The suitability of low-cost measurement systems for rolling element bearing vibration monitoring

• Main Author: Junnola, J. (Jarno)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2017
• Subjects: Mechanical Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201705041660; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201705041660

The aim of this thesis is to study if inexpensive vibration monitoring systems could be suitable for condition monitoring of rolling element bearings and if they could be able to detect bearing defects at an early stage. As a starting point the following set of requirements for the system have been defined: the system should be priced below 100 €, it should be able to measure the vibrations reaching up to 10 000 Hz frequencies and the amplitude resolution of the system should be at minimum 16-bits. The ability of the system to be part of internet of things (IoT) is also seen as a positive thing and an advantage. While searching for an adequate system, a market review consisting low-cost vibration monitoring devices and low-cost vibration monitoring components has been done. A secondary aim of the work is to highlight the impact of different components of the signal chain to the measured vibration signal itself and familiarize the reader with the signal chain found in vibration monitoring. To fulfill the main objective of the thesis, a broad market review was performed and it was mainly done by searching the Internet. Experimental tests for the low-cost equipment were also done to find out their real competence. The suitability of the found components were tested in various ways including calibrations of accelerometers and an investigation of the capability of Raspberry Pi 3 model B single board computer. The capability of Raspberry to act as a platform for accelerometers and its ability to sample the incoming high-frequency signals from accelerometers were checked. The effects of the vibration monitoring components to the gathered data were examined through simulations done with math software called Mathcad. The literature review that was carried out is used to introduce the signal path of the vibration monitoring signal hand in hand with the simulations. The results of the work include state-of-the-art information of low cost vibration monitoring devices and introduction to some not so familiar vibration monitoring options that may have the potential to be used in bearing condition monitoring. The documented signal chain simulation models shown in the appendixes contribute to the understanding of vibration signal chain and allow for their further use. The conclusion of this thesis is that a 100 € budget is too tight for a high-quality and general-purpose vibration monitoring device for early bearing defect detection. === Työn tavoitteena on tutkia kykeneekö edullinen värähtelynmittauslaitteisto vierintälaakereiden kunnonvalvontaan ja laakerivian aikaiseen tunnistamiseen. Lähtökohtana annettujen vaatimuksien mukaan laitteiston tulisi olla hinnaltaan alle 100 €, sen olisi kyettävä mittamaan värähtelyä yltäen jopa 10 000 Hz taajuuksiin ja laitteiston amplitudiresoluution tulisi olla minimissään 16-bittiä. Myös laitteiston kyky olla osa laitteiden Internetiä (internet of things; IoT) katsotaan eduksi. Kykenevää laitteistoa etsiessä työssä esitellään myös katsaus tällä hetkellä markkinoilta löytyviin edullisiin värähtelymittauslaitteisiin ja värähtelymittauskomponentteihin. Toissijaisena tavoitteena työssä on tuoda esille värähtelymittauslaitteistoissa olevien komponenttien vaikutus värähtelysignaaliketjuun ja mittauslaitteistolla saatuun dataan sekä perehdyttää lukijaansa värähtelysignaaliketjuun. Päätavoitteen täyttämiseksi suoritettiin laaja markkinakatsaus pääosin Internetiä käyttäen. Myös markkinoilta löydettyjen värähtelymittauskomponenttien soveltuvuutta testattiin kokeellisesti muun muassa edullisia kiihtyvyysantureita kalibroiden sekä tutkien Raspberry Pi 3 model B — yhden piirilevyn tietokoneen ominaisuuksia. Työssä arvioitiin ja testattiin Raspberryn kykenevyyttä toimia alustana kiihtyvyysantureille ja kyvykkyyttä näytteistää kiihtyvyysantureilta tulevaa korkeataajuuksista signaalia. Värähtelymittauskomponenttien vaikutusta värähtelysignaaliin ja siitä saatavaan informaation tutkittiin Mathcad -laskentaohjelmalla tehtyjen simulointien myötä. Värähtelysignaaliketjuun tutustuttiin simulointien lisäksi ja simulointien tukena kirjallisuuskatsauksen muodossa. Työn tuloksena saavutettiin laaja katsaus tämän hetken edullisiin värähtelymittauslaitteistoihin ja tuotiin esiin myös mahdollisesti hieman tuntemattomiakin värähtelymittausratkaisuja, joilla voi olla potentiaalia kunnonvalvonnan värähtelymittauksiin. Työn liitteenä olevat signaaliketjun simulointimallit edesauttavat ymmärtämään värähtelymittauksen signaaliketjua sekä mahdollistavat myös niiden jatkokäytön. Työ myös paljastaa, että 100 € budjetti on liian tiukka laadukkaaseen ja yleiskäyttöiseen värähtelymittaukseen perustuvaan vierintälaakereiden kunnonvalvontalaitteeseen