FR3087241A1 - Estimation de fiabilite de piece mecanique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de maintenance (1) d'un dispositif de transmission (2) et/ou d'adaptation de puissance tel qu'une boîte de vitesses, le dispositif de transmission (2) étant configuré pour transmettre une puissance mécanique d'un élément moteur (3) à un élément récepteur (4), le procédé de maintenance (1) comprenant une méthode d'estimation du vieillissement (5) d'au moins une pièce (6) comprise dans le dispositif de transmission (2), la pièce étant exposée à des contraintes mécaniques dont des variations sont causées par au moins un paramètre d'influence, la méthode d'estimation (5) comprenant les étapes de : □ Estimation d'une distribution de probabilité (53) d'apparition de chaque paramètre d'influence des contraintes subies par la pièce (6) étudiée ; □ Modélisation de l'endommagement (54) subi par la pièce (6) étudiée, au cours de laquelle est produit un modèle de fonctionnement du dispositif de transmission (2) configuré pour simuler les efforts du dispositif de transmission (2) et estimer leurs effets sur le vieillissement des pièces (6) ; □ Estimation d'une durée de vie (55) restante de la pièce (6) étudiée ; le procédé de maintenance (1) comportant en outre une étape de remplacement (7) de la pièce (6) lorsque la durée de vie restante de la pièce (6) atteint un seuil prédéfini.
Description
ESTIMATION DE FIABILITE DE PIECE MECANIQUE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
L’invention concerne le domaine général des éléments d’adaptation de puissance mécanique.
Plus précisément, l’invention concerne le domaine de l’estimation de la fiabilité de pièces transmettant une puissance mécanique, appliqués notamment à des dispositifs de transmission et/ou d’adaptation de puissance à engrenages, par exemple à des dispositifs d’adaptation de puissance de moteurs d’aéronefs.
Classiquement, les dispositifs d’adaptation de puissance comprennent au moins un arbre d’entrée transmettant une puissance mécanique à un arbre de sortie par l’intermédiaire d’un ou plusieurs engrenages.
Les engrenages sont classiquement dimensionnés en fonction des efforts qui leur seront appliqués au cours du fonctionnement du dispositif d’adaptation de puissance, et notamment en fonction des couples qui leur sont appliqués.
Le dimensionnement des engrenages permet notamment d’adapter leur durée de vie estimée de manière à assurer la fiabilité du dispositif d’adaptation de puissance, et/ou d’optimiser la maintenance du dispositif.
Cependant, le dépassement des couples pour lesquels les engrenages ont été dimensionnés au cours du fonctionnement du dispositif entraînent une dégradation de la durée de vie desdits engrenages, et dégradent la fiabilité du dispositif.
Le couple appliqué aux pièces peut notamment varier en fonction de différents facteurs :
- l’utilisation du moteur,
- la mesure de couple,
- l’évolution (vieillissement, endommagement, changement) de la mesure de couple,
- l’évolution du système de régulation du couple (dérive, endommagement)
- des conditions externes au moteur (facteur de charge).
Il est donc nécessaire de prendre en compte tous les contributeurs au couple subi par une ou plusieurs pièces tout au long de leur vie afin de quantifier une loi des instants de rupture desdites pièces la plus précise possible.
Cependant, au vu de la multiplicité des scénarii potentiels et des facteurs influençant le vieillissement des pièces, la mise au point d’un modèle préventif fiable est complexe.
De plus, en fonction de la complexité des modèles proposés, les simulations engendrent des temps de calculs importants qui ralentissent les opérations de maintenance et engendrent des coûts supplémentaires.
Il est cependant nécessaire d’estimer la durée de vie de tels systèmes de transmission ou d’adaptation de puissance le plus fidèlement possible, de manière à assurer leur fonctionnement et la fiabilité des appareils sur lesquels de tels systèmes sont installés, tout en limitant les opérations de maintenance non nécessaires.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTION
Un but de l’invention est d’optimiser la maintenance de pièces soumises à des sollicitations mécaniques, notamment en minimisant les opérations de maintenance entraînant un changement de pièces tout en améliorant la fiabilité des dispositifs de transmission.
Un autre but de l’invention est de modéliser statistiquement le vieillissement d’une pièce.
Un autre but de l’invention est de minimiser la complexité du modèle, et de minimiser le temps de calcul des simulations.
Un autre but est de permettre un dimensionnement mieux adapté de pièces.
A cet effet, l’invention propose un procédé de maintenance d’un dispositif de transmission et/ou d’adaptation de puissance tel qu’une boîte de vitesses, le dispositif de transmission étant configuré pour transmettre une puissance mécanique d’un élément moteur à un élément récepteur, le procédé de maintenance comprenant une méthode d’estimation du vieillissement d’au moins une pièce comprise dans le dispositif de transmission, la pièce étant exposée à des contraintes mécaniques, les contraintes mécaniques subissant des variations causées par au moins un paramètre d’influence, la méthode d’estimation (5) comprenant les étapes de :
- Estimation d’une distribution de probabilité d’apparition de chaque paramètre d’influence des contraintes subies par la pièce étudiée ;
- Modélisation de l’endommagement subi par la pièce étudiée, de manière à produire un modèle de fonctionnement du dispositif de transmission (2) configuré pour simuler les efforts du dispositif de transmission et estimer les effets des efforts sur le vieillissement des pièces ;
- Estimation d’une durée de vie de la pièce étudiée ;
le procédé de maintenance comportant en outre une étape de remplacement de la pièce lorsque la durée de vie restante de la pièce atteint un seuil prédéfini.
Avantageusement, l’invention peut être complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le procédé comprend en outre une étape d’identification d’au moins une phase de fonctionnement du dispositif de transmission ;
- les phases de fonctionnement identifiées au cours de l’étape d’identification d’au moins une phase de fonctionnement comprennent un mode de fonctionnement normal et un mode de fonctionnement dégradé ;
- le procédé comprend en outre une étape d’identification d’au moins un paramètre d’influence des contraintes mécaniques subies par la pièce au cours de chaque phase de fonctionnement ;
- le dispositif de transmission est surveillé au moyen d’un module de mesure comprenant :
o une unité de mesure de vitesse de rotation configurée pour mesurer un régime de fonctionnement du dispositif de transmission, o une unité de mesure de couple configurée pour mesurer un couple du dispositif de transmission, et dans lequel l’élément moteur est commandé au moyen d’une boucle de régulation, et dans lequel les paramètres d’influence des contraintes en fonctionnement normal comprennent :
o un régime de fonctionnement de la pièce, o une erreur de mesure de l’unité de mesure de couple, o une réponse dynamique de la boucle de régulation et o des oscillations de couple appliqué à la pièce ;
- l’étape d’identification des paramètres d’influence comprend une étape d’analyse de panne configurée pour caractériser des paramètres d’influence des contraintes en mode de fonctionnement dégradé ;
- l’étape de modélisation de l’endommagement subi par la pièce comprend une estimation du vieillissement de la pièce étudiée et une estimation du vieillissement du module de mesures ;
- le modèle de fonctionnement est configuré pour permettre de simuler les efforts appliqués à chacune des pièces du dispositif de transmission en fonction de phases de fonctionnement, de paramètres d’influence des contraintes, des distributions de probabilité respectives des paramètres d’influence et de l’endommagement de la pièce ;
- le modèle de fonctionnement est en outre configuré pour être renseigné avec des données de l’historique de fonctionnement d’un dispositif de transmission en situation d’exploitation, la simulation du modèle de fonctionnement renseigné permettant ainsi d’estimer la durée de vie restante de la pièce du dispositif de transmission en fonction des événements réellement subis par la pièce ;
- l’étape d’estimation d’une durée de vie comprend une pluralité d’étapes de simulation du vieillissement du dispositif de transmission sont mises en œuvre de manière à estimer une distribution de probabilité des instants de rupture de la pièce ;
- la méthode d’estimation est mise en œuvre au moyen d’un dispositif de maintenance comportant au moins un processeur et une mémoire comportant des données de code configurées pour, lorsqu’elles sont être traitées par le processeur, permettre la mise en œuvre du procédé de maintenance.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un produit programme d'ordinateur comportant des données de code configurées pour, lorsqu'elles sont être traitées par un processeur, permettre la mise en œuvre d'un procédé de maintenance selon l'invention.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de conception d’une pièce d’un dispositif de transmission tel qu’une boîte de vitesses, dans lequel le procédé de conception comprend une méthode d’estimation du vieillissement d’au moins une pièce comprise dans le dispositif de transmission, la pièce étant exposée à des contraintes mécaniques, les contraintes mécaniques subissant des variations causées par au moins un paramètre d’influence, la méthode d’estimation comprenant les étapes de :
Estimation d’une distribution de probabilité d’apparition d’au moins un paramètre d’influence des contraintes subies par la pièce étudiée ;
Modélisation de l’endommagement subi par la pièce étudiée, au cours de laquelle est produit un modèle de fonctionnement du dispositif de transmission configuré pour simuler les efforts du dispositif de transmission et estimer leurs effets sur le vieillissement des pièces ;
Estimation d’une durée de vie de la pièce étudiée, dans laquelle au moins une étape de simulation du vieillissement du dispositif de transmission est mise en œuvre, l’étape de simulation du vieillissement étant configurée pour établir une pluralité de niveaux de contraintes subies par la pièce et estimer une distribution de la durée d’exposition de la pièce à au moins un niveau de contraintes au cours de la durée de vie de la pièce ;
le procédé de conception comprenant en outre une étape de dimensionnement de la pièce de telle manière que la pièce présente un seuil de contraintes admissible configuré pour limiter le vieillissement de la pièce en fonction de la distribution de la durée d’exposition de la pièce au niveau de contraintes.
Optionnellement mais avantageusement, un tel procédé de conception peut être mis en œuvre au moyen d’un dispositif de conception comportant au moins un processeur et une mémoire comportant des données de code configurées pour permettre la mise en œuvre du procédé de conception lorsque les données de code sont traitées par le processeur.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
la figure 1 est une représentation schématique des étapes de réalisation d’une méthode d’estimation de vieillissement conforme à l’invention ;
la figure 2 est une représentation schématique d’un ensemble comportant un moteur, un récepteur et un dispositif de transmission conforme à l’invention ;
la figure 3 est un schéma logique représentant un algorithme d’estimation de l’endommagement d’une pièce conforme à l’invention.
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION
L’invention s’applique à un procédé de maintenance 1 d’un dispositif de transmission 2 et/ou d’adaptation de puissance tel qu’une boîte de vitesses, le dispositif de transmission 2 étant configuré pour transmettre une puissance mécanique d’un élément moteur 3 à un élément récepteur 4.
L’invention peut notamment s’appliquer à une boîte à engrenages de moteur d’aéronef, ou encore une boîte de vitesse de machine industrielle ou de moteur.
Le procédé de maintenance 1 comprend une méthode d’estimation 5 du vieillissement d’au moins une pièce 6 comprise dans le dispositif de transmission 2 et transmettant une puissance mécanique, la méthode d’estimation 5, représentée en figure 1, comprenant les étapes de :
- Identification d’au moins une phase de fonctionnement 51 du dispositif de transmission 2,
- Identification des paramètres d’influence 52 des contraintes mécaniques subies par la pièce 6 en fonction de différentes phases de fonctionnement,
- Estimation des distributions statistiques 53 des paramètres d’influence des contraintes subies par la pièce 6,
- Modélisation de l’endommagement 54 subi par la pièce 6,
- Estimation de la durée de vie 55 de la pièce 6, le procédé de maintenance 1 comportant en outre une étape de remplacement 7 de la pièce 6 lorsque la durée de vie restante de la pièce 6 atteint un seuil prédéterminé.
Une telle méthode d’estimation 5 permet d’affiner l’estimation de la durée de vie des pièces 6, et ainsi d’améliorer la fiabilité d’une flotte de dispositifs de transmission 2.
Cela permet à la fois d’éviter la dégradation des pièces 6 due à une usure prématurée en raison d’efforts subis pour lesquels les pièces 6 ne sont pas dimensionnées, tout en diminuant les marges de sécurité accordées à la durée de vie des pièces 6.
Les opérations de maintenance entraînant un changement de pièce 6 peuvent ainsi être plus espacées, et le coût de maintien en conditions opérationnelles du dispositif de transmission 2 s’en trouve réduit.
Il est également possible d’effectuer une maintenance préventive en remplaçant la pièce 6 avant la date initialement prévue lorsqu’un événement survenu au cours du fonctionnement entraîne une diminution accélérée de son espérance de vie.
Cela permet également de fournir des informations supplémentaires permettant de dimensionner les pièces 6 avec plus de précision.
Les étapes de la méthode d’estimation 5 peuvent ne pas être effectuées consécutivement.
Ainsi, la réalisation des étapes d’identification des paramètres d’influence
52, d’estimation des distributions statistiques 53 et d’estimation de l’endommagement 54 peuvent être réalisées en parallèle, de manière à réduire le temps de cycle de la méthode d’estimation 5.
L’invention s’applique notamment à un ensemble comprenant un moteur 3 et un récepteur 4 entraîné en rotation par le moteur 3 par l’intermédiaire du dispositif de transmission 2, tel qu’illustré en figure 2.
Le moteur 3 peut être commandé au moyen d’une boucle de régulation 10, et peut également être asservi au moyen d’un module de mesures 11 comportant :
- une unité de mesure de vitesse de rotation 12 apte à mesurer le régime de rotation du moteur 3 et/ou d’un des éléments du dispositif de transmission 2, de manière à en déduire le régime de fonctionnement de la pièce 6 étudiée,
- une unité de mesure de couple 13 apte à mesurer le couple moteur 3 et/ou le couple auquel est soumis la pièce 6 étudiée.
Avantageusement, l’unité de mesure de couple 13 est équipée d’au moins deux capteurs de manière à former au moins deux voies de mesure, ce qui permet d’améliorer la précision de mesure de couple et d’intégrer les erreurs de mesure à l’identification des paramètres d’influence 52, comme détaillé ci-après.
Identification de phases de fonctionnement
Il est entendu par phase de fonctionnement un mode de fonctionnement identifiable et caractéristique de l’appareil.
Par exemple, dans le cadre d’une turbine/pompe équipée dans une structure de récupération/stockage d’énergie, il est possible de distinguer une phase de fonctionnement dans lequel la turbine/pompe travaille en mode récupération d’énergie et une deuxième phase de fonctionnement dans laquelle la turbine/pompe travaille en mode motrice.
Dans un autre exemple, dans le cadre d’une turbomachine équipée sur un aéronef, il est possible de distinguer une phase de fonctionnement à vitesse sensiblement constante, en vol de croisière, ou encore un mode de fonctionnement lors du décollage ou de l’atterrissage.
Dans le mode de réalisation illustré, l’étape d’identification de phases de fonctionnement 51 est configurée pour identifier une phase de fonctionnement nominale, caractéristique d’un comportement normal du dispositif de transmission 2, et un mode de fonctionnement dégradé, caractéristique d’une panne mécanique dans le dispositif de transmission 2.
Les phases de fonctionnement sont ici choisies car elles sont identifiées comme étant les phases de fonctionnement au cours desquelles les pièces 6 du dispositif de transmission 2 au cours desquelles les pièces sont les plus chargées, ces modes de fonctionnement étant donc les modes les plus représentatifs de l’usure des pièces 6.
En variante, il est possible d’identifier d’autres phases de fonctionnement.
Identification des paramètres d’influence
L’étape d’identification des paramètres d’influence 52 est mise en œuvre de manière à identifier les paramètres d’influence des contraintes subies par la pièce 6 dans différents modes de fonctionnement du dispositif de transmission 2.
Dans le mode de réalisation décrit, la pièce 6 est un élément de transmission de puissance d’un dispositif de transmission 2 tel qu’une boîte de vitesse. La pièce 6 est donc soumise à un couple, et est entraînée en rotation autour d’un axe autour duquel elle s’étend.
Les contraintes subies par la pièce 6 sont donc directement liées au couple auquel la pièce 6 est soumise.
Il est entendu ici par paramètre d’influence les facteurs qui vont potentiellement faire varier le couple appliqué à la pièce 6.
Dans le mode de réalisation décrit, les paramètres d’influence identifiés sont ceux ayant lieu au cours des phases de fonctionnement identifiées lors d’une étape d’identification de phases de fonctionnement 51, dans l’exemple une phase de fonctionnement nominal et une phase de fonctionnement dégradé.
En variante, il est possible de modéliser le fonctionnement en intégrant un nombre supérieur de phases de fonctionnement identifiées, en fonction de l’utilisation du dispositif de transmission 2, et d’identifier les paramètres d’influence respectifs de chacune des phases de fonctionnement.
Phase de fonctionnement nominal
En phase de fonctionnement nominal, les paramètres d’influence des contraintes mécaniques subies par la pièce 6 comprennent :
- le régime de fonctionnement du dispositif de transmission 2,
- l’erreur de mesure du couple appliqué à la pièce 6,
- la réponse dynamique de la boucle de régulation 10 du moteur 3 et
- les oscillations de couple.
Le régime de fonctionnement de la pièce 6 est mesuré soit directement par l’unité de mesure de vitesse de rotation 12, soit estimé en fonction d’une mesure réalisée par l’unité de mesure de vitesse de rotation 12.
L’estimation de l’erreur de mesure de couple est notamment permise par l’utilisation d’au moins deux voies de mesure dans l’unité de mesure du couple 13.
En effet, ici le couple est mesuré par deux capteurs. Cette mesure comporte une erreur systématique qui est quantifiée lorsque le moteur 3 passe au banc d’essai avant d’être monté sur un avion, notamment au moyen d’un essai de réception appelé « Pass Off Test ».
Lors de ces tests, la valeur réelle du couple est connue et on évalue alors l’erreur de mesure des deux capteurs.
En fonctionnement nominal, la valeur du couple retenue et qui sera utilisée pour les lois de régulation du moteur 3 est la moyenne des deux voies de mesure.
L’erreur dynamique de la boucle de régulation 10 du moteur 3 est classiquement estimée en modélisant la boucle d’asservissement du moteur 3, selon des méthodes connues en automatique, en fonction de l’ordre de la boucle de régulation 10 et de la consigne du moteur 3.
Le dispositif de transmission 2, et donc les pièces 6, peuvent être soumises à des oscillations de couple provenant de la machine sur laquelle le dispositif de transmission est installé.
Des mesures effectuées sur le système complet permettent d’établir une distribution de probabilité de ces oscillations et cette distribution peut être utilisée dans la modélisation.
Dans le mode de réalisation dans lequel un dispositif de transmission 2 est installé sur un moteur d’avion, les oscillations sont corrélées principalement aux vibrations subies par le moteur ainsi qu’à son installation sur l’avion.
Pour caractériser ces oscillations, on utilise les résultats d’essais. Par ailleurs, connaissant la distribution des vibrations sur la vie de l’avion (fournie par l’avionneur) et le lien entre celles-ci et les oscillations de couple, il est alors possible d’estimer le temps passé dans chaque niveau d’oscillation de couple.
En pondérant ce temps passé dans chaque niveau d’oscillation de couple par la durée de vie de l’avion, on obtient alors une distribution des oscillations de couple que vont subir les pièces 6 étudiées.
Pour chaque vol, la distribution d’oscillations de couple permet de simuler l’oscillation de couple à ajouter au couple maximal commandé.
Phase de fonctionnement dégradé
En cas de panne, d’autres paramètres d’influence du couple subi par la pièce 6 sont pris en compte.
En cas de perte d’une voie de mesure, la valeur du couple mesuré n’est issue que d’une seule voie, et dans ce cas, plusieurs cas de figure sont à prendre en compte, en fonction de la surestimation ou sous-estimation de la valeur réelle du couple par la voie perdue.
Une panne de certains composants peut aussi engendrer des pics de couple qui seront subis par la pièce 6.
Une étape supplémentaire d’analyse de panne est alors réalisée afin de considérer tous les paramètres d’influence du couple subi par les pièces 6.
De telles analyses de pannes sont décrites dans la littérature, notamment dans les œuvres suivantes :
- Armel Doyer Septembre 2012, « How Bearing Design Improves Gearbox Performance ».
Bill Bradley Juillet 2009, « An International Wind Turbine Gearbox Standard ».
- Jane Muller et Robert Errichello Septembre 2013, « How to Inspect a Gearbox ».
- Pattabiraman Trichy Ramakrishnan, « Gearbox Fault Analysis by Sideband Energy Ratio Technique: A Practical Insight into Gear Health Monioring and Fault Diagnosis ».
- R. J. Drago Juin 2009, « The Effect of Start-Up Load Conditions on Gearbox Performance and Life Failure Analysis, With Supporting Case Study ».
- Travis Histed and Chad Glinsky, Romax Technology, Inc Juin 2017, « Wind Turbine Gearbox Reliability ».
Estimation des distributions statistiques
Lorsque le modèle de fonctionnement du dispositif de transmission 2 est établi, et notamment lorsque le modèle de contraintes appliquées à la pièce 6 permet de simuler et d’estimer le couple subi par les pièces 6 étudiées, les distributions de probabilité respectives des différents paramètres d’influence identifiés sont ensuite caractérisées, pour chacune des phases de fonctionnement.
Chaque paramètre d’influence se voit ainsi attribuer une distribution de probabilité propre.
La distribution de probabilité des erreurs de mesure est notamment élaborée au cours des essais de réception.
La distribution de probabilité des oscillations de couple est déduite de la distribution de probabilité des vibrations fournies par l’avionneur.
Modélisation de l’endommagement
L’endommagement des pièces 6 est classiquement calculé par un algorithme donné par le concepteur des pièces 6 qui intègre le niveau de couple et le temps d’exposition aux couples correspondant excédant le seuil maximum de couple admissible spécifié par le concepteur.
Ainsi, un compteur d’endommagement est mis en place, représentant le cumul des endommagements calculés à chaque vol.
L’endommagement des pièces 6 a notamment lieu lorsque le seuil admissible de couple subi par les pièces 6 est dépassé.
Le couple global appliqué aux pièces 6 correspond à une somme du couple maximal commandé, des erreurs de mesure du couple, des oscillations de couple et des paramètres d’influence en mode de fonctionnement dégradé.
La durée de vie des pièces 6 est configurée pour un nombre de vols prédéfini, pouvant correspondre par exemple à la durée de vie du moteur 3 ou de l’avion.
Pour chaque paramètre d’influence du couple, une distribution est estimée donnant l’état de fonctionnement du paramètre d’influence à un instant donné.
Les valeurs obtenues pour les différents paramètres d’influences sont sommées et fournissent l’estimation du couple subi par les pièces 6.
Si le couple estimé est inférieur au seuil admissible par les pièces 6 pour chacune des phases de fonctionnement, l’endommagement de la pièce 6 reste inchangé.
En revanche, si au moins l’une des phases de fonctionnement présente une valeur de couple supérieure au seuil admissible par la pièce 6 alors l’endommagement subi sur la phase de fonctionnement concernée sera sommé à l’endommagement cumulé depuis l’entrée en service de la pièce 6.
Lorsque l’endommagement cumulé de la pièce 6 atteint un seuil prédéfini, la pièce 6 sera considérée comme rompue et sera donc remplacée par une autre pièce 6 de même définition qui va à son tour cumuler un endommagement tout au long du reste de la durée de vie du moteur 3.
Tant que la pièce 6 n’a pas atteint son seuil d’endommagement et que la durée de vie du moteur 3 n’a pas été atteinte, la pièce 6 reste en fonctionnement.
En cas de changement d’une pièce 6, son endommagement cumulé est réinitialisé à zéro.
Le cumul de l’endommagement peut être calculé simultanément sur plusieurs équipements comportant chacun un seuil propre de cumul de l’endommagement.
Afin d’estimer au mieux les erreurs de mesure de couple, il est également nécessaire de prendre en compte l’endommagement du module de mesures 11.
Lorsque les capteurs sont sujets à une opération de maintenance, celle-ci peut générer une modification de la distribution d’erreur des capteurs.
De manière générale, les essais montrent que lorsqu’une maintenance est appliquée sur les capteurs, ceci vient ajouter une erreur de mesure uniforme entre [-K Nm ; K Nm].
L’attribution d’une nouvelle distribution et le suivi de l’état de vieillissement des capteurs permet ainsi d’estimer plus précisément les erreurs de mesure et permet de modéliser les variations de couple avec une meilleure précision.
Un mode de réalisation de l’estimation de l’endommagement d’une pièce peut être représenté sous forme d’un schéma logique représenté en figure 3.
Un indice d’endommagement cumulé Di est assigné à chaque pièce 6.
Dans un mode de réalisation, l’indice d’endommagement cumulé Di est un compteur d’endommagement que l’on peut exprimer comme une somme.
Di = Xif(ti,Ci), dans laquelle 6 est le temps passé au-dessus du seuil de couple spécifié et q le niveau de couple au-dessus du seuil de couple spécifié.
Lorsque la pièce 6 est neuve (configuration initiale), la valeur de l’indice d’endommagement cumulé Di est de zéro.
Une pièce 6 est dimensionnée pour avoir une espérance de vie nominale de N vols.
Pour chaque vol i, les contraintes appliquées à la pièce 6 au cours du vol sont estimées et comparées au seuil de contraintes admissible par la pièce 6.
Si les contraintes sont inférieures au seuil, la pièce 6 est considérée comme n’ayant pas subi d’endommagement. L’indice d’endommagement cumulé Di de la pièce 6 sera le même après le vol i.
Au bout de N vols, si la pièce 6 (ici un pignon) n’est pas rompue, elle est remplacée et son âge (nombre de cycles ou de vols) est relevé.
Si les contraintes sont supérieures au seuil, l’endommagement subi par la pièce 6 au cours du vol est associée à une valeur d’indice qui est ajoutée à l’indice d’endommagement cumulé Di de la pièce 6.
Lorsque l’indice d’endommagement cumulé Di atteint une valeur de 1, ou au bout de N vols, l’âge de la pièce 6 est relevé et la pièce 6 est remplacée.
En cas de rupture de la pièce 6, ou si l’indice d’endommagement cumulé Di atteint une valeur de 1 avant d’atteindre sa durée de vie nominale de N vols, son âge au moment de la rupture est relevé et la pièce 6 est remplacée.
Estimation de la durée de vie de la pièce
Le dispositif de transmission 2 est modélisé en fonction des pièces 6 qu’il comporte et du ou des modules de mesures 10.
Les paramètres d’influence du couple, les distributions de probabilité respectives des paramètres d’influence et les algorithmes d’endommagement sont intégrés au modèle du dispositif de transmission 2.
Le vieillissement du dispositif de transmission 2 est simulé plusieurs fois.
Avantageusement, la simulation du vieillissement du dispositif de transmission 2 est effectuée en suivant une méthode de Monte-Carlo.
Au cours des différentes simulations, les événements aléatoires générés par les distributions de probabilités des sources d’endommagement, ou paramètres d’influence, entraînent des résultats non uniformes concernant les durées de vie respectives de la pièce 6 ou des différentes pièces 6 étudiées.
Ces simulations permettent d’établir une distribution des instants de rupture des pièces 6 du dispositif de transmission 2, ce qui permet d’établir une durée de vie probable des différentes pièces 6 en fonction du vieillissement du dispositif de transmission 2.
En fonction des instants de rupture estimés des différentes pièces 6 du dispositif de transmission 2, il est possible d’établir un calendrier d’interventions de maintenance destinées à remplacer une ou plusieurs pièces 6 lorsque leur limite de durée de vie est atteinte.
De telles simulations permettent ainsi d’améliorer la fiabilité d’un parc de machines équipées de dispositifs de transmission.
En effet, un très grand nombre de simulations de Monte-Carlo permet d’obtenir un nombre aussi important de résultats différents et d’en déduire des tendances plus représentatives de la durée de vie moyenne des pièces 6 en cas de fonctionnement réel.
Lorsque la pièce est sous-dimensionnée, cela permet notamment d’anticiper sur son instant de rupture en mettant en place une opération de remplacement de la pièce.
Optionnellement, de telles simulations peuvent permettre d’estimer les contraintes réelles subies par les pièces 6 de manière à dimensionner le couple admissible par les pièces 6.
Un procédé de conception d’une ou plusieurs pièces 6 peut ainsi intégrer une étape de simulation du vieillissement du dispositif de transmission 2 configurée pour établir un ou plusieurs niveaux de contraintes subies par la pièce 6, et estimer une distribution de la durée d’exposition de la pièce 6 aux différents niveaux de contraintes identifiés, et ce au cours de la durée de vie de la pièce 6.
Le dimensionnement de la pièce 6 peut ensuite telle manière que la pièce 6 présente un seuil de contraintes admissible configuré pour limiter le vieillissement de la pièce 6 en fonction de la distribution de la durée d’exposition de la pièce 6 aux niveaux de contraintes.
Un très grand nombre de simulations permet en effet de simuler de manière fiable les contraintes potentiellement subies par une pièce 6 au cours de sa vie.
De telles simulations probabilistes permettent notamment de simuler des essais d’études sans avoir à les réaliser physiquement, ce qui limite fortement le coût et la durée de ces études.
Les résultats de simulations peuvent être utilisés afin de dimensionner le seuil de contraintes admissible par la pièce 6 de manière à optimiser sa durée de vie.
Cela peut permettre d’augmenter la durée de vie des pièces 6 et d’améliorer leur fiabilité, et/ou de synchroniser les dates de rupture de différentes pièces de manière à optimiser la maintenance, ou encore de dimensionner la pièce 6 en fonction du meilleur compromis durée de vie/performances.
Optionnellement, au cours de la durée de vie du dispositif de transmission 2, des simulations peuvent être effectuées lors des opérations de maintenance, en implémentant dans le modèle les événements s’étant déroulés au cours de la vie du dispositif de transmission 2.
Cela permet ainsi, pour chaque dispositif de transmission 2, en fonction de ses données de fonctionnement et de maintenance, d’estimer la durée de vie restante de chacun de ses composants et d’optimiser les interventions de maintenance à réaliser.
Avantageusement, la méthode d’estimation 5 est réalisée au moyen d’un dispositif de maintenance comportant au moins un processeur et une mémoire comportant des données de code configurées pour permettre la mise en œuvre du procédé de maintenance 1, lorsqu’elles sont être traitées par le processeur.
Exemples d’application
Dans un mode de réalisation, dix simulations de Monte Carlo sur la vie complète d’un moteur d’avion disposant d’un dispositif de transmission 2, ici une boite d’engrenage avec les pièces 6 étudiés, ici des pignons, sont réalisées, optionnellement en parallèle.
Chaque simulation de Monte Carlo simule le vieillissement de 105 vies complètes d’un moteur.
Le premier résultat de la simulation de Monte Carlo est un paramètre λ d’une loi exponentielle représentant la loi des instants de rupture des pignons.
Les densités de probabilité obtenues des instants de rupture des pièces en fonction du temps de fonctionnement en heures, sont très similaires d’une simulation de Monte Carlo à une autre, grâce au nombre de simulations de Monte Carlo, fixé à 105 simulations.
Cette distribution permet de calculer le taux de défaillance pour un événement redouté pouvant impacter la sécurité de l’avion, et ainsi décider d’actions éventuelles sur les moteurs en flotte, comme le changement prématuré des pignons ou la mise en place d’inspections pour contrôler l’état des pignons.
Le deuxième résultat de cette simulation de Monte Carlo est un spectre de couple. Il s’agit du temps (en heures) moyen passé dans les différents niveaux de couple tout au long de la vie du moteur.
Cette distribution peut être utilisée par exemple pour dimensionner un nouveau pignon.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Procédé de maintenance (1) d’un dispositif de transmission (2) et/ou d’adaptation de puissance tel qu’une boîte de vitesses, le dispositif de transmission (2) étant configuré pour transmettre une puissance mécanique d’un élément moteur (3) à un élément récepteur (4), le procédé de maintenance (1) comprenant une méthode d’estimation du vieillissement (5) d’au moins une pièce (6) comprise dans le dispositif de transmission (2), la pièce étant exposée à des contraintes mécaniques, les contraintes mécaniques subissant des variations causées par au moins un paramètre d’influence, la méthode d’estimation (5) comprenant les étapes de :- Estimation d’une distribution de probabilité (53) d’apparition de chaque paramètre d’influence des contraintes subies par la pièce (6) étudiée ;- Modélisation de l’endommagement (54) subi par la pièce (6) étudiée, de manière à produire un modèle de fonctionnement du dispositif de transmission (2) configuré pour simuler les efforts du dispositif de transmission (2) et estimer les effets des efforts sur le vieillissement des pièces (6) ;- Estimation d’une durée de vie (55) de la pièce (6) étudiée ;le procédé de maintenance (1) comportant en outre une étape de remplacement (7) de la pièce (6) lorsque la durée de vie restante de la pièce (6) atteint un seuil prédéfini.
- 2. Procédé de maintenance selon la revendication 1, dans lequel le procédé comprend en outre une étape d'identification d'au moins une phase de fonctionnement (51) du dispositif de transmission (2).
- 3. Procédé de maintenance (1 ) selon la revendication 2, dans lequel les phases de fonctionnement identifiées au cours de l’étape d’identification d’au moins une phase de fonctionnement (51) comprennent un mode de fonctionnement normal et un mode de fonctionnement dégradé.
- 4. Procédé de maintenance selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend en outre une étape d’identification d’au moins un paramètre d’influence (52) des contraintes mécaniques subies par la pièce (6) au cours de chaque phase de fonctionnement.
- 5. Procédé de maintenance selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de transmission (2) est surveillé au moyen d’un module de mesure (11) comprenant :une unité de mesure de vitesse de rotation (12) configurée pour mesurer un régime de fonctionnement du dispositif de transmission (2), une unité de mesure de couple (13) configurée pour mesurer un couple du dispositif de transmission (2), et dans lequel l’élément moteur (3) est commandé au moyen d’une boucle de régulation (10), et dans lequel les paramètres d’influence des contraintes en fonctionnement normal comprennent :- un régime de fonctionnement de la pièce (6),- une erreur de mesure de l’unité de mesure de couple (13),- une réponse dynamique de la boucle de régulation (10) et- des oscillations de couple appliqué à la pièce (6).
- 6. Procédé de maintenance (1) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel l’étape d’identification des paramètres d’influence (52) comprend une étape d’analyse de panne configurée pour caractériser des paramètres d’influence des contraintes en mode de fonctionnement dégradé.
- 7. Procédé de maintenance (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape de modélisation de l’endommagement (54) subi par la pièce (6) comprend une estimation du vieillissement de la pièce (6) étudiée et une estimation du vieillissement du module de mesures (11).
- 8. Procédé de maintenance (1) selon la revendication 1 à 7, dans lequel le modèle de fonctionnement est configuré pour permettre de simuler les efforts appliqués à chacune des pièces (6) du dispositif de transmission (2) en fonction de phases de fonctionnement, de paramètres d’influence des contraintes, des distributions de probabilité respectives des paramètres d’influence et de l’endommagement de la pièce (6).
- 9. Procédé de maintenance (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le modèle de fonctionnement est en outre configuré pour être renseigné avec des données de l'historique de fonctionnement d'un dispositif de transmission (2) en situation d'exploitation, la simulation du modèle de fonctionnement renseigné permettant ainsi d'estimer la durée de vie restante de la pièce (6) du dispositif de transmission (2) en fonction des événements réellement subis par la pièce (6).
- 10. Procédé de maintenance (1) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'étape d'estimation d'une durée de vie (55) comprend une pluralité d'étapes de simulation du vieillissement du dispositif de transmission (2) mises en œuvre de manière à estimer une distribution de probabilité des instants de rupture de la pièce (6).
- 11. Procédé de maintenance (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la méthode d'estimation (5) est mise en œuvre au moyen d'un dispositif de maintenance comportant au moins un processeur et une mémoire comportant des données de code configurées pour permettre la mise en œuvre du procédé de maintenance lorsque les données de code sont traitées par le processeur.
- 12. Produit programme d'ordinateur comportant des données de code configurées pour, lorsqu'elles sont être traitées par un processeur, permettre la mise en œuvre d'un procédé de maintenance 1 selon l'une des revendications 1 à 11.
- 13. Procédé de conception d'une pièce (6) d'un dispositif de transmission (2) tel qu'une boîte de vitesses, dans lequel le procédé de conception comprend une méthode d'estimation du vieillissement (5) d'au moins une pièce (6) comprise dans le dispositif de transmission (2), la pièce étant exposée à des contraintes mécaniques, les contraintes mécaniques subissant des variations causées par au moins un paramètre d'influence, la méthode d'estimation (5) comprenant les étapes de :- Estimation d'une distribution de probabilité (53) d'apparition d'au moins un paramètre d'influence des contraintes subies par la pièce (6) étudiée ;- Modélisation de l'endommagement (54) subi par la pièce (6) étudiée, au cours de laquelle est produit un modèle de fonctionnement du dispositif de transmission (2) configuré pour simuler les efforts du dispositif de transmission (2) et estimer leurs effets sur le vieillissement des pièces (6) ;- Estimation d'une durée de vie (55) de la pièce (6) étudiée, dans laquelle au moins une étape de simulation du vieillissement du dispositif de transmission (2) est mise en œuvre, l'étape de simulation du vieillissement étant configurée pour établir une pluralité de niveaux de contraintes subies par la pièce (6) et estimer une distribution de la durée d'exposition de la pièce (6) à au moins un niveau de contraintes au cours de la durée de vie de la pièce (6);le procédé de conception comprenant en outre une étape de dimensionnement de la pièce (6) de telle manière que la pièce (6) présente un seuil de contraintes admissible configuré pour limiter le vieillissement de la pièce (6) en fonction de la distribution de la durée d'exposition de la pièce (6) au niveau de contraintes.
- 14. Procédé de conception selon la revendication 13, dans lequel le procédé est mis en œuvre au moyen d'un dispositif de conception comportant au moins un processeur et une mémoire comportant des données de code configurées pour permettre la mise en œuvre du procédé de conception lorsque les données de code sont traitées par le processeur.
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| WO2022090656A1 (fr) * | 2020-10-26 | 2022-05-05 | Safran Aircraft Engines | Procédé d'évaluation d'une durée de vie d'une pièce de turbomachine |
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|---|---|
| FR3087241B1 (fr) | 2020-10-02 |
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