Condition-Based Maintenance: Selection and Improvement of a Cost-Effective Vibration-Based Maintenance Policy for Rolling element Bearings

Abstract

Modern machinery is expensive and therefore must run at high availability and effectiveness which cannot be achieved without an effective maintenance policy. Condition monitoring, (CM), techniques can be utilised to reduce or arrest the rate of deterioration of a component so increasing operating life.



The main result reported in this thesis is that the rolling element bearing’s mean effective life could be extended appreciably if an existing vibration-based maintenance policy is used effectively. This result is achieved by a combination of data analysis and logical development. A new maintenance approach was developed to overcome some of the limitations of total productive maintenance, TPM, and reliability-centered maintenance, RCM, and is based upon the Deming managerial feedback cycle (Plan-Do-Check-Act). This method is called Total Quality Maintenance, (TQMain). It is a methodology to sustain and improve continuously the technical and economic effectiveness of the manufacturing process elements. It is shown logically that by using vibration-based monitoring, (VBM), program in the frame of a common database for a plant IT-system the causes behind quality deviations and failures can be identified and eliminated effectively at an early stage and the company’s economics would be improved. The condition-based maintenance effectiveness and accuracy are usually related to the ability of the CM system to detect failure causes and follow defect development. Criteria to select the most cost-effective VBM system and the most cost-effective vibration-based maintenance policy are developed.



But, in most real cases, CM systems are not utilised effectively and companies are satisfied with the partial savings achieved in maintenance cost. It is shown, by two case studies, that improvements in vibration-based maintenance can be achieved by effective feedback of the results of failures, renewal condition and VBM history analysis. Unfortunately the data coverage and quality in these studies were not sufficient, among other reasons due to the low number of failures and long bearing lives, so the conclusions, although supported by the work results, remain strong qualitative indications, rather than statistical proof. Criteria to measure the effect of improvements to confirm whether it is economically beneficial and to identify the basic reasons why it is not, are developed.



The contribution of this thesis is: The development of a sequential method for the selection and improvement of a cost-effective vibration-based maintenance policy. This methodology can be used to justify, on economic criteria, the use of VBM systems to indicate when rolling element bearings should be renewed. It is achieved through; Tools used in quality and maintenance technology and reliability analysis have either been modified or developed beyond their original concept such as; Maintenance cost equation, Total Time On Test-plots. Development of new tools to monitor maintenance effectiveness and accuracy, select the most informative CM parameter(s) and cost-effective vibration-based maintenance policy. A new maintenance approach, (TQMain), and a new envelope alarming method for VBM programs are also developed. Theoretical basis for improvements to the effectiveness of vibration-based maintenance of bearings in paper mill machines and two case studies which tend to confirm the theory.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Moderna tillverkningsmaskiner är dyra och därför måste dess tillgänglighet och effektivitet ständigt hållas högt. Sådana resultat kan man inte åstadkomma utan tillämpning av en effektiv underhållsstrategi. Förutsättningar för att minska eller arrestera förslitnings hastighet på maskins delar och öka maskinlivslängden är stora vid användning av tillståndsövervakning, (TÖ) teknik. En lyckad tillämpning av tillståndsbaseradunderhåll, (TBU), är ett resultat av en kombinerad användning av de tekniska kunskaperna inom TÖ, felanalys, ekonomisk optimering, design, datainsamling och analys. Genom användning av vibrationsbaseradövervakning, (VBÖ), program kan man detektera förändringarna i maskinens tillstånd, men förändringarna är olika även för de nominellt identiska komponenterna. Därför, behövs det användning av tillståndsbaserade felbenägenhetsfunktionen tillsammans med vibrationsmätningarna för att utvärdera komponentens tillstånd på ett pålitligare sätt.



Det huvudresultat som har åstadkommits i denna avhandling kan sammanfattas i; Man skulle ha kunnat förlänga den genomsnittliga livslängden för rullager avsevärt om den tillgängliga vibrationsbaserade underhållspolicy har använts på ett effektivare sätt. Detta resultat har uppnåtts via en kombination av dataanalys och en logisk utveckling.



I denna forskning en ny underhållsmetod, (approach), har utvecklats för att övervinna de brister som finns i Total Produktiv Underhåll, (TPU), och i Reliability-Centered Maintenance, (RCM). Denna metod kallas Total Quality maintenance, (TQMain), och är baserad på Deming feedback cykel (Plan-Do-Check-Act). Det är en metodik för att kontinuerligt stödja och förbättra den tekniska och ekonomiska effektiviteten för alla väsentliga element i en tillverkningsprocess liksom underhållspolicy, kvalitetsstyrning, driftsäkerhet. Den har bevisats logiskt att genom användning av VBÖ program i samband med tillämpning av en gemensam databas, som ett krav vid tillämpning av TQMain, orsakerna bakom kvalitetsavvikelser och haveri kan identifieras och elimineras effektivt vid ett tidigt utvecklingsstadium, så att företagets ekonomi förbättras ständigt. Kvantitativa och kvalitativa kriteria för valet av den mest kostnads effektiva VBÖ program och den mest kostnads effektiva VBU policy har utvecklats.



I de flesta fallen, har TÖ system inte utnyttjats effektivt och företagen var nöjda med en begränsad besparing som har åstadkommits. Med hjälp av två studiefall kunde man konstatera att förbättringarna i VBU policy möjligt erhålls genom en effektiv feedback av de resultat som har uppnåtts via analys av haveri, tillstånd av de utbytta enheter och den vibrationshistorien som sparades i VBÖ program. Datakvalite´och mängd har inte varit tillräckligt bra på grund av många anledningar liksom få antal haveri och långa lagerlivslängder. Detta ledde till att slutsatserna, trots att de stödjas av forskningsresultat, blev starkt kvalitativa indikationer istället för statistiska bevis.



Effektivitet och noggrannhet av TBU beror på det tillämpade TÖ systemet. Därför, är mätning av resultatet efter varje utvecklingssteg nyttig för att försäkra den ekonomiska betydelsen och för att eliminera orsakerna bakom motsatsen. Den är också nödvändig för en ständig förbättring och för att behålla och öka marknadsandelen.



Avhandlingsbidraget kan sammanfattas i: Utveckling av en sekvensmetod för att välja och förbättra en kostnadseffektiv vibrationsbaserad underhållspolicy. Denna metodik kan användas för att avväga, med hjälp av ekonomisk kriteria, tillämpning av VBU system för att indikera när ett rollager måste utbytas. Den har uppnåtts via: I. En del verktyg som har använts inom kvalitets- och underhållsteknologi har antingen modifierats eller utvecklats och använts utanför dess koncept liksom; Failure Mode, Effect and Criticality Analysis, Proportional Hazards Model, Maintenance cost equation, Total Time On Test-plots, Decision rule tree, Overall Equipment Effectiveness, (TAK), Cumulative Sum chart . II. Nya verktyg har utvecklats för att: Övervaka underhållseffektivitet och -noggrannhet, välja den mesta informativa TÖ parameter, välja det mest kostnads effektiva VBÖ program. En ny underhållsmetod (approache) och en för envelopp alarm för att stödja tillverkningen respektive övervaka komponentstillstånd effektivt. III. Teoretisk bas för utförandet av förbättringar i vibrations baserad underhåll för lager i pappersmaskiner, och två fallstudie för att utforska hur sådana förbättringar kan uppnås. En sekvens metod för att välja och förbättra den mest kostnadseffektiva VBU policy har förslagits.

• author: Al-Najjar, Basim
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Scott, William, Dept. of Mechanical, Manufacturing & Medical Engineering, Queensland University of Technology, GPO Box 2434, Brisbane 4001, Australien
• organization: Production Management
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Transport Systems and Logistics
• keywords: vibration and acoustic engineering, vacuum technology, hydraulics, Mechanical engineering, a cost-effective vibration-based maintenance policy., Integrated maintenance, Condition monitoring and control, Total Time on Test-plots, Vibration monitoring, effectiveness and accuracy, Failure causes and mechanisms, Maintenance quality, Maskinteknik, hydraulik, vakuumteknik, vibrationer, akustik, Commercial and industrial economics, Industriell ekonomi
• in: Condition-Based Maintenance
• pages: 282 pages
• defense location: Room B, Building M, Lund University, Lund, Sweden
• defense date: 1997-09-18 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTMDN/TMIO- -1006- -SE
• ISSN: 0280-722X
• ISBN: 91-628-2645-X
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8658b1ad-5fab-4739-a449-b2f4e6f3fb73 (old id 29458)
• date added to LUP: 2016-04-01 17:00:28
• date last changed: 2019-05-21 11:22:02