FR3041760A1

FR3041760A1 - Procede de detection d'une defaillance transitoire de rotation d'un organe tournant

Info

Publication number: FR3041760A1
Application number: FR1559266A
Authority: FR
Inventors: Frederic Guerre-Chaley
Original assignee: NTN SNR Roulements SA
Current assignee: NTN Europe SA
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-03-31
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: FR3041760B1

Abstract

L'invention concerne un procédé prévoyant de : - mesurer la vitesse instantanée de rotation d'un organe tournant (1) et d'échantillonner angulairement ladite mesure pour, par analyse harmonique spatiale, obtenir un spectre qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l'organe (1), ledit spectre présentant des raies (10) correspondant aux harmoniques du tour de rotation dudit organe ; - surveiller l'amplitude d'au moins une raie harmonique (10) et, en cas de dépassement d'un seuil pour ladite amplitude, comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence pour en déduire l'apparition d'une défaillance.

Description

L’invention concerne un procédé de détection d’une défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant, ainsi qu’un système mécanique comprenant un organe monté en rotation et un dispositif de détection d’une défaillance transitoire de ladite rotation par mise en oeuvre d’un tel procédé.

En particulier, l’invention peut être mise en œuvre dans un système mécanique, par exemple de pompage à vide, dans lequel l’organe tournant est susceptible de venir transitoirement en contact avec un autre organe, la détection dudit contact permettant notamment d’établir un diagnostic de l’état d’usure du système mécanique.

Pour détecter une défaillance transitoire de rotation, on réalise classiquement une analyse vibratoire du système mécanique en exploitant des signaux délivrés par des accéléromètres. Toutefois, cette réalisation nécessite d’ajouter des accéléromètres qui, outre leur coût, présentent des contraintes importantes d’intégration dans le système mécanique, notamment si celui-ci présente des modes de vibration en utilisation.

On connaît du document WO-2010/122240 un procédé de détection d’un défaut structurel d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant qui prévoit de mesurer la vitesse instantanée de rotation dudit organe et d’échantillonner angulairement ladite mesure pour, par analyse harmonique spatiale, obtenir un spectre qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l’organe.

Le procédé selon ce document nécessite une analyse préalable d’identification d’une fréquence caractéristique de l’apparition du défaut pour, par surveillance de l’amplitude du spectre pour ladite fréquence, en déduire l’apparition du défaut correspondant.

Par conséquent, dans le cas de la détection d’une défaillance transitoire, ce procédé ne peut pas s’appliquer puisque la fréquence d’apparition de la défaillance n’est pas connue. En particulier, lorsque la défaillance correspond à un contact transitoire du rotor lors de sa rotation, les fréquences caractéristiques du spectre peuvent varier lors de la défaillance, depuis la mise en contact jusqu’à la fin dudit contact du fait de l’usure engendrée par lui. L’invention vise à perfectionner l’art antérieur en proposant notamment un procédé de détection d’une défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant qui est facilement implantable en étant particulièrement fiable relativement aux défaillances induisant une usure transitoire lors de la rotation de l’organe. A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de détection d’une défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant, ledit procédé prévoyant de : - mesurer la vitesse instantanée de rotation dudit organe et d’échantillonner angulairement ladite mesure pour, par analyse harmonique spatiale, obtenir un spectre qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l’organe, ledit spectre présentant des raies correspondant aux harmoniques du tour de rotation dudit organe ; - surveiller l’amplitude d’au moins une raie harmonique et, en cas de dépassement d’un seuil pour ladite amplitude, comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence pour en déduire l’apparition d’une défaillance.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose un système mécanique comprenant un organe monté en rotation et un dispositif de détection d’une défaillance transitoire de ladite rotation par mise en oeuvre d’un tel procédé. D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - les figures 1 et 2 montrent un spectre de référence dans respectivement un état de rotation d’un organe tournant ; - les figures 3 et 4 montrent un spectre obtenu pour respectivement une défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant ; - les figures 5 sont des représentations schématiques partielles d’un système mécanique selon un mode de réalisation de l’invention, respectivement en perspective (figure 5a) et vue de côté (figure 5b).

On décrit ci-dessous un procédé de détection d’une* défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant 1, faisant notamment partie d’un système mécanique dans lequel il est monté. Dans une application particulière, le système mécanique comprend des moyens de pompage à vide qui font partie ou sont entraînés en rotation par l’organe tournant 1.

En relation avec les figures 5, le système mécanique comprend un carter 2 dans . lequel l’organe 1 est monté en rotation, ledit organe présentant au moins un lobe radial 3 qui est monté en regard d’une paroi cylindrique 4 dudit carter. Pour assurer une fonction de pompage, le jeu entre la périphérie du lobe 3 et la paroi cylindrique 4 est réduit, ce qui fait que ledit lobe est susceptible de venir en contact avec le carter 2 lors de la rotation, ledit contact étant transitoire par usure du lobe 3 et/ou du carter 2 à leur interface.

Le système mécanique représenté comprend un deuxième organe 5 qui est monté en rotation dans le carter 2, au moins un des organes 1,5 comprenant au moins un lobe 3, 6 susceptible de venir transitoirement en contact avec l’autre organe 5,1 lors de la rotation desdits organes. En particulier, le deuxième organe 5 présente également un lobe radial 6 de pompage qui est disposé dans une paroi cylindrique 7 dudit carter. Sur la figure 5, le deuxième organeJS. £st de structure analogue à celle du premier organe 1 en étant monté en rotation parallèle décalée de 90° par rapport audit premier organe. De mêmë, pour assurer une fonction de pompage, le jeu entre la périphérie des lobes 3, 6 est réduit, ce qui fait que lesdits lobes sont susceptibles de venir en contact lors de la rotation, ledit contact étant transitoire par ïïsürë desdits lobes à leur interface.

De façon avantageuse, le procédé permet de détecter la défaillance de rotation induite par l’apparition d’au moins l’un des contacts transitoires entre le lobe 3 et le carter 2 et/ou entre les lobes 3, 6, afin notamment de pouvoir établir un diagnostic de l’état d’usure du système mécanique.

Pour ce faire, le système mécanique comprend un dispositif de détection d’une défaillance transitoire par mise en œuvre d’un procédé prévoyant de mesurer la vitesse instantanée de rotation de l’organe tournant 1, ladite mesure pouvant être réalisée sur l’organe tournant 1 lui-même ou sur un autre organe tournant qui lui est associé dans le système mécanique.

En particulier, la mesure de la vitesse instantanée du premier organe 1 peut être réalisée au moyen d’un ensemble codeur 8 - capteur 9 intégré au système mécanique. De façon non représentée, la vitesse instantanée du deuxième organe tournant 5 peut être mesurée de façon analogue, par exemple pour détecter une défaillance transitoire de sa rotation.

Le codeur 8 est solidaire en rotation de l’organe tournant 1 et présente une piste codeuse, par exemple de type magnétique en comprenant une piste codeuse multipolaire qui présente une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud dont la géométrie est identique afin d’émettre un champ magnétique périodique pseudo sinusoïdal. A titre d’exemple, le codeur 8 peut être formé d’un aimant sur lequel les pôles magnétiques sont constitués, notamment en formant au moins une piste codeuse aimantée. En particulier, l’aimant peut comprendre une matrice, par exemple réalisée à base d’un matériau plastique ou élastomère, dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques, notamment des particules de ferrite ou de terres rares comme le NdFeB, qui sont aimantées suivant la succession de pôles.

Le capteur 9 est fixe et comprend au moins deux éléments sensibles qui sont disposés en regard et à distance de lecture de la piste codeuse. Le document WO-2006/064169 décrit un capteur 9 agencé pour délivrer deux signaux respectivement SIN et COS en quadrature et de même amplitude qui sont chacun représentatifs du champ magnétique d’une piste codeuse multipolaire, lesdits signaux pouvant être utilisés pour déterminer l’information de rotation du codeur 8, par exemple à fin de pilotage de la rotation de l’organe tournant 1.

Les éléments sensibles du capteur 9 peuvent être choisis parmi les sondes magnétosensibles, par exemple à effet Hall, et/ou les sondes à base de magnétorésistances à effet tunnel (TMR), de magnétorésistances anisotropes (AMR) ou de magnétorésistances géantes (GMR).

En particulier, le capteur 9 est agencé pour délivrer un signal comprenant des fronts qui sont espacés d’un pas angulaire constant. En particulier, le signal délivré par le capteur 9 peut être interpolé de sorte que le pas angulaire séparant les fronts soit inférieur à l’écart angulaire entre les pôles magnétiques.

Le procédé prévoit en outre un échantillonnage angulaire de la mesure de la vitesse instantanée de rotation pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de ladite vitesse. En particulier, on mesure le temps écoulé entre deux fronts, notamment au moyen d’une carte de comptage qui est couplée au capteur 9.

La vitesse instantanée de rotation étant échantillonnée, le procédé prévoit de réaliser une analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la vitesse instantanée de rotation de l’organe 1. Selon une réalisation, l’analyse harmonique spatiale est réalisée par transformée de Fourier spatiale (FFT) du signal échantillonné.

La transformée de Fourier spatiale peut être réalisée sur la mesure du temps écoulé entre chaque front montant. En outre, la mesure de la vitesse instantanée de rotation de l’organe tournant 1 ou du temps écoulé entre chaque front peut être réalisée sur plusieurs tours, par exemple une trentaine de tours, l’analyse harmonique étant alors réalisée sur ce signal échantillonné angulairement de sorte à limiter l’influence des fluctuations de vitesse de rotation de l’organe tournant 1.

En relation avec les figures 1 à 4, le spectre présente des raies 10 correspondant aux harmoniques du tour de rotation de l’organe 1 (les spectres représentant l’amplitude en fonction de l’ordre de l’harmonique), le procédé prévoyant une surveillance de l’amplitude d’au moins une desdites raies. Ensuite, en cas de dépassement d’un seuil pour une amplitude surveillée, le procédé prévoit de comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence pour en déduire l’apparition d’une défaillance.

En relation avec les figures 1 et 2, on constate que, en l’absence de défaillance, le positionnement fixe et l’amplitude importante des raies harmoniques 10 les rendent facilement surveillables et que, en cas de défaillance transitoire (figures 3 et 4), l’ensemble du spectre est excité. Plus précisément, en relation avec les figures 3 et 4, on constate que, en fonction de la défaillance, par exemple un contact lobe 3 / carter 4 ou un contact lobe 3 / lobe 6, le spectre est différent mais qu’il reste dans tous les cas excité transitoirement lors du contact considéré. L’apparition d’une défaillance peut donc être détectée lorsque l’énergie du spectre obtenu est supérieure à l’énergie d’au moins un spectre de référence, plus particulièrement de plusieurs spectres de référence. De façon avantageuse, la comparaison des spectres peut être effectuée dans une fenêtre fréquentielle comprenant plusieurs raies harmoniques 10 du tour de rotation, notamment plus de dix raies harmoniques 10, afin de fiabiliser la détection.

La surveillance de l’amplitude peut être menée sur au moins une raie harmonique 10 d’ordre compris entre 1 et N, N étant supérieur à 10, notamment en étant compris entre 10 et 30, ces raies présentant déjà une amplitude significative en l’absence de défaillance. En outre, la détection peut être fiabilisée en surveillant l’amplitude de plusieurs raies harmoniques 10 pour, en cas de dépassement d’un seuil pour au moins l’une desdites amplitudes, comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence.

Le procédé peut prévoir en outre une procédure initiale d’acquisition d’au moins un spectre de référence qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l’organe 1 sans défaillance. En variante, un spectre de référence peut correspondre à un spectre précédemment obtenu lors de la rotation de l’organe 1.

En particulier, la procédure initiale prévoit l’acquisition de plusieurs spectres de référence (figures 1 et 2) en fonction d’un état de rotation de l’organe 1 (par exemple en phase de pompage ou non dans l’application considérée), ledit procédé prévoyant de déterminer l’état de rotation de l’organe 1 et de choisir le spectre de référence pertinent pour le comparer au spectre obtenu dans ledit état.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détection d’une défaillance transitoire de rotation d’un organe tournant (1 ), ledit procédé prévoyant de : - mesurer la vitesse instantanée de rotation dudit organe et d’échantillonner angulairement ladite mesure pour, par analyse harmonique spatiale, obtenir un spectre qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l’organe (1), ledit spectre présentant des raies (10) correspondant aux harmoniques du tour de rotation dudit organe ; - surveiller l’amplitude d’au moins une raie harmonique (10) et, en cas de dépassement d’un seuil pour ladite amplitude, comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence pour en déduire l’apparition d’une défaillance.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il prévoit de détecter l’apparition d’une défaillance lorsque l’énergie du spectre obtenu est supérieure à l’énergie d’au moins un spectre de référence.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la comparaison des spectres est effectuée dans une fenêtre fréquentielle comprenant plusieurs raies harmoniques (10) du tour de rotation, notamment plus de dix raies harmoniques (10).
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il prévoit une procédure initiale d’acquisition d’au moins un spectre de référence qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l’organe (1) sans défaillance.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la procédure initiale prévoit l’acquisition de plusieurs spectres de référence en fonction d’un état de rotation de l’organe (1), ledit procédé prévoyant de déterminer l’état de rotation de l’organe (1) et de choisir le spectre de référence pertinent pour le comparer au spectre obtenu dans ledit état.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il prévoit de surveiller l’amplitude d’au moins une raie harmonique (10) d’ordre compris entre 1 et N, N étant supérieur à 10.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il prévoit de surveiller l’amplitude de plusieurs raies harmoniques (10) pour, en cas de dépassement d’un seuil pour au moins l’une desdites amplitudes, comparer le spectre obtenu avec au moins un spectre de référence.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’analyse harmonique spatiale est réalisée par transformée de Fourier spatiale du signal échantillonné.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse instantanée est réalisée au moyen : - d’un codeur (8) solidaire en rotation de l’organe tournant (1 ), ledit codeur comprenant une piste codeuse ; - d’un capteur (9) fixe comprenant au moins deux éléments sensibles qui sont disposés en regard et à distance de lecture de la piste codeuse, ledit capteur étant agencé pour délivrer un signal comprenant des fronts espacés d’un pas angulaire constant.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la piste codeuse est multipolaire en présentant une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud, le pas angulaire séparant les fronts est inférieur à l’écart angulaire entre lesdits pôles.
11. Système mécanique comprenant un organe (1) monté en rotation et un dispositif de détection d’une défaillance transitoire de ladite rotation par mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Système mécanique selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il comprend un codeur (8) solidaire en rotation de l’organe tournant (1), ledit codeur comprenant une piste codeuse, et un capteur (9) fixe comprenant au moins deux éléments sensibles qui sont disposés en regard et à distance de lecture de la piste codeuse, ledit capteur étant agencé pour délivrer un signal représentatif de la vitesse instantanée de rotation dudit organe.
13. Système mécanique selon l’une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l’organe (1) est monté en rotation dans un carter (2) en présentant au moins un lobe (3) susceptible de venir transitoirement en contact avec ledit carter lors de ladite rotation, le dispositif étant agencé pour détecter l’apparition dudit contact.
14. Système mécanique selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu’il comprend un deuxième organe (5) monté en rotation, au moins un des organes (1, 5) comprenant au moins un lobe (3, 6) susceptible de venir transitoirement en contact avec l’autre organe (5, 1) lors de la rotation desdits organes, le dispositif étant agencé pour détecter l’apparition dudit contact.
15. Système mécanique selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens de pompage à vide qui font partie ou sont entraînés en rotation par l’organe tournant (1 ).