توصيفگر ها :
يادگيري عميق , تشخيص خرابي بيرينگ , هوش مصنوعي , سيگنال ارتعاشي , يادگيري انتقالي , سري فوريه زمان كوتاه
چكيده فارسي :
چكيده
تشخيص خرابي در ماشينآلات دوار يكي از موضوعات كليدي در بهبود قابليت اطمينان، كاهش هزينههاي عملياتي و تضمين ايمني در صنايع مدرن به شمار ميرود. اين پژوهش به تشخيص خرابي بيرينگها، بهعنوان يكي از مهمترين اجزاي ماشينآلات صنعتي، پرداخته است. در بخش اول اين پژوهش، تغييرات در سيگنالهاي ارتعاشي از نظر فركانس و دامنه، براي شناسايي الگوي خرابي مربوط به ساچمه، حلقه داخلي و حلقه خارجي در 3 اندازه مختلف براي سرعتهاي دوراني مختلف بيرينگ بررسي شد. از شبكه عصبي پيچشي بهعنوان مدلي مؤثر براي طبقهبندي و تحليل دادههاي خرابي استفاده شد. به منظور كاهش چالشهاي مرتبط با پيچيدگي و هزينه محاسباتي مرتبط با حجم بالاي دادهها، كاهش تعداد دادههاي ورودي بهوسيلهي كاهش نرخ نمونهبرداري و زمان سيگنال بهكار گرفته شد. سيگنالهاي ارتعاشي با استفاده از تكنيك تبديل فوريه زمان كوتاه به تصاوير طيفنگاري تبديل شدند تا بهعنوان ورودي مدل مورد استفاده قرار گيرند. سپس تأثير پارامترهاي مختلف از جمله اندازه خرابي و سرعت چرخش بر الگوي سيگنال و عملكرد مدل بررسي شد. همچنين ارزيابي پايداري و كارايي مدل بر حسب دقت، ماتريس درهمريختگي و ميزان حساسيت به دستهبنديهاي تصادفي مختلف براي دادههاي آموزش و اعتبارسنجي انجام شد. مطابق نتايج مدل شبكه عصبي پيچشي با وجود دقت بالا در حالت كلي، در برخي از دستهبنديها رفتار ناپايدار و دقت پايين دارد. همچنين آناليز آنتروپي تصاوير طيفنگار نشان داد كه اندازههاي مختلف خرابي و سرعتهاي دوراني متفاوت، الگوهاي متمايزي در طيف سيگنال ايجاد ميكنند كه تنها با نرمالسازي بر مبناي اندازه عيب يا سرعت دوراني اين تفاوتها از بين نميرود. حداكثر دامنه در طيف سيگنال به صورت خطي با اندازه خرابي تغيير نميكند و حتي از الگوي غيرخطي مشخصي پيروي نميكند. خرابيهاي كوچكتر معمولاً الگوهاي سادهتر و متراكمتري در تصاوير طيفنگار توليد ميكنند، درحاليكه خرابيهاي بزرگتر باعث پراكندگي بيشتر و افزايش پيچيدگي ديناميكي سيستم ميشوند. به همين دليل در بخش دوم اين پژوهش، به بررسي تأثير استفاده از روش يادگيري انتقالي به منظور استفاده تركيبي از الگوهاي عيب در دادههايي با اندازه عيب و سرعت دوراني مختلف پرداخته شد. اين روش با بهكارگيري وزنهاي از پيش آموزشدادهشده و تنظيم دقيق آنها، نهتنها دقت مدل را در شرايط جديد عملكردي به بالاي 99درصد افزايش داد، بلكه بدون افزايش پيچيدگي مدل باعث بهبود پايداري و هزينه محاسباتي مدل نيز شد. در انتها دادههاي آموزشي مدل تنظيم دقيق به نصف، يكسوم، يكچهارم، و يكپنجم تعداد اوليه كاهش داده شد. اين كاهش شرايط محدوديت داده را بهويژه در محيطهاي صنعتي، كه جمعآوري دادههاي متنوع و باكيفيت دشوار است، شبيهسازي ميكند. در نسبتهاي نصف و يكسوم دادهها، مدل همچنان توانسته ميانگين دقت بالاي 97 درصد را حفظ كند. هر چند كاهش دادهها ميتواند به افزايش سرعت پردازش نيز كمك كند، اما اين مزيت بايد در تعادل با كاهش دقت مدل بررسي شود. يافتههاي اين پژوهش نشان ميدهند كه مدل يادگيري انتقالي گزينهاي مناسب براي پيادهسازي در سيستمهاي بلادرنگ تشخيص خرابي در محيطهاي صنعتي است كه در آنها نياز به پردازش و پاسخگويي سريع وجود دارد.
چكيده انگليسي :
Abstract
Failure detection in rotating machinery is one of the key issues in improving reliability, reducing operating costs and ensuring safety in modern industries. This research has investigated the fault diagnosis of bearings, as one of the most important components of industrial machinery. In the first part of this research, the changes in the frequency and amplitude of vibration signals were investigated to identify the failure pattern of the ball, inner race and outer race in 3 different sizes for different rotational speeds of the bearing. Convolutional neural network was used as an effective model for classification and analysis of failure data. In order to reduce the challenges related to the complexity and computational cost associated with large data, the input data dimension were reduced by reducing the sampling rate and signal time. The vibration signals were converted into spectrum images using the short-time Fourier transform technique to be used as input to the model. Then, the effect of different parameters, including the fault size and the rotational speed on the signal pattern and model performance were investigated. Also, the stability and efficiency of the model were evaluated in terms of accuracy, confusion matrix and sensitivity to different random seeds for training and validation data. According to the results of the convolutional neural network model, despite the high accuracy in general, it has unstable behavior and low accuracy in some random seeds. Also, the entropy analysis of the spectrum images showed that different fault sizes and rotational speeds create distinctive patterns in the signal spectrum, which cannot be eliminated by normalizing based on the size of the fault or rotational speed. The maximum amplitude in the signal spectrum does not change linearly with the fault size and does not even follow a specific nonlinear pattern. Smaller faults usually produce simpler and denser patterns in the spectrum images, while larger faults cause more dispersion and increase the dynamic complexity of the system. Therefore, in the second part of this research, the effect of using the transfer learning method for the combined use of defect patterns in data with different fault sizes and rotational speeds was investigated. By using the pre-trained weights and their precise adjustment, this method not only increased the accuracy of the model in new performance conditions to above 99%, but also improved the stability and computational cost of the model without increasing the complexity of the model. Finally, the training data of the fine-tuning model was reduced to half, one-third, one-fourth, and one-fifth of its initial number. This reduction simulates data limitation conditions, especially in industrial environments, where it is difficult to collect diverse and high-quality data. In the proportions of half and one-third of the data, the model was still able to maintain the average accuracy above 97%. Although data reduction can help to increase the processing speed, but this advantage should be checked in balance with the reduction of model accuracy. The findings of this research show that the transfer learning model is a suitable option for implementation in real-time failure detection systems in industrial environments where there is a need for quick processing and response.