) is carried out before step b), after step d) or simultaneously with step b) or d), the lower and upper limits constituting the input data of step e).
- the invention relates to a system for monitoring the state of health of an aircraft, characterized in that it comprises a device implementing the method as defined previously.
- FIG. 1 represents, in the form of a functional diagram, an example of the various operations of the method for detecting a rolling defect according to the invention
- Figure 2 shows a schematic sectional view of an example of a bearing and its geometric characteristics
- FIG. 3 represents examples of raw, deterministic and random signals obtained by a first operation of the method of FIG. 1;
- FIG. 4 represents an example of a signal obtained by an operation for calculating the spectral coherence of the method of FIG. 1;
- FIG. 5 represents examples of signals obtained by an operation for determining the cyclic spectral contrasts of the method of FIG. 1;
- FIG. 6 represents examples of signals obtained by an operation for calculating the spectral coherence, respectively, integrated and integrated and weighted of the method of FIG. 1;
- FIG. 7 represents examples of signals constituting diagnostic indicators obtained at the end of the method of FIG. 1 for four types of faults.
- the method 100 of detecting faults in a bearing comprises seven operations or steps, referenced 120 to 180, in FIG. It also comprises a preliminary operation 110 of acquiring the input data of the method.
- These input data acquired either by measurements using one or more sensors (under constant or variable operating speeds), or by theoretical calculations, include a bearing position signal with respect to the drive shaft. rotation of the rotary system in which the bearing is mounted, a vibration signal of the bearing and a theoretical characteristic vector of said bearing.
- the position signal is a signal coming, for example, from a position sensor, such as an encoder or a tachometer, and carrying information on the angular position of the reference shaft, from which the position of the bearing shaft can be deduced.
- the measurement sensors can be, for example, a position sensor, an accelerometer, a microphone, a strain gauge, a laser micrometer and/or any other vibration or acoustic sensor.
- an accelerometer is mounted on a fixed part of the rotary system and a position sensor is installed near a reference axis of said rotary system to measure the rotation of said system.
- the vibration signals as well as the position signals can thus be acquired by these sensors and accelerometers, over a quasi-steady state range. They can be saved in digital form, for example in a database, before being transmitted to a data processing device, such as a computer on board or not on board the aircraft.
- a bearing comprises an inner ring and an outer ring, coaxial, between which rotate rolling elements (usually balls or rollers) spaced apart by a cage.
- rolling elements usually balls or rollers
- the pitch diameter of the bearing (called “pitch diameter” in Anglo-Saxon terms), that is to say the average diameter between the diameter of the outer ring and the diameter of the interior, is called D p; the diameter of a ball or a rolling element inside the bearing is called DB; the contact angle of the rolling elements, i.e. the angle between the axis of rotation of the rolling elements and the axis of the rotation shaft, is called ⁇ ; the number of rolling elements (eg balls) is called NB.
- the kinematics of the bearing is defined by four theoretical characteristic frequencies which are:
- the outer ring defect frequency (called “Ball-Pass Frequency on the Outer race frequency: BPFO the ”, in English terms);
- the internal ring defect frequency (“Ball-Pass Frequency on the Inner race frequency: BPFI the ”, in Anglo-Saxon terms);
- the ball defect frequency (“Ball Spin Frequency: BSF the ”, in English terms);
- the cage fault frequency (“Failure Train Frequency: FTF the ”, in English terms), the cage being the casing or envelope of the bearing in which the rolling elements move.
- Step 120 After the acquisition of the input data in step 110, the detection method 100 includes an operation 120 of separating the deterministic part of the vibration signal previously acquired, that is to say of determination and elimination of this deterministic part in order to obtain a residual signal.
- the vibration signal which is a time signal
- the position signal will be denoted 0[n]
- the theoretical characteristic vector of the bearing whose components are BPFO the , BPFI the , BSF the , FTF the ,SRF, will be denoted V the .
- the operation 120 of separation of the deterministic part of the vibration signal consists in determining and then eliminating the deterministic part of said vibration signal.
- the vibration signal of a defective bearing which is of a random cyclostationary nature characterized by a hidden periodicity linked to the defect, can be masked by deterministic signals, generated by vibration phenomena unrelated to bearing defects (for example a gear defect, misalignment and imbalance of shafts, etc.).
- the time signal x[n] is transformed into the angular domain using the position signal 0[n], to obtain the angular signal x[0].
- This process is known to those skilled in the art as angular resampling.
- the signal x[0] being a digital signal, it is chosen to replace 0 by n; we therefore obtain x[n].
- the residual signal is calculated by filtering the signal x[n] by the filter hi as defined hereafter.
- the result of this convolution gives rise to the residual signal r[n], with In the vast majority applications, the rotational speed of the rotary system may fluctuate or vary. Consequently, it is chosen to define the periodicity of the deterministic part of the vibratory signal in angle and not in time.
- the vibration signal acquired in the form of a time signal, is resampled in angle using the position signal, or a speed signal measured for example by a sensor installed on one of the reference shafts of the rotary system.
- the notion of frequency will then be substituted by the notion of order.
- the order expresses the number of events per revolution of the reference shaft and its unit is noted by [evt/rev].
- the order 2 of a component is equivalent to twice the rotational frequency of the reference shaft.
- the resampled signal is expressed numerically over angular instants equally spaced by the angular resolution where 0ref denotes a complete angular rotation of the reference shaft and Nrev the number of points per reference revolution.
- the vibration signal x i becomes and denotes the vibration signal in the angular domain defined over N samples.
- an unsupervised method is applied which makes it possible to monitor all the rotating systems, in particular the complex rotating systems in which the kinematics of all the rotating components is not necessarily available.
- SANG method also called “frequency domain noise cancellation”.
- the principle of the SANG method, as well as its frequency version, are known and explained in the following document, incorporated here by reference: Antoni, RB Randall, Unsupervised noise cancellation for vibration signals: part II - A novel frequency-domain algorithm, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 18, Issue 1, 2004, Pages 103-11.
- This SANG method consists in finding a predictor of the signal x[n] using a finite number of past instants with Nf the length of the filter and such that for all
- the optimal solution of this problem is given by the following linear regression (equivalent to a time-invariant linear filtering) where hi denotes the ith coefficient of the filter:
- the filter coefficients are estimated so as to minimize the quadratic error.
- a good estimator of this filter in the frequency domain is then given by the following equation: is the discrete Fourier transform respectively of and of calculated on is a window of size weight N and where It is possible to obtain the temporal filter by applying the inverse discrete Fourier transform to M points.
- the temporal filter obtained is the following:
- the effective length of the filter is N f and not M, and that the latter is used to speed up the calculations (in particular through the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm).
- FFT Fast Fourier Transform
- the operation 120 of separation of the deterministic part uses the temporal vibration signal x[n] and the position signal 0[n], as measured in step 110, to generate a random residual signal r[n]. It also uses parameters such as the delay A in number of samples and the length of the filter Nf in number of samples. These parameters can be set by the operator or set by default with (where Nrev is the number of angular sample per cycle of the reference tree) andN f .
- Examples of the raw vibration signal, as acquired in step 110, of the deterministic part of the vibration signal and of the random residual signal, obtained by applying the operation 120 for separating the deterministic part, are represented, respectively, on parts A, B and C of figure 3.
- the raw vibration signal shows, on part A, a few pulses linked to a fault in an element of the rotary system other than the bearing, for example a fault in gear.
- the deterministic signal i.e. the deterministic part of the vibration signal, clearly shows these pulses, in part B of Figure 3, together with the meshing period.
- the random residual signal, obtained at the end of operation 120, clearly shows, in part C of FIG. 3, the pulses generated by an outer race fault.
- Step 130 The method 100 then includes an operation 130 for calculating the fault frequency limits. Indeed, it is commonly accepted that bearing fault frequencies are subject to a deviation generated by the change in the contact angle during movement. The actual fault frequencies are therefore significantly different from those calculated theoretically. It is therefore useful to estimate intervals of uncertainty of fault frequencies. bearing, the estimation of these intervals corresponding to the calculation, for each fault frequency, of a lower limit and an upper limit of the fault frequencies.
- This operation 130 uses, as a parameter, the uncertainty e on the frequency of the cage defect and the length of the filter N f in numbers of samples.
- the uncertainty parameter e on the cage fault frequency can be predefined by the operator or fixed by default at 0.03.
- the characteristic vector of the bearing is an input configured by the user and comprising the characteristic frequencies of the monitored bearing.
- Each bearing is defined by four characteristic frequencies, as well as by its rotational frequency. The calculation of these frequencies of outer ring defect, inner ring defect, ball defect and cage defect are done using formulas known to those skilled in the art and cited above.
- Step 140 The method 100 then includes an operation 140 for calculating the spectral coherence, carried out following the operation 120 for separating the deterministic part of the vibration signal.
- the spectral coherence is a complex quantity defined from the residual signal as detailed below.
- Operation 140 uses, as input data, the resampled vibratory signal (in angle) determined during operation 110. It also uses, as parameters, the angular shift R, the window size Nw, the uncertainty e on the frequency of the cage defect and the length of the filter N f in number of samples.
- the angular offset R and the window size Nw can be set by the operator or set by default.
- Hd and Hm which designate the number of fault harmonics and the number of pairs of side lines in the signature considered, have the value, respectively, of 6 and 3. It is commonly accepted by the scientific community that the nature of the bearing fault signal is cyclostationary (at order 2). Cyclostationary methods have proven their effectiveness for the detection and identification of bearing defects. Several works have focused on different statistical tools of order 2, for example the spectrum of the square of the envelope, the spectral correlation, the spectral coherence, the integrated spectral coherence. These various tools are described in particular in the documents: (1) Jércons Antoni, Cyclic spectral analysis in practice, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 21, Issue 2, 2007, Pages 597-630, ISSN 0888-3270; (2) J.
- Spectral coherence is the normalized version of spectral correlation, defined as the double Fourier transform of the autocorrelation function.
- the spectral correlation is defined by:
- the spectral coherence has an amplitude bounded between 0 and 1 and indicates the intensity of the cyclostationarity in terms of signal-to-noise ratio. It is defined as follows: Or denotes the power spectrum.
- the fast spectral correlation is applied to the residual signal r[n a ], where n a denotes the index linked to the angular variable .
- the estimator of the fast spectral correlation is based on the short-term Fourier transform of the signal, as described in the document Jércons Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing , Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270.
- the estimator of the fast spectral correlation is based on the short-term Fourier transform of the signal, as described in the document Jérnies Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing , Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270.
- FIG. 4 represents an example of application of spectral coherence to the residual part of the vibration signal.
- Figure 4 shows spectral lines parallel to the frequency axis and located on the outer ring fault frequency as well as its harmonics. This indicates the presence of a 2nd order cyclostationarity which is symptomatic of a rolling defect.
- the intensity of the spectral lines intensify over a wide band, located between 4 and 8 kHz, indicating the presence of a resonance in this area.
- the integrated spectral coherence is also calculated by averaging the spectral coherence against the spectral frequency variable.
- the spectrum obtained also called “enhanced envelope spectrum”, is a good indicator for detecting bearing defects.
- the signature of the bearing defect is clearly visible on this spectrum. It should be noted that a gear related part still exists and manifests in the spectral coherence as well as the improved envelope spectrum.
- Step 150 The method 100 then includes an operation 150 for calculating the real characteristic vector of the bearing, also called the current characteristic vector.
- This operation 150 which allows the identification of the real fault frequencies ("true” as opposed to the theoretical frequencies), uses as input data the diagnostic indicator obtained at the end of the operation 140, that is to say say the square of the amplitude of the spectral coherence. It uses, also as input data, the lower and upper frequency limits determined during operation 130.
- the method proposes to estimate the most probable fault frequency by assuming that the latter is within the frequency limits calculated in operation 130. It is expected that At the most probable frequency, the cyclostationarity is the strongest with the presence of multiple harmonics.
- the criterion used to identify the most probable defect frequency consists in identifying the peaks in the square of the amplitude of the integrated spectral coherence. The square of the amplitude of the integrated cyclic coherence is expressed as follows:
- a peak is defined by the presence of a value greater than two neighboring samples (two samples to the right and two to the left). Peaks relating to multiples of the rotational frequency of the rolling shaft are considered unwanted interference and are not taken into account.
- the peaks around the two harmonics are compared to find potential harmonics. The current frequency of the fault is that which presents a multiple harmonic and which has the greatest energy. If the second harmonic is not present, the frequency related to the maximum amplitude of around the first harmonic is retained. It should be noted that the modulations are not taken into account in this step.
- the operation 150 makes it possible to calculate the current fault frequency for each of the four characteristic frequencies of rolling faults thanks to the square of the amplitude of the integrated spectral coherence. For example, for the outer ring fault frequency, BPFO Low and BPF0 Hl are used to delimit the uncertainty interval of the fault frequency. The process is then applied to the fast spectral coherence in order to obtain the current frequency most probable outer ring fault. The same methodology is applied for each of the four fault frequencies (outer ring, inner ring, cage and ball). This operation 150 makes it possible, at output, to know the current characteristic vector of the bearing:
- Step 160 The method 100 comprises, following the operation 150, an operation 160 for estimating the frequency support of the bearing fault signatures using, as input data, the square of the amplitude of fast spectral coherence r the lower limit of the characteristic frequencies the upper limit of the characteristic frequencies and the vector current characteristic of the bearing FRS].
- This step 160 also uses parameters such as H d , the number of harmonics considered for the fault signature and H m , the number of sideband pairs considered for the fault signature. These parameters can be set by the operator; they can also be set to default with, for example,
- This operation 160 proposes to calculate the spectral cyclic contrasts of bearing defects.
- a cyclic contrast is calculated for each of the potential faults using the associated characteristic fault frequency.
- the contrast cyclic can be calculated, as shown later, using the variable ad, which is the frequency of the suspect fault, and the variable ⁇ m , which is its potential modulation.
- the detection and the identification of a fault are based on the presence of a cyclosationnarity in the signal associated with the various signatures of the fault (according to the type of the fault).
- the method 100 uses the envelope spectrum or the square of the amplitude of the integrated cyclic coherence, ICC r (fast) ( ⁇ ), with respect to the spectral frequency.
- Such an indicator is relevant for early detection of the defect, and provides superior results compared to sophisticated state-of-the-art methods such as the one described in the document by Abboud, M. Elbadaoui, WA Smith, RB Randall , “Advanced bearing diagnostics: A comparative study of two powerful approaches”, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 114, 2019, Pages 604-627.
- a signature in the general case of a bearing fault signature comprising the fault frequency fd and its multiple harmonics modulated by a frequency fm, is explained below.
- the frequency fd is the inner race fault frequency (BPFI)
- fm is the bearing shaft rotational frequency (SRF).
- the contrast of the signature S in any function Z(a) (where a denotes the variable frequency or order in [evt/rev] ) is defined as being the amplitude of the harmonics associated with this signature divided by the average of the background noise around its peaks.
- the contrast of the signature S is then determined by calculating the sum of the amplitudes of the same signature calculated on frequencies close to that of the defect.
- the contrast of the signature S( ⁇ d , ⁇ m ) in Z(a) is defined as follows: where is a uniform random variable over a window of size centered on and set to Median equals noise amplitude background and is immune to large peak values (or "outlier" in Anglo-Saxon terms). In the absence of a peak, the sum of the peaks is very close to the average of the background noise and the contrast tends towards 1. If one or more peaks exist, the contrast increases with amplitude and number of harmonics. In order to center the contrast at zero, it is convenient to define the centered emergence by subtracting the value 1 from the contrast. The contrast of the signature is then:
- the contrast In the absence of a signature, the contrast remains close to zero. In the presence of a signature, the contrast increases.
- the spectral cyclic contrast of a signature for a signal z[n] is simply the contrast, centered, applied to the square of the amplitude of the spectral coherence
- the spectral cyclic contrast is a function of the spectral frequency. It identifies the spectral frequencies that exhibit cyclostationarity at this signature (the contrast for these frequencies is greater than zero). The purpose of this function is to calculate the signatures associated with the four types of defects (outer ring, inner ring, cage and ball) and to determine the spectral cyclic contrast for each of the defect frequencies.
- the spectral cyclic contrasts can then be calculated.
- the cyclic spectral contrasts associated with each of the defects are: b1 ) Signature of the outer ring defect: b2) Signature of the inner ring defect: b3) Signature of the ball defect (or other rolling element): b4) Signature of cage defect:
- FIG. 5 Examples of the cyclic spectral contrasts relating to the four types of defects are represented in FIG. 5 with, along the abscissa, the frequency and, along the ordinate, the contrast as a percentage.
- part A shows an example of spectral cyclic contrast for an outer ring defect
- part B shows an example of spectral cyclic contrast for an inner ring defect
- Part C shows an example of spectral cyclic contrast for a ball defect
- part D shows an example of spectral cyclic contrast for a cage defect.
- Figure 5 shows that the distribution associated with the outer ring has high contrast values ranging from 2 to 4.5 kHz and that the band undergoing an increase in spectral cyclic contrast is relative to the band spectral resonance of the bearing (to be compared with the spectral coherence in figure 4). This corresponds well to what is sought in the context of the invention: to find an image of the dynamic characteristics of the bearing in order to use the latter to improve the signature of the defect. This resonance zone extends between 4 kHz and 5 kHz.
- Step 170 The method 100 comprises, following step 160, an operation 170 of fine identification of the signatures of interest.
- V act [BPFO act , BPFl act , BSF act , FTF act , SRF ].
- the fault frequencies of a bearing undergo deviations from their theoretical frequencies, which makes their detection more complicated.
- Operation 170 makes it possible to identify these frequencies, and therefore the signatures, in a fine, that is to say precise, manner.
- This operation 170 consists in using, for each of the four types of defects (outer ring, inner ring, ball and cage), the spectral cyclic contrast calculated in the previous step to weight the spectral coherence then integrate it with respect to a variable of spectral frequency f k .
- This operation 170 makes it possible to highlight the weak signatures which may be found in narrow frequency bands.
- the weighting, or weight is calculated for each of the four spectral cyclic contrasts, determined in step 160, associated with the four types of defects.
- Step 170 first proposes limiting and normalizing the spectral cyclic contrast so that the overall content of the cyclostationarity does not change in spectral coherence. For this, we use the following non-normalized signature filter: where are, respectively, the minimum and maximum with respect to the variable fk.
- the normalized weight is: where ow is the standard deviation
- the method 100 proposes to integrate a weighted mean of the square of the amplitude of the cyclic coherence with respect to the variable of spectral frequency fk.
- the weighted and integrated cyclic coherence associated with the signature S( ⁇ d , a m ) is then:
- the weight associated with each of the four types of defects is calculated as indicated above, by means of the non-normalized filter
- the weight for each of the four faults is as follows:
- Outer ring fault is the non-normalized weight associated with the outer ring signature.
- Inner ring fault is the non-normalized P° ids associated with the internal ring signature.
- Ball (or other rolling element) fault is the non-weight normalized associated with the ball signature.
- Cage fault is the non-standardized weight associated with the crate signature.
- FIG. 6 represents, in part A, an example of an integrated spectral coherence and, in part B, an example of an integrated and weighted spectral coherence for an outer ring fault.
- the integrated spectral coherence and the integrated and weighted spectral coherence are calculated to evaluate the capacity of the latter to extract a weak signature. It can be seen, in the example of FIG. 6, that the signature of the outer ring defect emerges in the integrated and weighted coherence, the weighting having the effect of bringing out a weak signature, even a very weak one.
- Step 180 The method 100 then includes an operation 180 for determining the diagnostic indicators, quantifying the presence of a given signature.
- This operation 180 uses, as input data, the weighted and integrated cyclic coherence associated with the outer ring fault the weighted and integrated cyclic coherence associated with the inner ring fault 3 the weighted and integrated cyclic coherence associated with the ball (or other rolling element) defect the weighted and integrated cyclic coherence associated with the cage and the residual signal r[n], to obtain four spectra emphasizing potential defect signatures. These spectra enhance weak signatures and make them stand out in the distribution. For each signature, three diagnostic indicators are proposed, namely:
- the signature relevance indicator defined below.
- the relevance indicator of a signature in a given spectrum x(a) is a score between 0 and 1 describing the presence of peaks in the spectrum according to the ratio between the number of harmonics present and the number of harmonics expected.
- a harmonic in the spectrum is considered present if its emergence exceeds a given threshold.
- This threshold can be set, for example, at 2.
- Relevance (“signature relevance” in Anglo-Saxon terms) is defined as follows: where card ⁇ * ⁇ defines the cardinality of a variable (the number of elements) and 1 condition is the indicator function. This function is equal to 1 when the condition is true (that is to say when the contrast of the peak exceeds the value 2) and equal to 0 in the other cases.
- the spectrum of the square of the envelope of the signal is calculated as well as three scalar indicators, for each type of defect, each indicator being calculated in a sub-function.
- the first sub-function, used to calculate a first indicator for each of the four types of defects comprises the calculation of the contrast of the signature in the weighted and integrated cyclic coherence for each type of defect (outer ring, inner ring, ball and cage ): Outer ring fault
- a second sub-function then makes it possible to calculate a second indicator for each of the four types of faults.
- This second sub-function consists of a calculation of the contrast of the signature in the spectrum of the square of the envelope. To do this, the spectrum of the square of the envelope of the residual signal is first calculated, then the four contrast indicators relating to the four types of defects are calculated:
- a third sub-function is then applied to calculate for a third indicator for each of the four types of faults.
- This third sub-function consists of a calculation of the relevance of the signature in the weighted and integrated cyclic coherence, for each of the four types of faults:
- FIG. 7 An example of the evolution of these three indicators, calculated for each of the four types of defects, is represented in FIG. 7.
- Part A of FIG. 7 represents the evolution of the contrast in the coherence
- part B of FIG. 7 represents the revolution of the contrast in the envelope
- part C of FIG. 7 represents the evolution of the relevance of the signature.
- Each of these parts A, B and C includes four curves each associated with one of the four possible types of faults (external race fault, internal race fault, ball fault and cage fault).
- the advantage of these indicators is their ability to precisely identify the different phases of the evolution of the curves and to provide the operator with a large amount of information on the signature of the faults.
- Phase 1 During this phase, the three indicators are constant.
- the contrast in the coherence (part A) has an average value roughly equal to 5, indicating that a very weak outer ring signature already exists in the signal.
- the contrast in the envelope (part B) is close to the zero value, which indicates that this signature is energetically very small and does not yet emerge in the envelope spectrum of the signal.
- the relevance indicator of the outer ring signature (part C) presents a fluctuating value between 0.2 and 0.4 indicating the presence of one or two outer ring harmonics in the weighted and integrated coherence. The reading of these indicators therefore indicates the presence of a very weak outer ring signature and the absence of a fault. These indicators probably explain susceptibility or fragility in the outer ring.
- Phase 3 In this phase, a decrease in the contrast indicators in the coherence and the envelope (parts A and B) is observed while the number of harmonics remains beyond 5 harmonics (the relevance indicator is equal to 1 ). This implies that the energy of the signature decreases and is consistent with the classic indicators.
- Phase 4 During this phase, the trend of the indicators indicates a stabilization of signal impulsiveness, accompanied by a slight increase in energy. Indeed, the stabilization of the contrast and relevance of the outer ring signature (parts A and C) indicates the presence of a pronounced and stable outer ring signature while the increase in contrast in the envelope shows that the energy of this signature increases slightly. This is consistent with classical indicators.
- Phase 5 In this last phase, the vibration energy generated by the defect (part B) increases rapidly until complete failure of the bearing. This is manifested in both an increase in energy and the impulsiveness of the signal. The increase in RMS and kurtosis, where confirms this. Similarly, the energy indicator of the outer ring signature in the envelope spectrum (part B) undergoes an increase during this phase.
- the three indicators, associated with each of the four types of faults, can be saved in a memory in order to be able to be interpreted by the operator on the ground, for example a maintenance technician, during a maintenance operation of the 'aircraft. After interpreting these diagnostic indicators, the operator is able to determine the state of damage to the bearing and therefore the state of health of the bearing. He is therefore able to decide whether the bearing should or should not be changed.
- the method according to the invention is highly automated, the operator only needing to interpret the diagnostic indicators obtained at the end of the method.
- the operator can also choose the values of the various parameters used in the process, and described above.
- the parameters are defined by default, as explained previously.
- the method 100 can be integrated into a surveillance system on board an aircraft. It can also be integrated into any vibration monitoring system of a rotating system, such as a rotating machine or a combustion or explosion machine.
- the method for detecting a rolling defect according to the invention comprises various variants, modifications and improvements which will become evident upon skilled in the art, it being understood that these variants, modifications and improvements fall within the scope of the invention.
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Abstract
According to one aspect, the invention relates to a method (100) for detecting a fault in a bearing of a rotating system, which comprises the following steps: a) acquiring (110) a position signal of the bearing (0[n]), a vibration signal of the bearing (x[n]) and a theoretical characteristic vector of the bearing (Vthe = [BPFOthe, BPFIthe, BSFthe, FTFthe, SRF]); b) determining (120) a deterministic portion of the vibration signal and eliminating said deterministic portion to obtain a residual signal (r[n]) as a function of the position signal; c) calculating (130), from the theoretical characteristic vector, lower bounds (VLow = [BPFOLow, BPFILOW, BSFLow, FTFLOW, SRF]) and upper bounds (VHi = [BPFOHi, BPFIHi, BSFHi, FTFHi, SRF]) of fault frequencies; d) calculating (140), from the vibration signal, a spectral coherence and the square of the amplitude of the spectral coherence (Γ2r(fast)(α, fk)); e) calculating (150), from the square of the amplitude of the spectral coherence and the lower and upper bounds of the fault frequencies, an actual characteristic vector of the bearing (Vact = [BPFOact, BPFIact, BSFact, FTFact, SRF]); f) determining (160) a spectral cyclic contrast of the fault (EBPFo(fk), EBPFI(fk); EBSF(fk); EFTF(fk)); g) precisely identifying (170) signatures of interest by calculating a weighted and integrated cyclic coherence associated with the fault (JBPF0(α); JBPFI(α); JBSF(α); JFTF(α)); h) determining (180) diagnostic indicators that can be easily interpreted by an operator.
Description
DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : Procédé de détection d’un défaut de roulement d’un système rotatif et système de surveillance mettant en œuvre ce procédé TITLE: Method for detecting a bearing fault of a rotating system and monitoring system implementing this method
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
[0001] La présente invention concerne un procédé de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comme un roulement de palier de turbomachine aéronautique. The present invention relates to a method for detecting a defect in a bearing of a rotary system, such as an aeronautical turbomachine bearing bearing.
[0002] L’invention trouve des applications dans le domaine de la surveillance de l’usure de roulements comme des roulements d’éoliennes ou de moteurs de voitures. Elle trouve, en particulier, des applications dans le domaine de l’aéronautique pour la surveillance des roulements des systèmes rotatifs des turbomachines. The invention finds applications in the field of monitoring the wear of bearings such as wind turbine bearings or car engine bearings. It finds, in particular, applications in the field of aeronautics for the monitoring of the bearings of the rotating systems of turbomachines.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
[0003] Dans l’industrie, et notamment en aéronautique, les roulements, comme les roulements à billes ou à rouleaux, font souvent l’objet d’une surveillance spécifique afin de détecter précocement tout éventuel endommagement ou usure. En effet, les roulements font partie des organes mécaniques les plus sollicités et les plus critiques sur de nombreux équipements, comme par exemple les turboréacteurs, les compresseurs, les inverseurs de poussée, etc. Une usure prématurée ou une défaillance imprévue sur un roulement peut attenter à la sûreté de fonctionnement des équipements voire, dans certains cas, à la sécurité des usagers. Il est donc nécessaire de surveiller l’état de santé des équipements complexes comprenant plusieurs éléments tournants (bielles de combustion, roulements, engrenages, fans, etc.) et en particulier l’état de santé des roulements afin de détecter au plus tôt l’apparition d’un défaut ou endommagement. [0003] In industry, and in particular in aeronautics, bearings, such as ball or roller bearings, are often subject to specific monitoring in order to detect any damage or wear at an early stage. Indeed, bearings are among the most stressed and critical mechanical components on many pieces of equipment, such as turbojets, compressors, thrust reversers, etc. Premature wear or an unforeseen failure on a bearing can affect the safe operation of equipment and even, in some cases, the safety of users. It is therefore necessary to monitor the state of health of complex equipment comprising several rotating elements (combustion rods, bearings, gears, fans, etc.) and in particular the state of health of the bearings in order to detect at the earliest the appearance of a defect or damage.
[0004] De manière générale, le fonctionnement d’un roulement défectueux, notamment dans les moteurs et les boites de transmission des aéronefs, est caractérisé par un signal d’impulsion. Cependant, ce signal d’impulsion est bien souvent masqué par la présence d’une multitude de sources génératrices de bruits, ce qui entraîne un rapport signal-sur-bruit très faible. Dans l’exemple d’un aéronef, les signaux vibratoires sont fortement dominés par les bruits aérodynamiques ainsi que
par des interférences générées par d’autres organes rotatifs de l’aéronef tels que les compresseurs, les fans, les turbines, les engrenages, etc. Ces interférences rendent difficile la détection d’un défaut de roulement à partir de ses signaux vibratoires. [0004] In general, the operation of a defective bearing, in particular in aircraft engines and gearboxes, is characterized by a pulse signal. However, this pulse signal is very often masked by the presence of a multitude of noise-generating sources, which leads to a very low signal-to-noise ratio. In the example of an aircraft, the vibration signals are strongly dominated by aerodynamic noise as well as by interference generated by other rotating parts of the aircraft such as compressors, fans, turbines, gears, etc. These interferences make it difficult to detect a bearing fault from its vibration signals.
[0005] La détection des défauts de roulements étant un point critique, de nombreux procédés ont été envisagés ou conçus pour tenter de détecter au mieux les éventuels défauts ou endommagements de roulements. Plusieurs documents de brevet proposent différentes techniques de détection. En particulier, le document de brevet EP1970691 A1 propose un procédé de détection d'endommagement d'un palier supportant au moins un arbre rotatif d'un moteur dans lequel une période de mesure correspondant à une plage de vitesses de rotation de l'arbre lors d'une activité renouvelable à bas régime de fonctionnement du moteur est définie. Le procédé consiste ensuite à acquérir, sur toute la période de mesure, un signal d'accélération vibratoire, puis à échantillonner le signal vibratoire en fonction de la vitesse de rotation du moteur pendant la période de mesure, puis à transformer le signal vibratoire échantillonné en un signal de fréquence pour obtenir des raies spectrales de fréquence ordonnées en fonction de la vitesse de rotation du arbre, puis à calculer la moyenne des amplitudes des raies spectrales, déterminer des pics d'amplitude autour des multiples de la fréquence théorique d’un rouleau endommagé, calculer le rapport entre chaque pic d'amplitude et le niveau d'amplitude achevé pour un roulement sain, et comparer le rapport obtenu à au moins un seuil d'endommagement prédéterminé. Ce procédé présente l’inconvénient d’être basé sur une analyse du spectre du signal. Or, il est bien connu dans la littérature qu’une simple analyse du spectre du signal n’est pas une approche adéquate pour détecter un défaut de roulement, en particulier lorsque le rapport signal-sur-bruit est très faible, comme c’est le cas dans le domaine aéronautique. [0005] Since the detection of bearing faults is a critical point, many methods have been envisaged or designed in an attempt to best detect any bearing faults or damage. Several patent documents propose different detection techniques. In particular, patent document EP1970691 A1 proposes a method for detecting damage to a bearing supporting at least one rotating shaft of an engine in which a measurement period corresponding to a range of rotational speeds of the shaft during of a renewable activity at low engine operating speed is defined. The method then consists in acquiring, over the entire measurement period, a vibration acceleration signal, then in sampling the vibration signal as a function of the rotational speed of the engine during the measurement period, then in transforming the sampled vibration signal into a frequency signal to obtain spectral lines of frequency ordered according to the speed of rotation of the shaft, then to calculate the average of the amplitudes of the spectral lines, to determine peaks of amplitude around the multiples of the theoretical frequency of a roller damaged, calculating the ratio between each amplitude peak and the completed amplitude level for a healthy bearing, and comparing the ratio obtained with at least a predetermined damage threshold. This method has the disadvantage of being based on an analysis of the signal spectrum. However, it is well known in the literature that a simple analysis of the signal spectrum is not an adequate approach to detect a bearing defect, in particular when the signal-to-noise ratio is very low, as is the case in the aeronautical field.
[0006] Le document de brevet CN 106771598 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements dans lequel un signal vibratoire d'une vibration mécanique des composants du moteur est acquis sur une période de mesure P de variation du régime N de l'arbre. Le procédé consiste ensuite à échantillonner le signal pendant la période P, puis à synchroniser le signal avec les changements du régime N, à convertir le signal en un signal de fréquence pour obtenir des raies spectrales de fréquence ordonnées selon le régime N, à calculer la moyenne des amplitudes des raies spectrales afin d'obtenir une signature vibratoire courante du moteur, à calculer un
taux d'écart entre la signature et une signature vibratoire sonore de référence et à comparer le taux de déviation avec des pointeurs de défaut d'une base de données préétablie, listant les dommages théoriques des roulements du moteur afin de déterminer les dommages potentiels desdits roulements. Cependant, comme pour le procédé précédent, ce procédé est basé sur une analyse du spectre du signal qui est vouée à l’échec notamment pour des environnements fortement bruités. [0006] Patent document CN 106771598 A describes a method for detecting bearing faults in which a vibration signal of a mechanical vibration of the engine components is acquired over a measurement period P of variation in the speed N of the shaft. . The method then consists in sampling the signal during the period P, then in synchronizing the signal with the changes in the regime N, in converting the signal into a frequency signal to obtain spectral lines of frequency ordered according to the regime N, in calculating the average of the amplitudes of the spectral lines in order to obtain a current vibration signature of the engine, to calculate a deviation rate between the signature and a reference sound vibration signature and comparing the deviation rate with fault pointers from a pre-established database, listing the theoretical damage of the motor bearings in order to determine the potential damage of said bearings . However, as for the preceding method, this method is based on an analysis of the spectrum of the signal which is doomed to failure in particular for highly noisy environments.
[0007] Le document de brevet EP 2693176 A1 décrit un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé repose sur un prétraitement du signal suivi d’une analyse d’enveloppe. Le but de ce prétraitement est de séparer la partie déterministe de la partie aléatoire et d’améliorer l’impulsivité du signal. Une fois que le spectre d’enveloppe est calculé, une approche probabiliste est utilisée pour résoudre le problème de déviation de la fréquence du défaut. Ainsi, des indicateurs basés sur la somme des amplitudes des harmoniques de la fréquence du défaut dans l’enveloppe sont proposés comme indicateurs de diagnostic. Cependant, les techniques de prétraitement ont un coût de calcul élevé et dépendent significativement des paramètres définis comme paramètres d’entrées. [0007] Patent document EP 2693176 A1 describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This process is based on signal pre-processing followed by envelope analysis. The purpose of this preprocessing is to separate the deterministic part from the random part and to improve the impulsivity of the signal. Once the envelope spectrum is calculated, a probabilistic approach is used to solve the fault frequency deviation problem. Thus, indicators based on the sum of the amplitudes of the harmonics of the fault frequency in the envelope are proposed as diagnostic indicators. However, the preprocessing techniques have a high computational cost and depend significantly on the parameters defined as input parameters.
[0008] Le document de brevet CN 104236908 B décrit un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé repose sur une analyse cyclostationnaire du signal vibratoire à partir de la distribution d’intensité de modulation. Ce procédé a l’inconvénient de requérir le calcul d’une matrice avant l’extraction de descripteurs de défaut. Il présente également l’inconvénient de ne pas traiter le problème de déviation de fréquence du défaut. [0008] Patent document CN 104236908 B describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This method is based on a cyclostationary analysis of the vibration signal from the modulation intensity distribution. This process has the disadvantage of requiring the calculation of a matrix before the extraction of defect descriptors. It also has the disadvantage of not dealing with the problem of frequency deviation of the fault.
[0009] Le document de brevet EP 1970691 A1 décrit également un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé consiste à calculer le spectrogramme édité. Il consiste, en particulier, à remplacer la variable fréquence du spectrogramme par l’ordre de l’arbre tournant porté par le roulement surveillé. La moyenne par rapport au temps est ensuite calculée puis les fréquences de défaut (ainsi que leur multiple) sont comparées avec des cas références dans lesquels les roulements sont sains. L’information de diagnostic étant obtenue par une analyse spectrale à l’ordre 1 , l’efficacité est donc limitée à des applications bien définies.
[0010] Le document de brevet CN 105092249 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse vibratoire. Ce procédé consiste à concevoir un filtre de Gabor dont les paramètres (la fréquence centrale et la bande passante) sont optimisés de façon à maximiser l’indice des normes du signal filtré. Le spectre de l’autocorrélation de l’enveloppe est ensuite calculé sur le signal filtré. L’information de diagnostic se trouve dans cette distribution. Ce procédé, basé sur une analyse d’enveloppe après un prétraitement du signal vibratoire, présente l’inconvénient d’être coûteux du fait notamment du prétraitement. Il présente en outre l’inconvénient de ne pas traiter le problème de déviation de la fréquence caractéristique. [0009] Patent document EP 1970691 A1 also describes a method for detecting faults in a bearing by vibration analysis. This process consists in calculating the edited spectrogram. It consists, in particular, in replacing the frequency variable of the spectrogram by the order of the rotating shaft carried by the monitored bearing. The average over time is then calculated and then the fault frequencies (as well as their multiple) are compared with reference cases in which the bearings are sound. The diagnostic information being obtained by a first-order spectral analysis, the effectiveness is therefore limited to well-defined applications. [0010] Patent document CN 105092249 A describes a method for detecting bearing defects by vibration analysis. This process consists in designing a Gabor filter whose parameters (the central frequency and the bandwidth) are optimized so as to maximize the index of the standards of the filtered signal. The envelope autocorrelation spectrum is then calculated on the filtered signal. The diagnostic information is in this distribution. This method, based on an envelope analysis after a preprocessing of the vibration signal, has the disadvantage of being expensive due in particular to the preprocessing. It also has the disadvantage of not dealing with the problem of deviation from the characteristic frequency.
[0011] Le document de brevet CN 104655423 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse vibratoire. Ce procédé est basé sur une fusion des descripteurs de défauts dans le domaine temps-fréquence. Il consiste à calculer la distribution temps-fréquence pour des cas sains et des cas comprenant différents types de défauts. La redondance entre les distributions est supprimée et seuls les descripteurs distinctifs qui permettent un jugement par un opérateur sont conservés. Cependant, ce procédé requiert une base de données comprenant tous les types de défauts ce qui est rarement disponible dans le cadre aéronautique. En outre, ce procédé entraîne un coût de calcul élevé. [0011] Patent document CN 104655423 A describes a method for detecting bearing defects by vibration analysis. This method is based on a fusion of fault descriptors in the time-frequency domain. It consists in calculating the time-frequency distribution for healthy cases and cases including different types of defects. The redundancy between the distributions is removed and only the distinctive descriptors which allow a judgment by an operator are preserved. However, this method requires a database comprising all the types of defects, which is rarely available in the aeronautical context. In addition, this method entails a high computational cost.
[0012] Le document de brevet CN 106771598 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse cyclostationnaire. Ce procédé utilise la cohérence cyclique et sa version intégrée pour extraire des indicateurs qui consistent en la somme des harmoniques du défaut. Ce procédé présente l’inconvénient d’une détectabilité relativement faible des défauts dans un rapport signal-sur-bruit très bas dans le cas de signaux vibratoires en aéronautique. The patent document CN 106771598 A describes a method for detecting bearing defects by cyclostationary analysis. This process uses cyclic coherence and its integrated version to extract indicators which consist of the sum of the harmonics of the fault. This process has the disadvantage of a relatively low detectability of defects in a very low signal-to-noise ratio in the case of vibration signals in aeronautics.
[0013] Plusieurs difficultés pratiques mettent en cause l’efficacité des procédés de surveillance du marché. Les procédés classiques basés sur l’analyse spectrale ou l’analyse d’enveloppe, ne sont souvent pas capables de détecter les défauts ayant des signatures faibles, c'est-à-dire des rapports signal-sur-bruit bas. Cela entraîne un échec de détection du défaut ou, au mieux, une détection tardive du défaut. D’autres procédés, plus efficaces, reposent sur des techniques de séparation de sources. Cependant, ces procédés présentent des temps de calcul particulièrement élevés, ce qui génère des coûts de calcul élevés et irréalisables en temps réel. D’autres procédés utilisent des méthodes cyclostationnaires sophistiquées pour effectuer une détection
dans le cas où la signature du défaut est faible. Cependant, ces procédés ne prennent pas en compte les éventuels glissements des roulements et le fait qu’un endommagement est souvent accompagné d’un phénomène de frottement ayant tendance à ralentir la rotation de l’élément endommagé ; ils ne prennent donc pas en compte le fait que les fréquences réelles des défauts peuvent différer des valeurs théoriques calculées. [0013] Several practical difficulties call into question the effectiveness of market surveillance processes. Conventional methods based on spectral analysis or envelope analysis are often not capable of detecting faults having weak signatures, that is to say low signal-to-noise ratios. This results in failure to detect the fault or, at best, late detection of the fault. Other, more efficient processes are based on source separation techniques. However, these methods have particularly high calculation times, which generates high calculation costs that cannot be realized in real time. Other methods use sophisticated cyclostationary methods to perform detection in the case where the fault signature is weak. However, these methods do not take into account the possible sliding of the bearings and the fact that damage is often accompanied by a phenomenon of friction tending to slow down the rotation of the damaged element; they therefore do not take into account the fact that the actual fault frequencies may differ from the calculated theoretical values.
[0014] Il existe donc un réel besoin d’un procédé permettant de détecter des défauts de roulements lorsque le rapport signal-sur-bruit est faible et qui tienne compte des potentiels phénomènes de glissements et de frottements des roulements. [0014]There is therefore a real need for a method making it possible to detect bearing faults when the signal-to-noise ratio is low and which takes into account the potential phenomena of sliding and friction of the bearings.
RESUME DE L’INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION
[0015] Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de détection des défauts de roulements lorsque le rapport signal-sur-bruit est faible, le demandeur propose un procédé de détection d’un défaut de roulement dans un environnement très bruité, basé sur une analyse cyclostationnaire avancée du signal vibratoire capturé par un ou plusieurs accéléromètres. Ce procédé propose de dé-bruiter le signal, d’estimer les fréquences réelles du défaut du roulement, d’analyser le signal par une analyse cyclostationnaire conçue pour obtenir la signature du défaut même lorsque le rapport signal-sur-bruit est petit et de calculer des indicateurs de diagnostic informant de l’état de santé du roulement. [0015] To respond to the problems mentioned above of detecting bearing faults when the signal-to-noise ratio is low, the applicant proposes a method for detecting a bearing fault in a very noisy environment, based on a advanced cyclostationary analysis of the vibration signal captured by one or more accelerometers. This method proposes to de-noise the signal, to estimate the real frequencies of the bearing defect, to analyze the signal by a cyclostationary analysis designed to obtain the signature of the defect even when the signal-to-noise ratio is small and to calculate diagnostic indicators informing about the state of health of the bearing.
[0016] Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comportant les étapes suivantes : According to a first aspect, the invention relates to a method for detecting a fault in a bearing of a rotary system, comprising the following steps:
Acquisition d’un signal de position du roulement, d’un signal vibratoire du roulement et d’un vecteur caractéristique théorique du roulement ;Acquisition of a bearing position signal, a vibration signal of the bearing and a theoretical characteristic vector of the bearing;
Détermination d’une partie déterministe du signal vibratoire et élimination de ladite partie déterministe pour obtenir un signal résiduel fonction du signal de position ; Determination of a deterministic part of the vibration signal and elimination of said deterministic part to obtain a residual signal depending on the position signal;
Calcul, à partir du vecteur caractéristique théorique, de bornes inférieure et supérieure de fréquences de défauts ; Calculation, from the theoretical characteristic vector, of lower and upper limits of fault frequencies;
Calcul, à partir du signal vibratoire, d’une cohérence spectrale et du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale ;
Calcul, à partir du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale et des bornes inférieure et supérieure des fréquences de défauts, d’un vecteur caractéristique actuel du roulement ; Calculation, from the vibration signal, of a spectral coherence and of the square of the amplitude of the spectral coherence; Calculation, from the square of the amplitude of the spectral coherence and the lower and upper bounds of the frequencies of defects, of a current characteristic vector of the bearing;
Détermination d’un contraste cyclique spectral du défaut ; Determination of a spectral cyclic contrast of the defect;
Identification fine de signatures d’intérêt par calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut ; Fine identification of signatures of interest by calculating a weighted and integrated cyclical coherence associated with the default;
Détermination d’indicateurs de diagnostic facilement interprétables par un opérateur. Determination of diagnostic indicators easily interpretable by an operator.
[0017] Ce procédé présente l’avantage de détecter des signatures très faibles, c'est-à-dire dont le rapport signal-sur-bruit est très faible, de sorte à prendre en compte les interférences aérodynamiques et mécaniques liées à l’environnement du roulement. Ce procédé présente de plus l’avantage d’être très automatisé et de peu requérir l’intervention d’un utilisateur. [0017] This method has the advantage of detecting very weak signatures, that is to say whose signal-to-noise ratio is very low, so as to take into account the aerodynamic and mechanical interference linked to the rolling environment. This process also has the advantage of being highly automated and requiring little user intervention.
[0018] Dans la description, on appelle « défaut », tout endommagement ou usure d’un ou plusieurs éléments d’un roulement tel qu’un roulement à billes ou un roulement à rouleaux. In the description, the term "defect" refers to any damage or wear of one or more elements of a bearing such as a ball bearing or a roller bearing.
[0019] En outre, on appelle « signature » et on note l’ensemble des
fréquences générées par le signal vibratoire et révélées par l’application de certaines transformées au signal vibratoire, comme par exemple la transformée de Fourrier, le spectre d’enveloppe, la corrélation spectrale, etc. [0019] In addition, the term "signature" is used and the set of frequencies generated by the vibration signal and revealed by the application of certain transforms to the vibration signal, such as the Fourier transform, the envelope spectrum, the spectral correlation, etc.
[0020] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de détection d’un défaut de roulement selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : les défauts comportent quatre types de défauts, les fréquences de défauts et les signatures de défauts étant déterminées pour chaque type de défauts. les quatre type de défauts sont : un défaut de bague externe, un défaut de bague interne, un défaut d’élément roulant et un défaut de cage.
l’étape e) comporte une estimation, pour chaque type de défaut, d’une fréquence de défaut actuel correspondant à la fréquence la plus probable entre la borne inférieure et la borne supérieure. l’étape f) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un contraste de la signature du défaut puis l’application de ce contraste sur le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale. l’étape g) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un poids associé audit défaut puis le calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée pour ce défaut. les indicateurs de diagnostic comportent, pour chaque type de défaut, un contraste de la signature d’intérêt dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée, un contraste de la signature d’intérêt dans un spectre d’enveloppe du signal résiduel et un indicateur de pertinence de la signature d’intérêt. les indicateurs de diagnostic sont quantifiés chacun au moyen d’une valeur, ladite valeur étant proche de zéro en l’absence d’un défaut. l’étape c) est réalisée avant l’étape b), après l’étape d) ou simultanément à l’étape b) ou d), les bornes inférieure et supérieure constituant des données d’entrée de l’étape e). [0020] In addition to the characteristics which have just been mentioned in the previous paragraph, the method for detecting a bearing fault according to one aspect of the invention may have one or more additional characteristics from among the following, considered individually or according to all the technically possible combinations: the faults comprise four types of faults, the fault frequencies and the fault signatures being determined for each type of fault. the four types of faults are: an outer ring fault, an inner ring fault, a rolling element fault and a cage fault. step e) comprises an estimation, for each type of fault, of a current fault frequency corresponding to the most probable frequency between the lower limit and the upper limit. step f) comprises, for each type of defect, the determination of a contrast of the signature of the defect then the application of this contrast to the square of the amplitude of the spectral coherence. step g) comprises, for each type of defect, the determination of a weight associated with said defect then the calculation of a weighted and integrated cyclic coherence for this defect. the diagnostic indicators comprise, for each type of defect, a contrast of the signature of interest in the weighted and integrated cyclic coherence, a contrast of the signature of interest in an envelope spectrum of the residual signal and a relevance indicator of the signature of interest. the diagnostic indicators are each quantified by means of a value, said value being close to zero in the absence of a fault. step c) is carried out before step b), after step d) or simultaneously with step b) or d), the lower and upper limits constituting the input data of step e).
[0021] Selon un autre aspect, l’invention concerne un système de surveillance de l’état de santé d’un aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif mettant en œuvre le procédé tel que défini précédemment. According to another aspect, the invention relates to a system for monitoring the state of health of an aircraft, characterized in that it comprises a device implementing the method as defined previously.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES
[0022] D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles : Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the following description, illustrated by the figures in which:
[0023] La figure 1 représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, un exemple des différentes opérations du procédé de détection d’un défaut de roulement selon l’invention ; FIG. 1 represents, in the form of a functional diagram, an example of the various operations of the method for detecting a rolling defect according to the invention;
[0024] La figure 2 représente une vue schématique en coupe d’un exemple de roulement et de ses caractéristiques géométriques ; [0024] Figure 2 shows a schematic sectional view of an example of a bearing and its geometric characteristics;
[0025] La figure 3 représente des exemples de signaux brut, déterministe et aléatoire, obtenus par une première opération du procédé de la figure 1 ;
[0026] La figure 4 représente un exemple de signal obtenu par une opération de calcul de la cohérence spectrale du procédé de la figure 1 ; FIG. 3 represents examples of raw, deterministic and random signals obtained by a first operation of the method of FIG. 1; FIG. 4 represents an example of a signal obtained by an operation for calculating the spectral coherence of the method of FIG. 1;
[0027] La figure 5 représente des exemples de signaux obtenus par une opération de détermination des contrastes cycliques spectraux du procédé de la figure 1 ; FIG. 5 represents examples of signals obtained by an operation for determining the cyclic spectral contrasts of the method of FIG. 1;
[0028] La figure 6 représente des exemples de signaux obtenus par une opération de calcul de la cohérence spectrale, respectivement, intégrée et intégrée et pondérée du procédé de la figure 1 ; FIG. 6 represents examples of signals obtained by an operation for calculating the spectral coherence, respectively, integrated and integrated and weighted of the method of FIG. 1;
[0029] La figure 7 représente des exemples de signaux constituant des indicateurs de diagnostic obtenus à la fin du procédé de la figure 1 pour quatre types de défauts. FIG. 7 represents examples of signals constituting diagnostic indicators obtained at the end of the method of FIG. 1 for four types of faults.
DESCRIPTION DETAILLEE DETAILED DESCRIPTION
[0030] Un exemple de réalisation d’un procédé de détection d’un défaut de roulement, applicable dans un environnement très bruité, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. An exemplary embodiment of a bearing fault detection method, applicable in a very noisy environment, is described in detail below, with reference to the appended drawings. This example illustrates the characteristics and advantages of the invention. It is however recalled that the invention is not limited to this example.
[0031] Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées. In the figures, identical elements are identified by identical references. For reasons of legibility of the figures, the size scales between the elements represented are not respected.
[0032] Le procédé 100 de détection des défauts d’un roulement selon l’invention comporte sept opérations ou étapes, référencées 120 à 180, sur la figure 1 . Il comporte en outre une opération préalable 110 d’acquisition des données d’entrée du procédé. Ces données d’entrée, acquises soit par des mesures au moyen d’un ou plusieurs capteurs (sous des régimes de fonctionnement constants ou variables), soit par des calculs théoriques, comportent un signal de position du roulement par rapport à l’arbre de rotation du système rotatif dans lequel le roulement est monté, un signal vibratoire du roulement et un vecteur caractéristique théorique dudit roulement. Le signal de position est un signal provenant, par exemple, d’un capteur de position, tel qu’un encodeur ou un tachymètre, et portant une information sur la position angulaire de l’arbre de référence, à partir duquel la position de l’arbre du roulement peut être déduite.
[0033] Les capteurs de mesure peuvent être, par exemple, un capteur de position, un accéléromètre, un microphone, une jauge de contraintes, un micromètre laser et/ou tout autre capteur vibratoire ou acoustique. Dans un mode de réalisation, un accéléromètre est monté sur une partie fixe du système rotatif et un capteur de position est installé à proximité d’un axe de référence dudit système rotatif pour mesurer la rotation dudit système. Les signaux vibratoires ainsi que les signaux de position peuvent ainsi être acquis par ces capteur et accéléromètre, sur une plage de régime quasi-stationnaire. Ils peuvent être sauvegardés sous une forme numérique, par exemple dans une base de données, avant d’être transmis à un dispositif de traitement des données, tel qu’un ordinateur embarqué ou non à bord de l’aéronef. [0032] The method 100 of detecting faults in a bearing according to the invention comprises seven operations or steps, referenced 120 to 180, in FIG. It also comprises a preliminary operation 110 of acquiring the input data of the method. These input data, acquired either by measurements using one or more sensors (under constant or variable operating speeds), or by theoretical calculations, include a bearing position signal with respect to the drive shaft. rotation of the rotary system in which the bearing is mounted, a vibration signal of the bearing and a theoretical characteristic vector of said bearing. The position signal is a signal coming, for example, from a position sensor, such as an encoder or a tachometer, and carrying information on the angular position of the reference shaft, from which the position of the bearing shaft can be deduced. The measurement sensors can be, for example, a position sensor, an accelerometer, a microphone, a strain gauge, a laser micrometer and/or any other vibration or acoustic sensor. In one embodiment, an accelerometer is mounted on a fixed part of the rotary system and a position sensor is installed near a reference axis of said rotary system to measure the rotation of said system. The vibration signals as well as the position signals can thus be acquired by these sensors and accelerometers, over a quasi-steady state range. They can be saved in digital form, for example in a database, before being transmitted to a data processing device, such as a computer on board or not on board the aircraft.
[0034] La cinématique du roulement, c'est-à-dire le vecteur caractéristique théorique dudit roulement, peut être calculé de façon théorique à partir des dimensions géométriques du roulement. Un exemple des différentes dimensions et caractéristiques d’un roulement, nécessaires pour la mise en œuvre du procédé de l’invention, est représenté sur la figure 2. Pour rappel, un roulement comporte une bague interne et une bague externe, coaxiales, entre lesquelles tournent des éléments roulants (généralement des billes ou des rouleaux) espacés par une cage. Dans la suite de la description, on parlera indifféremment de billes, de rouleaux ou d’éléments tournants, étant entendu qu’il s’agit d’éléments rotatifs logés entre les deux bagues coaxiales. Dans l’exemple de la figure 2, le diamètre primitif du roulement (appelé « pitch diameter » en termes anglo-saxons), c'est-à-dire le diamètre moyen entre le diamètre de la bague extérieure et le diamètre de la bague intérieure, est appelé Dp ; le diamètre d’une bille ou d’un élément roulant à l’intérieur du roulement est appelé DB ; l’angle de contact des éléments roulants, c'est-à-dire l’angle entre l'axe de rotation des éléments roulants et l'axe de l'arbre de rotation, est appelé β; le nombre d’éléments roulants (par exemple des billes) est appelé NB. La cinématique du roulement est définie par quatre fréquences caractéristiques théoriques qui sont : The kinematics of the bearing, that is to say the theoretical characteristic vector of said bearing, can be calculated theoretically from the geometric dimensions of the bearing. An example of the different dimensions and characteristics of a bearing, necessary for the implementation of the method of the invention, is shown in Figure 2. As a reminder, a bearing comprises an inner ring and an outer ring, coaxial, between which rotate rolling elements (usually balls or rollers) spaced apart by a cage. In the remainder of the description, reference will be made indiscriminately to balls, rollers or rotating elements, it being understood that these are rotating elements housed between the two coaxial rings. In the example of figure 2, the pitch diameter of the bearing (called "pitch diameter" in Anglo-Saxon terms), that is to say the average diameter between the diameter of the outer ring and the diameter of the interior, is called D p; the diameter of a ball or a rolling element inside the bearing is called DB; the contact angle of the rolling elements, i.e. the angle between the axis of rotation of the rolling elements and the axis of the rotation shaft, is called β; the number of rolling elements (eg balls) is called NB. The kinematics of the bearing is defined by four theoretical characteristic frequencies which are:
La fréquence de défaut de bague externe (appelée « Ball-Pass Frequency on the Outer race frequency : BPFOthe », en termes anglo-saxons) ; The outer ring defect frequency (called “Ball-Pass Frequency on the Outer race frequency: BPFO the ”, in English terms);
La fréquence de défaut de bague interne (« Ball-Pass Frequency on the Inner race frequency : BPFIthe », en termes anglo-saxons) ;
La fréquence de défaut de bille (« Ball Spin Frequency : BSFthe », en termes anglo-saxons) ; et The internal ring defect frequency (“Ball-Pass Frequency on the Inner race frequency: BPFI the ”, in Anglo-Saxon terms); The ball defect frequency (“Ball Spin Frequency: BSF the ”, in English terms); And
La fréquence de défaut de cage (« Failure Train Frequency : FTFthe >>, en termes anglo-saxons), la cage étant le boîtier ou enveloppe du roulement dans lequel les éléments roulants évoluent. The cage fault frequency (“Failure Train Frequency: FTF the ”, in English terms), the cage being the casing or envelope of the bearing in which the rolling elements move.
[0035] Si on appelle SRF la fréquence de rotation de l’arbre du roulement (appelée « Shaft Rotation Frequency » en termes anglo-saxons), considéré comme l’arbre de référence, et si SRF est exprimée en nombre d’évènements par révolution (evt/rev), alors les fréquences caractéristiques théoriques d’un roulement, qui définissent le vecteur caractéristique théorique du roulement, se calculent de la façon suivante : If we call SRF the bearing shaft rotation frequency (called "Shaft Rotation Frequency" in Anglo-Saxon terms), considered as the reference shaft, and if SRF is expressed as a number of events per revolution (evt/rev), then the theoretical characteristic frequencies of a bearing, which define the theoretical characteristic vector of the bearing, are calculated as follows:
Fréquence de défaut de bague externe :
Outer ring fault frequency:
Fréquence de défaut de bague interne :
Inner ring fault frequency:
Fréquence de défaut de bille :
Ball defect frequency:
Fréquence de défaut de cage :
Cage fault frequency:
[0036] Étape 120 : Après l’acquisition des données d’entrée à l’étape 110, le procédé de détection 100 comporte une opération 120 de séparation de la partie déterministe du signal vibratoire précédemment acquis, c'est-à-dire de détermination et d’élimination de cette partie déterministe afin d’obtenir un signal résiduel. Dans cette étape, appelée aussi opération, et dans la suite du procédé, le signal vibratoire, qui est un signal temporel, sera noté x[n] ; le signal de position sera noté 0[n] ; le vecteur caractéristique théorique du roulement, dont les composantes sont BPFOthe, BPFIthe, BSFthe, FTFthe,SRF, sera noté Vthe.
[0037] L’opération 120 de séparation de la partie déterministe du signal vibratoire consiste à déterminer puis éliminer la partie déterministe dudit signal vibratoire. En effet, le signal vibratoire d’un roulement défectueux, qui est de nature aléatoire cyclostationnaire caractérisé par une périodicité cachée liée au défaut, peut être masqué par des signaux déterministes, générés par des phénomènes vibratoires non liés aux défauts du roulement (par exemple un défaut d’engrenage, de désalignement et déséquilibre des arbres, etc.). Afin d’établir un diagnostic précis, il est important d’éliminer toute la partie déterministe pouvant être générée par ces phénomènes vibratoires non liés aux défauts de roulement, afin qu’ils ne masquent pas la signature du défaut de roulement et, par conséquent, ne faussent pas le diagnostic. [0036] Step 120: After the acquisition of the input data in step 110, the detection method 100 includes an operation 120 of separating the deterministic part of the vibration signal previously acquired, that is to say of determination and elimination of this deterministic part in order to obtain a residual signal. In this step, also called operation, and in the remainder of the process, the vibration signal, which is a time signal, will be denoted x[n]; the position signal will be denoted 0[n]; the theoretical characteristic vector of the bearing, whose components are BPFO the , BPFI the , BSF the , FTF the ,SRF, will be denoted V the . The operation 120 of separation of the deterministic part of the vibration signal consists in determining and then eliminating the deterministic part of said vibration signal. Indeed, the vibration signal of a defective bearing, which is of a random cyclostationary nature characterized by a hidden periodicity linked to the defect, can be masked by deterministic signals, generated by vibration phenomena unrelated to bearing defects (for example a gear defect, misalignment and imbalance of shafts, etc.). In order to establish an accurate diagnosis, it is important to eliminate all the deterministic part that may be generated by these vibration phenomena unrelated to bearing faults, so that they do not mask the signature of the bearing fault and, consequently, do not distort the diagnosis.
[0038] Il est à noter que le signal temporel x[n] est transformé dans le domaine angulaire en utilisant le signal de position 0[n], pour obtenir le signal angulaire x[0]. Ce processus est connu de l’homme de métier sous le nom de ré-échantillonnage angulaire. Le signal x[0] étant un signal numérique, il est choisi de remplacer 0 par n ; on obtient donc x[n]. Par la suite, le signal résiduel est calculé en filtrant le signal x[n] par le filtre hi tel que défini par la suite. Le résultat de cette convolution donne naissance au signal résiduel r[n], avec Dans la grande majorité
des applications, la vitesse de rotation du système rotatif peut fluctuer ou varier. Par conséquent, il est choisi de définir la périodicité de la partie déterministe du signal vibratoire en angle et non en temps. Pour cela, le signal vibratoire, acquis sous la forme d’un signal temporel, est rééchantillonné en angle en utilisant le signal de position, ou un signal de vitesse mesuré par exemple par un capteur installé sur un des arbres de référence du système rotatif. La notion de fréquence sera alors substituée par la notion d’ordre. L’ordre exprime le nombre d’événements par révolution de l’arbre de référence et son unité est notée par [evt/rev]. Par exemple, l’ordre 2 d’une composante est équivalente à deux fois la fréquence de rotation de l’arbre de référence. Le signal rééchantillonné est exprimé numériquement sur des instants angulaires également espacés par la résolution angulaire
où 0ref désigne une rotation angulaire complète de l’arbre de référence et Nrev le nombre de points par tour de référence. Afin d’éviter le repliement, la condition suivante doit être satisfaite : où la fonction ceil est la fonction
d’arrondi du contenu à l’entier plus grand, fref (t) est la fréquence de rotation instantanée de l’arbre de référence et Fs est la fréquence d’échantillonnage. Après ce
rééchantillonnage, le signal vibratoire xi devient
et désigne le signal vibratoire dans le domaine angulaire défini sur N échantillons. It should be noted that the time signal x[n] is transformed into the angular domain using the position signal 0[n], to obtain the angular signal x[0]. This process is known to those skilled in the art as angular resampling. The signal x[0] being a digital signal, it is chosen to replace 0 by n; we therefore obtain x[n]. Thereafter, the residual signal is calculated by filtering the signal x[n] by the filter hi as defined hereafter. The result of this convolution gives rise to the residual signal r[n], with In the vast majority applications, the rotational speed of the rotary system may fluctuate or vary. Consequently, it is chosen to define the periodicity of the deterministic part of the vibratory signal in angle and not in time. For this, the vibration signal, acquired in the form of a time signal, is resampled in angle using the position signal, or a speed signal measured for example by a sensor installed on one of the reference shafts of the rotary system. The notion of frequency will then be substituted by the notion of order. The order expresses the number of events per revolution of the reference shaft and its unit is noted by [evt/rev]. For example, the order 2 of a component is equivalent to twice the rotational frequency of the reference shaft. The resampled signal is expressed numerically over angular instants equally spaced by the angular resolution where 0ref denotes a complete angular rotation of the reference shaft and Nrev the number of points per reference revolution. In order to avoid folding, the following condition must be satisfied: where the function ceil is the function rounding of the content to the largest integer, f ref (t) is the instantaneous rotation frequency of the reference shaft and Fs is the sampling frequency. After this resampling, the vibration signal x i becomes and denotes the vibration signal in the angular domain defined over N samples.
[0039] Dans le procédé de l’invention, une méthode non-supervisée est appliquée qui permet de surveiller tous les systèmes rotatifs, notamment les système rotatifs complexes dans lesquels la cinématique de tous les composants tournants n’est pas nécessairement disponible. Pour cela, il est proposé d’appliquer la version fréquentielle de la méthode dite SANG, appelée aussi « frequency domain noise cancellation ». Le principe de la méthode SANG, ainsi que sa version fréquentielle, sont connus et expliqués dans le document suivant, incorporé ici par référence : Antoni, R. B. Randall, Unsupervised noise cancellation for vibration signals : part II - A novel frequency-domain algorithm, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 18, Issue 1 , 2004, Pages 103-11. Cette méthode SANG consiste à trouver un prédicteur du signal x[n] en utilisant un nombre fini des instants passés avec Nf la longueur du filtre et tel que
pour tout La solution optimale de ce problème est
donnée par la régression linéaire suivante (équivalente à un filtrage linéaire invariant en temps) où hi désigne le ième coefficient du filtre :
In the method of the invention, an unsupervised method is applied which makes it possible to monitor all the rotating systems, in particular the complex rotating systems in which the kinematics of all the rotating components is not necessarily available. For this, it is proposed to apply the frequency version of the so-called SANG method, also called “frequency domain noise cancellation”. The principle of the SANG method, as well as its frequency version, are known and explained in the following document, incorporated here by reference: Antoni, RB Randall, Unsupervised noise cancellation for vibration signals: part II - A novel frequency-domain algorithm, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 18, Issue 1, 2004, Pages 103-11. This SANG method consists in finding a predictor of the signal x[n] using a finite number of past instants with Nf the length of the filter and such that for all The optimal solution of this problem is given by the following linear regression (equivalent to a time-invariant linear filtering) where hi denotes the ith coefficient of the filter:
[0040] La partie aléatoire se déduit comme suit :
The random part is deduced as follows:
[0041] Les coefficients du filtre sont estimés de manière à minimiser l’erreur quadratique. Un bon estimateur de ce filtre dans le domaine fréquentiel est alors donné par l’équation suivante :
est la transformée de fourrier discrète respectivement de
et de calculée sur est une fenêtre de
pondération de taille N et où
Il est possible d’obtenir le filtre temporel en appliquant la transformée de Fourrier discrète inverse sur M points. Le filtre temporal obtenu est le suivant :
The filter coefficients are estimated so as to minimize the quadratic error. A good estimator of this filter in the frequency domain is then given by the following equation: is the discrete Fourier transform respectively of and of calculated on is a window of size weight N and where It is possible to obtain the temporal filter by applying the inverse discrete Fourier transform to M points. The temporal filter obtained is the following:
[0042] Il est à noter que la longueur effective du filtre est Nf et non pas M, et que cette dernière est utilisée pour accélérer les calculs (notamment à travers l’algorithme de la Transformée de Fourrier Rapide (FFT)). It should be noted that the effective length of the filter is N f and not M, and that the latter is used to speed up the calculations (in particular through the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm).
[0043] Comme on le comprend de ce qui précède, l’opération 120 de séparation de la partie déterministe utilise le signal vibratoire temporel x[n] et le signal de position 0[n], tels que mesurés à l’étape 110, pour générer un signal résiduel aléatoire r[n]. Elle utilise également des paramètres tels que le délai A en nombre d’échantillons et la longueur du filtre Nf en nombres d’échantillons. Ces paramètres peuvent être définis par l’opérateur ou définis par défaut avec (où Nrev est le nombre
d’échantillon angulaire par cycle de l’arbre de référence) etNf .
As understood from the above, the operation 120 of separation of the deterministic part uses the temporal vibration signal x[n] and the position signal 0[n], as measured in step 110, to generate a random residual signal r[n]. It also uses parameters such as the delay A in number of samples and the length of the filter Nf in number of samples. These parameters can be set by the operator or set by default with (where Nrev is the number of angular sample per cycle of the reference tree) andN f .
[0044] Des exemples du signal vibratoire brut, tel qu’acquis à l’étape 110, de la partie déterministe du signal vibratoire et du signal résiduel aléatoire, obtenus en appliquant l’opération 120 de séparation de la partie déterministe, sont représentés, respectivement, sur les parties A, B et C de la figure 3. Le signal vibratoire brut montre, sur la partie A, quelques impulsions liées à un défaut d’un élément du système rotatif autre que le roulement, par exemple un défaut d’engrenage. Le signal déterministe, c'est-à-dire la partie déterministe du signal vibratoire, montre clairement ces impulsions, sur la partie B de la figure 3, ainsi que la période d’engrènement. Le signal résiduel aléatoire, obtenu à la fin de l’opération 120, montre clairement, sur la partie C de la figure 3, les impulsions générées par un défaut de bague externe. En comparant la partie A et la partie C, on comprend que le défaut de bague externe était complètement masqué par le signal déterministe dans le signal vibratoire brut. L’opération 120 a donc permis de mettre en exergue le signal vibratoire propre au défaut du roulement. Examples of the raw vibration signal, as acquired in step 110, of the deterministic part of the vibration signal and of the random residual signal, obtained by applying the operation 120 for separating the deterministic part, are represented, respectively, on parts A, B and C of figure 3. The raw vibration signal shows, on part A, a few pulses linked to a fault in an element of the rotary system other than the bearing, for example a fault in gear. The deterministic signal, i.e. the deterministic part of the vibration signal, clearly shows these pulses, in part B of Figure 3, together with the meshing period. The random residual signal, obtained at the end of operation 120, clearly shows, in part C of FIG. 3, the pulses generated by an outer race fault. By comparing part A and part C, we understand that the outer ring defect was completely masked by the deterministic signal in the raw vibration signal. Operation 120 therefore made it possible to highlight the vibration signal specific to the bearing defect.
[0045] Étape 130 : Le procédé 100 comporte ensuite une opération 130 de calcul des bornes de fréquences de défauts. En effet, il est admis communément que les fréquences de défauts de roulement sont sujettes à une déviation générée par le changement de l’angle de contact lors du mouvement. Les fréquences de défauts réelles sont donc sensiblement différentes de celles calculées théoriquement. Il est donc utile d’estimer des intervalles d’incertitude des fréquences de défauts de
roulement, l’estimation de ces intervalles correspondant à calculer, pour chaque fréquence de défaut, une borne inférieure et une borne supérieure des fréquences de défauts. Pour cela, on désigne par e l’incertitude sur la fréquence du défaut de cage et on estime les intervalles d’incertitudes (u les bornes inférieure et supérieure) pour les quatre fréquences de défauts de roulements (défaut de bague externe, défaut de bague interne, défaut de cage et défaut de bille), en fonction de l’incertitude e de la fréquence du défaut de cage, en se basant sur la relation linéaire entre les fréquences de défauts des autres éléments du roulement et celle de la cage. Plus précisément, les fréquences caractéristiques des éléments du roulement, en fonction de la fréquence de défaut de la cage (FTF), s’expriment de la façon suivante : Step 130: The method 100 then includes an operation 130 for calculating the fault frequency limits. Indeed, it is commonly accepted that bearing fault frequencies are subject to a deviation generated by the change in the contact angle during movement. The actual fault frequencies are therefore significantly different from those calculated theoretically. It is therefore useful to estimate intervals of uncertainty of fault frequencies. bearing, the estimation of these intervals corresponding to the calculation, for each fault frequency, of a lower limit and an upper limit of the fault frequencies. For this, we denote by e the uncertainty on the frequency of the cage fault and we estimate the uncertainty intervals (u the lower and upper limits) for the four bearing fault frequencies (outer ring fault, fault, cage fault and ball fault), as a function of the uncertainty e of the cage fault frequency, based on the linear relationship between the fault frequencies of the other bearing elements and that of the cage. More specifically, the characteristic frequencies of the bearing elements, as a function of the cage fault frequency (FTF), are expressed as follows:
Fréquence de défaut de bague externe (BPFO) :
Outer Ring Fault Frequency (BPFO):
Fréquence de défaut de bague interne (BPFI) :
Inner Ring Fault Frequency (BPFI):
Fréquence de défaut de bille ou autre élément de roulement (BSF) :
Ball or other rolling element (BSF) fault frequency:
[0046] En se basant sur les formules ci-dessus, les intervalles d’incertitude des fréquences de défauts de roulement sont calculés comme suit : [0046] Based on the formulas above, the uncertainty intervals for bearing fault frequencies are calculated as follows:
Intervalle d’incertitude sur la fréquence BPFO :
BPFO frequency uncertainty interval:
Intervalle d’incertitude sur la fréquence BPFl :
BPFl frequency uncertainty interval:
Intervalle d’incertitude sur la fréquence BSF :
Uncertainty interval on the BSF frequency:
Intervalle d’incertitude sur la fréquence FTF :
FTF frequency uncertainty interval:
[0047] Cette opération 130 de calcul des bornes de fréquence requiert, comme donnée d’entrée, le vecteur caractéristique théorique du roulement Vthe =
[BPFOthe , BPFIthe , BSFthe , FTFthe ,SRF] et génère en sortie une borne inférieure VLow = [BPFOLow, BPFlLow, BSFLow, FTFLow,SRF ] et une borne supérieure VHi = [BPFOHi, BPFlHi, BSFHi, FTFHi, SRF ] pour chacune des quatre fréquences de défauts. Cette opération 130 utilise, comme paramètre, l’incertitude e sur la fréquence du défaut de cage et la longueur du filtre Nf en nombres d’échantillons. Le paramètre d’incertitude e sur la fréquence du défaut de cage peut être prédéfini par l’opérateur ou fixé par défaut à 0,03. This operation 130 for calculating the frequency limits requires, as input data, the theoretical characteristic vector of the bearing V the = [BPFO the , BPFI the , BSF the , FTF the ,SRF] and generates at output a lower bound V Low = [BPFO Low , BPFl Low , BSF Low , FTF Low ,SRF ] and an upper bound V Hi = [BPFO Hi , BPFl Hi , BSF Hi , FTF Hi , SRF ] for each of the four fault frequencies. This operation 130 uses, as a parameter, the uncertainty e on the frequency of the cage defect and the length of the filter N f in numbers of samples. The uncertainty parameter e on the cage fault frequency can be predefined by the operator or fixed by default at 0.03.
[0048] Il est à noter que le vecteur caractéristique du roulement est une entrée configurée par l’utilisateur et comprenant les fréquences caractéristiques du roulement surveillé. Chaque roulement est défini par quatre fréquences caractéristiques, ainsi que par sa fréquence de rotation. Le calcul de ces fréquences de défaut de bague externe, de défaut de bague interne, de défaut de bille et de défaut de cage se font à travers des formules connues de l’homme de métier et citées précédemment. It should be noted that the characteristic vector of the bearing is an input configured by the user and comprising the characteristic frequencies of the monitored bearing. Each bearing is defined by four characteristic frequencies, as well as by its rotational frequency. The calculation of these frequencies of outer ring defect, inner ring defect, ball defect and cage defect are done using formulas known to those skilled in the art and cited above.
[0049] Les opérations 120 et 130 qui viennent d’être décrites peuvent être réalisées l’une à la suite de l’autre, dans n’importe quel ordre, ou bien simultanément si le dispositif de traitement de données le permet. The operations 120 and 130 which have just been described can be carried out one after the other, in any order, or else simultaneously if the data processing device allows it.
[0050] Étape 140 : Le procédé 100 comporte ensuite une opération 140 de calcul de la cohérence spectrale, réalisée à la suite de l’opération 120 de séparation de la partie déterministe du signal vibratoire. La cohérence spectrale est une quantité complexe définie à partir du signal résiduel comme détaillé par la suite. L’opération 140 utilise, comme donnée d’entrée, le signal vibratoire rééchantillonné (en angle) déterminé durant l’opération 110. Elle utilise aussi, comme paramètres, le décalage angulaire R, la taille de fenêtre Nw, l’incertitude e sur la fréquence du défaut de cage et la longueur du filtre Nf en nombres d’échantillons. Le décalage angulaire R et la taille de fenêtre Nw peuvent être définis par l’opérateur ou définis par défaut. Lorsqu’ils sont définis par défaut :
où Hd et Hm, qui designent le nombre
d’harmoniques de défaut et le nombre de paires de raies latérales dans la signature considérée, ont pour valeur, respectivement, 6 et 3.
[0051] Il est communément accepté par la communauté scientifique que la nature du signal de défaut de roulement est cyclostationnaire (à l’ordre 2). Les méthodes cyclostationnaires ont prouvé leur efficacité pour la détection et l’identification des défauts de roulement. Plusieurs travaux ont porté sur différents outils statistiques d’ordre 2, par exemple le spectre du carré de l’enveloppe, la corrélation spectrale, la cohérence spectrale, la cohérence spectrale intégrée. Ces différents outils sont décrits notamment dans les documents : (1 ) Jérôme Antoni, Cyclic spectral analysis in practice, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 21 , Issue 2, 2007, Pages 597-630, ISSN 0888-3270 ; (2) J. Antoni, Cyclic spectral analysis of rollingelement bearing signals: Facts and fictions, Journal of Sound and Vibration 304 (2007) 497-529 ; (3) Antoni J., Cyclostationarity by examples. Meeh. Syst. and Sign. Proc., 23 (2009) 987-1036. [0050] Step 140: The method 100 then includes an operation 140 for calculating the spectral coherence, carried out following the operation 120 for separating the deterministic part of the vibration signal. The spectral coherence is a complex quantity defined from the residual signal as detailed below. Operation 140 uses, as input data, the resampled vibratory signal (in angle) determined during operation 110. It also uses, as parameters, the angular shift R, the window size Nw, the uncertainty e on the frequency of the cage defect and the length of the filter N f in number of samples. The angular offset R and the window size Nw can be set by the operator or set by default. When set to default: where Hd and Hm, which designate the number of fault harmonics and the number of pairs of side lines in the signature considered, have the value, respectively, of 6 and 3. It is commonly accepted by the scientific community that the nature of the bearing fault signal is cyclostationary (at order 2). Cyclostationary methods have proven their effectiveness for the detection and identification of bearing defects. Several works have focused on different statistical tools of order 2, for example the spectrum of the square of the envelope, the spectral correlation, the spectral coherence, the integrated spectral coherence. These various tools are described in particular in the documents: (1) Jérôme Antoni, Cyclic spectral analysis in practice, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 21, Issue 2, 2007, Pages 597-630, ISSN 0888-3270; (2) J. Antoni, Cyclic spectral analysis of rollingelement bearing signals: Facts and fictions, Journal of Sound and Vibration 304 (2007) 497-529; (3) Antoni J., Cyclostationarity by examples. Meeh. System and Sign. Proc., 23 (2009) 987-1036.
[0052] Pour ces raisons, l’amplitude de la cohérence spectrale constitue un outil important pour révéler les symptômes d’un défaut de roulement et aide à repérer précisément ces fréquences. La cohérence spectrale est la version normalisée de la corrélation spectrale, définie comme étant la transformée de Fourier double de la fonction d’autocorrélation. La corrélation spectrale est définie par :
[0052] For these reasons, the amplitude of the spectral coherence constitutes an important tool for revealing the symptoms of a bearing defect and helps to pinpoint these frequencies precisely. Spectral coherence is the normalized version of spectral correlation, defined as the double Fourier transform of the autocorrelation function. The spectral correlation is defined by:
[0053] La cohérence spectrale a une amplitude bornée entre 0 et 1 et indique l’intensité de la cyclostationnarité en termes de rapport signal-sur-bruit. Elle est définie comme suit :
où
désigne le spectre de puissance. Dans le procédé 100, la corrélation spectrale rapide est appliquée sur le signal résiduel r[na], où na désigne l’index lié à la variable angulaire .
The spectral coherence has an amplitude bounded between 0 and 1 and indicates the intensity of the cyclostationarity in terms of signal-to-noise ratio. It is defined as follows: Or denotes the power spectrum. In the method 100, the fast spectral correlation is applied to the residual signal r[n a ], where n a denotes the index linked to the angular variable .
[0054] L’estimateur de la corrélation spectrale rapide est basé sur la transformée de Fourier à court terme du signal, comme décrit dans le document Jérôme Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270.
[0055] L’estimateur de la corrélation spectrale rapide est basé sur la transformée de Fourier à court terme du signal, comme décrit dans le document Jérôme Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270. Cet estimateur s’écrit alors :
où
désigne la fréquence spectrale en [evts/rev], M est le nombre d’échantillons par tour, Aa est la résolution spectrale égale à w est
une fenêtre symétrique de taille Nw avec un index central No tel que
si Nw est paire et sinon), R est le décalage entre
deux fenêtres consécutives. The estimator of the fast spectral correlation is based on the short-term Fourier transform of the signal, as described in the document Jérôme Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing , Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270. The estimator of the fast spectral correlation is based on the short-term Fourier transform of the signal, as described in the document Jérôme Antoni, Ge Xin, Nacer Hamzaoui, Fast computation of the spectral correlation, Mechanical Systems and Signal Processing , Volume 92, 2017, Pages 248-277, ISSN 0888-3270. This estimator is then written: Or denotes the spectral frequency in [evts/rev], M is the number of samples per revolution, Aa is the spectral resolution equal to w is a symmetric window of size Nw with a central index No such that if Nw is even and otherwise), R is the offset between two consecutive windows.
[0056] En exprimant la fréquence spectrale en Hz, on obtient :
et où Af est la résolution spectrale en Hz.
By expressing the spectral frequency in Hz, we obtain: and where Af is the spectral resolution in Hz.
[0057] Avant de définir la corrélation spectrale rapide, il est important de définir la corrélation spectrale de balayage qui est la suivante:
Before defining the fast spectral correlation, it is important to define the scanning spectral correlation which is as follows:
[0058] La corrélation spectrale rapide s’exprime alors comme suit : avec où la fonction floor(*)
arrondit l’entrée réelle à l’entier le plus petit) et où Rw (a) est la fonction d’autocorrélation de la fenêtre. La cohérence spectrale rapide peut s’écrire sous la forme suivante :
The fast spectral correlation is then expressed as follows: with where the function floor(*) rounds the actual input to the smallest integer) and where Rw(a) is the window autocorrelation function. Fast spectral coherence can be written in the following form:
[0059] La cohérence spectrale est une quantité complexe. L’analyse du carré de son amplitude permet de révéler la présence d’un défaut de roulement. Le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale est défini comme suit :
[0060] La figure 4 représente un exemple d’application de la cohérence spectrale sur la partie résiduelle du signal vibratoire. La figure 4 montre des lignes spectrales parallèles à l’axe des fréquences et situées sur la fréquence de défaut de bague externe ainsi que ses harmoniques. Cela indique la présence d’une cyclostationnarité à l’ordre 2 qui est symptomatique d’un défaut de roulement. L’intensité des lignes spectrales s’intensifient sur une large bande, située entre 4 et 8 kHz, indiquant la présence d’une résonnance dans cette zone. La cohérence spectrale intégrée est également calculée en moyennant la cohérence spectrale par rapport à la variable de fréquence spectrale. Le spectre obtenu, appelé également « spectre d’enveloppe amélioré », est un bon indicateur pour la détection des défauts de roulement. La signature du défaut de roulement est bien visible sur ce spectre. Il est à noter qu’une partie liée à l’engrenage existe toujours et se manifeste dans la cohérence spectrale ainsi que dans le spectre d’enveloppe amélioré. The spectral coherence is a complex quantity. Analysis of the square of its amplitude reveals the presence of a bearing fault. The square of the amplitude of the spectral coherence is defined as follows: FIG. 4 represents an example of application of spectral coherence to the residual part of the vibration signal. Figure 4 shows spectral lines parallel to the frequency axis and located on the outer ring fault frequency as well as its harmonics. This indicates the presence of a 2nd order cyclostationarity which is symptomatic of a rolling defect. The intensity of the spectral lines intensify over a wide band, located between 4 and 8 kHz, indicating the presence of a resonance in this area. The integrated spectral coherence is also calculated by averaging the spectral coherence against the spectral frequency variable. The spectrum obtained, also called “enhanced envelope spectrum”, is a good indicator for detecting bearing defects. The signature of the bearing defect is clearly visible on this spectrum. It should be noted that a gear related part still exists and manifests in the spectral coherence as well as the improved envelope spectrum.
[0061] Étape 150 : Le procédé 100 comporte ensuite une opération 150 de calcul du vecteur caractéristique réel du roulement, appelé aussi vecteur caractéristique actuel. Cette opération 150 qui permet l’identification des vraies fréquences de défauts (« vraies » par opposition aux fréquences théoriques), utilise comme donnée d’entrée l’indicateur de diagnostic obtenu à la fin de l’opération 140, c'est-à-dire le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale. Il utilise, également comme données d’entrée, les bornes de fréquences inférieure et supérieure déterminée durant l’opération 130. Step 150: The method 100 then includes an operation 150 for calculating the real characteristic vector of the bearing, also called the current characteristic vector. This operation 150 which allows the identification of the real fault frequencies ("true" as opposed to the theoretical frequencies), uses as input data the diagnostic indicator obtained at the end of the operation 140, that is to say say the square of the amplitude of the spectral coherence. It uses, also as input data, the lower and upper frequency limits determined during operation 130.
[0062] En raison de la déviation de la fréquence caractéristique, le procédé propose d’estimer la fréquence de défaut la plus probable en assumant que cette dernière se trouve dans les bornes de fréquences calculées à l’opération 130. Il est attendu, qu’à la fréquence la plus probable, la cyclostationnarité soit la plus forte avec la présence d’harmoniques multiples. Le critère utilisé pour identifier la fréquence du défaut la plus probable consiste à repérer les pics dans le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale intégrée. Le carré de l’amplitude de la cohérence cyclique intégrée s’exprime de la façon suivante :
[0062] Due to the deviation from the characteristic frequency, the method proposes to estimate the most probable fault frequency by assuming that the latter is within the frequency limits calculated in operation 130. It is expected that At the most probable frequency, the cyclostationarity is the strongest with the presence of multiple harmonics. The criterion used to identify the most probable defect frequency consists in identifying the peaks in the square of the amplitude of the integrated spectral coherence. The square of the amplitude of the integrated cyclic coherence is expressed as follows:
[0063] Un pic est défini par la présence d’une valeur supérieure à deux échantillons voisins (deux échantillons à droite et deux à gauche). Les pics relatifs aux multiples de
la fréquence de rotation de l’arbre de roulement sont considérés comme des interférences indésirables et ne sont pas pris en compte. Les pics autour des deux harmoniques sont comparés afin de trouver des harmoniques potentiels. La fréquence actuelle du défaut est celle qui présente un harmonique multiple et qui a la plus grande énergie. Si le deuxième harmonique n’est pas présent, la fréquence liée à l’amplitude maximale de
autour du premier harmonique est retenue. Il est à noter que les modulations ne sont pas prises en compte dans cette étape. A peak is defined by the presence of a value greater than two neighboring samples (two samples to the right and two to the left). Peaks relating to multiples of the rotational frequency of the rolling shaft are considered unwanted interference and are not taken into account. The peaks around the two harmonics are compared to find potential harmonics. The current frequency of the fault is that which presents a multiple harmonic and which has the greatest energy. If the second harmonic is not present, the frequency related to the maximum amplitude of around the first harmonic is retained. It should be noted that the modulations are not taken into account in this step.
[0064] L’opération 150 permet de calculer la fréquence de défaut actuelle pour chacune des quatre fréquences caractéristiques de défauts du roulement grâce au carré de l’amplitude de la cohérence spectrale intégrée. Par exemple, pour la fréquence de défaut de bague externe, BPFOLow et BPF0Hl sont utilisés pour délimiter l’intervalle d’incertitude de la fréquence du défaut. Le procédé est ensuite appliqué sur la cohérence spectrale rapide afin d’obtenir la fréquence actuelle la plus
probable du défaut de bague externe. La même méthodologie est appliquée pour chacune des quatre fréquences de défaut (bague externe, bague interne, cage et bille). Cette opération 150 permet, en sortie, de connaitre le vecteur caractéristique actuel du roulement :
The operation 150 makes it possible to calculate the current fault frequency for each of the four characteristic frequencies of rolling faults thanks to the square of the amplitude of the integrated spectral coherence. For example, for the outer ring fault frequency, BPFO Low and BPF0 Hl are used to delimit the uncertainty interval of the fault frequency. The process is then applied to the fast spectral coherence in order to obtain the current frequency most probable outer ring fault. The same methodology is applied for each of the four fault frequencies (outer ring, inner ring, cage and ball). This operation 150 makes it possible, at output, to know the current characteristic vector of the bearing:
[0065] Étape 160 : Le procédé 100 comporte, à la suite de l’opération 150, une opération 160 d’estimation du support fréquentiel des signatures des défauts de roulement utilisant, comme données d’entrées, le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale rapide r
la borne inférieure des fréquences caractéristiques la borne supérieure des
fréquences caractéristiques et le vecteur
caractéristique actuel du roulement
SRF ]. Cette étape 160 utilise également des paramètres comme Hd, le nombre d’harmoniques considérés pour la signature du défaut et Hm, le nombre de paires de bandes latérales considérés pour la signature du défaut. Ces paramètres peuvent être définis par l’opérateur ; ils peuvent également être définis par défaut avec, par exemple,
Step 160: The method 100 comprises, following the operation 150, an operation 160 for estimating the frequency support of the bearing fault signatures using, as input data, the square of the amplitude of fast spectral coherence r the lower limit of the characteristic frequencies the upper limit of the characteristic frequencies and the vector current characteristic of the bearing FRS]. This step 160 also uses parameters such as H d , the number of harmonics considered for the fault signature and H m , the number of sideband pairs considered for the fault signature. These parameters can be set by the operator; they can also be set to default with, for example,
[0066] Cette opération 160 propose de calculer les contrastes cycliques spectraux des défauts de roulement. Un contraste cyclique est calculé pour chacun des défauts potentiels en utilisant la fréquence de défaut caractéristique associée. Le contraste
cyclique peut être calculé, comme indiqué par la suite en utilisant la variable ad, qui est la fréquence du défaut suspect, et la variable αm, qui est sa modulation potentielle. En effet, la détection et l’identification d’un défaut sont basées sur la présence d’une cyclosationnarité dans le signal associé aux différentes signatures du défaut (selon le type du défaut). Partant de ce constat, le procédé 100 utilise le spectre d’enveloppe ou le carré de l’amplitude de la cohérence cyclique intégrée, ICCr (fast)(α), par rapport à la fréquence spectrale. Un tel indicateur est pertinent pour une detection précoce du défaut, et fournit des résultats supérieurs en comparaison à des méthodes sophistiquées de l’état de l’art comme celle décrite dans le document d’Abboud, M. Elbadaoui, W.A. Smith, R. B. Randall, « Advanced bearing diagnostics: A comparative study of two powerful approaches », Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 114, 2019, Pages 604-627. This operation 160 proposes to calculate the spectral cyclic contrasts of bearing defects. A cyclic contrast is calculated for each of the potential faults using the associated characteristic fault frequency. The contrast cyclic can be calculated, as shown later, using the variable ad, which is the frequency of the suspect fault, and the variable α m , which is its potential modulation. Indeed, the detection and the identification of a fault are based on the presence of a cyclosationnarity in the signal associated with the various signatures of the fault (according to the type of the fault). Based on this observation, the method 100 uses the envelope spectrum or the square of the amplitude of the integrated cyclic coherence, ICC r (fast) (α), with respect to the spectral frequency. Such an indicator is relevant for early detection of the defect, and provides superior results compared to sophisticated state-of-the-art methods such as the one described in the document by Abboud, M. Elbadaoui, WA Smith, RB Randall , “Advanced bearing diagnostics: A comparative study of two powerful approaches”, Mechanical Systems and Signal Processing, Volume 114, 2019, Pages 604-627.
[0067] Malgré l’efficacité de cette approche, il est possible d’améliorer en plus la détectabilité des défauts en utilisant la connaissance a priori de la cinématique ainsi que l’identification des fréquences actuelles les plus probables des défauts. Cette amélioration de la détectabilité des défauts est basée sur le contraste d’une signature dans le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale. Despite the effectiveness of this approach, it is possible to further improve the detectability of faults by using the a priori knowledge of the kinematics as well as the identification of the most probable current frequencies of the faults. This improvement in the detectability of defects is based on the contrast of a signature in the square of the amplitude of the spectral coherence.
[0068] Le contraste d’une signature, dans le cas général d’une signature d’un défaut de roulement comprenant la fréquence du défaut fd et ses harmoniques multiples modulés par une fréquence fm, est expliqué ci-après. Par exemple, dans le cas d’une signature d’un défaut de bague interne, la fréquence fd est la fréquence de défaut de bague interne (BPFI) et fm est la fréquence de rotation de l’arbre de roulement (SRF). Si l’on désigne par S(αd, αm) = {hdαd + hmαm / hd = 1 ... Hd , hm = ±1, ±2 la signature d’un défaut à la fréquence (ou ordre) ad ayant une modulation à la fréquence (ou ordre) αm, le contraste de la signature S dans une fonction quelconque Z(a) (où a désigne la variable fréquence ou ordre en [evt/rev]) est défini comme étant l’amplitude des harmoniques associés à cette signature divisée par la moyenne du bruit de fond autour de ses pics. Le contraste de la signature S est alors déterminé en calculant la somme des amplitudes de la même signature calculée sur des fréquences voisines de celle du défaut. Le contraste de la signature S(αd, αm) dans Z(a) est défini comme suit:
où est une variable aléatoire uniforme sur une fenêtre de taille
centrée sur
et définie sur La médiane est équivalente à l’amplitude du bruit
de fond et est immune aux valeurs importantes des pics (ou « outlier » en termes anglo-saxons). En cas d’absence d’un pic, la somme des pics est très proche de la moyenne du bruit de fond et le contraste tend vers 1 . Si un ou plusieurs pics existent, le contraste augmente avec l’amplitude et le nombre d’harmoniques. Afin de centrer le contraste à zéro, il est convenable de définir l’émergence centrée en retranchant la valeur 1 du contraste. Le contraste de la signature est alors :
The contrast of a signature, in the general case of a bearing fault signature comprising the fault frequency fd and its multiple harmonics modulated by a frequency fm, is explained below. For example, in the case of an inner race fault signature, the frequency fd is the inner race fault frequency (BPFI) and fm is the bearing shaft rotational frequency (SRF). If we denote by S(α d , α m ) = {h d α d + h m α m / h d = 1 ... H d , h m = ±1, ±2 the signature of a fault at the frequency (or order) ad having a modulation at the frequency (or order) α m , the contrast of the signature S in any function Z(a) (where a denotes the variable frequency or order in [evt/rev] ) is defined as being the amplitude of the harmonics associated with this signature divided by the average of the background noise around its peaks. The contrast of the signature S is then determined by calculating the sum of the amplitudes of the same signature calculated on frequencies close to that of the defect. The contrast of the signature S(α d , α m ) in Z(a) is defined as follows: where is a uniform random variable over a window of size centered on and set to Median equals noise amplitude background and is immune to large peak values (or "outlier" in Anglo-Saxon terms). In the absence of a peak, the sum of the peaks is very close to the average of the background noise and the contrast tends towards 1. If one or more peaks exist, the contrast increases with amplitude and number of harmonics. In order to center the contrast at zero, it is convenient to define the centered emergence by subtracting the value 1 from the contrast. The contrast of the signature is then:
[0069] En l’absence d’une signature, le contraste reste au voisinage de zero. En présence d’une signature, le contraste augmente. In the absence of a signature, the contrast remains close to zero. In the presence of a signature, the contrast increases.
[0070] Le contraste cyclique spectral d’une signature pour un signal z[n] est simplement le contraste, centré, appliqué sur le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale
The spectral cyclic contrast of a signature for a signal z[n] is simply the contrast, centered, applied to the square of the amplitude of the spectral coherence
[0071] Le contraste cyclique spectral est une fonction de la fréquence spectrale. Il repère les fréquences spectrales qui exhibent une cyclostationnarité à cette signature (le contraste pour ces fréquences est supérieur à zero). Le but de cette fonction est de calculer les signatures associées aux quatre types de défauts (bague externe, bague interne, cage et bille) et déterminer le contraste cyclique spectral pour chacune des fréquences des défauts. The spectral cyclic contrast is a function of the spectral frequency. It identifies the spectral frequencies that exhibit cyclostationarity at this signature (the contrast for these frequencies is greater than zero). The purpose of this function is to calculate the signatures associated with the four types of defects (outer ring, inner ring, cage and ball) and to determine the spectral cyclic contrast for each of the defect frequencies.
[0072] Pour rappel, le nombre des harmoniques de défaut et de raies latérales sont désignés respectivement par Hd et Hm. On considère donc Hd harmoniques de défaut avec 2Hm modulations. En utilisant les vecteurs caractéristiques actuels du roulement comprenant les fréquences de défaut les plus probables, les différentes signatures de défauts sont :. a1 ) Signature du défaut de bague externe :
a2) Signature du défaut de bague interne :
a3) Signature du défaut de bille (ou autre élément roulant) :
a4) Signature du défaut de cage :
As a reminder, the number of fault harmonics and lateral lines are designated respectively by Hd and Hm. We therefore consider Hd default harmonics with 2Hm modulations. Using the current characteristic vectors of the bearing comprising the most probable fault frequencies, the different fault signatures are:. a1 ) Outer race fault signature: a2) Signature of the inner ring defect: a3) Signature of the ball defect (or other rolling element): a4) Signature of cage defect:
[0073] Les contrastes cycliques spectraux peuvent ensuite être calculés. Les contrastes cycliques spectraux associés à chacun des défauts sont : b1 ) Signature du défaut de bague externe :
b2) Signature du défaut de bague interne :
b3) Signature du défaut de bille (ou autre élément roulant) :
b4) Signature du défaut de cage :
The spectral cyclic contrasts can then be calculated. The cyclic spectral contrasts associated with each of the defects are: b1 ) Signature of the outer ring defect: b2) Signature of the inner ring defect: b3) Signature of the ball defect (or other rolling element): b4) Signature of cage defect:
[0074] Des exemples des contrastes cycliques spectraux relatifs aux quatre types de défauts sont représentés sur la figure 5 avec, en abscisse, la fréquence et, en ordonnée, le contraste en pourcentage. Sur cette figure 5, la partie A montre un exemple de contraste cyclique spectral pour un défaut de bague externe ; la partie B montre un exemple de contraste cyclique spectral pour un défaut de bague interne ; la partie C montre un exemple de contraste cyclique spectral pour un défaut de bille; la partie D montre un exemple de contraste cyclique spectral pour un défaut de cage. L’exemple de la figure 5 montre que la distribution associée à la bague externe présente des valeurs de contraste élevées allant de 2 à 4.5 kHz et que la bande subissant une augmentation du contraste cyclique spectral est relative à la bande
spectrale de la résonnance du roulement (à comparer avec la cohérence spectrale dans la figure 4). Cela correspond bien à ce qui est recherché dans le cadre de l’invention : trouver une image des caractéristiques dynamiques du roulement afin d’utiliser ces dernières pour améliorer la signature du défaut. Cette zone de résonnance s’étend entre 4 kHz et 5 kHz. Concernant le contraste cyclique spectral associé à la bague interne, il est remarqué une augmentation (moins significative que celle de la bague externe) entre 1 kHz et 4 kHz, mais cette zone spectrale est liée à la dynamique de l’engrenage, ce qui signifie que le système a dû considérer un harmonique lié au résidu de l’engrenage, comme étant un harmonique de bague interne. Cependant, comme le calcul du contraste cyclique spectral repose sur plusieurs harmoniques et modulations (comme définit dans la signature), l’effet de cette erreur reste faible et n’affecte pas la mise en œuvre du péocédé. En effet, la considération d’une signature, au lieu d’un harmonique, a pour conséquence de rendre plus robuste l’identification des propriétés dynamiques du système. Par ailleurs, la figure 5 montre que les contrastes cycliques spectraux relatifs aux défaut de bille et de cage ne sont pas informatifs et ne montrent aucune augmentation sur une bande particulère de fréquence. Examples of the cyclic spectral contrasts relating to the four types of defects are represented in FIG. 5 with, along the abscissa, the frequency and, along the ordinate, the contrast as a percentage. In this figure 5, part A shows an example of spectral cyclic contrast for an outer ring defect; part B shows an example of spectral cyclic contrast for an inner ring defect; Part C shows an example of spectral cyclic contrast for a ball defect; part D shows an example of spectral cyclic contrast for a cage defect. The example of Figure 5 shows that the distribution associated with the outer ring has high contrast values ranging from 2 to 4.5 kHz and that the band undergoing an increase in spectral cyclic contrast is relative to the band spectral resonance of the bearing (to be compared with the spectral coherence in figure 4). This corresponds well to what is sought in the context of the invention: to find an image of the dynamic characteristics of the bearing in order to use the latter to improve the signature of the defect. This resonance zone extends between 4 kHz and 5 kHz. Regarding the spectral cyclic contrast associated with the inner ring, it is noticed an increase (less significant than that of the outer ring) between 1 kHz and 4 kHz, but this spectral area is related to the dynamics of the gear, which means that the system had to consider a harmonic linked to the residue of the gear, as being an internal ring harmonic. However, since the calculation of the spectral cyclic contrast relies on several harmonics and modulations (as defined in the signature), the effect of this error remains small and does not affect the implementation of the process. Indeed, the consideration of a signature, instead of a harmonic, has the consequence of making the identification of the dynamic properties of the system more robust. Moreover, Figure 5 shows that the spectral cyclic contrasts relating to the ball and cage defects are not informative and show no increase over a particular frequency band.
[0075] Étape 170 : Le procédé 100 comporte, à la suite de l’étape 160, une opération 170 d’identification fine des signatures d’intérêt. L’identification fine d’une signature d’intérêt est l’identification exacte de la fréquence du défaut à travers le vecteur Vact = [BPFOact, BPFlact, BSFact, FTFact, SRF ]. En effet, les fréquences de défaut d’un roulement subissent des déviations de leurs fréquences théoriques, ce qui rend leur détection plus compliquée. L’opération 170 permet d’identifier ces fréquences, et donc les signatures, d’une manière fine c'est-à-dire précise. Cette opération 170 consiste à utiliser, pour chacun des quatre types de défauts (bague externe, bague interne, bille et cage), le contraste cyclique spectral calculé à l’étape précédente pour pondérer la cohérence spectrale puis l’intégrer par rapport à une variable de fréquence spectrale fk. Cette opération 170 permet de mettre en valeur les signatures faibles qui peuvent se trouver dans des bandes de fréquence étroites. La pondération, ou le poids, est calculé pour chacun des quatre contrastes cycliques spectraux, déterminés à l’étape 160, associés aux quatre types de défauts. L’étape 170 propose tout d’abord de borner et normaliser le contraste cyclique spectral afin que le contenu global de la
cyclostationnarité ne se modifie pas dans la cohérence spectrale. Pour cela, on utilise le filtre non-normalisé d’une signature suivant :
où sont, respectivement, le
minimum et le maximum par rapport à la variable fk. Le poids normalisé est :
où ow est l’écart-type
Step 170: The method 100 comprises, following step 160, an operation 170 of fine identification of the signatures of interest. Fine identification of a signature of interest is the exact identification of the frequency of the fault through the vector V act = [BPFO act , BPFl act , BSF act , FTF act , SRF ]. Indeed, the fault frequencies of a bearing undergo deviations from their theoretical frequencies, which makes their detection more complicated. Operation 170 makes it possible to identify these frequencies, and therefore the signatures, in a fine, that is to say precise, manner. This operation 170 consists in using, for each of the four types of defects (outer ring, inner ring, ball and cage), the spectral cyclic contrast calculated in the previous step to weight the spectral coherence then integrate it with respect to a variable of spectral frequency f k . This operation 170 makes it possible to highlight the weak signatures which may be found in narrow frequency bands. The weighting, or weight, is calculated for each of the four spectral cyclic contrasts, determined in step 160, associated with the four types of defects. Step 170 first proposes limiting and normalizing the spectral cyclic contrast so that the overall content of the cyclostationarity does not change in spectral coherence. For this, we use the following non-normalized signature filter: where are, respectively, the minimum and maximum with respect to the variable fk. The normalized weight is: where ow is the standard deviation
[0076] Afin de mettre en valeur la signature d’intérêt, ou signature suspecte, c'est- à-dire la signature d’un défaut correspondant à un défaut de roulement (et non à un défaut d’un dispositif de l’environnement, comme un défaut d’engrenage), le procédé 100 propose d’intégrer une moyenne pondérée du carré de l’amplitude de la cohérence cyclique par rapport à la variable de fréquence spectrale fk. La cohérence cyclique pondérée et intégrée associée à la signature S(αd, am) est alors :
[0076] In order to highlight the signature of interest, or suspect signature, that is to say the signature of a defect corresponding to a bearing defect (and not to a defect of a device of the environment, such as a gear fault), the method 100 proposes to integrate a weighted mean of the square of the amplitude of the cyclic coherence with respect to the variable of spectral frequency fk. The weighted and integrated cyclic coherence associated with the signature S(α d , a m ) is then:
[0077] Dans un premier temps, le poids associé à chacun des quatre types de défauts est calculé comme indiqué ci-dessus, au moyen du filtre non-normalisé
Le poids pour chacun des quatre défauts est le suivant : [0077] Initially, the weight associated with each of the four types of defects is calculated as indicated above, by means of the non-normalized filter The weight for each of the four faults is as follows:
Défaut de bague externe :
est le p oids non-normalisé
associé avec la signature de bague externe. Outer ring fault: is the non-normalized weight associated with the outer ring signature.
Défaut de bague interne :
est le P°ids non-normalisé
associé avec la signature de bague interne.
Défaut de bille (ou autre élément roulant) :
est le poids non-
normalisé associé avec la signature de bille. Inner ring fault: is the non-normalized P° ids associated with the internal ring signature. Ball (or other rolling element) fault: is the non-weight normalized associated with the ball signature.
Défaut de cage :
est le poids non-normalisé associé avec la
signature de cage. Cage fault: is the non-standardized weight associated with the crate signature.
[0078] Dans un second temps, le poids non-normalisé associé à chacun des quatre types de défauts est intégré, comme indiqué ci-dessus, par rapport à la variable fk. Les cohérences cycliques pondérées et intégrées obtenues pour les signatures des défauts sont alors : [0078] Secondly, the non-standardized weight associated with each of the four types of faults is integrated, as indicated above, with respect to the variable fk. The weighted and integrated cyclic coherences obtained for the fault signatures are then:
Défaut de bague externe
Outer ring fault
Défaut de bague interne
Inner ring fault
Défaut de bille
Ball defect
Défaut de cage
cage fault
[0079] La figure 6 représente, en partie A, un exemple d’une cohérence spectrale intégrée et, en partie B, un exemple d’une cohérence spectrale intégrée et pondérée pour un défaut de bague externe. La cohérence spectrale intégrée et la cohérence spectrale intégrée et pondérée sont calculées pour évaluer la capacité de cette dernière à extraire une signature faible. On voit, sur l’exemple de la figure 6, que la signature du défaut de bague externe émerge dans la cohérence intégrée et pondérée, la pondération ayant pour effet de faire ressortir une signature faible, même très faible. [0080] Étape 180 : Le procédé 100 comporte ensuite une opération 180 de détermination des indicateurs de diagnostic, quantifiant la présence d’une signature donnée. Cette opération 180 utilise, comme données d’entrées, la cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut de bague externe
la cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut de bague interne 3
la cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut de bille (ou autre élément roulant) la cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut de
cage et le signal résiduel r[n], pour obtenir quatre spectres mettant en valeur
les signatures potentielles des défauts. Ces spectres améliorent les signatures faibles et les font ressortir dans la distribution. Pour chaque signature, trois indicateurs de diagnostic sont proposés, à savoir : FIG. 6 represents, in part A, an example of an integrated spectral coherence and, in part B, an example of an integrated and weighted spectral coherence for an outer ring fault. The integrated spectral coherence and the integrated and weighted spectral coherence are calculated to evaluate the capacity of the latter to extract a weak signature. It can be seen, in the example of FIG. 6, that the signature of the outer ring defect emerges in the integrated and weighted coherence, the weighting having the effect of bringing out a weak signature, even a very weak one. Step 180: The method 100 then includes an operation 180 for determining the diagnostic indicators, quantifying the presence of a given signature. This operation 180 uses, as input data, the weighted and integrated cyclic coherence associated with the outer ring fault the weighted and integrated cyclic coherence associated with the inner ring fault 3 the weighted and integrated cyclic coherence associated with the ball (or other rolling element) defect the weighted and integrated cyclic coherence associated with the cage and the residual signal r[n], to obtain four spectra emphasizing potential defect signatures. These spectra enhance weak signatures and make them stand out in the distribution. For each signature, three diagnostic indicators are proposed, namely:
Le contraste de la signature dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée, décrit ci-dessus ; The contrast of the signature in the weighted and integrated cyclic coherence, described above;
Le contraste de la signature dans le spectre d’enveloppe du signal résiduel, décrit ultérieurement ; et The contrast of the signature in the envelope spectrum of the residual signal, described later; And
L’indicateur de pertinence de la signature, défini ci-après. The signature relevance indicator, defined below.
[0081 ] L’indicateur de pertinence d’une signature dans un spectre donné
x(a) est un score entre 0 et 1 décrivant la présence des pics dans le spectre selon le rapport entre le nombre d’harmoniques présents et le nombre d’harmoniques attendus. Un harmonique dans le spectre est considéré présent si son émergence dépasse un seuil donné. Ce seuil peut être fixé, par exemple, à 2. La pertinence (« signature relevance » en termes anglo-saxons) est définie comme suit :
où card{*} définit le cardinal d’une variable (le nombre d’éléments) et 1 condition est la fonction de l’indicateur. Cette fonction est égale à 1 quand la condition est vraie (c'est- à-dire lorsque le contraste du pic dépasse la valeur 2) et égale à 0 dans les autres cas. [0081] The relevance indicator of a signature in a given spectrum x(a) is a score between 0 and 1 describing the presence of peaks in the spectrum according to the ratio between the number of harmonics present and the number of harmonics expected. A harmonic in the spectrum is considered present if its emergence exceeds a given threshold. This threshold can be set, for example, at 2. Relevance (“signature relevance” in Anglo-Saxon terms) is defined as follows: where card{*} defines the cardinality of a variable (the number of elements) and 1 condition is the indicator function. This function is equal to 1 when the condition is true (that is to say when the contrast of the peak exceeds the value 2) and equal to 0 in the other cases.
[0082] Le contraste de la signature dans le spectre d’enveloppe du signal résiduel consiste à appliquer le contraste de chaque signature de défaut sur le carré de l’enveloppe du signal, l’enveloppe du signal étant la valeur absolue du signal analytique obtenu à travers la transformée d’Hilbert H{r[n]} : SESr(a) =
The contrast of the signature in the envelope spectrum of the residual signal consists in applying the contrast of each defect signature to the square of the envelope of the signal, the envelope of the signal being the absolute value of the analytical signal obtained through the Hilbert transform H{r[n]}: SES r (a) =
[0083] Dans cette opération 180, le spectre du carré de l’enveloppe du signal est calculé ainsi que trois indicateurs scalaires, pour chaque type de défaut, chaque indicateur étant calculé dans une sous-fonction. La première sous-fonction, utilisée pour calculer un premier indicateur pour chacun des quatre types de défauts, comporte le calcul du contraste de la signature dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée pour chaque type de défaut (bague externe, bague interne, bille et cage) :
Défaut de bague externe
In this operation 180, the spectrum of the square of the envelope of the signal is calculated as well as three scalar indicators, for each type of defect, each indicator being calculated in a sub-function. The first sub-function, used to calculate a first indicator for each of the four types of defects, comprises the calculation of the contrast of the signature in the weighted and integrated cyclic coherence for each type of defect (outer ring, inner ring, ball and cage ): Outer ring fault
Défaut de bague interne
Inner ring fault
Défaut de bille ou autre élément roulant :
Ball or other rolling element fault:
Défaut de cage
cage fault
[0084] Une deuxième sous-fonction permet ensuite de calculer un deuxième indicateur pour chacun des quatre types de défauts. Cette deuxième sous-fonction consiste en un calcul du contraste de la signature dans le spectre du carré de l’enveloppe. Pour cela, le spectre du carré de l’enveloppe du signal résiduel est d’abord calculé puis sont calculés les quatre indicateurs de contraste relatifs aux quatre types de défauts : A second sub-function then makes it possible to calculate a second indicator for each of the four types of faults. This second sub-function consists of a calculation of the contrast of the signature in the spectrum of the square of the envelope. To do this, the spectrum of the square of the envelope of the residual signal is first calculated, then the four contrast indicators relating to the four types of defects are calculated:
Défaut de bague externe :
Outer ring fault:
Défaut de bague interne :
Inner ring fault:
Défaut de bille ou d’élément roulant :
Ball or rolling element fault:
Défaut de cage
cage fault
[0085] Une troisième sous-fonction est ensuite appliquée pour calculer pour un troisième indicateur pour chacun des quatre types de défauts. Cette troisième sous- fonction consiste en un calcul de la pertinence de la signature dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée, pour chacun des quatre types de défauts : A third sub-function is then applied to calculate for a third indicator for each of the four types of faults. This third sub-function consists of a calculation of the relevance of the signature in the weighted and integrated cyclic coherence, for each of the four types of faults:
Défaut de bague externe Outer ring fault
Défaut de bague interne
Inner ring fault
Défaut de bille ou autre élément roulant
Ball or other rolling element defect
Défaut de cage :
Cage fault:
[0086] Ces trois types d’indicateurs peuvent, par exemple, être appliqués aux données acquises par l’accéléromètre et sauvegardées dans la base de données. Un exemple de l’évolution de ces trois indicateurs, calculés pour chacun des quatre types de défauts, est représenté sur la figure 7. La partie A de la figure 7 représente révolution du contraste dans la cohérence ; la partie B de la figure 7 représente révolution du contraste dans l’enveloppe ; la partie C de la figure 7 représente révolution de la pertinence de la signature. Chacune de ces parties A, B et C comprend
quatre courbes associées chacune à un des quatre types possibles de défauts (défaut de bague externe, défaut de bague interne, défaut de bille et défaut de cage). L’avantage de ces indicateurs est leur capacité à identifier de manière précise les différentes phases de l’évolution des courbes et à fournir, à l’opérateur un nombre élevé d’informations sur la signature des défauts. Ces indicateurs de diagnostic peuvent être interprétés comme suit: These three types of indicators can, for example, be applied to the data acquired by the accelerometer and saved in the database. An example of the evolution of these three indicators, calculated for each of the four types of defects, is represented in FIG. 7. Part A of FIG. 7 represents the evolution of the contrast in the coherence; part B of FIG. 7 represents the revolution of the contrast in the envelope; part C of FIG. 7 represents the evolution of the relevance of the signature. Each of these parts A, B and C includes four curves each associated with one of the four possible types of faults (external race fault, internal race fault, ball fault and cage fault). The advantage of these indicators is their ability to precisely identify the different phases of the evolution of the curves and to provide the operator with a large amount of information on the signature of the faults. These diagnostic indicators can be interpreted as follows:
Phase 1 : Pendant cette phase, les trois indicateurs sont constants. Le contraste dans la cohérence (partie A) a une valeur moyenne sensiblement égale à 5, indiquant qu’une très faible signature de bague externe existe déjà dans le signal. Le contraste dans l’enveloppe (partie B) est proche de la valeur zéro, ce qui indique que cette signature est énergétiquement très petite et n’émerge pas encore dans le spectre d’enveloppe du signal. L’indicateur de pertinence de la signature de la bague externe (partie C) présente une valeur fluctuante entre 0.2 et 0.4 indiquant la présence d’un ou deux harmoniques de bague externe dans la cohérence pondérée et intégrée. La lecture de ces indicateurs indique donc la présence d’une signature très faible de bague externe et l’absence d’un défaut. Ces indicateurs expliquent probablement une susceptibilité ou une fragilité dans la bague externe. Phase 1: During this phase, the three indicators are constant. The contrast in the coherence (part A) has an average value roughly equal to 5, indicating that a very weak outer ring signature already exists in the signal. The contrast in the envelope (part B) is close to the zero value, which indicates that this signature is energetically very small and does not yet emerge in the envelope spectrum of the signal. The relevance indicator of the outer ring signature (part C) presents a fluctuating value between 0.2 and 0.4 indicating the presence of one or two outer ring harmonics in the weighted and integrated coherence. The reading of these indicators therefore indicates the presence of a very weak outer ring signature and the absence of a fault. These indicators probably explain susceptibility or fragility in the outer ring.
Phase 2: Pendant cette phase, les trois indicateurs augmentent significativement. La signature émerge dans la cohérence et l’enveloppe (parties A et B) et le nombre d’harmoniques augmente et dépasse 5 (ces indicateurs sont calculés pour M=5 harmoniques). Ce changement montre très clairement la naissance d’un défaut de bague externe. Cette phase est clairement définie par les indicateurs et relativement facile à interpréter.Phase 2: During this phase, the three indicators increase significantly. The signature emerges in the coherence and the envelope (parts A and B) and the number of harmonics increases and exceeds 5 (these indicators are calculated for M=5 harmonics). This change very clearly shows the birth of an outer ring defect. This phase is clearly defined by the indicators and relatively easy to interpret.
Phase 3: Dans cette phase, une diminution des indicateurs de contraste dans la cohérence et l’enveloppe (parties A et B) est observée alors que le nombre des harmoniques reste au-delà de 5 harmoniques (l’indicateur de pertinence est égal à 1 ). Cela implique que l’énergie de la signature diminue et est en cohérence avec les indicateurs classiques. Phase 3: In this phase, a decrease in the contrast indicators in the coherence and the envelope (parts A and B) is observed while the number of harmonics remains beyond 5 harmonics (the relevance indicator is equal to 1 ). This implies that the energy of the signature decreases and is consistent with the classic indicators.
Phase 4: Pendant cette phase, la tendance des indicateurs indique une stabilisation de l’impulsivité du signal, accompagnée d’une légère
augmentation de l’énergie. En effet, la stabilisation du contraste et de la pertinence de la signature de la bague externe (parties A et C) indique la présence d’une signature de bague externe prononcée et stable alors que l’augmentation du contraste dans l’enveloppe montre que l’énergie de cette signature augmente légèrement. Cela est conforme avec les indicateurs classiques. Phase 4: During this phase, the trend of the indicators indicates a stabilization of signal impulsiveness, accompanied by a slight increase in energy. Indeed, the stabilization of the contrast and relevance of the outer ring signature (parts A and C) indicates the presence of a pronounced and stable outer ring signature while the increase in contrast in the envelope shows that the energy of this signature increases slightly. This is consistent with classical indicators.
Phase 5: Dans cette dernière phase, l’énergie vibratoire générée par le défaut (partie B) augmente rapidement jusqu’à la défaillance complète du roulement. Cela se manifeste à la fois par une augmentation de l’énergie et par l’impulsivité du signal. L’augmentation du RMS et du kurtosis, où
confirme cela. De même, l’indicateur d’énergie de la signature bague externe dans le spectre d’enveloppe (partie B) subit une augmentation pendant cette phase. Phase 5: In this last phase, the vibration energy generated by the defect (part B) increases rapidly until complete failure of the bearing. This is manifested in both an increase in energy and the impulsiveness of the signal. The increase in RMS and kurtosis, where confirms this. Similarly, the energy indicator of the outer ring signature in the envelope spectrum (part B) undergoes an increase during this phase.
[0087] Les trois indicateurs, associés à chacun des quatre types de défauts, peuvent être sauvegardés dans une mémoire afin de pouvoir être interprétés par l’opérateur au sol, par exemple un technicien de maintenance, lors d’une opération de maintenance de l’aéronef. Après interprétation de ces indicateurs de diagnostics, l’opérateur est en mesure de déterminer l’état des endommagements du roulement et donc l’état de santé du roulement. Il est donc apte à décider si le roulement doit ou ne doit pas être changé. The three indicators, associated with each of the four types of faults, can be saved in a memory in order to be able to be interpreted by the operator on the ground, for example a maintenance technician, during a maintenance operation of the 'aircraft. After interpreting these diagnostic indicators, the operator is able to determine the state of damage to the bearing and therefore the state of health of the bearing. He is therefore able to decide whether the bearing should or should not be changed.
[0088] Comme on le comprend de ce qui précède, le procédé selon l’invention est fortement automatisé, l’opérateur ayant uniquement besoin d’interpréter les indicateurs de diagnostic obtenus en fin de procédé. Dans une variante, l’opérateur peut également choisir les valeurs des différents paramètres utilisés dans le procédé, et décrits précédemment. Dans une autre variante, les paramètres sont définis par défaut, comme expliqué précédemment. As understood from the above, the method according to the invention is highly automated, the operator only needing to interpret the diagnostic indicators obtained at the end of the method. Alternatively, the operator can also choose the values of the various parameters used in the process, and described above. In another variant, the parameters are defined by default, as explained previously.
[0089] Le procédé 100, qui vient d’être décrit, peut être intégré dans un système de surveillance embarqué dans un aéronef. Il peut également être intégré dans tout système de surveillance vibratoire d’un système rotatif, tel qu’une machine tournante ou une machine à combustion ou à explosion.
[0090] Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé de détection d’un défaut de roulement selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.
The method 100, which has just been described, can be integrated into a surveillance system on board an aircraft. It can also be integrated into any vibration monitoring system of a rotating system, such as a rotating machine or a combustion or explosion machine. [0090] Although described through a certain number of examples, variants and embodiments, the method for detecting a rolling defect according to the invention comprises various variants, modifications and improvements which will become evident upon skilled in the art, it being understood that these variants, modifications and improvements fall within the scope of the invention.
Claims
[Revendication 1] Procédé (100) de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comportant les étapes suivantes : a) Acquisition (110) d’un signal de position du roulement 0[n] par rapport à un arbre de rotation du système rotatif dans lequel le roulement est monté, d’un signal vibratoire du roulement x[n] et d’un vecteur caractéristique théorique du roulement Vthe = [BPFOthe, BPFlthe, BSFthe, FTFthe, SRF ], le vecteur caractéristique théorique du roulement étant déterminé à partir des dimensions géométriques dudit roulement ; b) Détermination (120) d’une partie déterministe du signal vibratoire et élimination de ladite partie déterministe pour obtenir un signal résiduel r[n] fonction du signal de position ; c) Calcul (130), à partir du vecteur caractéristique théorique, de bornes inférieure
et supérieure de
fréquences de défauts ; d) Calcul (140), à partir du signal vibratoire, d’une cohérence spectrale et du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale
e) Calcul (150), à partir du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale et des bornes inférieure et supérieure des fréquences de défauts, d’un vecteur caractéristique actuel du roulement
[BPFOact, BPFIact, BSFact, FTFact, SRF ]) ; f) Détermination (160) d’un contraste cyclique spectral des défauts en fonction de la fréquence spectrale
g) Identification fine (170) de signatures d’intérêt se trouvant dans des bandes de fréquence étroites, par calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée, associée aux défauts
h) Détermination (180) d’indicateurs de diagnostic interprétables par un opérateur. [Claim 1] Method (100) for detecting a fault in a bearing of a rotary system, comprising the following steps: a) Acquisition (110) of a position signal of the bearing 0[n] with respect to a rotating shaft of the rotary system in which the bearing is mounted, a vibration signal of the bearing x[n] and a theoretical characteristic vector of the bearing V the = [BPFO the , BPFl the , BSF the , FTF the , SRF ], the theoretical characteristic vector of the bearing being determined from the geometric dimensions of said bearing; b) Determination (120) of a deterministic part of the vibration signal and elimination of said deterministic part to obtain a residual signal r[n] as a function of the position signal; c) Calculation (130), from the theoretical characteristic vector, of lower bounds and superior of fault frequencies; d) Calculation (140), from the vibration signal, of a spectral coherence and of the square of the amplitude of the spectral coherence e) Calculation (150), from the square of the amplitude of the spectral coherence and of the lower and upper bounds of the frequencies of defects, of a current characteristic vector of the bearing [BPFO act , BPFI act , BSF act , FTF act , SRF ]); f) Determination (160) of a spectral cyclic contrast of the defects as a function of the spectral frequency g) Fine identification (170) of signatures of interest located in narrow frequency bands, by calculating a weighted and integrated cyclic coherence, associated with the defects h) Determination (180) of diagnostic indicators interpretable by an operator.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les défauts comportent quatre types de défauts, les fréquences de défauts et les signatures de défauts étant déterminées pour chaque type de défauts. [Claim 2] Method according to claim 1, characterized in that the faults comprise four types of faults, the fault frequencies and the fault signatures being determined for each type of fault.
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les quatre types de défauts sont : un défaut de bague externe, un défaut de bague interne, un défaut d’élément roulant et un défaut de cage. [Claim 3] Method according to claim 2, characterized in that the four types of defects are: an outer ring defect, an inner ring defect, a rolling element defect and a cage defect.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l’étape e) comporte une estimation, pour chaque type de défaut, d’une fréquence de défaut actuel correspondant à la fréquence la plus probable entre la borne inférieure et la borne supérieure. [Claim 4] Method according to claim 2 or 3, characterized in that step e) comprises an estimation, for each type of fault, of a current fault frequency corresponding to the most probable frequency between the lower limit and the upper bound.
[Revendication 5] Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’étape f) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un contraste de la signature du défaut puis l’application de ce contraste sur le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale. [Claim 5] Method according to any one of Claims 2 to 4, characterized in that step f) comprises, for each type of defect, the determination of a contrast of the signature of the defect then the application of this contrast on the square of the spectral coherence amplitude.
[Revendication 6] Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l’étape g) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un poids associé audit défaut puis le calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée pour ce défaut. [Claim 6] Method according to any one of Claims 2 to 5, characterized in that step g) comprises, for each type of defect, the determination of a weight associated with said defect then the calculation of a cyclic coherence weighted and integrated for this defect.
[Revendication 7] Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les indicateurs de diagnostic comportent, pour chaque type de défaut, un contraste de la signature d’intérêt dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée un contraste de la signature d’intérêt dans un
spectre d’enveloppe du signal résiduel
et un indicateur de pertinence de la signature d’intérêt
[Claim 7] Method according to any one of Claims 2 to 6, characterized in that the diagnostic indicators comprise, for each type of defect, a contrast of the signature of interest in the weighted and integrated cyclic coherence a contrast of the signature of interest in a residual signal envelope spectrum and a relevance indicator of the signature of interest
[Revendication 8] Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les indicateurs de diagnostic sont quantifiés chacun au moyen d’une valeur, ladite valeur étant proche de zéro en l’absence d’un défaut. [Claim 8] Method according to any one of Claims 2 to 7, characterized in that the diagnostic indicators are each quantified by means of a value, the said value being close to zero in the absence of a fault.
[Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée avant l’étape b), après l’étape d) ou simultanément à l’étape b) ou d), les bornes inférieure et supérieure constituant des données d’entrée de l’étape e).
[Revendication 10] Système de surveillance de l’état de santé d’un aéronef par détection d’un défaut de roulement, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de traitement des données mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
[Claim 9] Process according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that step c) is carried out before step b), after step d) or simultaneously with step b) or d ), the lower and upper bounds constituting input data from step e). [Claim 10] System for monitoring the state of health of an aircraft by detecting a bearing fault, characterized in that it comprises a data processing device implementing the method according to any one of previous claims.
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