Brevet FR3088301A1 — publié le 20200515

Dispositif de mesure pour une ligne d'arbres, navire comportant un tel dispositif de mesure L'invention se rapporte à un dispositif de mesure pour une ligne d'arbres et à un navire comportant un tel dispositif de mesure. Il existe des systèmes mécaniques, tels que les systèmes de propulsion de navires. qui comportent un arbre tournant au moins partiellement immergé dans un fluide. Dans certaines applications, il est souhaitable de pouvoir mesurer, à l'intérieur du système mécanique, des propriétés mécaniques de l'arbre pendant que l'arbre est en rotation lors du fonctionnement du système mécanique, par exemple à des fins de diagnostic et/ou de maintenance. Cependant, de telles mesures sont compliquées à réaliser avec des dispositifs de mesure classiques lorsque la mesure doit être faite sur une région de l'arbre qui se trouve immergée dans un fluide et en rotation par rapport à son support. Il existe donc un besoin pour un dispositif de mesure permettant de mesurer des propriétés d'un arbre tournant au moins partiellement immergé dans un fluide. A cet effet, selon un aspect de l'invention, un dispositif de mesure pour une ligne d'arbres d'un système mécanique comportant un arbre mobile en rotation autour d'un axe longitudinal comprend : - un corps principal en forme d'anneau configure pour être monté centré sur l'axe longitudinal de l'arbre et étant solidaire en rotation avec l'arbre; - un ou plusieurs capteurs de mesure disposés à l'intérieur du corps principal, et - une ou plusieurs unités d'acquisition et de traitement portées par le corps principal, chaque unité d'acquisition et de traitement étant couplée à un capteur de mesure et comprenant un circuit électronique de traitement, une mémoire non-volatile et une réserve d'énergie. Ainsi, le dispositif de mesure permet de mesurer des propriétés mécaniques de l'arbre même lorsque l'arbre est immergé. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires, un tel dispositif de mesure peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement admissible : - les capteurs de mesure sont des jauges de déformation. - le corps principal est formée par assemblage de plusieurs modules, chaque module recevant une ou plusieurs des unités d'acquisition et de traitement, l'assemblage pouvant être réalisé par boulonnage ou par serrage d'un dispositif de serrage périphérique. 2 - chaque module comporte une coque et un coeur comportant un matériau de remplissage qui remplit le volume interne délimité par la coque. - le matériau de remplissage du coeur est une mousse en matériau composite, de préférence une mousse syntactique. 5 - chaque unité d'acquisition est couplée à un capteur de mesure au moyen d'une liaison filaire, un ou plusieurs canaux étant ménagés à l'intérieur de chaque module au travers du coeur pour permettre le passage de la liaison filaire entre l'unité d'acquisition et le capteur de mesure correspondant. - chaque unité d'acquisition comporte un boîtier et est reçue dans un logement 10 correspondant ménagé dans le module. - le dispositif de mesure comporte une source d'alimentation en énergie montée fixement à l'écart du corps principal apte à alimenter chaque unité d'acquisition lesquelles comportant un dispositif de réception du flux électromagnétique reçu et étant adapté pour convertir une puissance reçue sous forme de rayonnement électromagnétique en une 15 puissance électrique apte à alimenter la réserve d'énergie. - le dispositif de mesure comporte un système de transfert de données monté fixement à l'écart du corps principal apte à recevoir des données stockées en mémoire par les unités d'acquisition. Selon un autre aspect de l'invention, un navire comporte un système de propulsion 20 incluant une ligne d'arbres comportant un arbre mobile en rotation autour d'un axe longitudinal et un dispositif de mesure tel que décrit précédemment, le corps principal du dispositif de mesure étant monté sur l'arbre en étant solidaire en rotation avec l'arbre. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires, la ligne d'arbres d'un tel navire comporte un propulseur et un palier fixe aligné avec l'axe longitudinal, le dispositif 25 de mesure étant placé autour de l'arbre dans une zone arrière du navire située entre le propulseur et le palier. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, d'un mode de réalisation d'un dispositif de mesure donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux 30 dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique partielle d'un navire comportant un dispositif de mesure selon des modes de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une partie du dispositif de mesure de la figure 1 ; 35 - la figure 3 est une représentation schématique en vue écorchée de la partie du dispositif de mesure illustrée sur la figure 2. 3 - les figures 4 et 5 sont une représentation schématique de modes de réalisation de l'assemblage des modules du dispositif de mesure de la figure 2. En référence à la figure 1 est représenté un navire 2, dont seule une partie arrière est ici partiellement illustrée. 5 Dans l'exemple de la figure 1, le navire 2 est un sous-marin. Toutefois, en variante, le navire 2 peut être un navire de surface. Selon encore d'autres variantes, les modes de réalisation décrits ci-après peuvent être mis en oeuvre dans tout système mécanique comportant un arbre tournant au moins partiellement immergé dans un fluide. 10 Le navire 2 comporte un système de propulsion adapté pour mettre le navire 2 en mouvement lorsque le navire 2 est dans l'eau. Le système de propulsion comporte un moteur ou un ensemble moto-réducteur (non représenté sur les figures), une ligne d'arbres 4 et un propulseur 6. Par exemple, le propulseur 6 comporte une hélice. 15 La ligne d'arbres 4 comporte au moins un arbre tournant 8 et un corps qui entoure l'arbre 8. La ligne d'arbres 4 connecte mécaniquement le moteur ou l'ensemble moto-réducteur au propulseur 6 pour transmettre un mouvement de rotation du moteur ou de l'ensemble moto-réducteur vers le propulseur 6. 20 La ligne d'arbres 4 et l'arbre 8 s'étendent longitudinalement selon un axe longitudinal X4. L'axe longitudinal X4 forme un axe de rotation pour la ligne d'arbres 4 et l'arbre 8. En variante, lorsque la ligne d'arbres 4 comporte un ou plusieurs arbres en plus de l'arbre 8, chacun de ces arbres additionnels est apte à tourner autour de son axe longitudinal, ces axes longitudinaux étant parallèles à l'axe longitudinal X4. 25 Selon des modes de réalisation, l'arbre 8 est monté dans un palier porteur fixe 10 centré sur l'axe longitudinal. Par exemple, le palier 10 est monté à une extrémité arrière de la ligne d'arbres 4. Selon des modes de réalisation, le palier 10 est immergé lorsque le navire 2 est dans l'eau. Par exemple, le palier 10 est situé dans le prolongement et à l'extérieur du 30 corps qui entoure l'arbre 8. Le navire 2 comporte également un dispositif de mesure 12 configuré pour mesurer des propriétés mécaniques de l'arbre 8. Par exemple, le dispositif 12 est configuré pour mesurer des déformations mécaniques de l'arbre 8. De préférence, le dispositif de mesure 12 est intégré à la ligne d'arbres 4 et est au 35 moins en partie installé autour de l'arbre 8. 4 Par exemple, le dispositif de mesure 12 est placé autour de l'arbre 8 dans une zone arrière 14 du navire 2 située entre le propulseur 6 et le palier 10. Dans cet exemple, la zone arrière 14 est immergée lorsque le navire 2 est dans l'eau, de sorte que le dispositif de mesure 12 et l'arbre 8 sont eux aussi immergés. 5 Comme illustré sur les figures 2 et 3, le dispositif de mesure 12 comporte un axe central X20 et est destiné à être installé soit directement sur la partie cylindrique de l'arbre 8, soit sur une partie 26, formant ici un support d'hélice du propulseur 6, la partie 26 étant rapportée ou constitutive de l'arbre 8 et d'axe concourant à l'axe X20. Lorsque le dispositif de mesure 12 est monté sur l'arbre 8, l'axe central X20 est 10 confondu avec l'axe longitudinal X4. On comprend donc que le corps principal 22 est en contact avec l'arbre 8 et la portion élargie 26 lorsque le dispositif de mesure 12 est en configuration assemblée. Selon un mode de réalisation, le corps principal 22 est ici formé par assemblage de plusieurs modules 30 chacun correspondant à un secteur angulaire. 15 Selon un mode de réalisation, illustré sur la figure 4, les modules 30 sont assemblés entre eux par un dispositif de serrage 40 comme un collier de serrage ou un jonc élastique. Selon un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 5, les modules 30 sont assemblés entre eux par boulonnage, par exemple au moyen d'un système de vis 20 traversantes 41. Dans l'exemple illustré, le corps principal 22 comporte quatre modules 30. En variante, le nombre de modules 30 du corps principal 22 est supérieur ou égal à deux et inférieur ou égal à vingt. Sur la figure 3, un seul des modules 30 du corps principal 22 est illustré, les autres 25 modules 30 étant masqués pour faciliter la compréhension de la figure. Chaque module 30 comporte une coque 32 et un coeur 34. La coque 32 est par exemple réalisée en plastique, ou en matériau composite, ou en polymère. De préférence, la coque 32 est rigide. Le coeur 34 remplit le volume interne délimité par la coque 32. Selon des 30 exemples, le coeur 34 comporte un matériau de remplissage, tel qu'une mousse en matériau composite, de préférence une mousse syntactique. De préférence, les modules 30 sont identiques entre eux. Le dispositif de mesure 12 comporte également au moins un capteur de mesure 36 et au moins une unité d'acquisition 38 connectée au capteur de mesure 36. 35 Chaque capteur 36 est adapté pour mesurer une propriété mécanique de l'arbre 8. Selon des exemples, les capteurs de mesure 36 sont des jauges de déformation. 5 Selon des exemples, les capteurs de mesure 36 sont d'abord collés sur l'arbre 8 puis connectés au module 30 correspondant, de préférence par un connecteur ou un conducteur électrique, un logement étant aménagé dans le module 30 pour contenir le connecteur éventuel ou le surplus de conducteur électrique. 5 En variante, chaque capteur de mesure 36 est à l'intérieur du module 30. Par exemple, les capteurs de mesure 36 sont directement placés sur une paroi extérieure du module 30. Selon des variantes, le capteur de mesure 36 peut être porté par le module 30, par exemple en étant fixé sur une face extérieure du corps 32 tout en étant en contact avec 10 l'arbre 8 Chaque unité d'acquisition 38 comprend un circuit électronique de traitement, une mémoire non-volatile et une réserve d'énergie. Chaque unité d'acquisition 38 comprend également un boîtier à l'intérieur duquel sont logés le circuit électronique de traitement, la mémoire non-volatile et la réserve 15 d'énergie. Par exemple, chaque unité d'acquisition 38 est reçue dans un logement correspondant ménagé dans le module 30. Selon des modes de réalisation, les logements recevant les unités d'acquisition 38 présentent une forme de cavité débouchant à l'extérieur d'une première face du module 20 30, cette première face étant opposée à une deuxième face du module 30 qui est en contact avec l'arbre 8. Dans l'exemple illustré, chaque module 30 comporte trois unités d'acquisition 38, mais, en variante, le nombre d'unités d'acquisition 38 reçues par chaque module 30 peut être différent, par exemple inférieur ou égal à dix. 25 De préférence, le nombre d'unités d'acquisition 38 est égal au nombre de capteurs de mesure 36. Chaque unité d'acquisition 38 est couplée à un capteur de mesure 36, par exemple au moyen d'une liaison filaire. Par exemple, un ou plusieurs canaux sont ménagés à l'intérieur de chaque module 30 30, au travers du coeur 34, pour permettre le passage de la liaison filaire entre l'unité d'acquisition 38 et le capteur de mesure 36 correspondant sans que la liaison filaire ne sorte hors du boîtier de l'unité d'acquisition 38. Selon des exemples, le boîtier de chaque unité d'acquisition 38 est hermétiquement fermé, par exemple pour être étanche à l'eau, de préférence avec un 35 indice de protection supérieur ou égal à l'indice IPx5. 6 Le circuit électronique de traitement de chaque unité d'acquisition 38 est configuré pour acquérir un signal de mesure provenant du capteur de mesure 36 auquel il est connecté et ainsi mesurer une valeur d'une propriété mécanique de l'arbre. Ce circuit électronique de traitement est en outre configuré pour enregistrer les 5 valeurs ainsi mesurées dans la mémoire non-volatile. La réserve d'énergie de chaque unité d'acquisition 38 permet d'alimenter électriquement le circuit électronique de traitement de l'unité d'acquisition 38 correspondante pour en assurer le fonctionnement. Par exemple, la réserve d'énergie comporte une pile ou une batterie 10 électrochimique ou un super-condensateur, ou tout autre dispositif de stockage d'énergie. Ainsi, chaque unité d'acquisition 38 est alimentée en énergie de façon autonome. La mémoire non-volatile permet de stocker les données mesurées par le capteur de mesure 36 au cours du temps. Par exemple, la mémoire non-volatile comporte une mémoire dite à l'état solide 15 (« solid state memory » en anglais) telle qu'une mémoire de technologie Flash, ou une mémoire magnétique, ou une mémoire à changement de phase, ou tout autre mémoire non-volatile de technologie équivalente. En pratique, des mesures sont réalisées par les capteurs de mesure 36 à plusieurs reprises au cours du temps, par exemple avec une périodicité prédéfinie, de 20 préférence lorsque le navire 2 est en fonctionnement. Les données mesurées sont accumulées dans la mémoire non-volatile. Par exemple, le dispositif de mesure 12 est apte à mesurer des données pendant une durée de fonctionnement au moins supérieure à une ou plusieurs heures ou au moins supérieure à un ou plusieurs jours. 25 Selon des exemples, les données stockées sont ensuite destinées à être lues et/ou collectées, par exemple lors d'une intervention de maintenance du navire 2 nécessitant un contrôle de l'état de l'arbre 8, ou encore à l'issue d'une phase d'essais du navire 2 et/ou de la ligne d'arbres 4. Ainsi, le dispositif de mesure 12 permet de construire un historique des propriétés 30 mécaniques de l'arbre 8 au cours du temps. Par exemple, les données enregistrées par les mémoires respectives des unités d'acquisition 38 peuvent être lues au moyen d'un terminal électronique de lecture connecté à la mémoire après avoir démonté le dispositif de mesure 12 de l'arbre 8. Dans un autre exemple de réalisation, les données enregistrées par les mémoires 35 des unités d'acquisition 38 peuvent être lues sans démontage par transfert sans contact, par exemple via une liaison radio ou une liaison de communication à champ proche, ou 7 par transfert filaire via un connecteur approprié, par exemple un connecteur intégré au dispositif de mesure 12. Dans l'exemple illustré, les boîtiers des unités d'acquisition 38 présentent une forme cylindrique et sont disposés radialement autour de l'axe longitudinal X4. 5 Par exemple, chaque unité d'acquisition 38 est associée à un seul capteur de mesure 36 et est alignée avec ce capteur de mesure 36 selon un axe d'alignement disposé radialement autour de l'axe longitudinal X4. Ainsi, l'intégration du dispositif de mesure 12 à la ligne d'arbres 4 rend possible la mesure de propriétés mécaniques au plus près de l'arbre 8, ce qui permet d'obtenir des 10 meures fiables, tout en protégeant le dispositif de mesure 12 contre un possible endommagement causé par l'immersion de l'arbre 4. En particulier, le dispositif de mesure 12 présente une résistance satisfaisante à la pression d'immersion dans le fluide ainsi qu'une résistance aux efforts d'arrachement causés par de possibles fluctuations de pression du fluide. 15 Par ailleurs, le corps principal 22 permet de loger les fonctions d'alimentation électrique, de traitement logique et de stockage des données mesurées dans un ensemble autonome qui ne nécessite pas de connexion filaire vers l'extérieur de la ligne d'arbres 4. La conception modulaire du corps principal 22 permet de faciliter la fabrication et 20 le montage du dispositif de mesure 12. De plus, le corps principal 22 protège également les capteurs de mesure 36. Selon des modes de réalisation optionnels, le dispositif de mesure 12 comporte également une deuxième partie, non illustrée, aussi nommée « station statorique » ou « partie statorique ». 25 La partie statorique est montée fixement par rapport à la ligne d'arbres 4, par exemple en étant fixée sur une charpente arrière du navire 2, tout en étant disposée autour de la première partie dispositif de mesure 12 et en étant centrée sur l'axe longitudinal X4. On comprend ici que la partie statorique du dispositif de mesure 12 est ici 30 mécaniquement dissociée du corps principal 22, de manière à ne pas entraver la rotation du corps principal 22 lorsque l'arbre 8 est en train de tourner autour de son axe. Selon une variante non illustrée, le dispositif de mesure 12 comporte un système de transfert de données monté fixement à l'écart du corps principal 12, par exemple fixé ou intégré à la partie statorique. Le système de transfert de données est apte à recevoir 35 les données stockées en mémoire dans les unités d'acquisition 38, par exemple au travers d'une liaison sans contact telle que décrite précédemment, afin de permettre un 8 accès facilité à ces données par un terminal de lecture sans avoir besoin d'accéder au corps principal 22. Le système de transfert de données peut aussi stocker au moins temporairement les données reçues, par exemple dans une ou plusieurs mémoires. Selon des exemples additionnels, non illustrés, le dispositif de mesure 12 peut 5 comporter un système de rechargement apte à alimenter électriquement les réserves d'énergie des unités d'acquisition 38 sans avoir besoin de connexion filaire ni avoir besoin de démonter les unités d'acquisition 38. Par exemple, le dispositif de mesure 12 comporte une source de rayonnement électromagnétique, tel qu'une diode laser ou une antenne, et chaque unité d'acquisition 10 38 comporte un disposer de réception dispositif du flux électromagnétique reçu, tel qu'un récepteur photosensible ou une antenne, connecté à la réserve d'énergie et étant adapté pour convertir une puissance reçue sous forme de rayonnement électromagnétique en une puissance électrique apte à alimenter la réserve d'énergie de sorte à la recharger au moins partiellement. 15 Par exemple, la source de rayonnement est montée fixement à l'écart du corps principal 22, par exemple sur un bâti du navire 2 ou sur la ligne d'arbres 4 ou sur la partie statorique. La source de rayonnement est par exemple alimentée électriquement depuis une source extérieure d'alimentation à laquelle elle est raccordée par une liaison filaire. 20 Pour recharger les réserves d'énergie, la source de rayonnement émet un rayonnement en direction d'un ou de plusieurs des dispositifs de réception. Selon un exemple, les dispositifs de réception sont montés en périphérie radiale du dispositif de mesure 12 et tournent avec l'arbre 8 et reçoivent le rayonnement émis par intermittence au fur et à mesure de leur passage. 25 De façon générale, comme expliqué précédemment, les modes de réalisation du dispositif de mesure 12 peuvent être transposés à une ligne d'arbres incluant un arbre tournant immergé appartenant à un système mécanique autre qu'un navire, tel qu'un arbre de transmission d'un véhicule routier ou d'un aéronef ou d'une machine quelconque. 30 Dans certains modes de réalisation, le fluide n'est pas nécessairement de l'eau. Par exemple, l'arbre est immergé dans un lubrifiant tel que de l'huile. REVENDICATIONS1.- Dispositif de mesure (12) pour une ligne d'arbres (4) d'un système mécanique, la ligne d'arbres (4) comportant un arbre (8) mobile en rotation autour d'un axe longitudinal (X4), le dispositif de mesure (12) étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un corps principal (22) en forme d'anneau configure pour être monté centré sur l'axe longitudinal (X4) de l'arbre (8) en étant solidaire en rotation avec l'arbre (8) ; - un ou plusieurs capteurs de mesure (36) disposés à l'intérieur du corps principal (22), et - une ou plusieurs unités d'acquisition et de traitement (38) portées par le corps principal (22) et chaque unité d'acquisition et de traitement (38) étant couplée à un capteur de mesure (36) et comprenant un circuit électronique de traitement, une mémoire non-volatile et une réserve d'énergie. 2.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel les capteurs de mesure (36) sont des jauges de déformation. 3.- Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le corps principal (22) est formé par assemblage de plusieurs modules (30), chaque module (30) recevant une ou plusieurs des unités d'acquisition et de traitement (38), l'assemblage pouvant être réalisé par boulonnage (41) ou par serrage d'un dispositif de serrage (40) périphérique. 4.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque module (30) comporte une coque (32) et un coeur (34) comportant un matériau de remplissage qui remplit le volume interne délimité par la coque (32). 5.- Dispositif de mesure selon la revendication 4, dans lequel le matériau de remplissage du coeur (34) est une mousse en matériau composite, de préférence une mousse syntactique. 6.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque unité d'acquisition (38) est couplée à un capteur de mesure (36) au moyen d'une liaison filaire, un ou plusieurs canaux étant ménagés à l'intérieur de chaque module (30) au travers du coeur (34) pour permettre le passage de la liaison filaire entre l'unité d'acquisition (38) et le capteur de mesure (36) correspondant. 10 7.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque unité d'acquisition (38) comporte un boîtier et est reçue dans un logement correspondant ménagé dans le module (30). 5 8.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de mesure (12) comporte une source d'alimentation en énergie montée fixement à l'écart du corps principal (22) apte à alimenter chaque unité d'acquisition (38) lesquelles comportant un dispositif de réception du flux 10 électromagnétique reçu et étant adapté pour convertir une puissance reçue sous forme de rayonnement électromagnétique en une puissance électrique apte à alimenter la réserve d'énergie. 9.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes 15 dans lequel le dispositif de mesure (12) comporte un système de transfert de données monté fixement à l'écart du corps principal (22) apte à recevoir des données stockées en mémoire par les unités d'acquisition (38). 10.- Navire (2) comportant un système de propulsion incluant une ligne d'arbres 20 (4), caractérisé en ce que la ligne d'arbres comporte un arbre (8) mobile en rotation autour d'un axe longitudinal (X4) et un dispositif de mesure (12) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, le corps principal (22) du dispositif de mesure (12) étant monté sur l'arbre (8) en étant solidaire en rotation avec l'arbre (8). 25 11.- Navire selon la revendication 10, dans lequel la ligne d'arbres comporte un propulseur (6) et un palier fixe (10) aligné avec Faxe longitudinal (X4), le dispositif de mesure (12) étant placé autour de l'arbre (8) dans une zone arrière (14) du navire (2) située entre le propulseur (6) et le palier (10).