FR3065286A1 - Surveillance de l'etat d'un dispositif de garniture mecanique - Google Patents
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Abstract
Un procédé de surveillance de l'état d'un dispositif de garniture mécanique comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l'une de l'autre, dans lequel l'un des éléments de garniture est solidaire d'un arbre tournant autour d'un axe normal à la surface plane, le procédé comprenant : - commander (41) l'application d'un premier signal électrique au premier élément de garniture pendant un laps de temps, - recevoir un deuxième signal électrique mesuré (42) au deuxième élément de garniture au cours de ce laps de temps, - estimer (43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) à partir à moins du deuxième signal électrique au moins une valeur de paramètre représentatif de l'état du dispositif de garniture.
Description
Titulaire(s) : UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE Etablissement public, CYCLAM Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET FEDIT LORIOT.
(04) SURVEILLANCE DE L'ETAT D'UN DISPOSITIF DE GARNITURE MECANIQUE.
FR 3 065 286 - A1 _ Un procédé de surveillance de l'état d'un dispositif de garniture mécanique comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l'une de l'autre, dans lequel l'un des éléments de garniture est solidaire d'un arbre tournant autour d'un axe normal à la surface plane, le procédé comprenant:
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i.
—-/ VTii
SURVEILLANCE DE L’ETAT D’UN DISPOSITIF DE GARNITURE MECANIQUE
L’invention concerne la surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique.
Un dispositif de garniture mécanique permet d’assurer l’étanchéité d’un arbre tournant d’un système mécanique tel qu’un système de pompe, compresseur, ou autre. Un tel dispositif comprend un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane s’étendant radialement par rapport à la direction longitudinale de l’arbre. Ces deux surfaces planes sont en regard l’une de l’autre, et l’une au moins est susceptible d’être poussée contre l’autre. L’un des éléments de garniture est monté rotatif, solidaire de l’arbre, autour d’un axe normal à sa surface plane, et l’autre des éléments de garnitures est fixe, solidaire d’un carter. Les deux surfaces planes sont donc susceptibles d’être frottées l’une contre l’autre, et peuvent être lubrifiées, permettant ainsi un mouvement relatif entre les éléments de garniture tout en garantissant l’étanchéité entre l’arbre et le carter.
L’invention trouve une application notamment dans les ensembles de pompe ou de compresseur pouvant par exemple être utilisés dans l’automobile, dans l’aéronautique, l’agro-alimentaire l’électroménager, l’industrie pharmaceutique, ou autre, De tels ensembles comprennent un moteur dont l’arbre entraîne en rotation un dispositif entraînant un fluide. Un dispositif de garniture d’étanchéité mécanique peut permettre d’éviter que le fluide pompé soit en contact avec des éléments du moteur.
Les garnitures mécaniques d’étanchéité permettent ainsi de réaliser une étanchéité dite dynamique.
En fonctionnement normal, les surfaces planes en rotation sont séparées par un film de lubrifiant sous pression. Ce film est issu du fluide pressurisé que l’on cherche à étancher : au niveau du contact entre les surfaces planes ce fluide (liquide ou gazeux) agit comme un lubrifiant. Ce film de lubrifiant est cisaillé du fait de la rotation d’un des éléments de garniture, et génère une portance tendant à éloigner les surfaces planes. Par ailleurs, des efforts créés par des moyens ressorts tendant à rapprocher les surfaces l’une de l’autre. Le fluide exerce aussi des efforts de pression sur d’autres surfaces de l’élément de garniture, qui tendent à rapprocher les surfaces planes l’une de l’autre.
On cherche à minimiser le coefficient de frottement entre ces surfaces. L’étanchéité est en effet directement liée aux propriétés de lubrification, ces propriétés conditionnant le coefficient de frottement et le bon fonctionnement du système d’étanchéité.
Or une absence d’étanchéité peut s’avérer lourde de conséquences, notamment dans le cas d’une application aux pompes, car la pompe risque de subir alors des dégradations irréversibles.
Ce coefficient de frottement est lié aux conditions de lubrification, elles-mêmes fonctions notamment de la vitesse de rotation de l’arbre et de la charge axiale.
Il est souhaitable d’avoir un fonctionnement proche d’une zone de minimum de la courbe de Stribeck.
Cette courbe représente une évolution du frottement en fonction d’un paramètre de lubrification, ce paramètre étant proportionnel à la vitesse de rotation. Le minimum de cette courbe correspond au fonctionnement optimal du dispositif de garniture, c’est-à-dire que l’épaisseur du film de lubrifiant entre les surfaces planes correspond à une limite entre une zone de lubrification mixte et une zone de lubrification hydrodynamique. Dans la zone de lubrification mixte, des aspérités des deux surfaces planes, en contact, risquent de perturber le fonctionnement, notamment lorsqu’il y a arrachage de matière. A contrario, dans la zone de lubrification hydrodynamique, le film de lubrifiant est relativement épais et peut tendre à écarter les surfaces planes l’une de l’autre. Il existe alors un risque de fuite importante.
Malheureusement, une mesure précise du coefficient de frottement peut être relativement difficile à mener.
En outre, la courbe de Stribeck n’étant pas bijective, une valeur de frottement mesurée ne suffit en général pas en soi pour fournir une information quant au régime de lubrification.
Il est envisagé d’effectuer plusieurs mesures de couple, avec des vitesses de rotation de l’arbre différentes. Les variations des valeurs de coefficients de frottement obtenues avec la vitesse permettent ainsi de renseigner quant au régime de lubrification. Ce procédé, relativement contraignant dans un environnement industriel, souffrirait en outre des imprécisions de mesure.
Le diagnostic de l’état d’une garniture peut être effectué visuellement, par un opérateur qualifié. Néanmoins, ce contrôle visuel peut s’avérer contraignant, notamment dans le cas d’une garniture monobloc ou d’une garniture installée sur un équipement dont l’arrêt est coûteux ou complexe à gérer. Aussi, ce contrôle intervient souvent lorsqu’une défaillance est déjà avérée, et n’a donc pas permis d’empêcher cette défaillance.
Il est possible de prévoir un remplacement de la garniture au bout d’une durée prédéterminée et arbitraire, par exemple au bout d’un an, et de se passer ainsi de cette étape de diagnostic. Toutefois, il restera nécessaire d’arrêter l’équipement sur lequel est montée la garniture.
Si en outre cet arrêt est suivi d’autres opérations, par exemple d’une stérilisation, plusieurs heures de fonctionnement peuvent être perdues, voire plusieurs journées selon les applications.
Enfin, il a été envisagé d’analyser les émissions acoustiques liées au fonctionnement d’un dispositif de garniture afin de déterminer un taux d’usure. Néanmoins, dans le cas d’une garniture dans un régime de lubrification hydrodynamique, les surfaces planes sont distantes l’une de l’autre et les émissions acoustiques sont relativement réduites, de sorte qu’il serait délicat de procéder à un diagnostic. En outre, il est vraisemblable que ce procédé s’avérerait peu satisfaisant dans un environnement bruyant et multisources.
Il existe donc un besoin pour un procédé de diagnostic utilisable dans un environnement industriel, et qui permette de concilier simplicité et fiabilité.
Il est proposé un procédé de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l’une de l’autre, dans lequel l’un des éléments de garniture est monté rotatif autour d’un axe normal à sa surface plane, le procédé comprenant :
- commander l’application d’un premier signal électrique au premier élément de garniture pendant un laps de temps,
- recevoir un deuxième signal électrique mesuré au deuxième élément de garniture pendant ce laps de temps,
- estimer à partir au moins du deuxième signal électrique, et avantageusement à partir aussi du premier signal, au moins une valeur de paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture.
Les Demanderesses ont en effet découvert que la réponse électrique d’une garniture mécanique d’étanchéité était différente selon l’état de cette garniture (lubrification, usure, défauts, etc.)
L’invention peut ainsi permettre d’effectuer un diagnostic de l’état d’un dispositif de garniture mécanique, ou de participer à ce diagnostic, de façon à la fois simple, fiable et peu contraignante, même dans un environnement bruyant et contraint.
En particulier, il s’est avéré que ce procédé permettait de détecter les contacts physiques entre les surfaces planes de façon plus précise et fiable que les procédés basés sur des mesures de frottement par ailleurs délicates à effectuer.
Ce procédé étant peu contraignant, il peut permettre d’effectuer un suivi en continu du dispositif de garniture. Ainsi, ce procédé peut permettre d’alerter en cas de risque de défaillance. Les interventions de maintenance peuvent ainsi permettre d’éviter la défaillance. Dit autrement, ce procédé peut permettre d’optimiser l’efficacité des interventions de maintenance.
Le premier élément de garniture peut être solidaire de l’arbre, ou bien alternativement fixe par rapport à l’arbre.
Le dispositif de garniture mécanique peut être monobloc, ou non.
Le dispositif de garniture peut comprendre des moyens ressorts pour pousser l’une au moins des surfaces planes contre l’autre.
L’invention n’est pas limitée à un type de garniture particulier, ni à un choix de matériaux particulier.
Le dispositif de garniture peut, dans un mode de réalisation, être lubrifié par un fluide, par exemple un liquide. Alternativement, le fluide entre les surfaces planes peut être un gaz.
Le signal électrique appliqué peut être un signal continu, ou bien un signal variable dans le temps, par exemple un signal alternatif.
Le laps de temps peut durer quelques millisecondes, quelques secondes ou quelques minutes par exemple.
Avantageusement et de façon non limitative, le signal électrique appliqué peut être un signal alternatif, donc la fréquence évolue au cours du temps. On peut en particulier réaliser un balayage (« sweep » en anglais) en fréquences.
Le premier signal électrique peut être appliqué alors que l’un des éléments de garniture est en rotation, ou bien alternativement en statique.
Avantageusement, le laps de temps pendant lequel les premier et deuxième signaux sont appliqués peut être suffisamment long pour couvrir plusieurs périodes de rotation de cet élément de garniture en rotation.
Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape de comparaison d’au moins une valeur issue du deuxième signal à un seuil. L’état du dispositif de garniture peut être estimé en fonction du résultat de cette comparaison, notamment lorsque le signal appliqué est continu.
Ledit au moins un paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture peut par exemple comprendre un paramètre représentatif de l’usure, de la rugosité, de la présence d’impuretés abrasives, de la présence de défauts ponctuels, de désalignement, ou autre.
Avantageusement et de façon non limitative, le paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture peut comprendre un paramètre représentatif du régime de lubrification, par exemple un indicateur d’une zone de la courbe de Stribeck, une valeur (susceptible d’être négative) d’écart par rapport à un minimum de cette courbe, ou autre.
La valeur de ce paramètre représentatif du régime de lubrification peut être obtenue en analysant un seul couple de premier et deuxième signaux, ayant été appliqué et mesuré, respectivement, sur un laps de temps au cours duquel la vitesse de rotation de l’arbre a été constante.
Le procédé permet ainsi de renseigner quant à la lubrification à partir de premier et deuxième signaux correspondant uniquement à ce laps de temps au cours duquel la vitesse de rotation de l’arbre a été constante.
Les Demanderesses ont en effet découvert que le deuxième signal avait une allure différente selon le régime de lubrification. Une mesure électrique permet ainsi à elle seule de déterminer le régime de lubrification, sans qu’il soit nécessaire de faire varier la vitesse de rotation de l’arbre, comme envisagé dans le cadre d’un procédé avec mesure du coefficient de frottement.
En outre, les mesures électriques se sont avérées relativement sensibles, notamment au contact physique des surfaces, de sorte que ce procédé peut permettre une meilleure détection des zones de transitions que dans l’art antérieur. Dit autrement, ce procédé peut permettre d’obtenir une nouvelle courbe représentant l’état de la lubrification en fonction de la vitesse de rotation, dans laquelle la transition entre les régimes est plus marquée que dans la courbe de Stribeck.
L’invention peut par exemple permettre de détecter un passage vers le régime de lubrification hydrodynamique, ou bien encore vers le régime de lubrification mixte, de façon à la fois simple, fiable et rapide.
En général, la valeur de la vitesse de rotation opérationnelle est imposée. Il est possible, en appliquant le procédé décrit ci-dessus à un dispositif de garniture en cours de paramétrage en atelier, de, en fonction des informations quant au régime de lubrification obtenues grâce au procédé décrit ci-dessus, jouer sur d’autres paramètres, comme la force du ressort (charge axiale) ou les finitions de surface (rugosité par exemple), pour amener (par exemple par dichotomies) le dispositif de garniture à un point de fonctionnement proche du minimum de la courbe de Stribeck lorsque celui-ci sera en conditions d’utilisation.
Au cours de la vie du dispositif de garniture, le procédé décrit cidessus peut conduire à une génération de message d’alarme, par exemple un message de demande d’intervention humaine, en fonction de la valeur la valeur du paramètre représentatif du régime de lubrification, notamment lorsque cette valeur ne correspond plus à la zone de minimum de la courbe de Sribeck.
L’exploitation du dispositif de garniture mécanique peut ainsi être optimisée, permettant de limiter les remplacements et les arrêts de l’équipement sur lequel le dispositif de garniture est installé.
Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape d’estimation à partir du deuxième signal :
- d’un écart-type du deuxième signal, de l’impédance ou du module de l’impédance sur ce laps de temps, d’une valeur moyenne du deuxième signal de l’impédance ou du module de l’impédance sur ce laps de temps,
- d’un temps de stabilisation, ou
- autre.
Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape d’estimation de la valeur du paramètre représentatif du régime de lubrification en fonction de cet écart-type de cette valeur moyenne, et/ou de ce temps de stabilisation.
Il s’est en effet avéré qu’en régime de lubrification mixte, le module de l’impédance était plus faible qu’en régime de lubrification hydrodynamique, tandis que l’écart-type était plus élevé. Le temps de stabilisation peut également varier selon le régime de lubrification.
Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre une étape d’estimation de la valeur du paramètre représentatif du régime de lubrification en fonction de la valeur d’un ratio entre cet écart-type et cette valeur moyenne.
Par exemple, on peut comparer ce ratio à un seuil, par exemple égal à 0,5 ou 1. Si ce ratio est inférieur à ce seuil, on peut en conclure que le régime de lubrification est hydrodynamique, et dans le cas contraire on peut en conclure que le régime de lubrification est mixte. Bien entendu, ce procédé peut être affiné en effectuant plusieurs comparaisons, à plusieurs ratio respectifs.
Avantageusement et de façon non limitative, le procédé peut comprendre en outre une étape d’analyse du deuxième signal dans le domaine fréquentiel. Le procédé peut ainsi comprendre une étape de décomposition dans le domaine fréquentiel des valeurs reçues pendant le laps de temps, notamment lorsque le signal électrique appliqué est continu.
L’invention n’est en rien limitée par le type de décomposition mis en œuvre lors de l’analyse fréquentielle. On pourra par exemple effectuer une transformée de Fourier rapide ou FFT (de l’anglais « Fast Fourier Transform »), ou autre.
L’invention n’est en rien limitée par le traitement effectué à partir des premier et deuxième signaux électriques.
Par exemple, on pourra prévoir de calculer au moins une valeur d’impédance à partir des premier et deuxième signaux, par exemple un nombre relativement élevé de valeurs d’impédance, chacune de ces valeurs correspondant à un instant t et ayant été calculée à partir des valeurs des premier et deuxième signaux à cet instant t.
On pourra par exemple prévoir de comparer à un seuil une valeur maximale, sur le laps de temps, d’un paramètre issu du deuxième signal, par exemple une valeur maximale du deuxième signal ou d’une valeur de module d’impédance calculée à partir du premier et du deuxième signaux, d’une transformée en fréquence du deuxième signal, du ratio signal sur bruit (SNR pour « Signal on Noise Ratio » en anglais) de ce deuxième signal ou de la valeur d’impédance, ou autre, et en cas de dépassement, de ce seuil de générer un message indiquant qu’un niveau d’usure correspondant audit seuil est vraisemblablement atteint.
Dans un mode de réalisation avantageux, le premier signal peut être un signal alternatif de fréquence inférieure à 1 MHz, avantageusement inférieure à 100 kHz, avantageusement inférieure à 10 kHz, et le procédé peut comprendre une étape de comparaison d’au moins une valeur de module d’impédance obtenu à partir de ce premier signal électrique et du deuxième signal électrique correspondant, à un seuil. Ce seuil peut par exemple être compris entre 5 Ohms et 150 Ohms, par exemple 50 Ohms.
En cas de dépassement de ce seuil, un message indiquant une présence vraisemblable d’impuretés peut être généré (à l’intérieur d’un dispositif de surveillance de type processeur, ou bien encore vers une interface utilisateur ou autre) et/ou on peut prévoir :
- une étape d’application d’un nouveau premier signal alternatif et ayant une fréquence supérieure à 10 kHz, avantageusement supérieure à 100 kHz,
- une étape de détermination d’une nouvelle valeur d’impédance en fonction du deuxième signal correspondant à ce nouveau premier signal et en fonction de ce premier signal, et
- une étape de génération d’un message de détection d’impuretés si l’argument de cette nouvelle valeur d’impédance est en deçà d’un seuil inférieur ou égal à zéro degré.
Dans un autre mode de réalisation, on teste d’abord l’argument de l’impédance, et si celui-ci est négatif, un message interne est généré et on teste ensuite le module : si ce module est considéré comme élevé, alors un message est envoyé vers une interface utilisateur ou vers un dispositif pilotant la garniture pour signaler la présence d’impuretés.
De façon surprenante, il s’est avéré qu’en cas d’impuretés, de type grain de sable ou autre, le module d’impédance peut être particulièrement élevé à basses fréquences, alors que l’argument de l’impédance à hautes fréquences est négatif. Le procédé décrit ci-dessus peut ainsi permettre de détecter des impuretés dans un dispositif de garniture, permettant ainsi de caractériser de façon relativement précise l’état de ce dispositif de garniture.
Dans un mode de réalisation avantageux, le premier signal est appliqué alors que l’un des éléments de garniture est en rotation par rapport à l’autre à une vitesse angulaire déterminée, et on effectue une transformée en fréquence du deuxième signal. On pourra prévoir en outre des étapes de comparaison à des seuils respectifs des valeurs dans le domaine fréquentiel correspondant aux harmoniques d’une fréquence correspondant à la vitesse de rotation, et une étape de génération d’un message de signalement de défaut ponctuel en fonction des résultats de ces comparaisons.
Ainsi s’il s’avère que cette transformée en fréquence présente des harmoniques de la fréquence correspondant à la vitesse angulaire, alors un signal de détection de défaut ponctuel est généré.
Ce procédé peut ainsi permettre de détecter des défauts ponctuels, permettant là encore de caractériser au mieux l’état du dispositif de garniture.
L’invention n’est bien entendu pas limitée par la façon dont sont appliqués/mesurés les signaux électriques. Par exemple, un signal de tension peut être appliqué entre le premier élément de garniture et le deuxième élément de garniture, au moyen d’électrodes par exemple, et une intensité peut être mesurée entre ces éléments de garniture, par exemple via les mêmes électrodes. Le premier signal est alors un signal de tension, tandis que le deuxième signal est alors un signal d’intensité.
Selon un autre exemple, le premier signal peut être un signal de tension appliqué entre le premier élément de garniture et une masse, et le deuxième signal peut être un signal de tension mesuré entre le deuxième élément de garniture et cette masse.
Les deux éléments de garniture peuvent être dénués de mouvement l’un par rapport à l’autre lors de l’application du premier signal électrique (mesure en statique).
Alternativement, lors de l’exécution de ce procédé, les deux éléments de garniture peuvent être en rotation l’un par rapport à l’autre. Il est avantageux que la vitesse de rotation soit déterminée, car le traitement mis en œuvre peut être fonction de cette vitesse de rotation, notamment lors des étapes susceptibles de conduire à la détection d’un défaut ponctuel (détection d’harmoniques).
Le procédé décrit ci-dessus peut être mis en œuvre par des moyens de traitement numérique, par exemple un processeur.
Il est en outre proposé un produit programme d’ordinateur comprenant les instructions pour effectuer les étapes du procédé décrit ci-dessus lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur. Ce programme stocké sur un support mémoire, par exemple un disque dur ou autre, téléchargé d’un réseau de télécommunication de type Internet, ou autre.
Il est en outre proposé un dispositif de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique, ce dispositif de garniture comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l’une de l’autre, dans lequel l’un au moins des éléments de garniture est monté rotatif autour d’un axe normal à sa surface plane, le dispositif de surveillance comprenant :
- des moyens de transmission pour commander l’application d’un premier signal électrique au premier élément de garniture pendant un laps de temps,
- des moyens de réception pour recevoir un deuxième signal électrique mesuré au deuxième élément de garniture pendant toute la durée de ce laps de temps, des moyens de traitement agencés pour estimer à partir du premier et du deuxième signaux électriques au moins une valeur de paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture.
Ce dispositif peut ainsi être intégré dans, ou comprendre, un ou plusieurs processeurs, par exemple un microcontrôleur, un microprocesseur, ou autre.
Les moyens de transmission peuvent par exemple comprendre une broche de sortie, un port de sortie ou autre. Les moyens de réception peuvent par exemple comprendre une broche d’entrée, un port d’entrée ou autre. Les moyens de traitement peuvent par exemple comprendre un cœur de processeur ou CPU (de l’anglais « Central Processing Unit »).
Il est en outre proposé un système de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique, comprenant le dispositif de surveillance décrit ci-dessus, des moyens de raccordement électrique au premier élément de garniture, par exemple une électrode ou un balai, et des moyens de raccordement électrique au deuxième élément de garniture, par exemple une électrode ou un balai.
Ce système peut par exemple être installé en atelier, afin de tester ou paramétrer les dispositifs de garniture fabriqués ou réparés.
Alternativement, on peut prévoir une installation sur un dispositif de garniture, auquel cas le diagnostic peut être effectué au cours de la vie du dispositif. Cette installation peut être permanente, permettant ainsi un suivi de l’état de la garniture en continu, par exemple une fois par heure ou par jour. Alternativement, on peut prévoir de raccorder le système de surveillance au dispositif de garniture à tester : le diagnostic reste moins contraignant qu’une inspection de visu des pièces de la garniture.
L’invention sera mieux comprise en référence aux figures, lesquelles illustrent des modes de réalisation donnés à titre d’exemple et non limitatifs.
La figure IA est une vue de coupe, schématique d’un exemple de dispositif de garniture mécanique.
La figure IB est une vue de coupe, schématique, d’un exemple de système de surveillance selon un mode de réalisation de l’invention et d’un exemple de dispositif de garniture mécanique.
La figure 2A est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox/Inox poli sous une charge de 10 N.
La figure 2B est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox/Inox poli sous une charge de 30 N.
La figure 2C est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact carbone/carbone poli sous une charge de 30 N.
La figure 2D est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact carbone/carbone poli sous une charge de 60 N.
La figure 3 représente un algorithme d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 4A est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox pollué par des impuretés abrasives, pour une charge de 10 N et pour une charge de 80 N.
La figure 4B est un graphique montrant l’évolution de valeurs de module d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox non pollué, sous une charge de 10 N et pour une charge de 80 N.
La figure 5A est un graphique montrant l’évolution de valeurs d’argument d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox pollué par des impuretés abrasives, pour une charge de 10 N et pour une charge de 80 N.
La figure 5B est un graphique montrant l’évolution de valeurs de d’argument d’impédance lors de l’exécution d’un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l’invention, pour un contact Inox non pollué, sous une charge de 10 N et pour une charge de 80 N.
Des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou similaires, dans leur forme ou leur fonction, d’une figure à l’autre, et notamment sur les figures IA et IB.
La figure IA représente un dispositif de garniture 3 installé sur un arbre 2 d’une turbine 17. Le dispositif de garniture comprend un élément 11 solidaire de l’arbre, sollicité par un ressort 6, et un élément 12 solidaire d’un carter de pompe 18.
En référence à la figure IB, un dispositif de garniture d’étanchéité 3 comprend un premier élément de garniture 11 et un deuxième élément de garniture 12. Ces éléments définissent des surfaces planes respectives 4, 5, en regard l’une de l’autre.
Les éléments 11, 12 ont une forme annulaire et sont traversés par un arbre 2 s’étendant longitudinalement suivant une direction normale aux plans des surfaces planes, lesquelles s’étendent ainsi radialement relativement à l’arbre.
L’un 11 des éléments est solidaire de l’arbre 2 et est donc entraîné en rotation par cet arbre, tandis que l’autre 12 est indépendant de l’arbre 2. Cet autre élément de garniture 12 est solidaire d’un équipement fixe relativement à l’arbre, par exemple un carter de pompe, ou autre.
Un ressort 6 prenant appui contre une bague 7 montée solidaire de l’arbre permet de pousser les surfaces planes 4, 5 l’une contre l’autre.
Un film de lubrifiant non représenté, entre les surfaces planes 4, 5, permet d’assurer l’étanchéité.
Un système de surveillance 1 permet d’estimer l’état du dispositif de garniture 3.
Le système comprend deux électrodes 8, 9, raccordées respectivement aux premier et deuxièmes éléments de garniture 11, 12, un processeur 10, par exemple un microprocesseur d’une tablette, d’un ordinateur, d’un équipement dédié, ou autre.
Bien entendu, le circuit représenté sur la figure IB n’est qu’un exemple de configuration possible pour ce système 1.
En outre, ne sont pas représentés sur cette figure IB les moyens qui permettent de raccorder électriquement l’élément de garniture tournant au système de surveillance, par exemple un baguier, un balai, un collecteur tournant, ou autre.
Dans un mode de réalisation non représenté, on pourra aussi envisager de disposer deux dispositifs de garniture tête-bêche, et d’installer les électrodes sur les éléments de garniture fixes de ces deux dispositifs. Cette architecture peut s’avérer intéressante dans certaines applications.
Dans cet exemple, le processeur est raccordé électriquement à un générateur de tension 13, de sorte que le processeur 10 est apte à imposer l’application d’une tension Vl(t) entre le premier élément 11 et la terre (ou alternativement, la masse du circuit). Une résistance de valeur connue Ro est montée entre la deuxième électrode 9 et la terre. Un voltmètre 14 permet de mesurer la tension aux bornes de cette résistance, et les valeurs obtenues V2(t) sont envoyée au processeur 10.
Le processeur est programmé pour calculer, à partir des valeurs de tension Vl(t) appliquées et des valeurs de tension V2(t) mesurées aux bornes de la résistance R0, des valeurs d’impédance du dispositif de garniture, cette programmation était aisée à effectuer pour l’homme du métier.
En référence aux figures 2A à 2B, on a représenté les valeurs d’impédance ainsi obtenues en fonction du temps, les mesures étant effectuées avec diverses vitesses de rotation de l’arbre.
Plus précisément, pendant 2 minutes 45 secondes, l’arbre est immobile, puis, de t=2,75 minutes à t=5,50 minutes, l’arbre a une vitesse de rotation de 3,7 tours par minutes, etc. L’abscisse de la figure 2A permet de visualiser quelles vitesses de rotation sont appliquées pendant les intervalles de 2 minutes 45 secondes suivants.
Les mesures de la figure 2A correspondent à une charge axiale de 10 N, tandis que celles de la figure 2B correspondent à une charge axiale de 30 N.
Les mesures de ces deux figures ont été prises pour une garniture avec un contact inox/inox poli.
En référence à la figure 2A, en statique (zone 21), le module de l’impédance est de 3 Ohms environ. Pour une charge axiale plus élevée (figure 2B, zone 24), cette valeur est plus faible.
Ces valeurs de résistance en statique sont vraisemblablement liées à l’épaisseur du film de lubrifiant du contact.
Il ressort des figures 2A, 2B que pour des valeurs de vitesses de rotation relativement basses (zones 22, 25), la valeur de résistance est plus faible qu’à des vitesses plus élevées (zones 23, 26), tandis que l’écart-type est plus élevé.
La zone 27 sur la figure 2B, avec une valeur moyenne de résistance relativement élevée, mais légèrement variable, et avec un écart-type relativement élevé, correspond vraisemblablement à un phénomène de fuites susceptible de se produire en régime hydrodynamique.
Les figures 2C et 2D illustrent des mesures prises avec une garniture avec un contact carbone/ carbone poli, et une charge axiale de 30 N (figure 2C) ou de 60 N (figure 2D).
Là encore, les abscisses illustrent les différentes vitesses de rotation de l’arbre appliquées au cours du temps.
En statique (zones 28, 30), la résistance obtenue est vraisemblablement liée à l’épaisseur de lubrifiant. Elle diminue avec la charge, et décroît légèrement dans el temps.
La zone 32 correspond vraisemblablement à un phénomène de fuite.
Les zones 29, 31, pour lesquelles la valeur moyenne de résistance est relativement élevée et l’écart-type relativement faible, correspondent vraisemblablement au régime hydrodynamique.
Sur ces figures 2C et surtout 2D, le temps de stabilisation peut être relativement élevé, de l’ordre de la minute à 7,4 tours par minute, et davantage encore dans un possible régime mixte : plusieurs minutes à 3,7 tours par minute.
Ainsi, le processeur 10 de la figure IB peut être programmé pour :
- imposer un même signal Vl(t) pendant un laps de temps prédéterminé, de par exemple 3 minutes, (étape 41 sur la figure 3, Vl(t) représentant le signal à appliquer, îmax la durée du laps de temps, et APPLY(Vl(t), îmax) le nom du message de commande de ce signal pendant ce laps de temps),
- recevoir des valeurs V2(t) pendant la totalité de l’écoulement de ce laps de temps (étape 42, les étapes classiques d’initialisation, de test, d’incrémentation et d’attente de la boucle ainsi mise en place n’étant pas référencées),
- calculer à partir des différentes valeurs Vl(t), V2(t), des valeurs d’impédance en fonction du temps, puis à partir de ces valeurs (étape 43), une valeur moyenne du module d’impédance sur ce laps de temps (étape 44), une valeur d’écart-type pendant ce laps de temps (étape 45) et une valeur de temps de stabilisation (étape non représentée),
- si la valeur moyenne est inférieure à un seuil, par exemple 2 Ohms dans le cas d’un contact Inox/Inox poli, et que le ratio écart-type sur valeur moyenne est supérieur à un autre seuil, par exemple 120%% (test 46), alors il est généré un message indiquant que le régime de lubrification est un régime mixte (étape 47). Ces seuils peuvent avantageusement être choisis en fonction de la charge axiale.
- si la valeur moyenne est supérieure à un seuil, par exemple 3 Ohms dans le cas d’un contact Inox/Inox poli, et que le ratio écart-type sur valeur moyenne est inférieur à un autre seuil, par exemple 60% (test 48), alors il est généré un message indiquant que le régime de lubrification est un régime hydrodynamique (étape 49). Ces seuils peuvent avantageusement être choisis en fonction de la charge axiale.
Bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 3, on peut ajuster la charge axiale ou un autre paramètre, et, en procédant par dichotomies, parvenir ainsi à un point de fonctionnement proche du minimum de la courbe de Srybeck.
Les mesures des figures 4A et 5A ont été effectuées en mélangeant à un lubrifiant Pfeiffer Oil P3 une poudre abrasive fournie par l’APPIE.
Les mesures des figures 4A à 5B ont été prises en statique.
En référence aux figures 4A et 4B, il ressort qu’en comparant une valeur de module d’impédance estimée à un seuil, de par exemple 10 Ohms, pour un signal appliqué continu ou de fréquence inférieure à 1 Mhz, on peut avoir une indication quant à la présence d’impuretés. Les valeurs des figures 4A et 4B, correspondant au cas d’un contact pollué par des particules abrasives du produit APPIE n°8, sont en effet largement supérieures à celles de la figure 4B, correspondant au cas d’un contact propre.
Les figures 5A et 5B montrent aussi que pour un signal appliqué avec une fréquence supérieure à 10 kHz, le signe de l’argument de l’impédance révèle aussi la présence d’impuretés.
Ces figures montrent que cette modification du comportement électrique de la garniture, selon que des impuretés sont présentes ou non, est en revanche moins affectée par des variations de la charge.
On pourra aussi prévoir d’effectuer une transformée en fréquence et de détecter d’éventuelles harmoniques de la fréquence de rotation de l’arbre.
Bien entendu, d’autres étapes peuvent être mises en œuvre, avec notamment des calculs d’autres indicateurs, des paramètres représentatifs de l’état de la garniture et notamment de ses éventuelles défaillances étant estimés en fonction de ces indicateurs.
Ce procédé de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture peut permettre de mieux caractériser l’état de la garniture, et d’adapter la maintenance, notamment les opérations de remplacement.
Claims (10)
- Revendications1. Procédé de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l’une de l’autre, dans lequel l’un des éléments de garniture est solidaire d’un arbre tournant autour d’un axe normal à sa surface plane, le procédé comprenant :a) commander (41) l’application d’un premier signal électrique au premier élément de garniture pendant un laps de temps,b) recevoir un deuxième signal électrique mesuré (42) au deuxième élément de garniture au cours de ce laps de temps,c) estimer (43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) à partir au moins du deuxième signal électrique au moins une valeur de paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture.
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, les étapes de commande et de mesure ayant été réalisées alors que l’arbre a une vitesse de rotation constante pendant le laps de temps, au cours de l’étape c), on estime à partir des premier et deuxième signaux correspondant uniquement à ce laps de temps une valeur de paramètre représentatif du régime de lubrification.
- 3. Procédé selon la revendication 2, comprenant calculer à partir du premier signal électrique et à partir du deuxième signal électrique une valeur d’écart-type d’impédance ou du module de l’impédance sur le laps de temps, et estimer la valeur du paramètre représentatif du régime de lubrification en fonction de cette valeur d’écart-type.
- 4. Procédé selon la revendication 3, comprenant dans lequel on calcule à partir du premier signal électrique et à partir du deuxième signal électrique une valeur moyenne d’impédance ou du module de l’impédance sur le laps de temps, et caractérisé en ce que l’estimation de la valeur du paramètre représentatif du régime de lubrification est effectuée en fonction d’un ratio entre la valeur d’écarttype et cette valeur moyenne.
- 5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre, les étapes de commande et de réception de valeurs mesurées étant été réalisées alors que l’arbre a une vitesse de rotation déterminée, effectuer une transformée en fréquences du deuxième signal, comparer à des seuils respectifs des valeurs dans le domaine fréquentiel correspondant aux harmoniques d’une fréquence correspondant à la vitesse de rotation, générer un message de signalement de défaut ponctuel en fonction des résultats de ces comparaisons.
- 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre, commander l’application d’un premier signal alternatif ayant une fréquence inférieure à 10 kHz, estimer une valeur d’impédance à partir de ce premier signal et à partir du deuxième signal correspondant, comparer une valeur de module de l’impédance estimée à un seuil, et en cas de dépassement de ce seuil, générer un message indiquant une présence vraisemblable d’impuretés.
- 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant commander l’application d’un premier signal alternatif ayant une fréquence supérieure à 10 kHz, estimer une valeur d’impédance à partir de ce premier signal et à partir du deuxième signal correspondant, si l’argument de cette valeur d’impédance est en deçà d’un seuil inférieur ou égal à zéro, générer un message indiquant une présence vraisemblable d’impuretés.
- 8. Produit programme d’ordinateur comprenant les instructions pour effectuer les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 lorsque ces instructions sont exécutées par un processeur.
- 9. Dispositif de surveillance (10) de l’état d’un dispositif de garniture mécanique, ce dispositif de garniture mécanique comprenant un premier et un deuxième éléments de garniture définissant chacun une surface plane en regard l’une de l’autre, dans lequel l’un des éléments de garniture est solidaire d’un arbre tournant autour d’un axe normal à la surface plane, le dispositif de surveillance comprenant :- des moyens de transmission pour commander l’application d’un premier signal électrique au premier élément de garniture pendant un laps de temps,- des moyens de réception pour recevoir un deuxième signal électrique mesuré au deuxième élément de garniture au cours de ce laps de temps,- des moyens de traitement pour estimer à partir au moins du deuxième signal électrique au moins une valeur de paramètre représentatif de l’état du dispositif de garniture.
- 10. Système de surveillance de l’état d’un dispositif de garniture mécanique, comprenant le dispositif de surveillance (10) selon la revendication 9, des moyens de raccordement électrique (8) au premier élément de garniture, et des moyens de raccordement électrique (9) au deuxième élément de garniture.,,/ ,/,Χ f Τι ΑΐΗ Zs-lC ν / f /7v-, .-·«’/ if; '.«» SA iiîu υ % «'tu.: m<x *i '' ί<·4 Jfti p, IW.wtti?f;,u7» Ç »’ s - Vf flCf Af <L'^‘ ‘V* ’ » ;l^^eeeM»l!e^e«e^5!pee*fWSWWaBei|!BeWRe*W
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