Brevet FR2513412A1 — publié le 19830325

PROCEDE D'INDICATION ANTICIPEE DE LA DETERIORATION D'UN SYSTEME TRIBOLOGIQUE La présente invention concerne un procédé de contrôle et de qualification de systèmes tribologiques en vue d'une indication antici- pée de défectuosités Suivant ce procédé, les échantillons sont prélevés périodiquement dans le lubrifiant des dispositifs mécaniques maintenus en marche et, en fonctiondu résultat de la rapide analyse de contrôle et de comparaison de ces échantillons, on effectue des essais appropriés pour établir le début de la défectuosité et, en fonction de ces essais, on définit la qualité du système tribologique. L'indication anticipée de la détériorationde systèmes tribologiques est intéressante pour des raisons techniques de sécurité ou bien des raisons économiques Dans le cas de groupes propulseurs d'avion et de système hydrauliques, les raisons de sécurité techniques sont essentielles alors que, dans un autre domaine, par exemple, dans le cas de laminoirs de turbines de centrales, etc, les pertes de rentabilité sont réduites par l'indication anticipée des défauts. Dans des centrales atomiques, le rendement de la centraleestamé- lioré par l'indication anticipée de défectuosités des unités élémentaires, en vue d'une meilleure synchronisation des arrêts du fait des réparations nécessai res. Pour des grosses machines tournantes utilisées dans des centrales, des laminoirs, etc, on utilise des appareils de signalisation de con- dition d'oscillation et des instruments de détection de température en vue d'un contrôle des paliers Ces instruments détectent et indiquent des phénomènes se produisant par suite de la défectuosité car l'augmenta- tion d'oscillation de l'axe en rotation, ou bien l'augmentation de tempé- rature du pallier, constituent un phénomène résultant de la défectuosité et l'indication du défaut' sert à éviter de plus gros dommages, notamment une destruction totale du ir er Cependant, on ne peut pas considérer que ces méthodes sont appropriées pour une indication antici Dée d'une 134 1 2 défectuosité, car elles n'indiquent pas la phase initiale de la détérioration L'indication anticipée des défectuosités des systèmes tribologi- ques n'est possible que par une connaissance de la résistance à l'usure du système, car, par un contrôle régulier, périodique ou continu, de la condition d'usure, il est possible de déceler les phénomènes d'usure aboutissant à une défectuosité et d'établir la probabilité de la probabilité d'apparition de la défectuosité A cet effet, on doit établir les valeurs caractéristiques, qualitatives et quantitatives des phénomènes d'usure se produisant pendant l'utilisation correcte du système tribologique et, en fonction de ces valeurs, on peutobtenir une indication préalable de la défectuosité dans le cas d'un éventuel contrôle périodique ou continu de la condition d'usure du système. Les systèmes tribologiques donnent lieu à des processus caractéris- tiques d'usure en fonction du temps de marche Une caractéristique de processus d'usure est la quantité de matière se détachant des surfaces soumises à usure, tandis qu'une autre caractéristique est constituée par la forme des particules des matières détachées, qui est variable au cours des différentes phases du processus d'usure La figure 1 représente le processus d'usure, la quantité de matière G étant représentée en fonction du temps de marche t On a désigné par I la phase initiale o il se pro- duit à la fois une usure par abrasion et une usure par frottement, par II la phase d'usure par frottement ou la phase de durabilité pour laquelle la vitesse d'usure est pratiquement inchangée, par III la phase avec augmentation rapide de l'usure, o le système arrive dejà à sa limite de durabilité o on doit s'attendre bientôt à l'apparition d'un dommage et dont le signe caractéristique est l'apparition de l'usure par abrasion et/ou d'une usure de fatigue superficielle Les particules d'usure apparaissant dans le processus d'usure présentent, en dehors des caractéristiques quanti- tatives, également un aspect caractéristique en ce qui concerne leur forme et leurs dimensions Les particules produits pendant l'usure par frottement ont une dimension pouvant atteindre environ 30 je et elles ont la force de follicules alors que, par contre, les follicules d'usure par abrasion ont une forme caractéristique de copeaux en spirale d'une assez grande longueur; dans le cas de l'usure par fatigue superficielle, il se forme des petits granules sphériques de grandes dimensions Le processus d'usure fondamental peut être modifié par des ma- tières étangères abrasives provenant de l'environnement et pénétrant dans le système en cours de marche Leur influence est fonction dela quantité et de la qualité des matériaux d'usure abrasifs pénétrant dans le système et également ces matières peuvent déclencher un processus d'usure rapide caractéristique de la phase III; cependant, dans ce cas, il est encore possible de revenir aux valeurs caractéristiques d'usure correspondant à la phase II Il existe plusieurs procédés de contrôle pour définir les caractéristiques quantitatives et qualitatives à partir du lubrifiant, qui contient les particules de matières ou produits d'usure se déta- chant pendant le processus d'usure La composition élémentaire du pro- duit d'usure se trouvant dans le lubrifiant (métaux, alliages, matières étrangères) peut être également établie à partir de l'échantillon de lubrifiant par une analyse directe Ces méthodes sont généralement auto- matisées, ce qui est le cas des méthodes spectrométriques et spectropho- tométriques Ces méthodes présentent cependant un inconvénient commun, à savoir qu'elles ne permettent pas de mesurer des particules de dimen- sions supérieures à 5 pm et, pour cette raison, les valeurs mesurées par ces méthodes ne sont pas quantitatives et elles conviennent seulement d'une manière limitée pour définir la variation quantitative du proces- sus d'usure Les valeurs d'usure déterminées à l'aide d'un spectrophoto- mètre opérant par absorption atomique sont souvent inférieures, par exem- ple d'un ordre de grandeur, aux valeurs pouvant être mesurées par une technique d'activation neutronique, et une considération semblable s'ap- plique à d'autres procédés de spectrométrie directe Sur la base de ce qui a été décrit ci-dessus, les méthodes de spectrométrie directe ne conviennent pas pour l'analyse de gros grains qui sont caractéristiques de la phase d'usure dangereuse En vue d'une détermination quantitative correcte pendant le processus d'usure, il est approprié d'utiliser une méthode de contrôle faisant intervenir un spectromètre gamma après l'ac- tivationneutronique des produits d'usure, mais l'application de ce pro- cédé est long et coûteux et pour cette raison il ne convient pas pour une indication anticipée et rapide d'une condition de défectuosité. Sur la base de la variation dimensionnelle des particules produi- tes pendant le processus d'usure, on peut observer le début de la phase d'usure III et, en vue d'un contrôle rapide de cette phase, on utilise le dispositif automatique de triage et de comptage de particules. Ces dispositifs produisent une information rapide concernant la concentration et la répartition dimensionnelle des particules d'usure dans l'échantillon de lubrifiant, ou bien sur leur modification La modi- fication des concentrations et la modification de dimensions des particules 25134 12 peuvent cependant être également influencées de l'extérieur, par suite de l'encrassement initial du lubrifiant "frais" ou bien par suite d'un complément de remplissage en-huile. De ce fait, même cette méthode ne permet pas d'obtenir une infor- mation nette concernant le début de la troisième phase d'usure On obtient une information plus complète lorsque le lubrifiant à introduire dans le système est défini au préalable en ce qui concerne sa qualité, ou bien lorsque,par un filtrage approprié, on est assuré d'utiliser pour le sys- tème du lubrifiant d'une pureté convenable et constante. La figure 2-montre 1 efficacité de l'applicabilité des procédés connus de contrôle d'usure en vue d'une analyse des particules d'usure et des particules de matières étrangères de différentes dimensions La dimension M des particules est exprimée en microns; la bande "a" correspond à la ferrographie; la bande "b" correspond au compteur-trieur de particules; la bande "c" correspond à la méthode d'activation neutronique; la bande "d" correspond à l'analyse spectrale avec préparation chimique, tandis que la bande "e" correspond à l'analyse spectrale directe. La présente invention a pour but de fournir un procédé d'essai ou de contrôle qui convienne pour une détermination rapide et fiable du début de la phase d'usure III en vue de l'indication anticipée d'une défectuosité A cet effet, on ne peut utiliser aucun des procédés de contrôle connus Les procédés de spectrométrie rapide opérant par analyse- directe de l'huile de lubrification ne conviennent pas pour fournir une indication anticipéed'une défectuosité de systèmes tribologiques, car ces procédés ne permettent pas de détecter les grosses particules d'usure qui sont caractéristiques du début d'une détérioration La technique d'activation neutronique, ou bien une autre méthode analytique agissant sur les échan- tillons, pourraient convenir, mais elles ne sont pas satisfaisantes, en ce qui concerne la rapidité Les compteurs et les trieurs automatiques de&particules sont rapides mais, cependant, pour l'interprétaticn des valeurs de mesure, on doit également prendre en considération desvariations résultant d'un encrassement du système de lubrification ou bien provoquées par l'environ- nement Un gros grain de quartz, ou une autre particule étrangère prove- nant de l'environnement qui a été détectée comme une modification ne se traduit pas obligatoirement par une accélération du processus d'usure. Il est ainsi nécessaire de déterminer, pour les grosses particules, si elles proviennent de la surface de frottement La ferrographie semblerait appropriée à cet égard; avec un appareil utilisant cette méthode, il est 25134 1 2 possible de bien identifier les formes des particules d'usure qui sont caractéristiques des différentes phases d'usure Lors du choix des mé- thodes de contrôle, on doit évidemment tenir compte de la possibilité d'appli- cation rapide de la méthode à l'endroit o doit s'effectuer le contrôle. Il a été possible d'atteindre l'objectif de la présente invention grâce au fait que le processus d'usure est influencé et parfois déterminé par les effets de l'environnement En mesurant le processus d'usure, il est ainsi également nécessaire de mesurer l'influence de l'en- vironnement Pour cette raison, on établit les données d'usure et le ni- veau d'encrassement qui sont caractéristiques de l'influence de l'environ- nement et qui interviennent dans un processus normal d'usure,et on ef- fectue des analyses concernant la morphologie des particules dans les cas apparaissant comme critiques Après la détermination des valeurs d'usure des processus normaux d'usure et après l'établissement des valeurs corres- pondant à l'influence de l'environnement, le contrôle de l'évolution nor- male du processus d'usure constitue une opération de routine simple, rapide et ne nécessitant aucune connaissance spéciale En ce qui concerne les valeurs quantitativesl'analyse morphologique des particules fournit une indication nette en ce qui concerne le début de la détérioration. Le contrôle d'usure à effectuer le plus fréquemment et pendant une longue période (durée de service de l'appareil) est rapide et ne sollicite pas le service d'entretien par des opérations de contrôle longues et néces- sitant des connaissances spéciales Il y a peu d'opérations de contrôle à faire qui nécessitent des connaissances spéciales et une attention parti- culière,et pour cette raison, le système d'indication anticipée de défec- tuosités selon l'invention est économique. La présente invention concerne un procédé de contrôle et de déter- mination de la nature de l'usure d'un système tribologique en vue de l'indication anticipée d'une défectuosité, dans lequel on effectue un contrôle qualitatif et quantitatif des oroduits d'usure et des matériaux étrangers se trouvant dans le lubrifiant; selon ce procédé; après rodage et après l'application d'une méthode de prélévement d'échantillons par spectomé- trie-gamma succédant à une activation neutronique des produits d'usure et des matériaux étrangers, ou bien d'une autre méthode d'une précision et d'une sensibilité équivalentes, on peut définir les valeurs quantitatives des produi d'usure et des matériaux étrangers qui sont caractéristiques du maintien en fonctionnement correct du système tribologiqueon qualifie ces valeurs de valeurs normales d'usure; on détermine les caractéristiques quantitatives des particules des produits d'usure et des matériaux 25134 1 2 étrangers intervenant dans cette usure normalede préférence à l'aide de compteurs-trieurs automatiques de particules, on qualifie ces caractéris- tiques quantitatives des particules de caractéristique d'usure normale du système pour laquelle on obtient un fonctionnement correct dudit sys- téme puis en vue du contrôle du système tribologique en fonctionnement- on prélève, à partir du lubrifiant, et à des intervalles de temps avanta- geusement déterminés, des échantillons de lubrifiant qu'on analyse avec des compteurs-trieurs automatiques de particules et, dans le cas o les valeurs quantitatives des particules dépassent la valeur caractéristique admissiblh d'usure normale, on effectue l'analyse morphologique des particules de l'échantillon de lubrifiant à l'aide d'un ferrographe et on considère le système comme défectueux lors de la présence de particules de formes sphériques et/ou lors de la présence de particules en forme de copeaux qui sont caractéristiques d'une usure par abrasion. L'utilisation individuelle du procédé conforme à l'invention est possible, sans augmentation importante des frais d'exploitation, par le fait que le contrôle d'usure à effectuer le plus fréquemment et pendant une assez longue période pendant toute la durée de service du système- peut être réalisé en un temps court et ne nécessite aucune connaisance spéciale Un contrôle nécessitant beaucoup de connaisances spéciales et un grand soin ne doit être effectué qu'exceptionnellement pendant la mise en service L'étape précitée à effectuer le plus fréquemment dans le pro- cédé conforme à l'invention concerne l'observation des influences de l'environnement et de la pénétration de matériaux étrangers à partir de l'extérieur, ces influences pouvant accélérer considérablement le processus d'usure et risquant de provoquer des dommages importants après un temps assez court. On va maintenant expliquer la présente invention en référence à un exemple d'application. A partir du lubrifiant provenant de plusieurs dispositifs d'en- trainement de même type, on détermine les valeurs d'usure, correspondant à la phase II de la figure 1, par le procédé d'activation neutronique permettant d'obtenir une grande précision de mesure L'identification de la phase Il est effectuée de manière à déterminera partir des échantil- Ions d'huile de lubrification prélevés successivement et périodiquement, la quantité des éléments caractéristiques correspondant aux couples d'usure principaux et la quantité des matériaux étrangers ne provenant pas des matières de construction La vitesse d'usure des éléments carac- téristiques de l'usure des matières de construction est constante dans 25134 12 la phase II lorsque la quantité de matières étrangères est invariante. Dans le cas de quantités variables denatières étrangères, on doit tenir compte pour l'échantillon considéré seulement de la quantité de matière de constructionqui est rapportée à une quantité identique de matière étrangère L'augmentation de la quantité de matière étrangère provoque notamment l'augmentation de la quantité de produits d'usure à partir de la matière de construction. Les résultats d'usure obtenus de la manière décrite ci-dessus dans la phase de contrôle dimensionnel sont équivalents pour des systèmes tri- bologiques de même type et de même dimensions par exemple des groupes propulseurs d'avion de même type. Pour les échantillons de lubrifiants intervenant dans la phase de contrôle dimensionnel, on a supposé en dehors du contrôle décrit ci- dessus qu'on effectuait une analyse d'encrassement avec des compteurs- trieurs de particules et qu'on classait en catégories les données de me- sure conformément à la nome ISO/TC 131/Sc-6 Ce classement en catégories est effectué sur la base des particules inférieursà 5 microns et supé- rieuresà 15 microns qui se trouvent dans 1 ml Les categories sont indi- quees par des chiffres. Il faut évidemment lors de ce contrôle et dans le cas de différentes quantités de matière étrangère, tenir compte,dans les échantillons,seule- ment de la quantité de matière de construction qui est rapporté à une même quantité de matière étrangère. Avec les deux processus de contrôle décrits ci-dessus, on a obtenu les résultats suivants: avec la méthode d'activation neutronique, on a obtenu les valeurs d'usure, exprimées en g, caractéristiques de l'usure des matières de construction du système tribologique dans la phase d'usure II, ainsi que les quantités de matières étrangères correspondantes, éga- lement exprimées en g; à partir des données fournies par le compteur de prticules, on a obtenu les valeurs d'encrassement, caractéristiques de la phase II du système tribologique exprimées par un indice de catégorie conformément au code ISO Jusqu'au moment o la valeur d'usure, exprimée en g, est caractéristique du système tribologique, la quantité de matières étrangères exprimée en g, ou bien l'indice d'encrassement exprimé con- formément au code i SO, fournit qénéraleiment aussi une indication de la qua-' lité de service La connaissance simultanée des deux valeurs, et la détenminati de la valeur (ou indice) d'encrassement correspondant à la phase Il du pro- cessus sont également nécessaires car la mesure avec le compteur-trieur de particules est assez rapide et ne nécessite aucune connaisance spé- ciale de sorte qu'il est possible de contrôler un grand nombre d'échan- tillons et d'effectuer les analyses des échantillons provenant de plu- sieurs centaines de points de contrôle à l'aide d'un seul dispositif. La durée de la mesure est de 1 à 2 minutes Dans des essais effectués dans la pratique, on a obtenu, pour les catégories exprimées confor- mément au code ISO pour des groupes propulseurs d'avion (turbines à gaz) et des systèmes hydrauliques,et pour la phase II du processus d'u- sure des valeurs comprises entre 13/10-18/15 pour des conditions normales d'usure Pour un plus fort degré d'encrassement, l'échantillon d'huile a été analysé par voie ferrographique Pendant l'analyse ferrographique, phique, on a établi par une analyse morphologique des particules, si un déDassement de la catéqorie ISO caractéristioue d'une condition d'usure considérée comme normale, pour un des éléments de construction. est dû à l'action de particules d'usure de grande dimensions provoquant la fatigue superficielle qui sont caractéristiques de la Dhase d'usure III, ou à des particules abrasives caractéristiques d'un début de grippage Dans ce cas, il est recommandé de ne pas continu- er à faire fonctionner le mécanisme du fait du dommage qui peut se pro- duire au bout d'un temps court En plus du résultat de l'analyse morpho- logique, l'analyse ferrographique permet également d'établir de quelle surface d'éléments de construction, comme par exemple des tourillons d'arbres ou des paliers, etc, proviennent les particules d'usure de dimensions dangereuses, de sorte qu'on obtient une information utile pour la réparation du système L'analyse ferrographique peut également mettre en évidence le fait que le dépassement de la catégorie ISO, caractéristique du processus normal d'usure, s'est produit sous l'influence de l'environnement L'augmentation du nombre de parti- cules et des dimensions de particules résultent d'influences extérieures. Dans ce cas, il est nécessaire d'effectuer un lavage ou un nettoyage du système et de contrôler de façon répétée le système après le nettoyage et en fonction de la prise d'échantillons A titre d'exemple, on a opéré de cette manière en pratique sur des turbines à gaz d'avions sur des sys- témes hydrauliques, sur des systèmes de lubrification de laminoirs, sur des groupes hydrauliques de machines de travail, etc et on a obtenu des résultats satisfaisants. Dans la phase de mesure concernant le système de contrôle et d'in- dications préalables de défauts, la détermination des valeurs normales 25134 1 2 - d'usure et des valeurs d'encrassement est longue mais l'analyse d'encras- sement du compteur-trieur automatique de particules en cours de marche est assez rapide De cette manière, il est possible de contrôler réguliè- rement des systèmes tribologiques et d'observer rapidement la variation du processus normal d'usure L'analyse ferrographique des échantillons qualifiés de critiques permet de définir la probabilité de défectuosité, elle fournit une indication pour la réparation, notamment en indiquant de quelle surface d'éléments de construction proviennent les particules d'u- sure de dimensions dangereuses; ou bien il est possible de déterminer si la variation résulte d'une influence extérieure, auquel cas on peut re- médier à cet inconvénient par une action correspondante, par exemple par lavage, et le système peut être remis en marche après répétition du con- trôle. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. 25134 12 REVENDICATIONS 1. Procédé pour le contrôle et la qualification de la condition d'usure d'un système tribologique en vue de l'indication préa- lable d'une défectuosité suivant lequel on contrôle qualitativement et quantitativement les produits d'usure et les matières étrangères se trou- vant dans le lubrifiant, procédé caractérisé en ce que, après - rodage, on détermine, par une méthode de prélèvement d'échantillons utilisant laspectrométrie-gamma, ou une autre méthode d'une précision et d'une sensibilité équivalentes, après une activation neutronique des produits d'usure et des matières étrangères, les valeurs quantitatives des produits d'usure et des matières étrangères qui sont caractéristiques du maintien en ordre de marche correct du système tribologique, on qualifie ces valeurs comme de valeurs d'usure normales, et on déter- mine les nombres caractéristiques de particules de produits d'usure et des matières étrangères correspondant à cette condition normale d'usure, avantageusement à l'aide de compteurs-trieurs automatiques de particules, on qualifie ces nombres caractéristiques de particules de ca- ractéristique normale d'usure du système, qui autorise un maintien en ordre de marche correct de celui-ci, puis en vue d'un contrôle du système tribologique en fonctionnement on prélève des échantillons de lubrifiant à des intervalles de temps convenables et on les analyse à l'aide d' un compteur-trieur automatique de particules et, dans le cas o les nombres de particules dépassent les valeurs caractéristiques admissibles correspondant à l'usure normale, on effectue l'analyse mor- phologique des particules de l'échantillon de lubrifiant par voie fer- rographique et on qualifie le système comme défectueux lors de la pré- sence de particules de forme sphérique et/ou de particules en forme de copeaux qui sont caractéristiques d'une usure par abrasion. 2. Mode d'application du procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le système considéré comme défectueux à cause de la présence des particules étrangères provenant de l'extérieur, est qualifié d'apte à subir un fonctionnement d'essai après l'épuration du lubrifiant et du système.