The diploma thesis deals with calibration of AE sensors used in diagnostics of bearings. Two different conceptual solutions similar to those used in the diagnostics of bearings were designed in the design. Subsequently, the experimental device was designed for relative calibration using the rotation of bearings as a continuous AE source. The experimental part is oriented to the observation of the RMS parameter, which serves as a sensor sensitivity evaluation parameter. As sources of AE, bearings with a certain type of damage were used, which allowed for the formation of sensitivity characteristics according to the type of damage. Sensitivity characteristics of selected AE sensors have been developed to determine the effectiveness in relative calibration. The exponential sensitivity sensitivity of the MDK-13 sensors was observed on the software amplification of the AE analyzer. A proposal for the calibration method for MDK-13 type sensors was developed on the principle of comparison with the reference sensor.

This master’s thesis describes the influence of conformity on friction in rolling bearings. The coefficient of friction is measured on an experimental machine - Mini Traction Machine 2 – using ball-on-disc method. The results are plotted in graphs which showing the dependence of the coefficient of friction at spin-to-roll ratio for specific conformity, normal load and speed in the contact area. The influence of load, speed or different lubricant viscosity is verified for a given value of conformity. Experimentally obtained data are compared with the mathematical model developed in MatLab, within this thesis.

During the assembly of aircraft engines, some clearance is left in the rolling bearings mainly to reduce friction. However this clearance might allow the rolling element to vibrate during flight. Indeed, unwanted vibrations called non-synchronous vibrations (NSV) appear on the data recorded by the sensors on some development engines. NSV can be dangerous for the engine so they are closely monitored.  To prevent the appearance of the NSV, they are investigated by the engineers as soon as they appear during tests. The main source of the NSV is most likely to be the rolling bearings in the rotor because they induce a non-linear behaviour. The bearings of development engines were investigated on Finite Element Method (FEM) software for example but other methods could bring a contribution for the understanding of the NSV.  In this study, a multibody modelling software is used to try to model and explain the observed sub-synchronous vibrations considered as NSV. A model of the rotor of a prototype engine on a FEM software is provided and then reduced to be implemented in the new software. The behaviour of this new model is tested through modal analysis and response to imbalance.  Once the model is properly set, a parametric study is performed to see the effect of the thrust, gravity, imbalance weight and clearance on the system. It shows that clearance and gravity are key parameters while thrust and the imbalance weight have a minor impact on the NSV. This study has also helped to fix the parameters used to reproduce the NSV observed in the experiments.  Then, a second study focus on the influence of the clearance of the roller bearings on the NSV. This study defines a range of clearance that can be implemented on the engine to avoid the NSV. It also proved that the vibrations were very sensitive to a small change in the clearance values.  Finally, by studying the previous configurations, a link between the stiffness of the bearing and the occurrence of the NSV was established. In fact, the NSV appear only when the two roller bearings both have no stiffness because the clearance is not filled by the radial load. The rolling element is thus free to vibrate in its ring. It was noticed that the NSV has more chance to occur if it has already come out earlier in the run-up of the engine.  The multibody software is therefore perfectly able to reproduce the vibrations in a rotor. It is now a tool that can be used during the development process. / Vid montering av flygplansmotorer lämnas ett spelrum i rullningslagren främst för att minska friktionen. Detta spelrum kan emellertid tillåta att rullelementet vibrerar under flygning. Faktum är att oönskade vibrationer som kallas non-synchronous vibrations (NSV) visas på data som registreras av sensorerna på utveckling motorerna. NSV kan vara farligt för motorn och övervakas därför noggrant.För att förhindra uppkomsten av NSV utreds de regelbundet av ingenjörerna. Den huvudsakliga källan till NSV är troligen rullager i rotorn eftersom de inducerar ett icke-linjärt beteende. Lagren för utveckling motorer undersöktes till exempel med Finita Element-metoden (FEM) programvara men andra metoder skulle kunna bidra till förståelsen av NSV. I denna studie används en multibody-modelleringsprogramvara för att försöka modellera och förklara de observerade subsynkrona vibrationerna som betraktas som NSV. En modell av rotorn till en utveckling motor tillhandahålls i ett FEM-program och reduceras sedan för att implementeras i den nya mjukvaran. Beteendet hos denna nya modell testas genom modal analys och respons på obalans. När modellen är inställd utförs en parametrisk studie för att se effekten av dragkraften, gravitationen, obalansvikten och frigången i systemet.Den visar att frigång och gravitation är nyckelparametrar medan dragkraft och obalansvikt har en mindre inverkan på NSV. Denna studie har också hjälpt till att bestämma de parametrar som används för att reproducera NSV som observerats i experimenten. Därefter fokuserar en andra studie på inverkan av rullagernas frigång på NSV. Denna studie definierar ett intervall av spelrum som kan implementeras på motorn för att undvika NSV. Det visade sig också att vibrationerna var mycket känsliga för en liten ändring av frigångsvärdena.Slutligen, genom att studera de tidigare konfigurationerna, etablerades en koppling mellan lagrets styvhet och förekomsten av NSV. Faktum är att NSV endast visas när de två rullagren båda inte har någon styvhet eftersom spelet inte fylls av den radiella belastningen. Rullelementet är således fritt att vibrera i sin ring. Det märktes att NSV har större chans att inträffa om den redan sker tidigare i motorns start. Multibody-mjukvaran är därför perfekt för att reproducera vibrationerna i en rotor. Det är nu ett verktyg som kan användas under utvecklingsprocessen.

Im Vortrag wird die Vorgehensweise zur Modellierung des Ventiltriebs eines Einzylinder-Motorradmotors beschrieben. Dieser setzt sich aus zwei gebauten, wälzgelagerten Nockenwellen zusammen. Die Ventile werden über Schlepphebel betätigt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Pressverbindungen zwischen Nocken und Welle sowie auf den Wälzlagerungen. Um die Belastungszustände zu ermitteln ist eine detaillierte Simulation nötig. Diese Mehrkörpersimulation wird in Mathcad mit Hilfe eines eigenen Lösers durchgeführt.

The focus of this thesis was the development of failure prognosis methods (prognostics) in rotating machinery with use of multiple sensors digital signal processing and machine learning techniques. The motivation stems from the void in literature concerning prognostics in meshing gearboxes. Moreover, there are several but inconclusive works regarding bearing prognosis. Few research groups have studied multi-hour fatigue gear experiments and this was one of the contributions of this thesis. Moreover, the study expanded beyond the sheer application of vibration monitoring with the addition of an Oil Debris Monitoring probe (ODM) as well as Acoustic emission (AE). The method of AE monitoring is, once again, proposed as a robust technique for failure prognosis being better correlated with gear pitting level compared to the classic vibration monitoring technique. Moreover, judging from ODM recordings the gear pitting comprises of two phases i) a linear phase, with an almost constant pitting rate and ii) a very short non linear phase where the pitting rate increases exponentially, an explicit indication of a critical failure. Multi-hour gear experiments that are close to real scale applications are very demanding in time as well as in invested capital. To bypass this shortfall a gear failure like simulation is proposed. The simulation framework is based on real life experiments and is applied to assess a number of data-driven Remaining Useful Life (RUL) estimation techniques namely i) Proportional Hazards Μodel (PHM), ii) ε- Support Vector Regression ε-SVR and iii) Exponential extrapolation based on bootstrap sampling. In the current thesis a feature extraction scheme for prognosis is proposed and assessed based on time domain, frequency domain statistical features and Wavelet Packet (WP) energy derived from AE and vibration recordings. ICA is proposed as a preferable fusion technique for gear failure prognostics. Application of ICA for feature fusion provided a clear improvement regarding the earlier presented bootstrap extrapolation technique. Bearings are also taken into account since they are closely connected to gearboxes. In the current thesis a wavelet denoising method is proposed for bearing vibration recordings aiming to the improvement of the diagnostic and prognostic potential of vibration. Finally the importance of data fusion is highlighted in the case of bearings. It is observed that a feature extraction scheme can generalize the application of prognostics, even in cases where RMS may yield no important degradation trend. / Η παρούσα εργασία εστιάζεται στην ανάπτυξη μεθοδολογιών πρόβλεψης τελικής αστοχίας σε περιστρεφόμενα συστήματα με χρήση πολλαπλών αισθητήρων και μεθόδων μηχανικής μάθησης και επεξεργασίας σήματος. Το κίνητρο προήλθε από το κενό που υπάρχει στη βιβλιογραφία όσον αφορά την προγνωστική σε κιβώτια ταχυτήτων. Η προγνωστική σε έδρανα έχει μεν μελετηθεί αλλά σε μικρό βαθμό και η παρούσα εργασία έρχεται να συμβάλλει και σε αυτό τον τομέα. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας εκπονήθηκε ένας αριθμός πειραμάτων κόπωσης κιβωτίων ταχυτήτων. Η μελέτη επεκτάθηκε πέραν της παρακολούθησης κατάστασης με τη μέθοδο των κραδασμών και συγκεκριμένα μελετήθηκαν καταγραφές σωματιδίων σιδήρου στο λιπαντικό (ODM) καθώς και Ακουστική Εκπομπής (AE). Η μέθοδος ΑΕ ευρέθη πιο στενά συσχετισμένη με τη σταδιακή υποβάθμιση της ακεραιότητας του κιβωτίου ταχυτήτων σε σχέση με τις καταγραφές κραδασμών. Επίσης με βάση τις καταγραφές του αισθητήρα σωματιδίων σιδήρου διακρίθηκαν δύο στάδια  υποβάθμισης i) μια γραμμική περιοχή με σχεδόν σταθερό ρυθμό απελευθέρωσης υλικού από την επιφάνεια των δοντιών και ii) μια σύντομη αλλά έντονα μη γραμμική αύξηση στο ρυθμό αυτό πολύ κοντά στο τέλος της λειτουργίας του κιβωτίου. Tα πολύωρα πειράματα κόπωσης σε γρανάζια είναι πολύ απαιτητικά. Για να παρακαμφθεί αυτή η δυσκολία αναπτύχθηκε ένα φαινομενολογικό μοντέλο για αναπαραγωγή χρονοσειρών που ομοιάζουν σε καταγραφές γραναζιών σε κόπωση. Το μοντέλο αυτό στηρίχθηκε σε πραγματικά πειράματα κόπωσης. Έτσι έγινε δυνατό να εξεταστούν και να συγκριθούν ένας αριθμός μεθοδολογιών εκτίμησης εναπομένουσας ζωής και συγκεκριμένα i) Proportional Hazards Model (PHM), ii) ε- Support Vector Regression ε-SVR και iii) Exponential extrapolation βασισμένο σε μια διαδικασία bootstrap sampling. Στην παρούσα μελέτη προτείνεται ένα σύνολο παραμέτρων προερχόμενο από το πεδίο της συχνότητας, του χρόνου και κυματοπακέτων. Αυτό, συνδυαζόμενο με μια διαδικασία σύμπτυξης δεδομένων (ανάλυση σε πρωταρχικές και ανεξάρτητες συνιστώσες) αξιοποιείται για πρόγνωση σε γρανάζια σε κόπωση. Η τεχνική ανεξάρτητων συνιστωσών προτείνεται σαν προτιμότερη από τη σκοπιά της προγνωστικής καθώς βελτιώνει την εκτίμηση της εναπομένουσας ζωής. Η εργασία επεκτάθηκε και σε έδρανα κύλισης. Προτάθηκε μια διαδικασία wavelet denoising η οποία ενισχύει τόσο τη διαγνωστική όσο και την προγνωστική δυνατότητα του αισθητήρα κραδασμών. Τέλος, η σημασία της εξαγωγής παραμέτρων υπογραμμίζεται και στην περίπτωση της προγνωστικής σε έδρανα. Συνδυάζοντας πολλαπλές παραμέτρους και αισθητήρες κραδασμών μαζί με ένα μοντέλο ε-SVR παρέχεται ένα ολοκληρωμένο μοντέλο πιθανοτικής εκτίμησης εναπομένουσας ζωής σε έδρανα κύλισης ακόμα και σε περιπτώσεις που η τιμή RMS των κραδασμών δεν παρέχει πληροφορία.

The thesis deals with vibrations caused by geometric defect and fatigue damage of rolling element bearing. Hardware for vibration measurement is tested on 25 new pieces of NJ 304. Second part of the thesis examines if measuring of bearing vibration can help to detect a geometric defect. Geometric defects are detected according to a spectrum of vibration but the results are not absolutely exact. The possibility to detect geometric defects by measuring vibration has not been proven. The end of project tests diagnostic methods for rolling element bearings. The bearing defect was simulated to demonstrate bearing failure frequencies, envelope method and vibration spectrum.

Im Vortrag wird die Vorgehensweise zur Modellierung des Ventiltriebs eines Einzylinder-Motorradmotors beschrieben. Dieser setzt sich aus zwei gebauten, wälzgelagerten Nockenwellen zusammen. Die Ventile werden über Schlepphebel betätigt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Pressverbindungen zwischen Nocken und Welle sowie auf den Wälzlagerungen. Um die Belastungszustände zu ermitteln ist eine detaillierte Simulation nötig. Diese Mehrkörpersimulation wird in Mathcad mit Hilfe eines eigenen Lösers durchgeführt.