Brevet FR3085754A1 — publié le 20200313

Description Titre de l'invention : SYSTÈME DE SURVEILLANCE D'ÉTAT Domaine technique de l'invention [0001] L'invention concerne des composants élastomères tels que des paliers et des amor- tisseurs et concerne plus particulièrement la surveillance de l'état de paliers élastomères stratifiés utilisés dans des aéronefs à voilure rotative. Etat de la technique antérieure [0002] Un palier élastomère stratifié comprend une unité élastomère stratifiée ainsi que des organes (l'interface attachés à l'unité élastomère stratifiée. L'unité élastomère stratifiée comprend une alternance de couches élastomères et de couches rigides telles que des couches métalliques, vulcanisées ensemble dans un processus dc moulage. Dans la plupart des cas, les organes d'interface font également partie du processus de moulage et sont donc vulcanisés conjointement avec l'unité élastomère stratifiée. La géométrie des couches ainsi que celle des organes d'interface du palier élastomère peuvent varier en fonction de l'application. [0003] Les paliers élastomères sont par exemple utilisés dans les aéronefs à rotors, tels que les hélicoptères. Les paliers élastomères subissent un changement dc rigidité au fur et à mesure dc leur utilisation, en fonction du temps et des conditions environnementales. L'unité élastomère est soumise à des contraintes de cisaillement par le mouvement relatif des organes d'interface. Ceci peut produire des fissures dans l'unité élastomère et finalement provoquer sa défaillance. Actuellement, la détermination dc l'état ou de la condition de ces paliers est purement basée sur une inspection visuelle. Lc document US 2005/0073111 « organe élastomère pourvu de moyens dc surveillance », décrit comment un organe élastomère est pourvu de graduations sur sa surface visible pour ainsi permettre d'évaluer et de surveiller la propagation d'une fissure simplement par inspection visuelle. Ccci peut encore faire l'objet d'améliorations. Résumé de l'invention 100041 Un objet de l'invention est de définir un procédé et un système de surveillance de l'état et de la condition d'un composant élastomère. 100051 L'objet susmentionné est réalisé selon l'invention par un système de surveillance de l'état et de la condition d'un composant élastomère. Selon l'invention, le système comprend au moins un actionneur, au moins un capteur et au moins une unité de traitement. L'au moins un actionneur convertit des signaux électriques en une force physique. L'actionneur peut être un piézo-actionneur tel qu'un actionneur à piézo-pile. L'au moins un capteur est prévu pour convertir une ou plusieurs grandeurs physiques en signaux de capteur électriques. Le capteur peut être un accéléromètre piézo- 2 électrique. L'au moins un capteur et l'au moins un actionneur sont attachés directement ou indirectement au composant élastomère. L'unité de traitement commande l'au moins un actionneur de manière à ce qu'il induise une force physique dans le composant élastomère au moyen d'un signal d'actionneur. Ensuite, l'unité de traitement enregistre un signal de réponse reçu de l'au moins un capteur et analyse le signal de réponse enregistré pour ainsi déterminer et mémoriser au moins un indicateur d'état et de condition. [0006] Dans certains modes de réalisation, l'unité de traitement détermine si le composant élastomère est utilisé ou non en analysant les signaux de capteurs pour identifier des vibrations qui indiquent une utilisation. Ceci est effectué pour contrôler le nombre d'heures d'utilisation du composant élastomère et pour corréler l'au moins un indicateur d'état et de condition avec le nombre d'heures d'utilisation. Dans d'autres modes de réalisation, le système comprend en outre un récupérateur d'énergie vibratoire. Dans ces modes de réalisation, il peut être avantageux que l'unité de traitement détermine si le composant élastomère est utilisé ou non en analysant une sortie du récupérateur d'énergie vibratoire, si son niveau correspond à des vibrations qui indiquent une utilisation. Ceci sert alors également à contrôler le nombre d'heures d'utilisation du composant élastomère et aussi à corréler l'au moins un indicateur d'état et de condition avec le nombre d'heures d'utilisation. [0007] Avantageusement, l'unité de traitement suit et analyse plusieurs indicateurs d'état et de condition mémorisés au cours du temps pour déterminer si le composant élastomère est dans une période de début de vie, une période d'utilisation principale ou dans une période finale de sa durée de vie, chaque période étant représentée par un marqueur d'état et de condition. La période de début de vie a une caractéristique de rigidité du composant élastomère qui augmente lentement au fur et à mesure de l'utilisation. La période d'utilisation principale peut être de plusieurs milliers d'heures d'utilisation, durant laquelle la rigidité de l'élastomère a une variabilité relativement limitée. Au début de la période finale, on peut déterminer une deuxième augmentation lente de la rigidité au fur et à mesure de l'utilisation. Le composant élastomère commencera alors à atteindre sa fin de vie lorsque la rigidité commence à baisser, à s'amoindrir. De manière appropriée, l'unité de traitement effectue un étalonnage de la détermination de la période d'utilisation principale et de la période finale en déterminant la période de début de vie. L'unité de traitement peut de préférence régler le marqueur d'état et de condition de manière à ce qu'il fournisse un avertissement lorsque la période finale est déterminée. L'unité de traitement peut ensuite également ajouter un compteur de décompte de fin de vie sur la base d'un nombre d'heures d'utilisation estimées restantes en décomptant la vie restante à partir du moment où la période finale a été déterminée. Avantageusement, le système comprend en outre une unité de communication. Une 3 unité de communication peut communiquer, par le biais de moyens optiques, par câble ou sans fil, au moins l'un parmi : un marqueur d'état et de condition, un indicateur d'état et de condition, et un signal de réponse enregistré. L'unité de communication, dans certains modes de réalisation, peut comprendre des moyens visuels pour indiquer l'état et la condition d'un composant élastomère au cours d'une inspection visuelle et également pour identifier le composant élastomère, cc qui, en soi, est également utile par exemple pour une maintenance. [0008] Dans certains modes de réalisation, le composant élastomère est un composant élastomère stratifié. Le composant élastomère stratifié de ces modes de réalisation fait parfois partie d'un palier élastomère stratifié. L'au moins un capteur et l'au moins un actionneur sont alors attachés directement ou indirectement au palier élastomère stratifié. [0009] Un indicateur d'état et de condition peut être une rigidité relative du composant élastomère, un autre indicateur d'état et de condition peut être un rapport d'amortissement du composant élastomère. [0010] Le signal d'actionneur peut, de manière appropriée, être une impulsion destinée à induire une impulsion physique dans le composant élastomère. Le signal de réponse est alors une fonction de réponse impulsionnelle. Dans certains modes de réalisation, le signal d'actionneur est un chirp destiné à induire une excitation de fréquence variable dans le composant élastomère. Dans d'autres modes de réalisation, le signal d'actionneur peut être entre un chirp et une impulsion. [0011] Les différentes améliorations supplémentaires du système selon l'invention peuvent être combinées de manière quelconque souhaitée dans la mesure où aucunes caractéristiques opposées ne sont combinées. [0012] L'objet susmentionné est également réalisé selon l'invention par un procédé de sur- veillance de l'état et de la condition d'un composant élastomère. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes consistant à induire, enregistrer, analyser et déterminer. Au cours de l'étape d'induction, une impulsion de force physique est induite dans le composant élastomère au moyen d'au moins un actionneur qui est attaché directement ou indirectement au composant élastomère. Dans l'étape d'enregistrement, une réponse, une fonction de réponse impulsionnelle, est enregistrée. La fonction de réponse impulsionnelle est la réponse du composant élastomère à l'impulsion induite et mesurée au moyen d'au moins un capteur attaché directement ou indirectement au composant élastomère. L'étape d'analyse analyse la fonction de réponse impulsionnelle enregistrée. L'étape de détermination détermine au moins un indicateur d'état et de condition sur la base de l'analyse effectuée dans l'étape d'analyse. [0013] L'au moins un indicateur d'état et de condition peut être une rigidité relative du composant élastomère et/ou un rapport d'amortissement du composant élastomère. 100141 Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend en outre les étapes de suivi et de détermination de période. L'étape de suivi suit plusieurs indicateurs déterminés d'état et de condition au cours du temps. L'étape de détermination de période détermine si le composant élastomère est dans une période de début de vie, une période d'utilisation ou une période de fin de vie d'utilisation, par le biais du suivi. [0015] Les différentes améliorations supplémentaires de l'ensemble de palier de capteur selon l'invention peuvent être combinées de manière quelconque souhaitée dans la mesure où aucunes caractéristiques opposées ne sont combinées. [0016] Un objet principal de l'invention est de fournir un moyen permettant d'appliquer de manière fiable des mesures qui peuvent faciliter la détermination de l'état et/ou de la durée de vie utile restante de paliers élastomères au lieu de dépendre d'inspections purement visuelles. Ceci est réalisé par un système de surveillance d'état et de condition d'un composant élastomère selon l'invention. Le système comprend un actionneur, un capteur et une unité de traitement. Le capteur et l'actionneur doivent être attachés directement ou indirectement au composant élastomère. L'actionneur induit une impulsion, ou éventuellement un chirp, dans le composant élastomère. Le capteur détecte la réponse, la fonction de réponse impulsionnelle. L'unité de traitement analyse la fonction de réponse impulsionnelle et détermine un indicateur d'état et de condition. Ceci est répété et lorsque suffisamment d'indicateurs ont été déterminés, alors un marqueur d'état et de condition peut être déterminé, établissant si le composant élastomère est dans une période de début de vie d'utilisation, dans une période d'utilisation principale ou dans une période finale d'utilisation. Le composant élastomère peut être un composant élastomère stratifié qui, à son tour, fait partie d'un palier élastomère stratifié. [0017] D'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée. Brève description des figures [0018] L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans un but d'explication non limitatif, en référence aux figures suivantes, dans lesquelles : [0019] [fig.1] illustre un exemple d'un palier élastomère stratifié, [0020] [fig.2] illustre un palier élastomère stratifié muni d'instruments selon l'invention, [0021] [fig.3] illustre un schéma synoptique d'un actionneur, d'un capteur et d'une élec- tronique de traitement de signaux et autre électronique de l'instrumentation d'un système de surveillance d'état et de condition selon l'invention, [0022] [fig.4] illustre une courbe de rigidité relative, dans un schéma de rigidité relative en fonction du temps d'un palier élastomère stratifié au cours de l'utilisation pendant sa durée de vie, 100231 Ifig.5l illustre une courbe de réponse dans le domaine fréquentiel pour déterminer la rigidité relative d'un palier élastomère, et [0024] [fig-6] illustre une courbe de réponse dans le domaine fréquentiel pour déterminer une estimation d'amortissement dans un palier élastomère. Description détaillée de l'invention [0025] Afin de clarifier le procédé et le dispositif selon l'invention, certains exemples de leurs utilisations vont à présent être décrits en rapport avec les figures 1 à 6. [0026] La figure 1 illustre un exemple d'un palier élastomère stratifié 100. Il peut être utilisé de manière judicieuse pour retenir et articuler une pale à un moyeu de rotor pour un aéronef à voilure rotative. Le palier élastomère 100 comprend une unité élastomère stratifiée 110 constituée essentiellement d'un empilement d'élastomère 112 et d'organes de renforcement rigides 114 sous la forme de capuchons sphériques. L'unité élastomère 110 est disposée entre un organe d'interface interne 116 et un organe d'interface externe 118. Les organes d'interface 116, 118 sont capables de se tordre et de sc courber les uns par rapport aux autres grâce à l'unité élastomère stratifiée, sollicitant l'élastomère 112. Dans cet exemple, l'organe d'interface externe 118 est un support radial fixé au moyeu, externe se rapportant à l'axe du rotor, et l'organe d'interface interne 116 est un support radial interne fixé à une portion d'emplanture d'une pale correspondante. Le palier élastomère stratifié est utilisé pour fournir un mouvement, par exemple un mouvement de tangage des pales, et pour fournir un amortissement, du fait du mouvement tel que des mouvements de battements transmis par une pale au support radialcment interne du palier élastomère. [0027] Comme mentionné précédemment, l'état d'un palier élastomère stratifié est tradition- nellement évalué par inspection visuelle. La détermination du fait qu'un palier élastomère stratifié est suffisamment rigide pour pouvoir revenir par flexion et qu'il est toujours apte à amortir des chocs et des vibrations indésirables, n'est pas possible par une inspection visuelle. L'inspection visuelle permet seulement de déterminer s'il y a des fissures ou d'autres indications visuelles indiquant que l'état du palier élastomère stratifié sc détériore. [0028] Selon l'invention, il est possible d'effectuer une surveillance de l'état et de la condition d'un palier élastomère stratifié à distance au moyen d'au moins un actionneur et d'un capteur monté sur ou à l'intérieur d'un ou des deux organes d'interface. En soumettant le palier à un signal induit connu, en enregistrant une réponse du palier à ce signal induit et en analysant ensuite la fonction de réponse fréquentielle qui est une quantité mesurable concernant l'entrée et la sortie du système en fonction de ses propriétés dynamiques, on peut déterminer l'état et la condition du palier. Ceci peut évidemment être combiné avec une inspection visuelle. Certains modes de réalisation 6 de l'invention peuvent inclure une DEL placée de manière visible sur/dans le palier pour permettre ainsi d'indiquer également visuellement l'état et la condition actuels du palier. [0029] La figure 2 illustre un palier élastomère stratifié 201 muni d'instruments selon l'invention. Comme le palier élastomère stratifié 100 de la figure 1, ce palier comprend également une unité élastomère stratifiée 210 avec des couches empilées d'élastomère 212 et d'organes de renforcement rigide 212, l'unité élastomère stratifiée 210 étant accouplée entre un organe d'interface interne 216 et un organe d'interface externe 218. Dans ce mode de réalisation, un actionneur 222 et un capteur 224 sont montés à l'intérieur de l'organe d'interface externe 218. Le positionnement du capteur 224 et de l'actionneur 222 n'est pas limité à un ou l'autre organe d'interface, ils peuvent tous les deux être dans ou sur l'organe d'interface interne, ou même avec le capteur 224 dans ou sur un organe d'interface et l'actionneur 222 dans ou sur l'autre organe d'interface. Dans d'autres modes de réalisation, on peut prévoir deux ou plus de deux capteurs et/ou deux ou plus de deux actionneurs. [0030] Seuls un capteur et un actionneur doivent être situés sur ou dans un organe d'interface, tandis que d'autres composants électroniques peuvent être placés ailleurs. Il est toutefois avantageux qu'au moins certains, de préférence la totalité, des composants électroniques soient placés à proximité immédiate d'un capteur et d'un actionneur. Un emplacement approprié est à l'intérieur d'un des organes d'interface, par exemple de manière rapprochée d'un capteur et d'un actionneur positionnés comme illustré dans la figure 2. [0031] La figure 3 illustre un schéma synoptique de l'actionneur 322, du capteur 324 et d'une électronique de traitement de signaux 332, 334, 336, 338, 340 et autre électronique 345, 350, 352, 354 de l'instrumentation d'un système de surveillance d'état et de condition selon l'invention. L'unité de traitement et de commande de signaux 340 est le centre du système. Elle amorce une séquence de mesure en envoyant un signal, par exemple une impulsion ou un chirp, à l'amplificateur de puissance 332 et le signal amplifié va ensuite vers l'actionneur 322 qui peut être un actionneur piézoélectrique en pile. L'actionneur 322 est de préférence disposé de telle sorte que la force générée, qu'il s'agisse d'une impulsion ou d'un chirp, soit dirigée dans la direction de plus faible rigidité du palier auquel il est attaché. Cette force provoque l'oscillation du palier autour de sa base. La réponse à l'impulsion ou au chirp est enregistrée/mesurée par le capteur 324. Le signal de réponse est ensuite amplifié/amorti 334 avant d'être filtré par-un filtre passe-bas 336 pour s'assurer que le convertisseur A/N 338 suivant fonctionne à un taux d'échantillonnage supérieur à deux fois la fréquence la plus élevée du signal de réponse ayant traversé le filtre passe-bas. Après conversion A/N 338, le signal de réponse à présent numérique est soumis à un traitement de signal purement numérique. 7 Le traitement de signal numérique analyse le signal de réponse numérique à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel après une transformation de Fourier, de manière adéquate par une transformation de Fourier rapide ou similaire. Dans le domaine temporel, le signal de réponse est typiquement analysé en rapport avec l'amplitude par rapport au temps. Dans le domaine fréquenticl, l'analyse peut par exemple s'effectuer en rapport avec un ou plusieurs parmi le spectre, le spectre de puissance, la densité spectrale de puissance, l'inter-spectre normalisé, une fonction de transfert, une fonction de réponse fréquentielle (FRF) et une fonction de cohérence. [0032] La mesure et l'analyse seraient effectuées à des intervalles réguliers lors de l'utilisation du palier élastomère stratifié, de manière appropriée avant et/ou après un vol, en gardant un enregistrement du moment, étant donné que directement après un vol, le palier, dans la plupart des circonstances, aura atteint une température plus élevée qu'avant le vol. Il peut également être avantageux, en même temps que l'acquisition d'un signal de réponse, de mesurer la température du palier, de manière appropriée de la mesurer aussi près que possible ou directement au niveau de l'unité élastomère stratifiée. De manière appropriée, une ou plusieurs conditions environnementales sont également mesurées, par exemple la température et l'humidité. [0033] Après avoir effectué une mesure de signal de réponse et une analyse, le ou les résultats peuvent être communiqués à un poste de surveillance central au moyen de l'unité de communication 350. L'unité de communication transfère le ou les résultats soit au moyen d'une connexion par câble 354, qui peut à son tour ultérieurement comprendre une transmission sans fil, ou sans fil 352. Comme mentionné, l'unité de communication peut en outre ou uniquement comprendre une DEL ou similaire pour communiquer visuellement la condition/l'état, qui peut être verte ou non allumée pour un état satisfaisant, orange pour indiquer qu'il est temps d'effectuer une maintenance et rouge pour indiquer que la maintenance a besoin d'être effectuée immédiatement. [0034] L'alimentation électrique 345, qui peut comprendre un ou plusieurs parmi une collecte d'énergie, un stockage d'énergie, un ou plusieurs convertisseurs de puissance, un ou plusieurs filtres, et une connexion d'énergie externe. La collecte d'énergie peut de manière appropriée être une collecte d'énergie de vibrations. Le stockage d'énergie peut être une batterie conventionnelle et/ou un super-condensateur. [0035] Seuls le capteur 324 et l'actionneur 322 doivent être situés sur ou dans le palier élastomère stratifié. De manière particulièrement avantageuse, tous les composants électroniques sont logés à l'intérieur du palier en utilisant la communication sans fil avec ajout éventuel d'une DEL. Si plusieurs paliers élastomère stratifiés sont situés de manière rapprochée les uns des autres, il est très utile de pouvoir identifier facilement au moyen d'une DEL lequel ou lesquels ont besoin d'être révisés/entretenus. [0036] La figure 4 illustre une courbe de rigidité relative 466, dans un schéma de rigidité 8 relative 462 en fonction du temps 464, d'un palier élastomère stratifié pendant l'utilisation au cours de sa durée de vic. Au début de l'utilisation, tl 491, il y a un point de départ d'augmentation initiale de la rigidité relative. Cette augmentation de rigidité relative continue jusqu'à t2 493, marquant la fin de la phase d'augmentation initiale de rigidité relative et le début d'une longue période de seulement de petites variations de rigidité relative jusqu'à t3 495. La période entre t2 493 et t3 495 est couramment dans la plage de milliers d'heures d'utilisation. À l'instant t3 495, une deuxième augmentation détectable et déterminable de rigidité relative commence et se poursuit jusqu'à t4 497. À la fin de l'instant t4 497 d'augmentation finale de rigidité relative, arrive la fin de vie t5 499 lorsque la rigidité diminue de plus en plus à mesure que le palier se détériore. Les tests ont indiqué qu'à partir d'un point dans le temps auquel l'augmentation finale de rigidité a été déterminée, c'est-à-dire quelque part entre t3 495 et t4 497, il reste environ entre une centaine et plusieurs centaines d'heures d'utilisation avant d'atteindre la fin de vic en t5 499. Dans la plupart des cas, ceci est largement suffisant pour pouvoir planifier une maintenance de remplacement pour le palier élastomère stratifié en question. [0037] La rigidité relative peut être déterminée de différentes manières, l'une d'entre elles étant par le biais de l'intégration de la réponse et une autre étant par la détermination et l'enregistrement des pics résonnants de la réponse. La figure 5 illustre une courbe de réponse 576 dans le domaine fréquentiel avec l'amplitude 572 en fonction de la fréquence 574 pour déterminer la rigidité relative d'un palier élastomère. Tout d'abord, on détermine une fréquence centrale fc 586 d'un pic résonnant dans la réponse. Ensuite, elle est comparée à la fréquence centrale précédente d'une réponse précédente. Si la fréquence centrale fc 586 a augmenté, alors le palier élastomère est devenu plus rigide, si, au contraire, elle a diminué 582, alors il est devenu moins rigide. [0038] Comme mentionné précédemment, l'amortissement du palier élastomère est également important pour déterminer son état et sa condition. L'amortissement est une influence sur un système oscillant et caractérise son aptitude à réduire ou atténuer les oscillations. La figure 6 illustre une courbe de réponse 676 dans le domaine fréquentiel avec l'amplitude 672 en fonction de la fréquence 674 pour déterminer une estimation d'amortissement dans un palier élastomère. Tout d'abord, on détermine une fréquence centrale fc 696 d'un pic résonnant dans la réponse. Ensuite, à partir d'un niveau de -3 dB 692 à partir du pic, les deux fréquences fl 694 et f2 698, ce qui correspond au moment où le niveau de -3 dB traverse la courbe de réponse 676, sont utilisées conjointement avec la fréquence centrale fc 696 pour déterminer une estimation d'un rapport d'amortissement du palier élastomère selon (f241)/(2fc). [0039] L'invention se base sur l'idée inventive de base d'induire une impulsion dans un composant élastomère puis d'analyser la fonction de réponse impulsionnelle en 9 fonction du temps. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus mais peut être modifiée dans le cadre des revendications suivantes. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]