Brevet FR3083861A1 — publié le 20200117

Procédé d'analyse d'un signal vibratoire issu d'une rotation d'au moins une pièce mobile appartenant à un mécanisme tournant La présente invention concerne le domaine de l'aéronautique et plus précisément le domaine des procédés d'analyse d'un signal vibratoire généré par le fonctionnement d'un mécanisme tournant en fonction du temps, un tel mécanisme tournant équipant un aéronef, tel que par exemple un avion ou un giravion. En effet, les aéronefs comportent généralement au moins un moteur, une chaîne cinématique de transmission d'un couple moteur et des moyens de propulsion et/ou de sustentation permettant de réaliser la propulsion, voire également la sustentation, de l'aéronef dans les airs. Le mécanisme tournant peut alors par exemple former un train épicycloïde' appartenant à la chaine cinématique de transmission du couple moteur. Ce mécanisme tournant comporte ainsi au moins une pièce mobile en rotation autour d'un axe de rotation et ce, par rapport à un châssis de l'aéronef. La pièce mobile en rotation peut alors par exemple consister en un planétaire, un porte-satellites ou un satellite du train épicycloïdal, 20 Une fois l'acquisition du signal vibratoire effectuée, il peut alors être mis en oeuvre des procédés de surveillance de l'usure, de la formation d'une crique ou d'une fissure et/ou d'une rupture structurale dans la ou les pièce(s) mobile(s) en rotation. En outre, le signal vibratoire acquis peut, par rapport à un 75 signal vibratoire idéal, présenter des parasites, du bruit ou encore d'autres défauts intrinsèques à la conception de l'aéronef et/ou à l'utilisation de'aéronef. De tels défauts peuvent notamment consister en une distorsion faible ou forte, un décalage temporel ou une instabilité locale empêchant alors d'identifier à postériori un défaut structurel ou une usure dans la (ou les) pièce (s) mobile(s en rotation. De façon générale, et tel que décrit dans ies documents US 7 325 461, US 7 363 172 et US 2011 0046929, il est connu de surveiller et d'identifier une dégradation dans un mécanisme en mesurant et en analysant un signal vibratoire de fonctionnement du mécanisme, Cependant dans ces documents, aucune validation préalable effectuée sur le signal vibratoire pour déterminer au moins une 10 plage d'exploitabilité n'est réalisée en amont de l'analyse proprement dite. Par conséquent, l'analyse du signal vibratoire peut se révéler erronée en ne générant aucune alerte permettant de prévenir une équipe de maintenance d'une défaillance ou d'une usure prononcée de la (ou des) pièce(s) mobile(s) et à contrario une telle analyse pourrait également générer de fausses alertes obligeant une équipe de maintenance à démonter inutilement la (ou des) pièce(s) mobile(s), En outre, le document "A phase angle based diagnostic scherne to planetary gear faults diagnostics under non-stationary 20 operationai conditions" rédige par les auteurs KeFeng a, KeshengWang a,n, QingNi a, MingJ.Zuo a,b, DongdongVVei et publié dans le "Journal of Sound and vibration' volume 408, du 10 novembre 2017, pages 190-209, décrit un procédé d'analyse des défauts dans un mécanisme tournant en utilisant un signal 25 vibratoire complexe et analysant un argument de ces nombres complexes obtenus à partir de ce signal vibratoire complexe. Par ailleurs, un tel argument d'un nombre complexe consiste, dans un plan complexe, en un angle exprimé en radian entre un axe des abscisses et un axe passant par un point image d'un nombre 30 complexe issu des vibratons complexes. En outre, l'argument d'un 3 nombre complexe est également couramment désigné par le terme de "phase" ou encore par l'expression "angle de phase" Par suite, si le document cité ci-dessus se rapporte à l'analyse d'un angle de phase pour identifier un défaut dans un pignon de planétaire, il ne fournit cependant aucune information permettant de valider une plage d'exploitabilité d'un signal vibratoire préalablement â son analyse à proprement dit pour identifier le défaut dans ce pignon de planétaire. La présente invention a alors pour objet de proposer un 10 procédé d'analyse permettant garantir l'exploitabilité ultérieure du signal vibratoire. Un tel procédé permet ainsi d'écarter certaines valeurs du signal vibratoire non exploitables ultérieurement pour permettre une identification d'un défaut structurel dans la (ou les) pièce(s) mobile(s). 15 Comme déjà évoqué,l'invention se rapporte donc à un procédé d'analyse d'un signal vibratoire issu d'une rotation d'au moins une pièce mobile appartenant à un mécanisme tournant formant tout ou partie d'une chaine cinématique de transmission d'un couple moteur, le mécanisme tournant équipant un aéronef, le procédé comportant : au moins une première étape de mesure comportant une mesure des vibrations suivant au moins une direction et générant un signal vibratoire de fonctionnement du mécanisme tournant en fonction du temps, la première étape de mesure étant réalisée au moyen d'au moins un capteur vibratoire, au moins une seconde étape de mesure comportant une mesure d'une position angulaire de la (ou des) pièce(s) mobile(s), la (ou les) pièce(s) mobile(s) comportant au moins un degré de liberté en rotation respectivement autour d'un axe de rotation. Selon l'invention, un tel procédé est remarquable en ce qu'il comporte au moins : - une étape de prétraitement pour calculer une plur e d'arguments de nombres complexes générés à partir de vibrations complexes du signal vibratoire mesurées par le(s) capteur(s) vibratoire(s) sur un cycle d'un nombre prédéterminé n de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s) respectivement autour de l'axe de rotation, - une première étape d'analyse pour déterminer un décalage IO angulaire relatif à la pluralité d'arguments, la première étape d'analyse permettant de générer un premier résultat d'analyse Dl, le premier résultat d'analyse DI consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction du décalage angulaire, 15 t une deuxième étape d'analyse pour déterminer une faible distorsion de la pluralité d'arguments, la deuxième étape d'analyse permettant de générer un deuxième résultat d'analyse D2, le deuxième résultat d'analyse D2 consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction de la faible 20 distorsion, - une troisième étape d'analyse pour déterminer une instabilité locale de la pluralité d'arguments, la troisième étape d'analyse permettant de générer un troisième résultat d'analyse D3, le troisième résultat d'analyse D3 consistant en une condition 25 remplie ou non remplie en fonction de l'instabilité locale, une quatrième étape d'analyse pour déterminer une forte distorsion de la pluralité d'arguments, la quatrième étape d'analyse permettant de générer un quatrième résultat d'analyse D4, le quatrième résultat d'analyse D4 consistant en 5 une condition remplie ou non remplie en fonctwn de la forte distorsion, - une étape de validation pour déterminer au moins une plage d'exploitabilité du signal vibratoire, l'étape de validation s'opérant sous la dépendance simultanée à la fois du premier tat d'analyse Dl, du deuxième résultat d'analyse D2, du troisième résultat d'analyse D3 et du quatrième résultat d'analyse D4. Autrement dit, un tel procédé d'analyse permet de s'assurer 10 du caractère exploitable des données acquises représentatives du signal vibratoire. Les quatre étapes d'analyse que ce procédé comporte peuvent être effectuées simultanément en parallèle ou encore séquentie nt l'une après l'autre. De telles étapes d'analyse permettent d'écarter des plages du signal vibratoire non 15 exploitables car comportant au moins un défaut relatif à un décalage angulaire, une faible distorsion, une instabilité locale et une forte distorsion, Ainsi, la première étape d'analyse permet de déterminer un décalage angulaire relatif à la pluralité d'arguments. On entend par 20 décalage angulaire, le décalage du signal de phases mesuré entre chaque révolution du rotor pendant un cycle. Pour chaque cycle du nombre prédéterminé n de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s), on calcule alors un décalage angulaire et donc suivant un axe temporel d'abscisses entre le signal vibratoire et un signal 25 moyen. On détermine ensuite un premier résultat d'analyse Dl en fonction de la valeur du décalage angulaire calculé. De même, la deuxième étape d'analyse permet de déterminer une faible distorsion relative à la pluralité d'arguments. On entend par faible distorsion, une déformation uniforme du signal de phases 30 mesurée entre chaque révolution du rotor pendant un cycle. Pour 6 chaque cycle du nombre prédéterminé n de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s), on calcule alors un écart d'amplitude suivant un axe d'ordonnées entre le signal vibratoire et un signal de référence. On détermine un deuxième résultat d'analyse 02 en 5 fonction de la valeur correspondant à cet écart d'amplitude calculé. En outre, la troisième étape d'analyse permet de déterminer une instabilité locale relative à la pluralité d'arguments. On entend par instabilité locale, une déformation non uniforme du signal de phases mesurée entre chaque révolution du rotor pendant un cycle. H) Pour chaque cycle du nombre prédéterminé n de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s), on calcule alors une instabilité locale à partir du signal vibratoire. On détermine un troisième résultat d'analyse 03 en fonction de la valeur de cette instabilité locale calcifiée. 15 Enfin, la quatrième étape d'analyse permet de déterminer une forte distorsion relative à la pluralité d'arguments. On entend par forte distorsion, une déformation uniforme avec apparition d'harmoniques latéraux dominants, du signal de phases, cette déformation uniforme étant mesurée entre chaque révolution du 20 rotor pendant un cycle. Pour chaque cycle du nombre prédéterminé n de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s), on calcule alors une énergie du signal vibratoire et on la compare avec une énergie moyenne. On détermine un quatrième résultat d'analyse 04 en fonction de la valeur d'énergie du signal vibratoire. Bien entendu, 25 une telle forte distorsion correspond à une distorsion d'ordre supérieur et/ou d'intensité supérieure à celui (ou ceux) de faible distorsion. Avantageusement, l'étape de validation peut s'opérer si le premier résultat d'analyse Dl, le deuxième résultat d'analyse 02, 30 le troisième résultat d'analyse D3 et le quatrième résultat 7 d'analyse D4 consistent respectivement chacun en une condition non remplie. Autrement dit, le premier résultat d'analyse Dl, le deuxième résultat d'analyse D2, le troisième résultat d'analyse D3 et le quatrième résultat d'analyse D4 peuvent être formes respectivement par une variable logique pouvant avoir exclusivement deux états distincts l'un de l'autre. De plus, une telle condition non remplie peut par exemple consister en une valeur 0 ou un état "faux en langage booléen s'opposant à une 10 valeur I ou un état "vrai". Dans ce cas, l'étape de validation détermine la plage d'exploitabilité du signal vibratoire lorsque tous les résultats d'analyse Dl à D4 sont à l'état faux. En pratique, l'étape de pretraitement, la première étape d'analyse, la deuxième étape d'analyse, la troisième étape 15d'analyse, la quatrième étape d'analyse et l'étape de validation peuvent être effectuées à bord de l'aéronef, l'aéronef comportant une mémoire embarquée pour enregistrer le signal vibratoire sur au moins la (ou les) plage(s) d'exploitabilité. Autrement dit, un tel procédé d'analyse permet de déterminer 20 la (ou les) plages d'exploitabilité du signal vibratoire directement en vol lors d'une mission de l'aéronef. Lin tel procédé d'analyse peut alors permettre de limiter la quantité de données enregistrées dans la mémoire embarquée et n'enregistrant le signal vibratoire que sur la plage d'exploitabilité. 25 Selon un exemple de réalisation avantageux de l'invention, l'étape de validation peut être effectuée au sol, l'aéronef comportant une mémoire embarquée pour enregistrer constamment le signal vibratoire. Dans ce cas, 'tape de validation peut notamment être réalisée à posteriori une fois une mission de l'aéronef terminée. Toutes les données représentatives du signal vibratoire sont enregistrées dans la mémoire embarquée pour permettre de réaliser leur analyse une fois l'aéronef au sol. Avantageusement, le procédé peut comporter une étape de transmission de données permettant une transmission des données représentatives du signal vibratoire à au moins une station sol. Une telle étape de transmission peut donc être optionnelle 10 lorsque l'étape de validation est effectuée à bord de l'aéronef et nécessaire lorsque l'étape de validation est effectuée au sol dans une unité de traitement disjointe de l'aéronef. En outre, une telle étape de transmission de données peut s'opérer sous la dépendance à la fois du premier résultat 15 d'analyse Dl, du deuxième résultat d'analyse D2, du troisième résultat d'analyse D3 et du quatrième résultat d'analyse D4. En effet, une telle étape de transmission de données peut être également liée à l'étape de validation permettant de déterminer la plage d'exploitabilité du signal vibratoire. L'étape de 20 transmission peut ainsi s'opérer pour transmettre au sol uniquement les données exploitables du signal vibratoire. En pratique, l'étape de prétraitement peut comporter - une sous étape de calcul d'une première transformée de Fourier à fenêtre glissante à partir du signal vibratoire, et - une sous étape de calcul d'une première matrice ANG,_,' de n arguments ANGk, k variant entre 1 et n, où n correspond à un nombre de rotations de la (ou des) pièce(s) mobile(s) respectivement autour de l'axe de rotation. 9 En d'autres termes, une telle étape de prétraitement, et plus particulièrement la sous étape de calcul de la première transformée de Fourier permet de fournir n cartographies arguments-fréquences dans un plan complexe Ces cartographies sont telles que l'axe des 5 abscisses correspond à des valeurs d'angles sur une révolution de la (ou des) pièce(s) mobile(s) formée par exemple par un porte satellites du train épicycloïdal de la boite de transmission de puissance principale de l'aéronef. L'axe des ordonnées correspond quant à lui à des valeurs de fréquences aux différents harmoniques 10 de la première transformée de Fourier et le troisième axe de ces cartographies correspond aux valeurs d'amplitude du signal vibratoire complexe calculées à partir de la première transformée de Fourier à fenêtre glissante. En outre, par transformée de Fourier à fenêtre glissante on désigne une transformée de Fourier fenêtrée consistant à appliquer la transformée de Fourier pour chaque morceau du signal contenu dans une fenêtre considérée et à décaler la fenêtre tout le long du signal vibratoire complexe. A partir de ce signal vibratoire complexe, on peut alors mettre en oeuvre la sous étape de calcul de la première matrice 20 ANG,.., sur n révolutions de la (ou des) pièce(s) mobile(s). Selon un exemple de réalisation avantageux de l'invention, la première étape d'analyse peut comporter une sous étape de calcul d'une deuxième matrice de cosinus ngles à partir de n valeurs de cosinus Pk de la première 25 matrice ANG,..' et telles que cos(ANGi) une sous étape de calcul d'une valeur moyenne Prnoy à partir des n valeurs de cosinus k constituant la deuxième matrice - une sous étape d'identification d'un signal médian Paie,' par calcul de la distance Euclidienne minimale entre la valeur 10 moyenne Frau., et chacune desdites n valeurs de cosinus PT REVENDICATIONS1. Procédé d'analyse (1, 1') d'un signal vibratoire issu d'une rotation d'au moins une pièce mobile (2) appartenant à un mécanisme tournant (3) formant tout ou partie d'une chaine cinématique de transmission (4) d'un couple moteur, ledit mécanisme tournant (3) équipant un aéronef (5, 5'), ledit procédé (1, 1 ') comportant : - au moins une première étape de mesure (7, 7') comportant une mesure des vibrations suivant au moins une direction et 10 générant un signal vibratoire de fonctionnement dudit mécanisme tournant (3) en fonction du temps, ladite première étape de mesure (7, 7') étant réalisée au moyen d'au moins un capteur vibratoire (6), - au moins une seconde étape de mesure (8, 8') comportant une 15 mesure d'une position angulaire de ladite au moins une pièce mobile (2), ladite au moins une pièce mobile (2) comportant au moins un degré de liberté en rotation respectivement autour d'un axe de rotation Z. caractérisé en ce que ledit procédé (1, 1') comporte au moins : une étape de prétraitement (9, 9') pour calculer une pluralité d'arguments de nombres complexes générés à partir de vibrations compiexes dudit signal vibratoire mesurées par ledit au moins un capteur vibratoire (6) sur un cycle d'un nombre prédéterminé n de rotations de ladite au moins une pièce a mobile (2) respectivement autour dudit axe de rotation Z, ^ une première étape d'analyse (10, 10') pour déterminer un décalage angulaire relatif à ladite pluralité d'arguments, ladite première étape d'analyse (10, 10') permettant de générer un 25 premier résultat d'analyse Dl, ledit premier résultat d'analyse Dl consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction dudit décalage angulaire, une deuxième étape d'analyse (20, 20') pour déterminer une faible distorsion de ladite pluralité d'arguments, ladite deuxième étape d'analyse (20, 20') permettant de générer un deuxième résultat d'analyse 02, ledit deuxième résultat d'analyse 02 consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction de ladite faible distorsion, 10 s une troisième étape d'analyse (30, 30') pour déterminer une instabilité locale de ladite pluralité d'arguments, ladite troisième étape d'analyse (30, 30') permettant de générer un troisième résultat d'analyse 03, ledit troisième résultat d'analyse D3 consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction 15 de ladite instabilité locale, une quatrième étape d'analyse (40, 40') pour déterminer une forte distorsion de ladite pluralité d'arguments, ladite quatrième étape d'analyse (40, 40') permettant de générer un quatrième résultat d'analyse 04, ledit quatrième résultat d'analyse 04 consistant en une condition remplie ou non remplie en fonction de ladite forte distorsion, une étape de validation (50, 50') pour déterminer au moins une plage d'exploitabilité dudit signal vibratoire, ladite étape de validation (50, 50') s'opérant sous la dépendance simultanée à 25 la fois dudit premier résultat d'analyse Dl, dudit deuxième résultat d'analyse D2, dudit troisième résultat d'analyse D3 et dudit quatrième résultat d'analyse 04. 2. Procédé selon la revendication 1, 26 caractérisé en ce que ladite étape de validation (50, 50') s'opère si ledit premier résultat d'analyse D1, ledit deuxième résultat d'analyse D2, ledit troisième résultat d'analyse D3 et ledit quatrième résultat d'analyse 04 consistent respectivement chacun en une condition non remplie. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite étape de prétraitement ladite première étape d'analyse (10), ladite deuxième étape d'analyse (20), ladite troisième étape d'analyse (30), ladite quatrième étape d'analyse (40) et ladite étape de validation (50) sont effectuées à bord de l'aéronef (5), ledit aéronef (5) comportant une mémoire embarquée (60) pour enregistrer ledit signal vibratoire sur au moins ladite au moins une plage d'exploitabilité. 4. Procédé selon e quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite étape de validation (50') est effectuée au sol, ledit aéronef (5') comportant une mémoire embarquée (60') pour enregistrer constamment ledit signal vibratoire. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit procédé (1') comporte une étape de transmission de données (61') permettant une transmission des données représentatives dudit signal vibratoire à au moins une station sol (62). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite étape de transmission de données (61') s'opère sous la dépendance à la fois dudit premier résultat d'analyse D1, dudit deuxième résultat d'analyse 02, dudit 27 troisième résultat d'analyse D3 et dudit quatrième résultat d'analyse D4. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite étape de prétraitement (9, 9') comporte : une sous étape de calcul (9a) d'une première transformée de Fourier à fenêtre glissante à partir dudit signal vibratoire, et - une sous étape de calcul (9b) d'une première matrice ANG,_,' de n arguments ANGk, k variant entre 1 et n, où n correspond à un 10 nombre de rotations de ladite au moins une pièce mobile (2) respectivement autour dudit axe de rotation Z. 8. Procédé scion la revendication 7, caractérisé en ce que ladite première étape d'analyse (10, 10') comporte : 15 e une sous étape de calcul (11) d'une deuxième matrice de cosinus d'angles à partir de n valeurs de cosinus Pl 9. Procédé selon ia revendication 8, caractérisé en ce que ladite deuxième étape d'analyse (20, 20') 20 comporte : - une sous étape de recalage (21) desdites n valeurs de cosinus Pk constituant ladite deuxième matrice Pi., d'un nombre correspondants auxdites n valeurs d'un décalage temporel 'Fk pour générer une troisième matrice C1 de n valeurs 25 recalées CR avec k variant entre 1 et n, - une sous étape de calcul (22) d'une deuxième transformée de Fourier à fenêtre glissante à partir dudit signal médian Pmed, - une sous étape de calcul (23) d'une valeur d'argument moyenne (pnicy pour un harmonique prédéterminé de la deuxième 29 transformée de Fourier, la valeur d'argument moyenne étant telle que : prnoy = atan2(y,x) = Arec ty) où z = Re(Hrn.) est une partie réelle de l'harmonique prédéterminé 11, de la deuxième transformée de Fourier et, y = Int(ifm) est une partie imaginaire de l'harmonique prédéterminé 1-1,, de la deuxième transformée de Fourier, - une sous étape de calcul (24) de n valeurs d'un argument de référence Pratel que Pref= A. cos(ifit rp',,,y), avec le coefficient A = 1 et la pulsation (i.> -2.7P z, 10 - une sous étape de comparaison (2 entre lesdites n valeurs recalées ci, constituant ladite troisième matrice Ci_n et lesdites n valeurs dudit argument de référence P'f, ladite sous étape de comparaison générant n va eurs d'écart fk telles que : fk = I Ck Pref avec k variant entre 1 et n, * une sous étape de calcul (26) d'une distorsion normalisée EC telle que : - une sous étape de deuxième diagnostic (27) générant ledit deuxième résultat d'analyse 02 consistant en une condition remplie si ladite distorsion normalisée EC est supérieure à une 20 deuxième valeur de seuil S2 prédéterminée et inversement une condition non remplie si ladite distorsion normalisée EC est inférieure ou égale à ladite deuxième valeur de seuil S2 prédéterminée. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 25 caractérisé en ce que ladite troisième étape d'analyse 0 30') comporte : - une sous étape de transformation (31) de tout ou partie desdits n arguments ANGk constituant ladite première matrice ANG',' pour . générer une quatrième matrice Pc.,_' de valeurs transformées Pck, lesdits n arguments ANGk correspondant à des angles définis entre u radians et - au radians et lesdites n valeurs transformées Pck à des angles multiples de 2--r radians, Es une sous étape de calcul (32) d'une variance V à partir desdites 10 n valeurs transformées Pck constituant ladite quatrième matrice Pcian, ladite variance V comportant une dimension telle que dim(V) = Z', 4 étant ledit nombre de dents de ladite couronne fixe coopérant avec ladite au moins une piece mobile (2), 15 une sous étape de troisième diagnostic (33) générant ledit troisième résultat d'analyse D3 consistant en une condition remplie si une valeur maximale de ladite variance V est supérieure à une troisième valeur de seuil S3 prédéterminée et inversement en une condition non remplie si une valeur maximale de ladite variance V est inférieure ou égale à ladite troisième valeur de seuil 83 prédéterminée, 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que ladite quatrième étape d'analyse (40, 40') 25 comporte : - une sous étape de calcul (41) d'une pluralité de n transformées de Fourier à partir desdites n valeurs recalées Ck constituant ladite troisième matrice Cl,', ladite sous étape de calcul (41) 31 permettant de générer une cinquième matrice Ais., d'amplitudes Ak aux ordres o e [0,10], une sous étape de calcul (42) d'une somme des énergies de modulation Eim'd aux ordres distincts de l'ordre p, telle que Eband Ak (o) k= n o tp une sous étape de calcul (43) d'une somme des énergies Ep telle que E =Ak(P) k = 1-4n - une sous étape de quatrième diagnostic (44) générant ledit quatrième résultat d'analyse 04 consistant en une condition remplie si un rapport Ebana est supérieur à une quatrième valeur p 10 de seuil S4 prédéterminée et inversement en une condition non remplie si ledit rapport Elurig..- est inférieur ou égal à ladite Ep quatrième valeur de seuil S4 prédéterminée.