Extraction des paramètres et classification dynamique dans le cadre de la détection et du suivi de défaut de roulements

par Sanaa Kerroumi

Thèse de doctorat en Sciences - STS

Sous la direction de Lanto Rasolofondraibe.

Soutenue le 21-10-2016

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) , en partenariat avec (CRESTIC) Centre de Recherches en STIC (laboratoire) .

Le président du jury était Francois Guillet.

Le jury était composé de Lanto Rasolofondraibe, Xavier Chiementin, Valéry Bourny, Roger Serra, Danielle Nuzillard, Jean-Paul Dron.

Les rapporteurs étaient Moamar Sayed-Mouchaweh.


  • Résumé

    Parmi les techniques utilisées en maintenance, l'analyse vibratoire reste l'outil le plus efficace pour surveiller l'état interne des machines tournantes en fonctionnement. En effet l'état de chaque composant constituant la machine peut être caractérisé par un ou plusieurs indicateurs de défaut issus de l'analyse vibratoire. Le suivi de ces indicateurs permet de détecter la présence d'un défaut et même de le localiser. Cependant, l'évolution de ces indicateurs peut être influencée par d'autres paramètres comme la variation de charge, la vitesse de rotation ou le remplacement d'un composant. Cela peut provoquer des fausses alarmes et remettre en question la fiabilité du diagnostic. Cette thèse a pour objectif de combiner l'analyse vibratoire avec la méthode de reconnaissance des formes afin d'une part d'améliorer la détection de défaut des composants en particulier le défaut de roulement et d'autre part de mieux suivre l'évolution de la dégradation pour caractériser le degré de sévérité du défaut. Pour cela nous avons développé des méthodes de classification dynamique pour prendre en compte l'évolution du système. Les observations à classifier sont constituées d'indicateurs de défauts et des combinaisons linéaires de ceux-ci. La démarche de la reconnaissance des formes dynamique consiste à extraire, à sélectionner et à classifier ces observations de façon continue. Trois méthodes de classification dynamiques ont été développées durant cette thèse : le « Dynamic DBSCAN » qui la première version dynamique de DBSCAN développée pour pouvoir suivre les évolutions des classes, « Evolving scalable DBSCAN » ESDBSCAN qui représente une version en ligne et évolutive de DBSCAN et finalement « Dynamic Fuzzy Scalabale DBSCAN » DFSDBSCAN qui est une version dynamique et floue de la méthode de classification ESDBSCAN adaptée pour un apprentissage en ligne. Ces méthodes distinguent les variations des observations liées au changement du mode de fonctionnement de la machine (variation de vitesse ou de charges) et les variations liées au défaut. Ainsi, Elles permettent de détecter, de façon précoce, l'apparition d'un défaut qui se traduit par la création d'une nouvelle classe dite classe dégradée et de suivre l'évolution de celle-ci. Cette méthodologie permettrait d'améliorer l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant en analysant la distance séparant la classe "saine" et "dégradée". L'application sur des données réelles a permis d'identifier les différents états du roulement au cours temps (sain ou normal, défectueux) et l'évolution des observations liée à la variation de vitesse et au changement de charges avec un taux d'erreur faible et d'établir un diagnostic fiable. Afin de caractériser le degré de précocité du diagnostic des méthodes développées nous avons comparé ces résultats avec ceux établis par des méthodes classiques de détection. Cette comparaison nous a montré que les méthodes proposées permettent un diagnostic plus précoce et plus fiable.Mots clés : Diagnostic et suivi, roulements, méthodes de reconnaissance des formes, apprentissage en ligne, classification dynamique, analyse vibratoire, DFSDBSCAN, ESDBSCAN, DDBSCAN.

  • Titre traduit

    Extraction of new features and integration of dynamic classification to improve bearing fault monitoring


  • Résumé

    Various techniques can be used in rotating machines condition based maintenance. Among which vibration analysis remains the most popular and most effective tool for monitoring the internal state of an operating machine. Through vibration analysis, the state of each component constituting the machine can be characterized by one or more fault indicators. Monitoring these indicators can be used to detect the presence of a defect or even locate it. However, the evolution of these indicators can be influenced by other parameters than defect such as the variation of load, speed or replacement of a component. So counting solely on the evolution of these fault indicators to diagnose a machine can cause false alarms and question the reliability of the diagnosis.In this thesis, we combined vibration analysis tools with pattern recognition method to firstly improve fault detection reliability of components such as bearings, secondly to assess the severity of degradation by closely monitor the defect growth and finally to estimate their remaining useful life. For these reasons, we have designed a pattern recognition process capable of; identifying defect even in machines running under non stationary conditions, processing evolving data of an evolving system and can handle an online learning. This process will have to decide the internal state of the machine using only faults indicators or linear combinations of fault indicators.The process of pattern recognition of dynamic forms consists of extracting and selecting useful information, classify these observations continuously into their right classes then decide on an action according to the observations' class.Three dynamic classification methods have been developed during this thesis: Dynamic DBSCAN that was developed to capitalize on the time evolution of the data and their classes, Evolving Scalable DBSCAN (ESDBSCAN) that was created to overcome the shortcoming of DDBSCAN in online processing and finally Dynamic Fuzzy Scalable DBSCAN (DFSDBSCAN); a dynamic fuzzy and semi-supervised version of ESDBSCAN. These methods can detect the observations evolution and identify the nature of the change causing it; either if it's a change in operating mode of the machine (speed variation or load) or a change related to the defect.With these techniques we were are able to enhance the reliability of fault detection by identifying the origin of the fault indicators evolution. An evolution caused by an alteration of the operating mode and changes caused by defect result in two different types of classes evolution (the appearance of a new class we named it 'defected' in case of defect or a drift otherwise). Not only that but these techniques helped us enhance the precocity of the fault detection and estimate the remaining useful life of the monitored component as well by analyzing the distance separating the class 'healthy' and 'defected'.The application of the designed process on real data helped us prove the legitimacy of the proposed techniques in identifying the different states of bearings over time (healthy or normal, defective) and the origin of the observations' evolution with a low error rate, a reliable diagnosis and a low memory occupation.Keywords: Diagnosis and monitoring, bearings, pattern recognition, learning, dynamic classification, Vibration Analysis, DFSDBSCAN, ESDBSCAN, DDBSCAN


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