FR2963960A1 - Surveillance des particules dans un systeme de lubrification - Google Patents

Abstract

Procédé de surveillance d'une machine comprenant des pièces en mouvement, un système de lubrification et un capteur électromagnétique muni d'un aimant et de deux électrodes, ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, le procédé de surveillance comprenant une étape (E20) d'obtention de mesures d'une résistance entre les électrodes du capteur, réalisées pendant une période de fonctionnement de la machine, le procédé de surveillance étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (E22) de détermination, à partir desdites mesures, d'un premier modèle mathématique autorégressif caractérisant ladite résistance ; - une étape (E23) de comparaison entre le premier modèle et un modèle de référence prédéterminé ; et − une étape (E24) d'élaboration d'un avis de maintenance de la machine en fonction du résultat de la comparaison.

Description

1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de l'aéronautique. Elle concerne plus particulièrement la surveillance d'un moteur d'aéronef, équipé d'un capteur destiné à retenir les particules métalliques entraînées par l'huile de lubrification du moteur résultant de l'usure de pièces en mouvement.

De façon connue, les pièces en mouvement d'un moteur d'aéronef, comme les engrenages ou les roulements, sont sujettes à des phénomènes d'usure tels que l'écaillage. Ces phénomènes d'usure se traduisent notamment par l'apparition de particules de taille plus ou moins importante dans le circuit de lubrification du moteur. Ces particules jouent un rôle prépondérant dans la détection et la prévision d'une défaillance du moteur. En effet, comme représenté sur le graphe de la figure 1, la production de particules Ppart dans un moteur comprenant des pièces en mouvement évolue avec le temps t. Plus précisément, lors d'une phase 1 de rodage, le taux de production de particules est relativement élevé et décroît progressivement. La phase 1 de rodage est suivie par une phase 2 d'utilisation normale, pendant laquelle la production de particules est stabilisée. Enfin, pendant une phase 3 d'usure terminale, des usures sur des pièces plus chargées impliquent un taux de production de particules plus élevé, jusqu'à la rupture si aucune maintenance n'est entreprise. L'utilisation de capteurs (ou de détecteurs) de particules dans le système de lubrification du moteur permet donc de surveiller la présence de ces particules, et par-là même l'état du moteur. Des maintenances préventives du moteur peuvent alors être envisagées, notamment lorsque des particules de taille importante sont détectées en quantité anormale, de façon à anticiper une panne du moteur. Un exemple d'un tel capteur est un bouchon électromagnétique, aussi connu sous le nom de « Electric Chip Detector» (ECD) ou « Electro Magnetic Chip Detector» (EMCD) en anglais, localisé dans le système de lubrification du moteur en amont des filtres. Un tel bouchon permet avantageusement de détecter de façon simple et automatique (c'est-à-dire sans nécessiter de surveillance visuelle), les particules métalliques entraînées dans l'huile du moteur. L'invention s'applique de façon privilégiée à ce type de capteur.

De façon connue, un bouchon électromagnétique est équipé d'un aimant entouré de deux électrodes conductrices isolées l'une de l'autre, et séparées par un entrefer intégré dans un circuit électrique. Lorsque des particules métalliques en quantité importante circulent dans le système de lubrification, elles sont capturées par l'aimant et viennent shunter (i.e. court-circuiter) l'entrefer du bouchon électromagnétique, établissant ainsi un contact entre les deux électrodes. Le contact ainsi établi entraîne une diminution de la résistance mesurée entre les électrodes. Un circuit de traitement associé au bouchon et intégré par exemple au calculateur du moteur (ou FADEC, Full Authority Digital Engine Control), compare alors la résistance mesurée entre les électrodes du bouchon avec une valeur seuil, et génère, en cas de dépassement de cette valeur seuil, un message d'alerte à destination d'un système de maintenance du moteur ou du pilote de l'aéronef. Sur réception de ce message, un démontage du bouchon pour une analyse plus avancée de l'état des particules ou une opération de maintenance peut alors être mise en oeuvre. Un tel fonctionnement permet avantageusement d'éviter un contrôle périodique du capteur de particules, et notamment un démontage de celui-ci en l'absence de message d'alerte. Toutefois, la valeur seuil de la résistance à partir de laquelle un message d'alerte est généré est difficile à établir, celle-ci dépendant de plusieurs paramètres dont notamment le type de moteur, l'application visée, le stade de la vie du moteur, le contexte environnemental, etc.

Ainsi, par souci de sécurité, on aura tendance à considérer une valeur seuil suffisamment élevée pour ne pas négliger une situation d'usure critique du moteur. Toutefois, la contrepartie de l'utilisation d'une valeur seuil élevée est un taux de fausses alarmes important, limitant l'intérêt d'un tel bouchon.

Il existe donc un besoin d'un procédé et d'un dispositif de surveillance ne présentant pas ces inconvénients et permettant d'utiliser les bouchons électromagnétiques actuellement déployés sur de nombreux aéronefs.

Objet et résumé de l'invention La présente invention répond notamment à ce besoin en proposant un procédé de surveillance d'une machine comprenant des pièces en mouvement, un système de lubrification et un capteur électromagnétique muni d'un aimant et de deux électrodes, ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, le procédé de surveillance comprenant une étape d'obtention de mesures d'une résistance entre les électrodes du capteur, réalisées pendant une période de fonctionnement de la machine, le procédé de surveillance étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de détermination, à partir desdites mesures, d'un premier modèle mathématique autorégressif caractérisant ladite résistance ; - une étape de comparaison entre le premier modèle et un modèle de référence prédéterminé ; et - une étape d'élaboration d'un avis de maintenance de la machine en fonction du résultat de la comparaison. Les inventeurs ont constaté que, pendant la phase d'utilisation normale d'une machine, la résistance mesurée était stationnaire au sens statistique et spectral. Par contre, le début de la phase d'usure terminale peut être caractérisé par un changement des caractéristiques spectrales.

La comparaison du premier modèle mathématique avec le modèle de référence permet de constater un changement des caractéristiques spectrales et donc de détecter le début de la phase d'usure terminale de manière fiable. Ainsi, l'invention permet d'éviter ou de limiter les fausses alarmes.

Selon un mode de réalisation, l'étape de comparaison comprend l'évaluation d'une distance entre le premier modèle et le modèle de référence et ladite étape d'élaboration fournit un avis de maintenance positif si cette distance est supérieure à un seuil prédéfini. Le procédé de surveillance peut comprendre, avant l'étape de détermination, une étape de normalisation des mesures par rapport à l'une au moins des variables environnementales suivantes : - une température du système de lubrification ; - une pression du système de lubrification ; et - un régime de la machine. En variante, le premier modèle et le modèle de référence sont 5 des modèles ARX prenant en compte au moins l'une des variables exogènes suivantes : - une température du système de lubrification ; - une pression du système de lubrification ; et - un régime de la machine. 10 La distance entre le premier modèle et le modèle de référence peut être une distance euclidienne calculée entre les coefficients du premier modèle et les coefficients du modèle de référence, ou une distance euclidienne calculée entre les pôles du premier modèle et les pôles du modèle de référence. 15 La distance entre le premier modèle et le modèle de référence peut également être une distance euclidienne calculée entre les résidus du premier modèle et les résidus du modèle de référence. Selon une variante, le procédé de surveillance comprend une pluralité d'exécutions de l'étape de détermination afin de déterminer une 20 pluralité de modèles autorégressifs pour une pluralité de périodes de fonctionnement de la machine, et l'étape d'élaboration comprend l'élaboration d'un avis de maintenance positif du capteur si la distance euclidienne calculée entre chaque modèle autorégressif et le modèle de référence augmente au cours des périodes de fonctionnement successives 25 de la machine. Selon un mode de réalisation, ladite machine est un moteur d'aéronef et les mesures de la résistance entre les électrodes du capteur sont réalisées pendant une phase de vol de l'aéronef. L'invention fournit également un dispositif de surveillance d'une 30 machine comprenant des pièces en mouvement, un système de lubrification et un capteur électromagnétique muni d'un aimant et de deux électrodes, ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, le dispositif de surveillance comprenant des moyens d'obtention de 35 mesures d'une résistance entre les électrodes du capteur, réalisées pendant une période de fonctionnement de la machine, le dispositif de surveillance étant caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de détermination, à partir desdites mesures, d'un premier modèle mathématique autorégressif caractérisant ladite résistance ; - des moyens de comparaison entre le premier modèle et un modèle de référence prédéterminé ; et - des moyens d'élaboration d'un avis de maintenance de la machine en fonction du résultat de la comparaison. L'invention propose aussi un moteur d'aéronef comportant des pièces en mouvement, un système de lubrification, un capteur électromagnétique muni d'un aimant et de deux électrodes, ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, et un dispositif de surveillance conforme à l'invention. Dans un mode particulier de réalisation, les différentes étapes du procédé de surveillance sont déterminées par des instructions de programmes d'ordinateurs. En conséquence, l'invention vise aussi un programme d'ordinateur sur un support d'informations, ce programme étant susceptible d'être mis en oeuvre dans un dispositif de surveillance ou plus généralement dans un ordinateur, ce programme comportant des instructions adaptées à la mise en oeuvre des étapes d'un procédé de surveillance tel que décrit ci-dessus. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. L'invention vise aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus. Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette (floppy disc) ou un disque dur.

D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : la figure 1 est un graphe illustrant l'évolution de la production de particules dans une machine comprenant des pièces en mouvement, la figure 2 représente de manière très schématique un exemple de bouchon électromagnétique dans son environnement, et la figure 3 représente les principales étapes d'un procédé de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 2 représente de manière très schématique un bouchon électromagnétique 4 intégré dans le système de lubrification 10 d'une turbomachine de moteur d'aéronef. Le bouchon électromagnétique 4 comprend un aimant 5 entouré de deux électrodes 6 et 7 conductrices isolées l'une de l'autre, et séparées par un entrefer 8 intégré dans un capturées par l'aimant 5 et viennent shunter (i.e. court-circuiter) l'entrefer 8, établissant ainsi un contact entre les électrodes 6 et 7. Le contact ainsi établi entraîne une diminution de la résistance mesurée entre les électrodes 6 et 7. D'autres configurations de l'aimant et des électrodes sont possibles. circuit électrique. Lorsque des particules métalliques en quantité importante circulent dans le système de lubrification 10, elles sont Le bouchon électromagnétique 4 comprend une interface 9 reliée à une unité électronique 11, ce qui permet à l'unité électronique 11 d'obtenir un signal de mesure représentant la résistance entre les électrodes 6 et 7. L'unité électronique 11 est par exemple le calculateur du moteur (ou FADEC, Full Authority Digital Engine Control) ou une unité spécifique à la surveillance du moteur. L'unité électronique 11 met en oeuvre un procédé de surveillance du moteur, et peut générer, en fonction des mesures de la résistance entre les électrodes 6 et 7, un message d'alarme. Sur réception de ce message d'alarme, une opération de maintenance peut alors être mise en oeuvre. L'unité électronique 11 présente l'architecture matérielle d'un ordinateur. Elle comprend notamment un processeur, une mémoire morte et une mémoire vive. La mémoire morte mémorise un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes d'un procédé de surveillance conforme à l'invention. Ainsi, l'unité électronique 11 constitue un dispositif de surveillance au sens de l'invention, et sa mémoire morte constitue un support d'information au sens de l'invention. La figure 3 représente les principales étapes du procédé de surveillance mis en oeuvre par l'unité électronique 11. Lorsque l'unité électronique 11 détecte une phase de vol de l'aéronef, l'exécution du procédé débute par l'étape E20 au cours de laquelle l'unité électronique 11 obtient et mémorise des mesures de la résistance R entre les électrodes 6 et 7, ainsi que des mesures d'un régime N de la turbomachine, d'une température T et d'une pression P de l'huile du système de lubrification 10. Ainsi, l'unité électronique 11 acquiert des valeurs représentant les évolutions temporelles de la résistance R(t), du régime N(t), de la température T(t) et de la pression P(t), au cours d'une phase de vol de l'aéronef.

Dans une variante non représentée, l'étape E20 est suivie d'une étape de validation des données. En cas de données invalides, les étapes E21 à E24 suivantes ne sont pas exécutées. Cela permet de ne pas élaborer un avis de maintenance sur bases de données invalides, par exemple en raison d'un capteur défectueux.

L'étape E21 est une étape de normalisation des données. Plus précisément, la résistance R(t) mesurée est normalisée pour tenir compte du contexte des mesures. Ainsi, une résistance normalisée Rnorm(t) est déterminée en fonction de la résistance R(t) et de paramètres de contexte qui peuvent avoir une influence sur la résistance non représentative de la production de particules. Les paramètres de contexte utilisés sont le régime N(t), la température T(t) et la pression P(t). La normalisation peut par exemple être effectuée selon la technique décrite dans le document FR 2 939 928. Ensuite, à l'étape E22, un modèle mathématique autorégressif caractérisant la résistance normalisée est déterminée. Plus précisément, un modèle AR (pour « Auto Regressive mode/») est déterminé permettant de prédire la résistance Rnorm(t) : (t)_ ai R,i0 '1 (t-J)+77(t) i=1 où a; sont les coefficients du modèle AR et n(t) est un bruit blanc. La détermination du modèle mathématique consiste à déterminer les coefficients a; en fonction de la résistance normalisée Rnorm(t) déterminée à l'étape E21, selon des techniques de modélisation connues. Dans une variante non représentée, le procédé ne comprend pas l'étape E21 de normalisation. Dans ce cas, le modèle mathématique autorégressif utilisé est un modèle ARX (pour « Auto Regressive mode/ with eXterna/ inputs ») dans lequel les variables exogènes utilisées sont le régime N(t), la température T(t) et la pression P(t). Dans cette variante, le modèle peut s'exprimer de la manière suivante : K L M R(t)=a, -R(t- j)+rk .N(t-k)+ lc, .T(t-1)+ .P(t-m)+77(t) i=1 k=l 1=i .»=1 où a;, bk, c, et dm sont les coefficients du modèle ARX.

De manière connue, les modèles AR et ARX peuvent également être exprimés par une transformée en Z, caractérisée par ses pôles. De manière connue également, les résidus d'un modèle représentent les différences entre les valeurs mesurées et les valeurs prédites par le modèle.

Le modèle déterminé à l'étape E22 est comparé, à l'étape E23, à un modèle de référence prédéterminé et, à l'étape E24, un avis de maintenance du moteur d'aéronef est élaboré en fonction du résultat de la comparaison.

Lors de la phase 2 d'utilisation normale de la turbomachine, la résistance mesurée est variable au cours d'un vol et d'un vol à l'autre, notamment en raison du caractère discontinu de la circulation des particules dans le système de lubrification 10. Ainsi, comme expliqué en introduction, la comparaison de la résistance R mesurée avec un seuil prédéterminé ne permet pas une détection fiable du début de la phase 3 d'usure terminale. Les inventeurs ont toutefois constaté que, pendant la phase 2, la résistance R était, une fois normalisée, stationnaire au sens statistique et spectral. Par contre, le début de la phase 3 peut être caractérisé par un changement des caractéristiques spectrales. Ainsi, la comparaison du modèle déterminé à l'étape E22 avec un modèle de référence représentatif du comportement de la résistance R pendant la phase 2 d'utilisation normale permet d'élaborer un avis de maintenance du moteur. Plus précisément, si la comparaison indique une différence importante entre les modèles, un avis de maintenance positif est élaboré. Lors de l'étape E23 de comparaison, la différence entre les modèles est évaluée en calculant une distance entre les modèles.

Selon une première variante, la distance est une distance euclidienne calculée entre les coefficients du premier modèle et les coefficients du modèle de référence, ou une distance euclidienne calculée entre les pôles du premier modèle et les pôles du modèle de référence. En effet, les coefficients et les pôles d'un modèle mathématique autorégressif sont représentatifs du comportement spectral de la grandeur modélisée. Une distance importante entre les deux modèles correspond donc à une différence de comportement spectral. Ainsi, dans cette première variante, pendant l'étape E24 l'unité électronique 11 estime que la phase 3 a débutée lorsque la distance entre le modèle déterminé à l'étape E23 et le modèle de référence est supérieure à un seuil prédéterminé. Dans ce cas, un avis de maintenance positif est élaboré. Dans une autre variante, l'unité électronique 11 mémorise une pluralité de modèles déterminés pour une pluralité d'exécution de l'étape E23 lors de missions successives de l'aéronef. Pour chaque modèle mémorisé, une distance euclidienne est calculée entre les résidus du modèle mémorisé et les résidus du modèle de référence. Ensuite, lors de l'étape E24, un avis de maintenance positif est élaboré si la distance entre chaque modèle autorégressif et le modèle de référence augmente au cours des missions successives de l'aéronef. En effet, au début de la phase 3, la modification du comportement spectral se traduit par une augmentation progressive des résidus d'un vol à l'autre. Le modèle de référence utilisé lors de l'étape E23 de comparaison est par exemple un modèle prédéterminé commun à tous les moteurs d'un même type, et mémorisé dans une mémoire morte de l'unité électronique 11. En variante, le modèle de référence est spécifique à chaque moteur et est prédéterminé par l'unité électronique 11 au cours d'une phase d'apprentissage qui précède la mise en oeuvre du procédé de la figure 3. La phase d'apprentissage est mise en oeuvre au début de la phase 2. Le début de la phase 2 peut être estimé, avec une marge de sécurité, en fonction d'une durée moyenne de la phase 1. Le modèle de référence peut alors être déterminé en fonction des mesures de la résistance R au cours de plusieurs vols effectués en début de phase 2.

L'invention a été décrite en référence à la surveillance d'une turbomachine d'un moteur d'aéronef. L'invention est toutefois applicable de manière générale à tout type de machine comprenant des pièces en mouvement et un système de lubrification. Par ailleurs, on peut noter que le procédé de surveillance peut être mise en oeuvre en utilisant un bouchon électromagnétique de l'art antérieur. L'invention ne nécessite ni une modification du bouchon ni de son interface avec l'unité électronique de commande.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de surveillance d'une machine comprenant des pièces en mouvement, un système de lubrification (10) et un capteur électromagnétique (4) muni d'un aimant (5) et de deux électrodes (6, 7), ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, le procédé de surveillance comprenant une étape (E20) d'obtention de mesures d'une résistance entre les électrodes du capteur, réalisées pendant une période de fonctionnement de la machine, le procédé de surveillance étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (E22) de détermination, à partir desdites mesures, d'un premier modèle mathématique autorégressif caractérisant ladite résistance ; - une étape (E23) de comparaison entre le premier modèle et un modèle de référence prédéterminé ; et - une étape (E24) d'élaboration d'un avis de maintenance de la machine en fonction du résultat de la comparaison.
2. 2. Procédé de surveillance selon la revendication 1, dans lequel l'étape de comparaison comprend l'évaluation d'une distance entre le premier modèle et le modèle de référence et ladite étape d'élaboration fournit un avis de maintenance positif si cette distance est supérieure à un seuil prédéfini.
3. 3. Procédé de surveillance selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, avant l'étape (E22) de détermination, une étape (E21) de normalisation des mesures par rapport à l'une au moins des variables environnementales suivantes : - une température du système de lubrification ; - une pression du système de lubrification ; et - un régime de la machine.
4. 4 Procédé de surveillance selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le premier modèle et le modèle de référence sont des modèles ARX prenant en compte au moins l'une des variables exogènes suivantes :- une température du système de lubrification ; - une pression du système de lubrification ; et - un régime de la machine.
5. 5. Procédé de surveillance selon la revendication 2, dans lequel la distance entre le premier modèle et le modèle de référence est une distance euclidienne calculée entre les coefficients du premier modèle et les coefficients du modèle de référence.
6. 6. Procédé de surveillance selon la revendication 2, dans lequel la distance entre le premier modèle et le modèle de référence est une distance euclidienne calculée entre les pôles du premier modèle et les pôles du modèle de référence.
7. 7. Procédé de surveillance selon la revendication 2, dans lequel la distance entre le premier modèle et le modèle de référence est une distance euclidienne calculée entre les résidus du premier modèle et les résidus du modèle de référence.
8. 8. Procédé de surveillance selon la revendication 7, comprenant une pluralité d'exécution de l'étape de détermination (E22) afin de déterminer une pluralité de modèles autorégressifs pour une pluralité de périodes de fonctionnement de la machine, dans lequel l'étape (E24) d'élaboration comprend l'élaboration d'un avis de maintenance positif du capteur si la distance euclidienne calculée entre chaque modèle autorégressif et le modèle de référence augmente au cours des périodes de fonctionnement successives de la machine.
9. 9. Procédé de surveillance selon la revendication 1, dans lequel ladite machine est un moteur d'aéronef et les mesures de la résistance entre les électrodes du capteur sont réalisées pendant une phase de vol de l'aéronef.
10. 10. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de surveillance selon l'une quelconquedes revendications 1 à 9 lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
11. 11. Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé de surveillance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
12. 12. Dispositif de surveillance (11) d'une machine comprenant des pièces en mouvement, un système de lubrification (10) et un capteur électromagnétique (4) muni d'un aimant (5) et de deux électrodes (6, 7), ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, le dispositif de surveillance comprenant des moyens d'obtention de mesures d'une résistance entre les électrodes du capteur, réalisées pendant une période de fonctionnement de la machine, le dispositif de surveillance étant caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de détermination, à partir de desdites mesures, d'un premier modèle mathématique autorégressif caractérisant ladite résistance ; - des moyens de comparaison entre le premier modèle et un modèle de référence prédéterminé ; et - des moyens d'élaboration d'un avis de maintenance de la machine en fonction du résultat de la comparaison.
13. 13. Moteur d'aéronef comportant des pièces en mouvement, un système de lubrification (10), un capteur électromagnétique (4) muni d'un aimant (5) entouré de deux électrodes (6, 7), ledit capteur étant apte à collecter des particules présentes dans le système de lubrification entre lesdites électrodes, et un dispositif de surveillance (11) selon la revendication 12.