FR3126154A1

FR3126154A1 - Procédé de détection d’un défaut de roulement d’un système rotatif et système de surveillance mettant en œuvre ce procédé

Info

Publication number: FR3126154A1
Application number: FR2108632A
Authority: FR
Inventors: Amadou ASSOUMANE; Dany Abboud; Mohammed EL BADAOUI; Yosra Marnissi
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2021-08-11
Filing date: 2021-08-11
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2041-08-11
Also published as: WO2023017226A1; FR3126154B1; CN117836599A

Abstract

Procédé de détection d’un défaut d e roulement d’un système rotatif et système de surveillance mettant en œuvre ce procédé Un aspect de l’invention concerne un procédé (100) de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comportant les étapes suivantes : Acquisition (110) d’un signal de position du roulement (, d’un signal vibratoire du roulement (et d’un vecteur caractéristique théorique du roulement;Détermination (120) d’une partie déterministe du signal vibratoire et élimination de ladite partie déterministe pour obtenir un signal résiduel (fonction du signal de position ;Calcul (130), à partir du vecteur caractéristique théorique, de bornes inférieure (et supérieure (de fréquences de défauts ;Calcul (140), à partir du signal vibratoire, d’une cohérence spectrale et du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale (;Calcul (150), à partir du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale et des bornes inférieure et supérieure des fréquences de défauts, d’un vecteur caractéristique actuel du roulement ;Détermination (160) d’un contraste cyclique spectral du défaut (; ; ) ;Identification fine (170) de signatures d’intérêt par calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut ( ; ; ; ) ;Détermination (180) d’indicateurs de diagnostic facilement interprétables par un opérateur. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 1

Description

Procédé de détection d’un défaut de roulement d’un système rotatif et système de surveillance mettant en œuvre ce procédé

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comme un roulement de palier de turbomachine aéronautique.

L’invention trouve des applications dans le domaine de la surveillance de l’usure de roulements comme des roulements d’éoliennes ou de moteurs de voitures. Elle trouve, en particulier, des applications dans le domaine de l’aéronautique pour la surveillance des roulements des systèmes rotatifs des turbomachines.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Dans l’industrie, et notamment en aéronautique, les roulements, comme les roulements à billes ou à rouleaux, font souvent l’objet d’une surveillance spécifique afin de détecter précocement tout éventuel endommagement ou usure. En effet, les roulements font partie des organes mécaniques les plus sollicités et les plus critiques sur de nombreux équipements, comme par exemple les turboréacteurs, les compresseurs, les inverseurs de poussée, etc. Une usure prématurée ou une défaillance imprévue sur un roulement peut attenter à la sureté de fonctionnement des équipements voire, dans certains cas, à la sécurité des usagers. Il est donc nécessaire de surveiller l’état de santé des équipements complexes comprenant plusieurs éléments tournants (bielles de combustion, roulements, engrenages, fans, etc.) et en particulier l’état de santé des roulements afin de détecter au plus tôt l’apparition d’un défaut ou endommagement.

De manière générale, le fonctionnement d’un roulement défectueux, notamment dans les moteurs et les boites de transmission des aéronefs, est caractérisé par un signal d’impulsion. Cependant, ce signal d’impulsion est bien souvent masqué par la présence d’une multitude de sources génératrices de bruits, ce qui entraîne un rapport signal-sur-bruit très faible. Dans l’exemple d’un aéronef, les signaux vibratoires sont fortement dominés par les bruits aérodynamiques ainsi que par des interférences générées par d’autres organes rotatifs de l’aéronef tels que les compresseurs, les fans, les turbines, les engrenages, etc. Ces interférences rendent difficile la détection d’un défaut de roulement à partir de ses signaux vibratoires.

La détection des défauts de roulements étant un point critique, de nombreux procédés ont été envisagés ou conçus pour tenter de détecter au mieux les éventuels défauts ou endommagements de roulements. Plusieurs documents de brevet proposent différentes techniques de détection. En particulier, le document de brevet EP1970691 A1 propose un procédé de détection d'endommagement d'un palier supportant au moins un arbre rotatif d'un moteur dans lequel une période de mesure correspondant à une plage de vitesses de rotation de l'arbre lors d'une activité renouvelable à bas régime de fonctionnement du moteur est définie. Le procédé consiste ensuite à acquérir, sur toute la période de mesure, un signal d'accélération vibratoire, puis à échantillonner le signal vibratoire en fonction de la vitesse de rotation du moteur pendant la période de mesure, puis à transformer le signal vibratoire échantillonné en un signal de fréquence pour obtenir des raies spectrales de fréquence ordonnées en fonction de la vitesse de rotation du arbre, puis à calculer la moyenne des amplitudes des raies spectrales, déterminer des pics d'amplitude autour des multiples de la fréquence théorique d’un rouleau endommagé, calculer le rapport entre chaque pic d'amplitude et le niveau d'amplitude achevé pour un roulement sain, et comparer le rapport obtenu à au moins un seuil d'endommagement prédéterminé. Ce procédé présente l’inconvénient d’être basé sur une analyse du spectre du signal. Or, il est bien connu dans la littérature qu’une simple analyse du spectre du signal n’est pas une approche adéquate pour détecter un défaut de roulement, en particulier lorsque le rapport signal-sur-bruit est très faible, comme c’est le cas dans le domaine aéronautique.

Le document de brevet CN 106771598 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements dans lequel un signal vibratoire d'une vibration mécanique des composants du moteur est acquis sur une période de mesure P de variation du régime N de l'arbre. Le procédé consiste ensuite à échantillonner le signal pendant la période P, puis à synchroniser le signal avec les changements du régime N, à convertir le signal en un signal de fréquence pour obtenir des raies spectrales de fréquence ordonnées selon le régime N, à calculer la moyenne des amplitudes des raies spectrales afin d'obtenir une signature vibratoire courante du moteur, à calculer un taux d'écart entre la signature et une signature vibratoire sonore de référence et à comparer le taux de déviation avec des pointeurs de défaut d'une base de données préétablie, listant les dommages théoriques des roulements du moteur afin de déterminer les dommages potentiels desdits roulements. Cependant, comme pour le procédé précédent, ce procédé est basé sur une analyse du spectre du signal qui est vouée à l’échec notamment pour des environnements fortement bruités.

Le document de brevet EP 2693176 A1 décrit un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé repose sur un prétraitement du signal suivi d’une analyse d’enveloppe. Le but de ce prétraitement est de séparer la partie déterministe de la partie aléatoire et d’améliorer l’impulsivité du signal. Une fois que le spectre d’enveloppe est calculé, une approche probabiliste est utilisée pour résoudre le problème de déviation de la fréquence du défaut. Ainsi, des indicateurs basés sur la somme des amplitudes des harmoniques de la fréquence du défaut dans l’enveloppe sont proposés comme indicateurs de diagnostic. Cependant, les techniques de prétraitement ont un coût de calcul élevé et dépendent significativement des paramètres définis comme paramètres d’entrées.

Le document de brevet CN 104236908 B décrit un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé repose sur une analyse cyclostationnaire du signal vibratoire à partir de la distribution d’intensité de modulation. Ce procédé a l’inconvénient de requérir le calcul d’une matrice avant l’extraction de descripteurs de défaut. Il présente également l’inconvénient de ne pas traiter le problème de déviation de fréquence du défaut.

Le document de brevet EP 1970691 A1 décrit également un procédé de détection de défauts d’un roulement par analyse vibratoire. Ce procédé consiste à calculer le spectrogramme édité. Il consiste, en particulier, à remplacer la variable fréquence du spectrogramme par l’ordre de l’arbre tournant porté par le roulement surveillé. La moyenne par rapport au temps est ensuite calculée puis les fréquences de défaut (ainsi que leur multiple) sont comparées avec des cas références dans lesquels les roulements sont sains. L’information de diagnostic étant obtenue par une analyse spectrale à l’ordre 1, l’efficacité est donc limitée à des applications bien définies.

Le document de brevet CN 105092249 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse vibratoire. Ce procédé consiste à concevoir un filtre de Gabor dont les paramètres (la fréquence centrale et la bande passante) sont optimisés de façon à maximiser l’indice des normes du signal filtré. Le spectre de l’autocorrélation de l’enveloppe est ensuite calculé sur le signal filtré. L’information de diagnostic se trouve dans cette distribution. Ce procédé, basé sur une analyse d’enveloppe après un prétraitement du signal vibratoire, présente l’inconvénient d’être couteux du fait notamment du prétraitement. Il présente en outre l’inconvénient de ne pas traiter le problème de déviation de la fréquence caractéristique.

Le document de brevet CN 104655423 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse vibratoire. Ce procédé est basé sur une fusion des descripteurs de défauts dans le domaine temps-fréquence. Il consiste à calculer la distribution temps-fréquence pour des cas sains et des cas comprenant différents types de défauts. La redondance entre les distributions est supprimée et seuls les descripteurs distinctifs qui permettent un jugement par un opérateur sont conservés. Cependant, ce procédé requiert une base de données comprenant tous les types de défauts ce qui est rarement disponible dans le cadre aéronautique. En outre, ce procédé entraîne un coût de calcul élevé.

Le document de brevet CN 106771598 A décrit un procédé de détection de défauts de roulements par analyse cyclostationnaire. Ce procédé utilise la cohérence cyclique et sa version intégrée pour extraire des indicateurs qui consistent en la somme des harmoniques du défaut. Ce procédé présente l’inconvénient d’une détectabilité relativement faible des défauts dans un rapport signal-sur-bruit très bas dans le cas de signaux vibratoires en aéronautique.

Plusieurs difficultés pratiques mettent en cause l’efficacité des procédés de surveillance du marché. Les procédés classiques basés sur l’analyse spectrale ou l’analyse d’enveloppe, ne sont souvent pas capables de détecter les défauts ayant des signatures faibles, c'est-à-dire des rapports signal-sur-bruit bas. Cela entraîne un échec de détection du défaut ou, au mieux, une détection tardive du défaut. D’autres procédés, plus efficaces, reposent sur des techniques de séparation de sources. Cependant, ces procédés présentent des temps de calcul particulièrement élevés, ce qui génère des coûts de calcul élevés et irréalisables en temps réel. D’autres procédés utilisent des méthodes cyclostationnaires sophistiquées pour effectuer une détection dans le cas où la signature du défaut est faible. Cependant, ces procédés ne prennent pas en compte les éventuels glissements des roulements et le fait qu’un endommagement est souvent accompagné d’un phénomène de frottement ayant tendance à ralentir la rotation de l’élément endommagé ; ils ne prennent donc pas en compte le fait que les fréquences réelles des défauts peuvent différer des valeurs théoriques calculées.

Il existe donc un réel besoin d’un procédé permettant de détecter des défauts de roulements lorsque le rapport signal-sur-bruit est faible et qui tienne compte des potentiels phénomènes de glissements et de frottements des roulements.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de détection des défauts de roulements lorsque le rapport signal-sur-bruit est faible, le demandeur propose un procédé de détection d’un défaut de roulement dans un environnement très bruité, basé sur une analyse cyclostationnaire avancée du signal vibratoire capturé par un ou plusieurs accéléromètres. Ce procédé propose de dé-bruiter le signal, d’estimer les fréquences réelles du défaut du roulement, d’analyser le signal par une analyse cyclostationnaire conçue pour obtenir la signature du défaut même lorsque le rapport signal-sur-bruit est petit et de calculer des indicateurs de diagnostic informant de l’état de santé du roulement.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comportant les étapes suivantes :

Acquisition d’un signal de position du roulement, d’un signal vibratoire du roulement et d’un vecteur caractéristique théorique du roulement ;
Détermination d’une partie déterministe du signal vibratoire et élimination de ladite partie déterministe pour obtenir un signal résiduel fonction du signal de position ;
Calcul, à partir du vecteur caractéristique théorique, de bornes inférieure et supérieure de fréquences de défauts ;
Calcul, à partir du signal vibratoire, d’une cohérence spectrale et du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale ;
Calcul, à partir du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale et des bornes inférieure et supérieure des fréquences de défauts, d’un vecteur caractéristique actuel du roulement ;
Détermination d’un contraste cyclique spectral du défaut ;
Identification fine de signatures d’intérêt par calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut ;
Détermination d’indicateurs de diagnostic facilement interprétables par un opérateur.

Ce procédé présente l’avantage de détecter des signatures très faibles, c'est-à-dire dont le rapport signal-sur-bruit est très faible, de sorte à prendre en compte les interférences aérodynamiques et mécaniques liées à l’environnement du roulement. Ce procédé présente de plus l’avantage d’être très automatisé et de peu requérir l’intervention d’un utilisateur.

Dans la description, on appelle « défaut », tout endommagement ou usure d’un ou plusieurs éléments d’un roulement tel qu’un roulement à billes ou un roulement à rouleaux.

En outre, on appelle « signature » et on note l’ensemble des fréquences générées par le signal vibratoire et révélées par l’application de certaines transformées au signal vibratoire, comme par exemple la transformée de Fourrier, le spectre d’enveloppe, la corrélation spectrale, etc.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé de détection d’un défaut de roulement selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

les défauts comportent quatre types de défauts, les fréquences de défauts et les signatures de défauts étant déterminées pour chaque type de défauts.
les quatre type de défauts sont : un défaut de bague externe, un défaut de bague interne, un défaut d’élément roulant et un défaut de cage.
l’étape e) comporte une estimation, pour chaque type de défaut, d’une fréquence de défaut actuel correspondant à la fréquence la plus probable entre la borne inférieure et la borne supérieure.
l’étape f) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un contraste de la signature du défaut puis l’application de ce contraste sur le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale.
l’étape g) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un poids associé audit défaut puis le calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée pour ce défaut.
les indicateurs de diagnostic comportent, pour chaque type de défaut, un contraste de la signature d’intérêt dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée, un contraste de la signature d’intérêt dans un spectre d’enveloppe du signal résiduel et un indicateur de pertinence de la signature d’intérêt.
les indicateurs de diagnostic sont quantifiés chacun au moyen d’une valeur, ladite valeur étant proche de zéro en l’absence d’un défaut.
l’étape c) est réalisée avant l’étape b), après l’étape d) ou simultanément à l’étape b) ou d), les bornes inférieure et supérieure constituant des données d’entrée de l’étape e).

Selon un autre aspect, l’invention concerne un système de surveillance de l’état de santé d’un aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif mettant en œuvre le procédé tel que défini précédemment.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :

La représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, un exemple des différentes opérations du procédé de détection d’un défaut de roulement selon l’invention ;

La représente une vue schématique en coupe d’un exemple de roulement et de ses caractéristiques géométriques ;

La représente des exemples de signaux brut, déterministe et aléatoire obtenus par une première opération du procédé de la ;

La représente un exemple de signal obtenu par une opération de calcul de la cohérence spectrale du procédé de la ;

La représente des exemples de signaux obtenus par une opération de détermination des contrastes cycliques spectraux du procédé de la ;

La représente des exemples de signaux obtenus par une opération de calcul de la cohérence spectrale, respectivement, intégrée et intégrée et pondérée du procédé de la ;

La représente des exemples de signaux constituant des indicateurs de diagnostic obtenus à la fin du procédé de la pour quatre types de défauts.

Claims

Procédé (100) de détection d’un défaut d’un roulement d’un système rotatif, comportant les étapes suivantes :
Acquisition (110) d’un signal de position du roulement ( , d’un signal vibratoire du roulement ( et d’un vecteur caractéristique théorique du roulement ;

Détermination (120) d’une partie déterministe du signal vibratoire et élimination de ladite partie déterministe pour obtenir un signal résiduel ( fonction du signal de position ;

Calcul (130), à partir du vecteur caractéristique théorique, de bornes inférieure ( et supérieure ( de fréquences de défauts ;

Calcul (140), à partir du signal vibratoire, d’une cohérence spectrale et du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale ( ;

Calcul (150), à partir du carré de l’amplitude de la cohérence spectrale et des bornes inférieure et supérieure des fréquences de défauts, d’un vecteur caractéristique actuel du roulement ;

Détermination (160) d’un contraste cyclique spectral du défaut ( ; ; ) ;

Identification fine (170) de signatures d’intérêt par calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée associée au défaut ( ; ; ; ) ;

Détermination (180) d’indicateurs de diagnostic facilement interprétables par un opérateur.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les défauts comportent quatre types de défauts, les fréquences de défauts et les signatures de défauts étant déterminées pour chaque type de défauts.
Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les quatre types de défauts sont : un défaut de bague externe, un défaut de bague interne, un défaut d’élément roulant et un défaut de cage.
Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l’étape e) comporte une estimation, pour chaque type de défaut, d’une fréquence de défaut actuel correspondant à la fréquence la plus probable entre la borne inférieure et la borne supérieure.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’étape f) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un contraste de la signature du défaut puis l’application de ce contraste sur le carré de l’amplitude de la cohérence spectrale.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l’étape g) comporte, pour chaque type de défaut, la détermination d’un poids associé audit défaut puis le calcul d’une cohérence cyclique pondérée et intégrée pour ce défaut.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les indicateurs de diagnostic comportent, pour chaque type de défaut, un contraste de la signature d’intérêt dans la cohérence cyclique pondérée et intégrée ; ; ; ), un contraste de la signature d’intérêt dans un spectre d’enveloppe du signal résiduel ( ; ; ) et un indicateur de pertinence de la signature d’intérêt ( ; ; ; ).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les indicateurs de diagnostic sont quantifiés chacun au moyen d’une valeur, ladite valeur étant proche de zéro en l’absence d’un défaut.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’étape c) est réalisée avant l’étape b), après l’étape d) ou simultanément à l’étape b) ou d), les bornes inférieure et supérieure constituant des données d’entrée de l’étape e).
Système de surveillance de l’état de santé d’un aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.