Brevet FR3051043A1 — publié le 20171110

L'invention concerne un procédé de détection d'un état de rotation d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ainsi qu'une application d'un tel procédé au diagnostic embarqué d'une défaillance dudit ensemble mécanique qui correspond à l'état de rotation détecté. L'invention concerne également un ensemble mécanique comprenant un organe tournant et un dispositif de détection d'un état de rotation dudit ensemble par mise en oeuvre d'un tel procédé, notamment pour une telle application. En particulier, l'invention peut être mise en oeuvre pour le diagnostic d'une défaillance d'un palier de guidage en rotation d'un arbre tournant. En variante, l'invention peut être mise en oeuvre pour diagnostiquer la défaillance d'un autre organe, y compris fixe, d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant. De façon avantageuse, l'ensemble mécanique est utilisé dans un domaine technique nécessitant un organe tournant à faible vitesse et/ou de grande dimension, tel qu'en particulier le domaine éolien. On connaît du document WO-2010/122240 un procédé de détection d'un défaut structurel, notamment à des fins de diagnostic, dans lequel un spectre de la vitesse instantanée de l'organe tournant est surveillé à au moins une fréquence caractéristique de l'apparition du défaut. Pour ce faire, l'organe tournant doit être instrumenté avec un codeur comprenant une piste annulaire multipolaire, un capteur fixe étant disposé en regard et à distance de lecture de ladite piste multipolaire pour mesurer la vitesse instantanée de rotation dudit organe. Toutefois, dans certains domaines techniques, l'instrumentation de l'organe tournant s'avère problématique, notamment en relation avec des organes tournants de grande dimension, en particulier s'agissant de la contrainte de continuité d'une piste multipolaire de grand diamètre. 3051043 2 L'invention vise à perfectionner l'art antérieur en proposant notamment un procédé de détection d'un état de rotation d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ledit procédé étant particulièrement adapté au diagnostic 5 embarqué d'une défaillance dudit ensemble mécanique et ne nécessitant pas une instrumentation complexe de l'organe tournant, notamment relativement à un organe tournant de grande dimension. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de 10 détection d'un état de rotation d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ledit procédé prévoyant une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'état de rotation sur un tour de rotation dudit organe, et les étapes itératives de : - mesure de l'accélération tangentielle en au moins un emplacement de la 15 périphérie de l'organe tournant ; - échantillonnage de ladite mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de l'accélération tangentielle de l'organe tournant ; - analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la 20 variation de l'accélération tangentielle instantanée de l'organe tournant ; - surveillance de l'énergie du spectre pour la signature caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état de rotation correspondant. 25 Selon un deuxième aspect, l'invention propose une application d'un tel procédé au diagnostic embarqué d'une défaillance d'un ensemble mécanique qui correspond à l'état de rotation détecté. Selon un troisième aspect, l'invention propose un ensemble mécanique 30 comprenant un organe tournant et un dispositif de détection d'un état de rotation dudit ensemble par mise en oeuvre d'un tel procédé, notamment pour une telle application. 3051043 3 D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures 1 et 2 jointes qui représentent de façon schématique la mise en oeuvre de l'invention selon respectivement un mode de réalisation. 5 En relation avec ces figures, on décrit ci-dessous un ensemble comprenant un organe tournant 1 et un dispositif de détection d'un état de rotation dudit ensemble. Dans une conception particulière, l'ensemble mécanique comprend un palier à roulement formé d'un support tournant, d'un support fixe et d'au moins 10 une rangée de corps roulants disposée entre lesdits supports pour permettre leur rotation relative. En outre, un arbre tournant de l'ensemble mécanique peut être associé au support tournant pour être guidé en rotation. De façon avantageuse, l'ensemble 15 mécanique peut être embarqué dans une éolienne, notamment en prévoyant que l'arbre supporte les pales en rotation. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à la détection d'un état de rotation d'un autre type d'ensemble mécanique comprenant un organe tournant 1 et/ou dans 20 un autre domaine technique. En particulier, l'état de rotation à détecter peut apparaître du fait des contraintes mécaniques induites par la rotation de l'organe tournant 1, notamment en induisant des micro-variations de vitesse de rotation de l'organe tournant 1. Ainsi, 25 le procédé permet de diagnostiquer une défaillance de l'ensemble mécanique pour, en assurant une maintenance prédictive, alerter d'une panne dudit ensemble. En particulier, le procédé permet la détection d'états de roulement qui peuvent être induits notamment par une défaillance d'un palier, d'une roue d'engrenage, d'un montage incorrect de l'arbre tournant ou de la présence d'un 30 balourd. Par exemple, dans le cas d'un palier à roulement, l'état de rotation peut être induit par un défaut du palier, notamment un écaillage de la piste de roulement du 3051043 4 support fixe, du support tournant et/ou des corps roulants. Dans le cas d'un ensemble mécanique comprenant un arbre tournant, l'état de rotation peut être induit par un défaut structurel formé sur le mécanisme d'engrenage dudit arbre. 5 Le procédé de détection prévoit une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'apparition de l'état de rotation sur un tour de rotation de l'organe tournant 1. Selon une réalisation, il prévoit l'identification préalable de plusieurs signatures fréquentielles qui correspondent chacune à un type d'état de rotation à détecter. 10 En particulier, l'analyse peut être réalisée par étude géométrique de l'ensemble mécanique, en particulier à partir des relations cinématiques entre les différents composants mécaniques dudit ensemble, de sorte à localiser au moins une fréquence identifiant chacun des états de rotation susceptibles de se produire. 15 Après l'identification des signatures fréquentielles caractéristiques des états de rotation qui sont susceptibles de se produire, le procédé prévoit des étapes itératives de détection de l'état de rotation correspondant à l'une de ces signatures caractéristiques. En variante, le procédé peut être mis en oeuvre pour 20 détecter chacun des états de rotation susceptibles de se produire. Le procédé prévoit la mesure de l'accélération tangentielle A en au moins un emplacement de la périphérie de l'organe tournant 1. En effet, si la vitesse instantanée de rotation évolue, notamment du fait d'un défaut, l'accélération 25 tangentielle A fera de même alors que l'accélération radiale ne sera pas affectée puisqu'elle résulte de la force centrifuge et de la pesanteur. En outre, la mesure à la périphérie de l'organe tournant 1 permet d'améliorer la sensibilité obtenue, notamment en relation avec des micro-variations 30 d'accélération tangentielle A, et donc une détection plus fine des états de rotation pertinents. 3051043 5 Selon une réalisation avantageuse, la mesure peut être réalisée au moyen d'au moins un accéléromètre 2 qui est fixé en un emplacement de la périphérie de l'organe tournant 1. En variante, au moins un gyroscope peut être utilisé pour obtenir l'accélération tangentielle A par l'intermédiaire de la mesure de la vitesse 5 angulaire de l'organe tournant 1. Pour permettre la transmission des mesures, l'accéléromètre 2 et/ou le gyroscope peut être équipé d'un module radiofréquence de communication avec le dispositif de détection. L'accéléromètre 2 et/ou le gyroscope peut être de type 10 MEMS (pour Micro Electro-Mechanical Systems en anglais) qui présente l'avantage d'être peu cher et peu encombrant. En relation avec la figure 1, un accéléromètre 2 est fixé sur la périphérie de l'organe tournant 1, la mesure effectuée par ledit accéléromètre comprenant une 15 sinusoïde S correspondant à l'accélération tangentielle A induite par la gravité qui est additionnée d'une perturbation périodique P correspondant à un état de rotation à détecter. Selon une réalisation avantageuse, le procédé prévoit la mesure de l'accélération 20 tangentielle A en au moins deux emplacements de la périphérie de l'organe tournant 1. En relation avec la figure 2, deux accéléromètres 2 sont fixés sur des emplacements diamétralement opposés sur la périphérie de l'organe tournant 1. Ainsi, en effectuant le différentiel des mesures de chacun de ces accéléromètres 25 2, on s'affranchit de la contribution de la gravité et des vibrations axiales pour obtenir une mesure ne comportant plus que la contribution liée à la perturbation de l'accélération tangentielle A qui correspond à l'état de rotation à détecter, ce qui permet notamment d'améliorer la sensibilité de la mesure. 30 Pour ce qui est de leur fixation à un emplacement de la périphérie de l'organe tournant 1, elle peut être réalisée en disposant chacun des accéléromètres 2 dans un boitier maintenu autour dudit organe, notamment au moyen d'un simple collier si l'accélération centrifuge n'est pas trop importante. 3051043 6 Le procédé prévoit en outre un échantillonnage, notamment temporel mais qui peut également être angulaire, de la mesure de l'accélération tangentielle A pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de 5 l'accélération tangentielle A de l'organe tournant 1. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le différentiel des mesures est échantillonné pour obtenir le signal représentatif de la variation instantanée de l'accélération tangentielle A de l'organe tournant 1. 10 Ensuite, le procédé prévoit de réaliser une analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation instantanée de l'accélération tangentielle A. Selon une réalisation, l'analyse harmonique est réalisée par transformée de Fourier discrète (TFD), par exemple rapide (FFT), du signal échantillonné. 15 Le procédé prévoit une surveillance de l'énergie du spectre pour la signature fréquentielle caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état de rotation correspondant. En particulier, la signature peut comprendre au moins une fréquence caractéristique de l'apparition de l'état de 20 rotation de l'organe tournant 1. Selon une réalisation, l'énergie du spectre peut être surveillée pour chacune parmi plusieurs signatures caractéristiques de sorte à en déduire l'apparition des états de rotation correspondant à chacune de ces signatures. 25 Cette surveillance peut être réalisée dans une fenêtre comprenant au moins une fréquence caractéristique et/ou à au moins une harmonique de cette fréquence. En particulier, lorsque plusieurs états de rotation doivent être détectés chacun au moyen d'une signature caractéristique, les fréquences surveillées doivent être 30 différentes pour pouvoir discriminer chacun des états. L'apparition de l'état de rotation peut être détectée pour une valeur de l'amplitude d'au moins une fréquence caractéristique du spectre qui est supérieure à un 3051043 7 seuil. En outre, on peut prévoir une quantification de l'état de rotation en fonction de l'amplitude et/ou de la forme du spectre pour la signature caractéristique. La mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus trouve particulièrement son 5 application au diagnostic embarqué d'une défaillance de l'ensemble mécanique qui correspond à l'état de rotation détecté. En particulier, le procédé peut détecter tout état de rotation anormal afin d'en déduire une défaillance de fonctionnement de l'ensemble mécanique. 10 REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un état de rotation d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant (1), ledit procédé prévoyant une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'état de rotation sur un tour de rotation dudit organe, et les étapes itératives de : - mesure de l'accélération tangentielle (A) en au moins un emplacement de la périphérie de l'organe tournant (1) ; - échantillonnage de ladite mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de l'accélération tangentielle (A) de l'organe tournant (1) ; - analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation de l'accélération tangentielle instantanée (A) de l'organe tournant (1) ; - surveillance de l'énergie du spectre pour la signature caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état de rotation correspondant. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit la mesure de l'accélération tangentielle (A) en au moins deux emplacements de la périphérie de l'organe tournant (1), le différentiel de ces mesures étant échantillonné pour obtenir le signal représentatif de la variation instantanée de l'accélération tangentielle (A) dudit organe. 3. Procédé de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux emplacements sont diamétralement opposés sur la périphérie de l'organe tournant (1). 4. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'analyse harmonique est réalisée par transformée de Fourier discrète du signal échantillonné. 3051043 9 5. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'apparition de l'état de rotation est détectée pour une valeur de l'amplitude d'au moins une fréquence caractéristique du spectre qui est 5 supérieure à un seuil. 6. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surveillance est réalisée à au moins une fréquence caractéristique et/ou à au moins une harmonique de cette fréquence. 10 7. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 au diagnostic embarqué d'une défaillance d'un ensemble mécanique qui correspond à l'état de rotation détecté. 15 8. Ensemble mécanique comprenant un organe tournant (1) et un dispositif de détection d'un état de rotation dudit ensemble par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, notamment pour une application selon la revendication 7. 20 9. Ensemble mécanique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un accéléromètre (2) qui est fixé en un emplacement de la périphérie de l'organe tournant (1). 10. Ensemble mécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que 25 l'accéléromètre (2) est équipé d'un module radiofréquence de communication avec le dispositif de détection.