Brevet FR2692668A1 — publié le 19931224

La présente invention concerne un procédé de surveillance du fonctionnement d'un ensemble tournant soumis à de nombreux régimes transitoires. Dans les dispositifs mécaniques actuels, il existe de plus en plus d'appareils dont le fonctionnement n'est qu'une succession de régimes transitoires (démarrages, arrèts, modifications incessantes d'une vitesse de rotation du fait par exemple d'un asservissement...). La surveillance de ces dispositifs (comme d'ailleurs ceux fonctionnant en régime stable) consiste essentiellement à mesurer et anlyser les phénomènes vibratoires se produisant au cours de la rotation et à les comparer à des seuils pour décider ou non d'une intervention d'entretien ou de réparation de telle ou telle partie de l'ensemble tournant. En effet, les vibrations résultent la plupart du temps de défauts géométriques dans la chaîne cinématique de l'ensemble tournant, ces défauts ayant plusieurs origines et évoluant au cours du. temps.On citera pour mémoire les défauts dûs à la précision de la construction (jeux, excentricités, défauts d'alignement...), les défauts dûs à l'usure (augmentation des jeux, ovalisations des portées, usure des roulements, usure des accouplements...) et les défauts accidentels (chocs, arrachement de matière, déformations de pièces dues à des excès de contraintes...). Ainsi en surveillant le niveau de vibrations dispose-t-on d'un moyen pour détecter d'abord le caractère plus ou moins soigné de la fabrication et du montage, le niveau d'usure ou l'apparition de défauts accidentels. En outre, par une analyse plus fine de ces vibrations quant à leur composition (amplitude des différents harmoniques par exemple), on peut détecter lequel des composants ou groupe de composants impliqué dans la chaîne cinématique est principalement responsable des vibrations engendrées. Cette analyse est bien connue en régime permanent pour des dispositifs tournants à régime constant (installations fixes du genre alternateurs, compresseurs, moteurs marins, pompes,...). Elle est beaucoup plus difficile à réaliser pour des dispositifs tournants dans lesquels les régimes transitoires de fonctionnement sont prédominants. C'est notamment le cas de la robotique, des chaînes de transmission mises en oeuvre sur des véhicules terrestres ou aériens... Les procédés aujourd'hui proposés pour réaliser ces mesures et analyses comportent des traitements de signaux issus d'accéléromètres et de capteurs de vitesse, au moyen d'algorithmes puissants utilisant la méthode de la tranformation de Fourrier rapide. Il s'agit essentiellement de prélever des échantillons de signaux analogiques à une fréquence d'échantillonnage pour numériser le signal analogique afin de pouvoir le traiter par des calculateurs. La fréquence d'échantillonnage peut être extrèmement élevée et l'acquisition des données est de bonne définition, permettant donc un suivi satisfaisant des phénomènes transitoires.Cette méthode demande cependant une capacité très importante de mémoires de stockage de ces données qui ne peuvent être traitées qu'en différé, après la phase d'acquisition; le temps de calcul ne peut être aussi court que le temps séparant la prise de deux échantillons successifs. On peut diminuer la fréquence d'échantillonnage pour permettre le traitement en temps réel mais alors la définition de l'acquisition des données devient vite insuffisante et incompatible avec la rapidité de l'évolution, par exemple de la vitesse, des phénomènes transitoires. Il faut en effet noter que cette évolution, en fréquence de rotation par exemple, peut excéder 300 Hz par seconde. Les techniques numériques sont donc mal adaptées actuellement à la mesure des vibrations mises en jeu dans les phénomènes transitoires. Il faut donc se tourner vers l'utilisation de méthodes analogiques de traitement de signaux. Cependant, ces méthodes souffrent également de limites tenant notamment aux filtres de fréquence qu'elles mettent en oeuvre. En effet les filtres actuellement sur le marché ne conviennent pas de manière satisfaisante pour des traitement de signaux transitoires, soit du fait de leur constante de temps trop grande, soit à cause de la variation importante de la précision de leur fréquence de coupure (plage d'atténuation) en fonction de la valeur de cette fréquence. La présente invention entend apporter une solution à ces limites en proposant un traitement de signal de manière telle que, quelle que soit la fréquence du signal vibratoire, il soit ramené à un signal sensiblement continu significatif de son amplitude et acceptable pour des filtres courants, passe-bas notamment. A cet effet l'invention a pour premier objet un -procédé de détection du niveau des vibrations d'un ensemble tournant en particulier lors des régimes transitoires de son fonctionnement, consistant en un traitement des signaux émis par un capteur de la vitesse de rotation de l'ensemble et par un capteur des vibrations engendrées par l'ensemble tournant sur une structure fixe qui le soutient, ce traitement comportant les phases suivantes:: - intégration du signal délivré par le capteur de vibrations, - synthèse d'un signal sinusoïdal et d'un signal cosinusola- dal dont la fréquence est celle de l'harmonique à surveiller de la fréquence de rotation de l'ensemble tournant, à partir du signal délivré par le capteur de vitesses, - modulation du signal intégré par chacun des signaux sinusoïdal et cosinusoidal, - filtrage par un filtre passe-bas de chacun des signaux modulés, - modulation de chacun des signaux filtrés par un signal de fréquence élevée déphasé d'un quart de période par rapport au signal de modulation de l'autre signal filtré, - sommation de ces deux signaux et redressement du signal somme, - filtrage par un filtre passe-bas de ce signal redressé pour obtenir un signal analogique représentant l'amplitude de la vibration engendrée par l'harmonique surveillé de la fréquence de rotation de l'ensemble tournant. La modulation du signal analogique délivré par le capteur de vibrations, puis intégré, par un signal périodique de même fréquence que l'harmonique surveillé présente l'avantage de faire apparaître un signal dont une composante est à fréquence nulle que l'on peut isoler simplement par un filtre passe-bas et ce, malgré la variation de la fréquence de l'harmonique. On peut ainsi se dispenser d'utiliser un filtre suiveur dont les caractéristiques de coupure ne sont pas constantes. La seconde modulation et le traitement subséquent des signaux permet de déterminer l'amplitude de la vibration engendrée par cet harmonique, puisqu'il permet de s'affranchir de l'influence de la phase du signal continu. Dans la pratique on s'intéressera plus particulièrement à l'harmonique de rang 1, c'est-à-dire à la composante de la vibration engendrée par la fréquence de rotation de l'ensemble tournant. C'est en agissant sur les moyens de synthèse des signaux sinusoïdal et cosinusoïdal que l'on opère la sélection de l'harmonique à surveiller. On sait en effet qu'il peut être intéressant de surveiller les harmoniques de rang plus élevé qui sont significatifs de l'influence vibratoire des éléments tournants secondaires de l'ensemble tournant. Selon l'invention, la synthèse des signaux sinusoïdal et cosinusoïdal est réalisée par un traitement numérique du signal délivré par le capteur de vitesse qui comprend la transformation de ce signal analogique en un signal logique en créneaux, la multiplication de ce signal logique par un nombre qui est fonction d'une part, du rapport de démultiplication existant entre l'ensemble tournant et le capteur de vitesse et, d'autre part, de la définition de l'échantillon- nage, la reconstitution numérique d'un signal sinusoïdal et d'un signal cosinusoïdal numérisé au moyen d'un compteur et de tables trigonométriques et la conversion de ces signaux numériques en signaux analogiques formant lesdits signaux de synthèse. Un second objet de l'invention réside dans un procédé de contrôle du fonctionnement d'un ensemble tournant, caractérisé en ce qu'il consiste à comparer le signal analogique obtenu selon les indications ci-dessus à au moins un signal de référence et à émettre un signal d'alerte en réponse à cette comparaison. Le signal de référence peut être constitué par une amplitude de vibration relevée alors que l'ensemble tournant était à l'état neuf, affectée d'un coefficient représentant par exemple le degré d'usure toléré. La comparaison peut consister à dénombrer le nombre de franchissement de ce seuil de référence par le signal détecté et le signal d'alerte être émis lorsque ce nombre est supérieur à un nombre de référence. La comparaison peut également consister à identifier les fréquences auxquelles le seuil est franchi par le signal et le signal d'alerte sera alors une aide au diagnostic d'une défaillance localisée correspondant à tel ou tel régime transitoire de fonctionnement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donnée ci-après à titre d'exemple. Il sera fait référence au dessin annexé qui est un schéma fonctionnel illustrant le traitement de signal que met en oeuvre le procédé de détection de l'invention. A cette figure, un ensemble tournant porte la référence I. Ce peut être, par exemple l'arbre de sortie d'un dispositif de transmission pour entraîner les pales d'un hélicoptère. Cet ensemble tournant est porté par une structure fixe 2 appartenant par exemple, au chassis du véhicule. A l'arbre tournant 1 est associe un capteur de vitesse de rotation 3 qui peut affecter toute forme connue (génératrice tachymétrique, codeur optique, ...) et à la structure fixe est associé un capteur de vibrations 4 (par exemple un accéléromètre). Le signal issu du capteur 4 est une tension proportionnelle à l'accélération qui pénètre dans un filtre 5 passe-bande par exemple 5-1000 Hz. Le signal filtré entre ensuite dans un circuit intégrateur 6 de sorte que le signal 7 qui en est issu est de la forme: V(t) = Aj cos(2.i.f1 + + j) + Vrésiduel où Aj est l'amplitude de la vibration pour l'harmonique i et f1 est la fréquence de l'harmonique de rang 1 de la fréquence de rotation de l'ensemble tournant 1. Le signal issu du capteur de vitesses 3 est un signal périodique de fréquence variable, qui est introduit dans un filtre passe-bande 8 puis dans un circuit électronique 9 à seuil de déclenchement pour le transformer en un signal logique en créneaux 10 (impulsions) de même fréquence que le signal issu de la génératrice tachymétrique. Le signal 10 est ensuite conduit à l'entrée d'un multiplieur 11 qui permet de multiplier la fréquence d'un facteur K règlable, ce facteur prenant en compte le rapport de demultiplication-existant entre l'ensemble tournant 1 et le capteur de vitesse 3 et comprenant un nombre multiplicateur qui représente le nombre de points d'échantillonnage désirés par période. En d'autres termes, si la rotation de la génératrice 3 est deux fois plus élevée que la rotation de l'ensemble 1, si on souhaite s'intéresser à l'harmonique de rang 1 de cette rotation et si on souhaite obtenir 64 points par tour de l'ensemble 1, le facteur K sera égal à 32. Au moyen d'un compteur 12, d'une table de sinus 13 et d'une table de cosinus 14, on synthétise des signaux numériques (c'est-à-dire un ensemble d'échantillons: 64 par période) sinusoïdal et cosinusoïdal parfaits que l'on transforme en signaux analogiques par le moyen de convertisseurs numérique/analogique 15 et 16. Les signaux de sortie 16 et 17 sont donc respectivement de la forme sin(2rlf,t) et cos(2ITfrnt) avec fm très proche de f1. On a ainsi créé des fréquences de modulation de forme périodique pure qui vont permettre de faire apparaître, du signal 7 la composante de la vibration correspondant à la fréquence fm ou f1. La modulation du signal 7 par chacun des signaux 17 et 18 est obtenue à l'aide de multiplieurs 19 et 20 et le calcul montre que le signal issu de ces multiplieurs possède une composante continue, résultant d'un facteur (fm - f1) qui est voisin de zéro. Un filtre passe-bas 21 et 22 reçoit en entrée chacun de ces signaux, ce qui permet d'isoler, dans chacun d'eux, cette composante continue. On multiplie ensuite chacun de ces signaux filtrés, au moyen d'un multiplieur 23 et 24, par un signal de fréquence élevée. Dans le cas de la figure, ce signal est le signal 17 pour le signal issu du filtre 22, c'est-à-dire celui qui avait été précédemment modulé par le signal 18 et le signal 18 pour le signal issu du filtre 21, c'est-à-dire celui qui avait été précédemment modulé par le signal 17.Les signaux 17 et 18 étant respectivement des sinus et cosinus, ils sont déphasés l'un par rapport à l'autre d'une demi-période (q/2). Par un sommateur 25, on ajoute les deux signaux ainsi modulés une seconde fois, le calcul montrant que le signal somme 26 est de la forme : 1/2 PLlsin(2Tlf, - ti) Le signal 26 est introduit dans un redresseur biphasé 27 et dans un filtre 28 passe-bas. Il résulte de ce traitement un signal 29 qui est proportionnel à l'amplitude AI de la vibration engendrée par l'harmonique 1 de la fréquence de rotation f1 de l'ensemble tournant. Les valeurs numériques du calcul théorique associé à ce traitement montre qu'il convient de choisir des filtres passe-bas ayant un transitoire rapide et une fréquence de coupure assez basse (1Hz à 99% et 50Hz à 1%). REVENDICATIONS 1 - Procédé de détection du niveau des vibrations d'un ensemble tournant (1) en particulier lors des régimes transitoires de son fonctionnement, consistant en un traitement des signaux émis par un capteur de la vitesse (3) de rotation de l'ensemble et par un capteur (4) des vibrations engendrées par l'ensemble tournant (1) sur une structure fixe (2) qui le soutient, caratérisé en ce que ce traitement comporte les phases suivantes:: - intégration (5) du signal délivré par le capteur (4) de vibrations, - synthèse d'un signal sinusoïdal (17) et d'un signal cosinusoïadal (18) dont la fréquence (fm) est celle de l'harmonique à surveiller de la fréquence (f1) de rotation de l'ensemble tournant (1), à partir du signal délivré par le capteur (3) de vitesse, - modulation (19,20) du signal intégré (7) par chacun des signaux sinusoïdal (17) et cosinusoidal (18), - filtrage par un filtre passe-bas (21,22) de chacun des signaux modulés, - modulation (23,24) de chacun des signaux filtrés par un signal (18,17) de fréquence élevée déphasé d'un quart de période par rapport au signal de modulation de l'autre signal filtré, - sommation (25) de ces deux signaux et redressement (27) du signal somme, - filtrage par un filtre passe-bas (28) de ce signal redressé pour obtenir un signal analogique (29) représentant l'amplitude de la vibration engendrée par l'harmonique surveille de la fréquence de rotation de l'ensemble tournant (1). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltharmonique surveillé est de rang 1. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la synthèse des signaux sinusoïdal (17) et cosinusoidal (18) est réalisée par un traitement numérique du signal délivré par le capteur (3) de vitesse qui comprend la transformation (9) de ce signal analogique en un signal logique (10) en créneaux, la multiplication (11) de ce signal logique par un nombre (K) fonction d'une part, du rapport de démultiplication existant entre l'ensemble tournant (1) et le capteur de vitesse (3) et, d'autre part, de la définition de l'échantillonnage, la reconstitution numérique (12,13,14) d'un signal sinusoïdal et d'un signal cosinusoïdal numérisé au moyen d'un compteur (12) et de tables trigonométriques (13,14) et la conversion (15,16) de ces signaux numériques en signaux analogiques (17,18) formant lesdits signaux de synthèse. 4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconds signaux de modulation sont constitués par les signaux (17,18) de synthèse. 5 - Procédé de contrôle du fonctionnement d'un ensemble tournant, caractérisé en ce qu'il consiste à comparer le signal analogique (29) obtenu selon l'une des revendications précédentes à au moins un signal de référence et à émettre un signal d'alerte en réponse à cette comparaison.