Vibration Spectrum Analysis and Acceleration Measurements for Bearing Health Assessment: An Experimental Investigation

Abstract

This research explores the efficacy of vibration spectrum analysis and acceleration measurements for evaluating bearing health and detecting faults. Experimental investigations were performed on both healthy (A1 and B1) and inner race damaged (A2 and B2) bearings. The vibration spectra of healthy bearings exhibited low-amplitude and indistinct peaks, whereas damaged bearings demonstrated high-amplitude peaks at characteristic frequencies, along with significant error deviations in acceleration measurements. Notable peaks were observed in bearing A2 at frequencies of 15.4 Hz, 27 Hz, 48.2 Hz, and 136.9 Hz. Moreover, acceleration measurements at 80 Hz and 160 Hz for bearing B2 revealed substantial deviations attributable to the bearing damage. These findings suggest that vibration analysis offers a reliable approach for the early diagnosis of bearing failures, and that routine maintenance can contribute to prolonging bearing service life.

Keywords

• Vibration Analysis
• Bearing Health
• Fault Detection
• Acceleration Measurement

Titreşim Spektrum Analizi ve İvme Ölçümleri ile Rulman Sağlığı Değerlendirmesi: Deneysel Bir İnceleme

Öz

Bu çalışma, rulman sağlığının değerlendirilmesinde ve hasar tespitinde titreşim spektrum analizleri ve ivme ölçümlerinin etkinliğini araştırmaktadır. Deneysel analizler, sağlam (A1 ve B1) ve iç bileziği hasarlı (A2 ve B2) rulmanlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sağlam rulmanların titreşim spektrumlarında düşük genlikli ve belirgin olmayan pikler gözlemlenirken, hasarlı rulmanlarda karakteristik frekanslarda yüksek genlikli pikler ve ivme ölçümlerinde önemli hata sapmaları tespit edilmiştir. A2 rulmanında 15,4 Hz, 27 Hz, 48,2 Hz ve 136,9 Hz frekanslarında belirgin pikler gözlemlenmiştir. B2 rulmanında ise 80 Hz ve 160 Hz frekanslarındaki ivme ölçümleri, rulman hasarının neden olduğu önemli sapmaları ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, titreşim analizinin rulman arızalarının erken teşhisi için güvenilir bir yöntem olduğunu ve düzenli bakımın rulman ömrünü uzatabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Titreşim Analizi
• Rulman Sağlığı
• Hasar Tespiti
• İvme Ölçümü

Kaynakça

1. Aktürk N., Üzkurt İ., Yüksel Ş., Titreşim Analiziyle Rulmanların Çalışabilirlik Durumlarının Belirlenmesi, Mühendis ve Makina, TMMOB, 41(481), 28-33, 2000.
2. Aliustaoğlu C., Ocak H., Ertunç H. M., Rulman Titreşim Analizi ile Bölgesel Hataların İncelenmesi, TOK'07 Bildiriler Kitabı, İstanbul, 5-7 Eylül 2007.
3. Brie D., Modelling of the Spalled Rolling Element Bearing Vibration Signal: An Overview and Some New Results; Mechanical Systems and Signal Processing 14(3), 353-369, 2000.
4. Çaşka S., Dokuz M. E., Ankastre Bir Kirişin Ayrık Zamanlı Titreşim Modelinin Meta-sezgisel Optimizasyon Yöntemleri Kullanılarak Elde Edilmesi. BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 9(1), 32-41, 2022.
5. Çaşka S., Dokuz M. E., Aydın M., İlman M. M., Yavuz Ş., System Identification and Vibration Analysis of Rotating Beam with Lattice Structures, Int. J. of 3D Printing Tech. Dig. Ind., 7(2), 322-327, 2023.
6. Çimen M., Bilyeli Rulman Hasarlarının Titreşim Analizi ile Tespiti ve Gemi Makinelerinde Kestirimci Bakım Uygulaması, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış), 2015.
7. Darmo S., Bahiuddin I., Handoko P., Rizki Priatomo H., Kuncoro M., Priyambodo S., Haryanto, Fatah Rahman N., Kanosri M., Winarno A., Failure analysis of double-row tapered roller bearing outer ring used in Coal Wagon Wheelset. Eng. Fail. Anal. 135, 106153, 2022.
8. De Luca A., Book W.J., Robots with Flexible Elements BT - Springer Handbook of Robotics, Springer International Publishing, Cham, pp. 243-282, 2016.

9. Dron J.P., Rasolofondraibe L., Bolaers F., Pavan A., High Resolution Methods in Vibratory Analysis: Application to Ball Bearing Monitoring and Production Machines, International Journal of Solids and Structures 38, 4293-4313, 2001.
10. Ghazwani M.H., Pham V.V., Investigating Behavior of Slider–Crank Mechanisms with Bearing Failures Using Vibration Analysis Techniques, Mathematics MDPI, 12, 544, 2024.
11. Hemati A., Shooshtari A., Bearing Failure Analysis Using Vibration Analysis and Natural Frequency Excitation. J. Fail. Anal. Preven. 23, 1431–1437, 2023.
12. Jamaludin N., Mba D., Monitoring Extremely Slow Rolling Element Bearings: Part I; NDT&E International 35(6), 349-358, 2002.
13. Madar E., Galiki O., Klein R., Bortman J., Nickell J., Kirsch M., A New Model for Bearing Spall Size Estimation Based on Oil Debris. Eng. Fail. Anal. 134, 106011, 2022.
14. Mobley R.K., An Introduction to Predictive Maintenance, Van Nostrand Reinhold, New York, 1990.
15. Mishra L., Kumar M., Chandrawanshi M.L., Failure Analysis of Ball Bearing in Centrifugal Pump Using Envelope and Demodulation Techniques. Mater. Today: Proc. 56, 760–767, 2022.
16. Orhan S., Arslan H., ve Aktürk N., Titreşim Analiziyle Rulman Arızalarının Belirlenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 18(2), 39-48, 2003.
17. Rubini R., Meneghetti U., Application of Envelope and Wavelet Transform Analyses for Diagnosis of Incipient Faults in Ball Bearings, Mechanical Systems and Signal Processing, 15(2), 287-302, 2001.
18. Williams T., Ribadeneira X., Billington S., Kurfess T., Rolling Element Bearing Diagnostics in Run-To-Failure Lifetime Testing; Mechanical Systems and Signal Processing, 15(5), 979-993, 2001.
19. Yavuz Ş., Uyar M., Malgaca L., Karagülle H., Eşdeğer Kütle-Yay-Sönüm Elemanı Kullanılan Ankastre Kompozit Bir Kirişin Titreşim Analizi, DÜMF Fen ve Mühendislik Dergisi, 20(60), 946 – 954, 2018.
20. Yıldırım E., Karahan M.M.F., Titreşim Analizi ile Rulmanlarda Kestirimci Bakım, C.B.Ü. Fen Bilimleri Dergisi, 11(1), 17-23, 2015.