Fault Diagnostics of Planetary Gears under Variable-speed Conditions Using Time-frequency Analysis

Abstract

Unexpected failures of a planetary gear may result in substantial economic losses and safety problems. Therefore, extensive prior studies have been performed to develop diagnostic methods for planetary gears. However, most of the studies assumed that the planetary gears operate under constant speed condition although many planetary gears in practical application rotate under variable speeds. Therefore, in this dissertation, fault diagnosis methods are developed for planetary gears under variable-speed conditions. In developing the methods, time-frequency analysis is used to reveal time-varying spectral behaviors of planetary gear vibration signals. However, there are several challenges in developing the fault diagnosis methods for planetary gears under variable speeds: 1) fault sensitivity, 2) computation time, and 3) complex speed profile. To cope with these challenges, this dissertation is composed of three research thrusts. The first thrust proposes a fault diagnosis method with enhanced sensitivity. The method could improve fault sensitivity of the diagnostic method by minimizing effects from variable-speed conditions using the time-frequency analysis. Further, the faulty signals in the time-frequency analysis are enhanced in the developed method. Next, the second research thrust presents a time-efficient fault diagnosis method. In the method, time-efficient time-frequency analysis is used to reduce computation time. However, the fault sensitivity is inherently reduced by using the time-efficient time-frequency analysis. Therefore, in the proposed method, the reduced fault sensitivity from the time-efficient time-frequency analysis is compensated by utilizing characteristics of signal and system. Finally, the third research thrust develops an image-based fault feature, which could extract fault-related characteristics independent of speed profiles. In the method, only faulty components are exploited from the time-frequency image data. The feature is independent of other components using the image analysis technique. Therefore, the proposed method could be applied to planetary gears under complex speed profiles. Validity of the proposed methods is demonstrated using planetary gears of simulation and experiment signals. Each developed method could be used for planetary gears under variable-speed conditions for their use, i.e., fault sensitivity, time-efficiency, and complex speed profiles.

유성기어의 갑작스러운 고장은 큰 재산 피해뿐만 아니라 인명 손실을 일으킬 수 있다. 그래서, 최근 유성기어의 고장을 진단하기 위한 많은 연구들이 수행되어 왔다. 기존의 연구들은 유성기어가 일정한 속도 하에서 운행된다는 가정을 바탕으로 하고 있다. 하지만 실제 현장에서의 유성기어는 다양한 변속 조건에서 운행된다. 이 논문에서는 변속조건의 유성기어에도 적용이 가능한 고장 진단법을 개발하고자 한다. 개발 고장 진단법은 시간에 따른 유성기어의 주파수 거동을 살펴보기 위해 시간-주파수 기법을 이용한다. 시간-주파수 기법을 이용하여 고장 진단법을 개발하는데 있어서 1) 고장 민감도, 2) 알고리즘 계산 시간, 3) 복잡한 속도 조건 의 어려움이 존재한다. 이 논문에서는 이러한 어려움을 극복하기 위해 세가지 연구 주제를 제안한다. 먼저, 첫 번째 연구 주제에서는 민감도가 향상된 고장 진단 기술을 개발하고자 한다. 제안 방법은 시간-주파수 기법을 이용하여 변속 조건에서 오는 영향도를 최소화함으로써 고장 진단법의 민감도를 향상시키고자 하였다. 또한, 시간 주파수 분석 결과에서 있는 고장 신호를 강조함으로써 민감도를 더욱 높였다. 두번째 연구주제에서는 기존 방법 대비 알고리즘 계산 시간을 줄이고자 하였다. 그래서, 계산 시간이 상대적으로 적게 걸리는 시간-주파수 방법을 사용하였다. 하지만 해당 방법은 기존 방법 대비 고장 민감도가 감소한다는 단점이 있다. 그래서 신호와 시스템의 특징을 활용함으로써 줄어든 민감도를 보상하는 기법을 개발하였다. 세번째 연구 주제에서는 속도 조건에 관계없이 고장 관련 성분을 추출할 수 있는 특질 인자를 개발하였다. 해당 방법에서는 시간-주파수 이미지 데이터로부터 고장으로 인해 발생한 성분만을 추출하게 된다. 그래서 추출된 인자는 고장 외의 다른 성분에는 영향을 받지 않는다. 그러므로 해당 고장 특질인자는 복잡한 속도 조건을 갖는 유성기어에 적용 가능하다. 제안 방법은 해석 모델로부터 얻은 유성 기어 신호와 실험으로부터 측정된 유성 기어 신호를 이용하여 검증하였다. 이 논문에서 제안된 제안된 동기, 고장 민감도 향상, 알고리즘 계산 시간, 복잡한 운행 조건에 맞게 변속 조건의 유성기어에 적용될 수 있을 것이다.