FR3111703A1 - Procédé de détection d’un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique - Google Patents

Procédé de détection d’un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique Download PDF

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Abstract

Procédé de détection d’au moins un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique (2), caractérisé en ce qu’il comporte : - une capture d’une pluralité d’images radiographiques numériques bidimensionnelles (E4) de l’élément roulant (2); - un filtrage numérique de chaque image radiographique (E5); - une délimitation à partir de l’image filtrée d’au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique (E6); - une construction stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant (2) comportant ladite zone (E6) ; - une comparaison des dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées (E7), et lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil, une génération d’un signal d’alarme (E8). Référence pour la figure : Fig.2

Description

Procédé de détection d’un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne des éléments roulants en matériau céramique, et se rapporte plus particulièrement à la détection de défauts de fabrication de tels éléments roulants.
Etat de la technique antérieur
Afin de guider un assemblage mécanique en rotation, il est généralement proposé d’utiliser des paliers à roulement équipés d’éléments roulants réalisés en matériau céramique ou en acier. Les éléments roulants peuvent par exemple être des billes ou encore des rouleaux cylindriques, coniques ou sphériques.
Ces éléments roulants des paliers à roulement permettent d’assurer un mouvement circulaire d’un arbre par rapport à un élément fixe tout en limitant la force de friction.
Ils trouvent leur application dans des moteurs thermiques ou électriques réversibles, aussi bien dans le domaine automobile qu’aéronautique.
Toutefois, comme les éléments roulants en matériau céramique sont réalisés par frittage, ils peuvent présenter des inclusions de matière étrangère, des agglomérations de matière non homogènes ou des porosités.
Ces défauts sont susceptibles de rendre les éléments roulants défaillants et donc d’endommager le produit comprenant le palier à roulement équipé de tels éléments roulants.
Par exemple, lorsque le palier à roulement équipé des éléments roulants défaillants est disposé au niveau d’un arbre tournant, ils peuvent provoquer un écaillage et/ou une surchauffe et l’arbre tournera avec une difficulté croissante.
Par ailleurs, les éléments roulants sont susceptibles de se désolidariser complètement des autres composants du palier et ainsi, dissocier l’arbre tournant de son système mécanique environnant, ce qui peut se révéler critique en aéronautique.
A cet effet, pour prévenir la défaillance d’un élément roulant, il est avantageux de détecter ces défauts dès sa fabrication et d’évaluer leur criticité en fonction du domaine d’application de l’élément roulant et des caractéristiques du défaut détecté.
Pour ce faire, il est connu d’utiliser un dispositif optique configuré pour réfléchir la lumière de la surface d’un élément roulant et détecter les défauts situés uniquement à leur surface.
Il est en outre connu de propager des ultrasons à travers les éléments roulants pour mettre en évidence les défauts internes de l’élément roulant.
Cependant, la propagation d’ultrasons présente des contraintes liées au profil de l’élément roulant.
Plus précisément, plus les contours de l’élément roulant sont courbés, plus les ultrasons sont réfléchis dans des directions indésirables faisant perdre de l’information.
Une autre solution consiste en une utilisation de l’imagerie par projection d’ondes électromagnétiques à hautes fréquences de type rayons X, telle que décrite dans la demande de brevet européen EP-A1-2 749 871.
Plus particulièrement, il s’agit d’une génération d’un faisceau de rayons X depuis une source de rayonnement vers l’élément roulant, puis d’une élaboration d’une image apte à permettre la détection d’un défaut à l’intérieur et en surface de l’élément roulant.
Toutefois, cette solution ne propose pas de discriminer les défauts considérés comme critiques des défauts n’ayant pas d’incidence sur le fonctionnement de l’élément roulant.
Au vu de ce qui précède, l’invention se propose de pallier les contraintes précitées en proposant un procédé de détection d’au moins un défaut critique à l’intérieur et en surface d’un élément roulant.
L’invention a donc pour objet un procédé de détection d’au moins un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique, comprenant :
- une capture d’une image radiographique numérique bidimensionnelle de l’élément roulant ;
- un filtrage numérique de l’image radiographique ;
- une délimitation à partir de l’image filtrée d’au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique ;
- une construction stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant comportant ladite zone ;
- une comparaison des dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées, et lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil, une génération d’un signal d’alarme.
Il s’agit ici de détecter un défaut critique dans un élément roulant en matériau céramique tel que le nitrure de silicium de formule Si3N4, le sialon ou un alliage d’alumine et d’oxyde de zirconium.
A cet effet, on utilise une technique d’imagerie par ondes électromagnétiques à hautes fréquences.
Les ondes électromagnétiques à hautes fréquences traversantes se projettent sur un plan destiné à reconstruire une image radiographique bidimensionnelle de l’élément roulant selon un degré de rotation défini.
Chaque image est ensuite filtrée afin de répartir de manière homogène le bruit présent sur l’image et ainsi faciliter la délimitation du contour de l’élément roulant et, par la suite, celle des zones susceptibles de contenir au moins un défaut critique.
Pour déterminer les dimensions du défaut et le comparer à une pluralité de valeurs seuil, on localise le défaut sur un modèle stéréoscopique de l’élément roulant.
Ainsi, lorsque les dimensions du défaut sont supérieures aux valeurs seuil, le défaut est considéré comme critique.
De préférence, le procédé comprend une capture d’une pluralité d’images radiographiques numériques bidimensionnelles de l’élément roulant, un filtrage numérique de chaque image radiographique et une délimitation à partir de chaque image filtrée d’au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique.
Avantageusement, le filtrage numérique est mis en œuvre par un filtre passe-bande apte à filtrer une image comprenant 5 à 2000 pixels et des niveaux de gris entre 256 et 4 millions.
De préférence, les valeurs seuil sont déterminées en fonction du domaine d’application de l’élément roulant, la nature du défaut et la localisation de la zone dans l’élément roulant.
Par exemple, lorsqu’il s’agit d’un élément roulant destiné à des applications aéronautiques, il est avantageux que les valeurs seuil permettent de distinguer si le défaut détecté est considéré comme critique tels que défini dans la certification internationale ASME (pour « American Society of Mechanical Engineers » en anglais) et plus particulièrement dans la norme E19-15.
Plus précisément, ces certifications définissent la criticité notamment en fonction de la nature du défaut détecté et de sa localisation dans l’élément roulant.
Préférentiellement, la zone susceptible de comprendre le défaut critique est délimitée en fonction du niveau d’intensité de couleur de l’image filtrée.
La valeur seuil permettant de segmenter l’image est comprise entre 80 et 150 pour une échelle de 256 niveaux de gris.
Avantageusement, les valeurs seuil sont déterminées en fonction des dimensions et de la pression du contact entre l’élément roulant et la piste du roulement, de la profondeur du défaut et de ses caractéristiques physiques et mécaniques.
Les valeur seuil peuvent en outre être déterminées en fonction du matériau du défaut.
L’invention a encore pour objet un dispositif de détection d’au moins un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique, comprenant :
- un capteur photographique configuré pour capturer une image radiographique numérique bidimensionnelle de l’élément roulant ;
- un filtre numérique configuré pour filtrer l’image radiographique ;
- des moyens de modélisation configurés pour délimiter, à partir de l’image filtrée, au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique, et construire une image stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant comportant ladite zone ;
- une unité de calcul configurée pour comparer les dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées, et générer un signal d’alarme lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil.
Il est à noter que le capteur photographique, tel qu’une caméra à transfert de charge.
Quant à l’unité de calcul et des moyens de modélisation, ils peuvent être implémentés sous forme de modules aptes à exécuter des instructions programme et échanger des données avec d’autres dispositifs.
On peut citer par exemple un microcontrôleur ou un microprocesseur.
L’unité de calcul et les moyens de modélisation peuvent également être implémentés sous forme de circuits logiques de manière partiellement ou intégralement matérielle.
Préférentiellement, le capteur photographique est configuré pour capturer une pluralité d’images radiographiques numériques bidimensionnelles de l’élément roulant, le filtre numérique est configuré pour filtrer chaque image radiographique, et dans lequel les moyens de modélisation sont configurés pour délimiter, à partir de l’image filtrée, au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique.
Préférentiellement, les valeurs seuil sont déterminées en fonction du domaine d’application de l’élément roulant, la nature du défaut, la localisation de la zone dans l’élément roulant et/ou en fonction des dimensions et de la pression du contact entre l’élément roulant et la piste du roulement, de la profondeur du défaut et de ses caractéristiques physiques et mécaniques.
De préférence, les moyens de modélisation sont configurés pour délimiter la zone susceptible de comprendre le défaut critique en fonction du niveau d’intensité de couleur de l’image filtrée.
Brève description des figures
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
illustre de manière schématique les modules d’un dispositif de détection d’au moins un défaut critique pour élément roulant en matériau céramique selon un mode de réalisation de l’invention et,
représente un logigramme d’un procédé de détection du défaut critique, mis en œuvre par ledit dispositif, selon un mode de mise en œuvre de l’invention.
Description détaillée de l’invention
Sur la figure 1 est représenté un dispositif 1 de détection d’au moins un défaut critique pour élément roulant 2 en matériau céramique.
Pour ce faire, le dispositif 1 est couplé à une interface homme-machine 3 configurée pour représenter graphiquement des données reçues par le dispositif 1.
L’interface homme-machine 3 est en outre configurée pour transmettre des instructions au dispositif 1, formulées par un opérateur ou une architecture matérielle externe au dispositif 1.
Plus particulièrement, le dispositif 1 comprend une unité de commande 4, un capteur photographique 5, un filtre numérique 6, des moyens de modélisation 7 ainsi qu’une unité de calcul 8.
L’unité de commande 4 est couplée à l’interface homme-machine 3 et est configurée pour traduire les instructions, formulées par l’interface 2, en signaux de consigne.
L’unité de commande 4 est en outre couplée à des moyens de rotation 9 ainsi qu’à un générateur 10 d’ondes électromagnétiques R1 à haute fréquence.
Plus précisément, l’unité de commande 4 est apte à délivrer un signal de consigne aux moyens de rotation 9 de manière à orienter l’élément roulant 2 selon un degré de rotation prédéterminé.
Quant au générateur 10, il est configuré à émettre, lorsqu’il reçoit un signal de consigne de l’unité de commande 4, les ondes électromagnétiques R1 vers l’élément 2.
Ces ondes électromagnétiques R1 sont par la suite absorbées par le capteur photographique 5.
A titre d’exemple, le capteur photographique 5 comprend une pluralité de pixels, et dans lequel la gamme dynamique des niveaux de gris est égale à256.
Une image radiographique numérique bidimensionnelle est ainsi formée de l’élément roulant, prise selon le degré de rotation défini.
Il est à noter que le générateur 10 est généralement sous la forme d’un tube à rayons X à microfoyer.
L’image bidimensionnelle radiographique ainsi formée est ensuite traitée par le filtre passe-bande numérique 6 de manière à répartir de manière homogène le bruit présent sur l’image, et ainsi, faciliter la délimitation du contour de l’élément roulant 2.
Le filtre passe-bande 6 est par ailleurs couplé aux moyens de modélisation 7 configurés pour construire, via l’érosion ou par reconstruction stéréoscopique, une image stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant 2.
Le modèle virtuel comporte le défaut détecté susceptible d’être considéré comme critique.
Pour construire le modèle, les moyens de modélisation 7 sont couplés à l’unité de calcul 8 de manière à lui délivrer les données relatives à l’image stéréoscopique.
Plus précisément, l’unité de calcul 8 est apte à comparer les dimensions du défaut détecté avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées contenues dans une mémoire 11 du dispositif 1.
Ces valeurs seuil sont déterminées en fonction du domaine d’application de l’élément roulant 2, de la nature du défaut détecté et de sa localisation au sein de l’image stéréoscopique représentant l’élément roulant 2.
Ainsi, lorsque les dimensions du défaut détecté sont supérieures aux valeurs seuil, l’unité de commande 8 est configurée pour générer un signal d’alarme et le délivrer à l’interface homme-machine 3.
On se réfère à la figure 2 qui illustre un logigramme d’un procédé de détection d’au moins un défaut critique pour l’élément roulant 2, mis en œuvre par le dispositif 1.
Le procédé débute par une étape E1 au cours de laquelle un opérateur positionne un élément roulant 2 de manière à ce qu’il puisse être traversé par les ondes électromagnétiques de type rayons X R1 du générateur 10.
A l’étape E2, l’opérateur demande l’activation du dispositif 1 en utilisant l’interface homme-machine 3. Un signal d’activation est ainsi délivré à l’unité de commande 4 par l’interface homme-machine 3.
Au cours de l’étape E3, l’unité de commande 4 oriente les moyens de rotation 9 selon un degré déterminé, par exemple 60°, et active la génération d’ondes électromagnétiques R1 par le générateur 10.
A l’étape E4, une première image est ainsi acquise par le capteur photographique 5.
Pour augmenter la précision et limiter la rémanence du capteur 5, on alimente ce dernier par un faible courant par exemple d’une intensité inférieure à de 10 à 250 kV..
Par ailleurs, afin de réduire le risque de saturation du capteur photographique 5, il est avantageux que la durée d’exposition de l’élément roulant 2 aux ondes électromagnétiques à rayons X R1 soit comprise entre 100 millisecondes et 6 secondes.
Il est à noter qu’il est avantageux de capturer au moins deux nouvelles images de l’élément roulant 3 selon d’autres degrés de rotation par exemple 0° et -60° afin de pouvoir détecter de manière optimale un défaut dans l’élément roulant 2.
Plus particulièrement, le nombre d’images dépend principalement des dimensions de l’élément roulant 2 ainsi que de la géométrie du capteur photographique 5.
A titre d’exemple, lorsque l’élément roulant 2 a un diamètre égal à 25,4 mm, il est avantageux de capturer huit images. Dans ce cas, le procédé répète les étapes E3 et E4 au moins sept fois.
Toutefois, il est possible de capturer une unique image lorsque l’élément roulant 2 a un diamètre inférieur à 12,7 mm.
Au cours de l’étape E5, le filtre numérique passe-bande 6 filtre chaque image capturée afin de réduire le bruit présent sur l’image tout en préservant de fortes variations de niveaux de gris, ce qui permet de détecter la présence d’un défaut.
A l’étape E6, chaque image filtrée est ensuite traitée par les moyens de modélisation 7.
Plus précisément, les moyens de modélisation 7 soustraient l’image filtrée de l’image radiographique initiale, ce qui aura pour résultat la construction d’une seconde image à partir de laquelle les moyens de modélisation 7 sont configurés pour dessiner le contour de l’élément roulant 2.
A cet effet, les moyens de modélisation 7 conservent uniquement les niveaux de gris de l’image qui sont inférieurs à une valeur seuil comprise entre 80 et 150 pour une échelle de 256 niveaux de gris.
Ensuite, les moyens de modélisation 7 délimitent au moins une zone susceptible de comprendre un défaut critique et la localise dans un modèle virtuel stéréoscopique de l’élément roulant 2.
Pour ce faire, les moyens de modélisation 7 mettent en œuvre un procédé d’érosion ou de reconstruction stéréoscopique.
Plus précisément, les moyens de modélisation 7 mettent en œuvre un procédé de binarisation de l’image.
Ensuite, les moyens de modélisation 7 construisent une image stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant 2 à partir de la pluralité d’images capturées et traitées.
Au cours de l’étape E7, l’unité de calcul 8 compare les dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées, et lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil, l’unité de calcul 8 délivre à l’étape E8 un signal d’alarme à l’interface homme-machine 3.
Autrement dit, l’élément roulant 2 comporte un défaut critique susceptible de l’endommager et/ou les mécanismes auxquels il est couplé.
Dans le cas contraire, lorsque l’élément roulant 2 ne comporte pas de défaut critique, le procédé revient à l’étape E1 afin de détecter la présence d’un défaut critique pour un autre élément roulant 2.
Grace à l’invention, il est possible de détecter un défaut critique à l’intérieur et en surface de l’élément roulant, et ainsi d’accroître la fiabilité de fonctionnement du palier à roulement associé.

Claims (10)

  1. Procédé de détection d’au moins un défaut critique d’un élément roulant en matériau céramique (2), comprenant une capture d’au moins une image radiographique numérique bidimensionnelle (E4) de l’élément roulant (2), caractérisé en ce qu’il comporte :
    - un filtrage numérique de ladite image radiographique (E5);
    - une délimitation à partir de ladite image filtrée d’au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique (E6);
    - une construction stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant (2) comportant ladite zone (E6) ;
    - une comparaison des dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées (E7), et
    - une génération d’un signal d’alarme (E8) lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une capture d’une pluralité d’images radiographiques numériques bidimensionnelles (E4) de l’élément roulant (2), un filtrage numérique de chaque image radiographique (E5) et une délimitation à partir de chaque image filtrée d’au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique (E6).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le filtrage numérique est mis en œuvre par un filtre passe-bande (6) apte à filtrer une image comprenant 5 à 2000 pixels et des niveaux de gris entre 256 et 4 millions.
  4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les valeurs seuil sont déterminées en fonction du domaine d’application de l’élément roulant (2), de la nature du défaut et de la localisation de la zone dans l’élément roulant (2).
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la zone susceptible de comprendre le défaut critique est délimitée en fonction du niveau d’intensité de couleur de l’image filtrée.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les valeurs seuil sont déterminées en fonction des dimensions et de la pression du contact entre l’élément roulant et la piste du roulement, de la profondeur du défaut et de ses caractéristiques physiques et mécaniques.
  7. Dispositif de détection d’au moins un défaut critique (1) d’un élément roulant en matériau céramique (2), comportant un capteur photographique (5) configuré pour capturer une image radiographique numérique bidimensionnelle de l’élément roulant (2), caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un filtre numérique (6) configuré pour filtrer l’image radiographique ;
    - des moyens de modélisation (7) configurés pour délimiter, à partir de l’image filtrée, au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique, et construire une image stéréoscopique d’un modèle virtuel de l’élément roulant (2) comportant ladite zone ; et
    - une unité de calcul (8) configurée pour comparer les dimensions de la zone délimitée avec une pluralité de valeurs seuil prédéterminées, et pour générer un signal d’alarme lorsque les dimensions sont supérieures aux valeurs seuil.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le capteur photographique (5) est configuré pour capturer une pluralité d’images radiographiques numériques bidimensionnelles de l’élément roulant (2), le filtre numérique est configuré pour filtrer chaque image radiographique, et dans lequel les moyens de modélisation sont configurés pour délimiter, à partir de chaque image filtrée, au moins une zone susceptible de comprendre le défaut critique.
  9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les valeurs seuil sont déterminées en fonction du domaine d’application de l’élément roulant (2), la nature du défaut, de la localisation de la zone dans l’élément roulant (2) et/ou en fonction des dimensions et de la pression du contact entre l’élément roulant et la piste du roulement, de la profondeur du défaut et de ses caractéristiques physiques et mécaniques.
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel les moyens de modélisation (7) sont configurés pour délimiter la zone susceptible de comprendre le défaut critique en fonction du niveau d’intensité de couleur de l’image filtrée.
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