Brevet FR2731514A1 — publié le 19960913

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de mesure en continu du différentiel de l'écartement entre deux pièces, par exemple le degré d'ouverture de la gorge de joint d'une liaison à brides d'un moteur-fusée. Art antérieur On connaît par la demande FR 2 442 436 un dispositif dynamométrique annulaire interposé entre deux organes soumis à une charge axiale. Le dispositif comprend sur chaque face de l'anneau des saillies sur lesquelles portent les deux organes sous charge. Les saillies d'une face sont décalées par rapport à celles de l'autre face de façon que l'anneau subisse une déformation élastique de forme ondulée dans une direction axiale et des jauges de contrainte sont montées sur l'anneau en des emplacements décalés par rapport aux saillies. Toutefois, un tel dispositif est mal adapté à la mesure des performances de liaisons à brides constituées de deux brides, d'un joint et d'un ensemble de serrage et soumises à des chargements statiques progressifs résultant d'efforts internes comme externes. Or, il existe un besoin pour un dispositif de mesure permettant de caractériser ces liaisons à brides et donc de vérifier la qualité de l'étanchéité qu'elles sont en mesure d'assurer. Objet et définition de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif de mesure en continu du différentiel de l'écartement de la gorge d'un joint d'une liaison à brides. Un but de l'invention est de réaliser un dispositif simple d'utilisation et permettant une mesure rapide et particulièrement aisée. Un autre but est de proposer un dispositif qui puisse établir une cartographie des déplacements de la liaison sur un ou plusieurs secteurs angulaires pouvant couvrir l'ensemble du périmètre de la liaison. Ces buts sont atteints par un dispositif de mesure du différentiel de l'écartement de deux pièces d'une liaison comportant un anneau sur le moyeu duquel sont fixés symétriquement de part et d'autre de son plan radial deux ensembles de lamelles souples, définissant une première et une seconde face de l'anneau, les lamelles disposées en vis à vis formant ressort deux à deux et étant soumises à une contrainte préalable lors de l'établissement de la liaison, et des jauges de contrainte mono-directionnelles sont fixées sur ces lamelles, chaque jauge étant reliée à un circuit d'acquisition et de traitement de données permettant la détermination du différentiel de l'écartement entre pièces à partir de l'état de contrainte instantané mesuré par les jauges. Par cette structure relativement simple, il est aisé de mesurer en permanence et sur l'ensemble du périmètre de la liaison les déplacements relatifs des deux brides de la liaison et donc corrélativement l'ouverture et la fermeture de la gorge du joint de cette liaison à brides. Le déplacement des lamelles sous l'effet du serrage de la liaison entraîne en effet une évolution de l'état de contrainte de chacune des jauges qui est en relation directe avec l'information d'ouverture ou de fermeture de la gorge de joint. Avantageusement, le dispositif de mesure selon l'invention comporte en outre des moyens de serrage qui assurent la mise sous contrainte préalable de l'ensemble des lamelles par un contact serré entre la périphérie des faces de l'anneau et les deux pièces formant la liaison. Pour tenir compte du fait qu'une liaison à brides n'est pas axisymétrique et donc qu'il peut exister des différences de comportement le long du périmètre de la liaison, chaque lamelle est positionnée au droit d'un moyen de serrage ou entre deux moyens de serrage successifs. En outre, afin de garantir un effet ressort des lamelles, L'anneau est réalisé en un alliage de cuivre béryllium UBe2. Selon un premier mode de réalisation, L'anneau est placé à l'intérieur de la liaison et les lamelles sont pincées par des épaulements pratiqués sur les parois internes des pièces formant cette liaison. Dans un second mode, cet anneau peut être placé à l'extérieur de la liaison et les lamelles viennent alors pincer les parois externes des pièces formant la liaison. De préférence, L'anneau présente une section polygonale, avantageusement circulaire. Pour la détermination de l'évolution de l'état de contrainte de chaque jauge, cette dernière est reliée à un circuit d'acquisition comportant un montage en pont de type Wheatstone dont une branche est formée par la jauge. Un tel montage en pont qui comporte en outre une alimentation et un appareil de mesure permet d'éliminer simplement certaines composantes de déformation. Le présent dispositif de mesure est particulièrement bien adapté à des pièces d'une liaison constituant des brides aval et amont d'une liaison à brides d'un moteur-fusée, comme, à des pièces constituant une bride et une cale d'un ensemble de bridage d'une pièce à usiner. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, faite à titre indicatif et non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective du dispositif de mesure selon l'invention installé dans une première liaison à brides, - la figure 2 est une vue partielle en coupe de la liaison de la figure 1 au voisinage de la jonction entre brides, - la figure 3 est une variante de réalisation de la liaison à brides pécédente, - la figure 4 montre un exemple du circuit électronique d'acquisition des états de contrainte fournis par une des jauges de déformation, - la figure 5 est un deuxième mode de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention également adapté à une liaison à brides, et - la figure 6 est encore un troisième mode de réalisation de dispositif de mesure selon l'invention mis en oeuvre avec un dispositif de bridage d'une pièce. Description détaillée d'un mode de réalisation préférentiel La figure 1 montre en perspective dans une liaison à brides 10, représentée en coupe longitudinale pour les besoins de l'illustration, le dispositif de mesure selon l'invention et la figure 2 est une vue partielle en coupe de cette liaison au voisinage de la jonction entre brides. Le dispositif selon l'invention qui a été développé spécifiquement pour la mesure en continu du différentiel de l'écartement, c'est à dire du degré d'ouverture e de la gorge de joint d'une liaison à brides se présente sous la forme d'un anneau 12 sur le moyeu duquel sont fixés de part et d'autre de son plan radial deux ensembles de lamelles souples 14a et 14b formant ressort deux à deux et définissant des première et seconde faces de cet anneau. Chaque ensemble de lamelles est mis sous contrainte préalable au moyen d'épaulements 16 et 18 pratiqués respectivement dans une bride aval 20 et amont 22 de la liaison 10 de part et d'autre de la gorge 24 d'un joint et venant pincer les faces de l'anneau à sa périphérie, lors du serrage de la liaison. De préférence, L'anneau présente une section circulaire, mais une section polygonale est tout aussi envisageable. Le serrage de la liaison est assuré par des moyens de serrage 30, vis ou boulons, répartis régulièrement autour de l'axe longitudinal de la liaison et l'anneau 12 est réalisé de telle sorte que chaque lamelle est positionnée au droit de chaque vis et entre deux vis. Ainsi, à une bride de 12 vis correspondra un anneau de 24 lamelles par face. L'anneau est de préférence réalisé dans un alliage de cuivre béryllium UBe2 qui de par ses caractéristiques mécaniques et sa facilité de mise en oeuvre entre classiquement dans la fabrication d'éléments élastiques. Les lamelles 14a, 14b comportent des jauges de contrainte (ou de déformation) mono-directionnelles 40 qui sont de préférence fixées par collage. Ces jauges actives sont avantageusement auto-compensées, c'est à dire qu'elles sont prévues pour être utilisées sur le matériau de l'anneau dont le coefficient de dilatation est bien déterminé, ce qui permet d'éliminer l'effet thermique et de s'affranchir du recours aux classiques jauges de compensation. A chaque jauge correspond une voie d'acquisition dont les données recueillies sont mises en forme par un module d'acquisition 42a. En pratique, les jeux de lamelles (un jeu de lamelle étant défini comme deux lamelles disposées en vis à vis par rapport au plan radial) peuvent être instrumenté selon les besoins par secteurs angulaires adjacents ou non. La figure 3 montre une variante de réalisation de la liaison à brides de la figure 1 dans laquelle le contact entre les deux brides 20 et 22 n'est plus assuré par les faces latérales de ces brides mais par un talon 26 formé par un épaulement longitudinal de l'une de ces deux brides. Chaque jauge d'un jeu de lamelles 14a, 14b constitue l'une des branches d'un pont de type Wheatstone (figure 4), les trois autres branches comportant les résistances R1, R2 et R3 de mesure du pont. Le pont est alimenté classiquement par une source de tension E et le signal de sortie prélevé aux bomes de ce pont est envoyé vers un appareil de mesure, par exemple un galvanomètre G. Afin de s'affranchir des effets thermiques sur les fils de liaison ainsi que de diverses perturbations dues aux phénomènes physiques agissant sur ces fils, le montage utilisé est du type trois fils avec un troisième fil (B1S1) placé en sérine avec l'impédance de l'appareil de mesure.Bien entendu, la liaison devra comporter au moins un orifice 50, de préférence étanche sous haute pression, traversant la ou les brides et permettant le passage des fils de mesure vers les différents modules d'acquisition, avantageusement réunis dans un circuit d'acquisition 42, et le ou les circuits de traitement des données 44 qui précèdent un circuit de visualisation 46 permettant une cartographie aisée des écartements de la gorge de joint. La multiplication des orifices (seul le câblage de cinq jauges a été représenté) se justifie par le nombre de fils nécessaire au câblage d'un anneau (par exemple 192 fils pour un anneau de 90 mm de diamètre pincé entre deux brides maintenues par 16 vis). La mise en oeuvre du dispositif de mesure est le suivant. L'anneau est tout d'abord monté dans la liaison et maintenu en place par pincement lors du serrage de la liaison par les moyens de serrage, les épaulements des brides amont et aval venant en contact avec la périphérie des deux faces de l'anneau. Ce pincement doit bien évidemment permettre de conserver les caractéristiques élastiques des lamelles dont on désire suivre les déplacements (dans un certain domaine de fonctionnement) selon l'axe longitudinal de la liaison en fonction de différents paramètres. Plus précisément, la liaison sera soumise à une pression inteme variable et à divers efforts normaux ou non au plan de joint qui auront pour conséquence de générer une évolution de l'état de contrainte de chaque lamelle qu'il est alors aisé de mesurer avec les jauges de déformation.Un traitement approprié des données foumies par les modules d'acquisition de chaque jauge permettra ensuite de calculer (au niveau de chaque vis et entre deux vis) le déplacement relatif des deux brides. Enfin, les résultats obtenus pour différents efforts et niveaux de pression peuvent être représentés sur les moyens de visualisation. L'invention n'est bien évidemment pas limitée au seul mode de réalisation décrit précédemment. Notamment, lorsqu'un liquide circule au travers de la liaison 10, il est clair que la configuration interne précitée ne peut être satisfaisante, les jauges de contraintes ou les fils de raccordement n'étant en effet pas prévus pour une utilisation en milieu liquide. Aussi, la figure 5 montre un autre mode de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention dans lequel le dispositif présente une configuration externe.L'anneau 12, qui peut être avantageusement circulaire, présente comme précédemment deux faces parallèles comportant chacune un ensemble de lamelles souples 14a, 14b réparties sur le pourtour de la liaison (au droit ou entre deux vis 30) et dont les extrémités viennent pincer la face externe de chaque bride tout en conservant naturellement, dans le domaine de fonctionnement désiré, les caractéristiques élastiques des lamelles. Ces lamelles seront également équipées de jauges de contrainte et instrumentées comme précédemment. La figure 6 est un autre exemple de configuration exteme du dispositif selon l'invention adapté plus précisément au bridage d'une pièce 50 lors de son usinage. Une bride 52 est serrée sur un support (table de fraiseuse ou d'aléseuse 54 par exemple) au moyen d'un tirant (par exemple une vis 30) qui la traverse, cette bride prenant appui à la fois sur la pièce 50 à serrer et sur une cale 56. L'anneau 12 qui comporte des jauges de contrainte 40 sur chacune de ses lamelles est pincé entre la cale 56 et un épaulement de la bride 52.Le circuit d'acquisition 42 et de traitement 44 permettra de recueillir les données de chacune des jauges et de déclencher si nécessaire un circuit d'alarme 48 en cas de dépassement d'une valeur de consigne prédéterminée correspondant à un desserrage de la bride. n peut être noté que ce dispositif de mesure est particulièrement tolérant à la panne puisque la défaillance d'une ou de quelques lamelles ne remêt pas en cause la validité de la mesure des autres jeux. De même, il peut être observé que, dans ce mode de réalisation, L'anneau présentera avantageusement une forme développée rectiligne. Le dispositif selon l'invention a été fabriqué, instrumenté, étalonné et testé d'une manière opérationnelle sur différentes liaisons à brides de moteurs-fusées pour des chargements statiques progressifs sous la forme d'efforts tant internes (pression à l'intérieure de la liaison) qu'externes (efforts dans l'axe longitudinal de la liaison et moment fléchissant). Trois diamètres de liaison ont été utilisés: 50, 60 et 90 mm avec respectivement un nombre de 20, 24, 32 lamelles par face, ces lamelles étant instrumentées d'une jauge de déformation mono-directionnelle montée selon le montage en pont explicité précédemment. L'effort nécessaire à la mise sous tension des lamelles, c'est à dire au pincement de l'anneau entre les brides (dans la version de la figure 1), a été fixé initialement à 1000 N (correspondant à un pincement initial de l'ordre de 700 à 800 lux), une valeur permettant de conserver les propriétés élastiques des lamelles et qui en outre peut être considérée comme négligeable au regard des chargements (pression interne pouvant aller jusqu'à 330 bars) auxquels ont été ensuite soumises les brides. Par ailleurs, la définition géométrique et le choix du matériau de l'anneau ont fait l'objet d'une étude par éléments finis permettant d'optimiser le couple sensibilité de mesure/étendue de mesure et les formes des lamelles. Les performances ainsi mesurées (pour des déplacements e de l'ordre de 140 à 200 Fm) ont pu être comparées aux valeurs théoriques attendues, notamment en ce qui concerne l'ouverture de la gorge du joint par rapport à la restitution admissible de celui-ci; permettant de constater le parfait fonctionnement de ce dispositif de mesure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du différentiel de l'écartement de deux pièces d'une liaison (10; 52, 56), caractérisé en ce qu'il comporte un anneau (12) sur le moyeu duquel sont fixés symétriquement de part et d'autre de son plan radial deux ensembles de lamelles souples (14a, 14b), définissant une première et une seconde face de l'anneau, les lamelles disposées en vis à vis formant ressort deux à deux et étant soumises à une contrainte préalable lors de l'établissement de la liaison, et des jauges de contrainte mono-directionnelles (40) sont fixées sur ces lamelles, chaque jauge étant reliée à un circuit d'acquisition et de traitement de données (42, 44, 46, 48) permettant la détermination du différentiel de l'écartement entre pièces à partir de l'état de contrainte instantané mesuré par les jauges. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de serrage (30) qui assurent la mise sous contrainte préalable de l'ensemble des lamelles par un contact serré entre la périphérie des faces de l'anneau (12) et les deux pièces (20, 22; 52, 56) formant la liaison. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau (12) est placé à l'intérieur de la liaison (10; 52, 54) et les lamelles (14a, 14b) sont pincées par des épaulements (16, 18) pratiqués sur les parois internes des pièces formant cette liaison. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau (12) est placé à l'extérieur de la liaison (10) et les lamelles (14a, 14b) viennent pincer les parois externes des pièces formant cette liaison. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que l'anneau (12) présente une section polygonale, avantageusement circulaire. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit anneau est réalisé en un alliage de cuivre béryllium UBe2. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des lamelles (14a, 14b) est positionnée au droit d'un moyen de serrage (30) ou entre deux moyens de serrage (30) successifs. 8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdites deux pièces constituent des brides aval (20) et amont (22) d'une liaison à brides (10) d'un moteur-fusée. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdites deux pièces constituent une bride (52) et une cale (56) d'un ensemble de bridage d'une pièce (50) à usiner. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jauge de contrainte (40) de chaque lamelle (14a, 14b) est reliée à un circuit d'acquisition (42a) comportant un montage en pont de type Wheatstone dont une branche est formée par cette jauge (40).