Master's Thesis

Development of a Method for Diagnosing Wear in a Plain Bearing

Final Thesis 6.74 MB

Author of thesis: Bc. Filip Burk

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Milan Omasta, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D.

Abstract:

Segment plain bearings with composite PTFE coatings serve as critical tribological components in the main shaft support of offshore wind turbines, where the spherical geometry of the segments compensates for shaft misalignment under high axial loading. Progressive fretting wear of the coating driven by oscillatory shaft motion threatens the integrity of the entire assembly, and the absence of a real-time method for predicting residual coating thickness prevents the transition from reactive to planned predictive maintenance. To address this, 18 tribological tests were conducted on a modular rotational tribometer with axial loading in a non-conforming four-ball configuration simulating accelerated wear; the AE signal was sampled at 1 MHz and featuares capturing the statistical and frequency characteristics of the signal along with contact operating conditions were extracted from each data block. Five deep learning architectures - MLP, RNN, LSTM, GRU and a hybrid CNN-GRU - were implemented, optimised and evaluated on an independent test set. The CNN-GRU architecture achieved the best predictive performance with a coefficient of determination R² = 0,838; SHAP analysis identified cumulative acoustic emission RMS as one of the most significant feature. Parallel attenuation characterisation using the Hsu-Nielsen source method demonstrated that AE signal intensity increases systematically with decreasing coating thickness, in both conforming and non-conforming contact geometry. The results demonstrate the viability of a diagnostic approach combining AE with recurrent neural networks for quantitative prediction of wear in PTFE coatings and establish a theoretical foundation for transfer of the method to operational conditions.

Keywords:

acoustic emission, wear prediction, deep learning, tribology, plain bearing

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své závěrečné práce a zodpověděl následující otázky oponenta: Otázka č. 1: Vaše rešeršní část pokrývá velmi široké spektrum témat od fyziky akustické emise po architektury neuronových sítí. Pokud byste měl z této rozsáhlé teorie vybrat jeden specifický poznatek či limit, který byl pro Vás kritickým odrazovým můstkem pro návrh vlastního experimentu a diagnostického řetězce, který by to byl? - ZODPOVĚZENO; Otázka č. 2: Pro generování cílové veličiny (zbytkové tloušťky povlaku) pro trénování neuronových sítí jste použil interpolaci vázanou na kumulativní třecí práci. Jak se tento předpoklad lineárně vyhlazeného průběhu opotřebení slučuje s reálnou nelineární fyzikou tribologického záběhu a degradace PTFE povlaků? Nevedlo toto zjednodušení k tomu, že pokročilé modely pouze skrytě integrují časový/energetický průběh experimentu, namísto skutečné diagnostiky okamžitých mikromechanických změn v kontaktu? - ZODPOVĚZENO; Dr. Čermák: Proč jste nezvážili vibrodiagnostiku místo akustické emise? - ZODPOVĚZENO; doc. Mazůrek: Byl přínos akust. emise oproti vibrodiagnostice? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Používá se v praxi již nějaký způsob diagnostiky v představené problematice? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Jsou výstupy akustické emise výhodnější než výstupy vibrodiagnostiky? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Jaké je fyzikální propojení mezi vyřazením ložiska a použitou diagnostikou? - ZODPOVĚZENO; doc. Maňas: Mohou být výstupy akustické emise zdrojem dat pro digitální dvojče? - ZODPOVĚZENO; doc. Koutný: Nebylo by vhodnější vzhledem k typu ložiska využít jiný typ testu než 4-kuličkového? - ZODPOVĚZENO; doc. Koutný: Uvažoval jste o testu ring-on-disc? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: V jakém režimu mazání pracuje kloubové ložisko? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Jaká je výhoda použitých segmentových ložisek oproti valivým? - ZODPOVĚZENO; prof. Hartl: Jaký typ maziva se nachází uvnitř představeného ložiska? - ZODPOVĚZENO;

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Michal Hajžman, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Čermák, Ph.D., MBA (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Milan Omasta, Ph.D.

Přístup studenta k řešené práci hodnotím velmi pozitivně. Práce byla řešena v kontextu širšího vývojového projektu, nicméně ve věci experimentálního vývoje predikčního modelu s využitím metod strojového učení student pracoval zcela samostatně. Vzhledem k modelovému pojetí a omezenému množství realizovaných experimentů má práce spíše metodický význam a povahu studie proveditelnosti. Pro využití predikčních algoritmů v reálné aplikaci je třeba provést další experimenty a rozšířit soubor dat, což bude předmětem další práce. V souvislosti s realizovanou diplomovou prací a navazujícími VaV aktivitami se student podílel na vytvoření dvou funkčních vzorků a jednoho užitného vzoru.   
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce je motivována snahou prozkoumat degradační procesy kompozitních PTFE povlaků kluzných ložisek a vyvinout spolehlivou metodu pro diagnostiku jejich zbytkové tloušťky v reálném čase. Jedná se o komplexní výzkumně-vývojovou studii založenou na použití laboratorního rotačního tribometru a vlastní navržené testovací konfigurace pro akcelerované zkoušky opotřebení, a to včetně integrace vysokofrekvenčního měřicího řetězce akustické emise a následného vyhodnocování sbíraných dat pomocí umělých neuronových sítí.

Kapitola věnovaná přehledu současného stavu poznání je velmi rozsáhlá a pokrývá široké spektrum témat od fyziky akustické emise až po pokročilé architektury hlubokého učení. Vzhledem k tomuto multidisciplinárnímu rozptylu se však autor v textu často uchyluje k popisnému, až učebnicovému výkladu základních pojmů, přičemž analýza problematiky jde v některých pasážích spíše po povrchu. Rešerši by tak prospěla hlubší kritická konfrontace stávajících vědeckých studií a exaktnější vytyčení konkrétní výzkumné mezery namísto obecného shrnutí, které může místy působit poněkud samoúčelně. I přes tyto výhrady však tato část spolehlivě prokazuje studentovu schopnost orientovat se v náročné mezioborové problematice a vytváří dostatečný teoretický základ pro navazující experimentální a implementační část.

Student formuloval dvě specifické výzkumné otázky, ke kterým vhodně navrhl hypotézy, z nichž následně vyšel při návrhu metodiky směřující k vývoji a ověření celé diagnostické metody. Oceňuji komplexnost provedených aktivit diplomanta: konstrukční návrh a vlastní realizaci úprav existujícího tribometru včetně systému pro akvizici dat, velmi ucelený post-processing a zpracování signálu pro další využití při predikci opotřebení pomocí neuronových sítí, schopnost orientace v problematice strojového učení (vlastní implementace, ladění i použití různých architektur), zručnost při realizaci Hsu-Nielsenova testu i finální zpracování softwarového nástroje. Pro porovnání a zhodnocení získaných výsledků bylo vhodně zvoleno typické kritérium RMSE doplněné o MAE (střední absolutní chyba) a koeficient determinace. Mírnou výtku mám k přehlednosti prezentovaných postupů. Zpracování signálu a tvorba datasetu jsou po technické stránce popsány velmi detailně (včetně odkazů na příslušné skripty), nicméně celkové architektuře fúze všech nasbíraných a zpracovaných dat by výrazně prospělo doplnění o přehledné blokové schéma datových toků. V současné textové podobě je tato stěžejní část práce poněkud nepřehledná.

Po prostudování práce lze konstatovat, že stanovených cílů bylo dosaženo. Autor diplomové práce provedl podrobnou diskuzi včetně analýzy limitů jím navržené metodiky, věrohodně ověřil formulované hypotézy a prokázal schopnost komplexní vědecko-výzkumné práce. Předložená diplomová práce splňuje všechny požadavky kladené na kvalifikační práce tohoto typu. Její koncepce, členění kapitol a jejich návaznost jsou logické. Po formální i grafické stránce je práce na velmi dobré úrovni.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Pro generování cílové veličiny (zbytkové tloušťky povlaku) pro trénování neuronových sítí jste použil interpolaci vázanou na kumulativní třecí práci. Jak se tento předpoklad lineárně vyhlazeného průběhu opotřebení slučuje s reálnou nelineární fyzikou tribologického záběhu a degradace PTFE povlaků? Nevedlo toto zjednodušení k tomu, že pokročilé modely pouze skrytě integrují časový/energetický průběh experimentu, namísto skutečné diagnostiky okamžitých mikromechanických změn v kontaktu?
  2. Vaše rešeršní část pokrývá velmi široké spektrum témat od fyziky akustické emise po architektury neuronových sítí. Pokud byste měl z této rozsáhlé teorie vybrat jeden specifický poznatek či limit, který byl pro Vás kritickým odrazovým můstkem pro návrh vlastního experimentu a diagnostického řetězce, který by to byl?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová