Health Monitoring : Impact thermique d’un défaut dans une transmission par engrenages - application aéronautique

Health monitoring : Thermal impact of a defect in a geared mechanical system - Aeronautical application

• Auteur / Autrice : Thomas Touret
• Direction : Christophe Changenet, Fabrice Ville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/07/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes Mécaniques et Contacts
• Jury : Président / Présidente : Souad Harmand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Changenet, Fabrice Ville, Souad Harmand, Jean Bouyer, Jorge Seabra, Dhafer Ghribi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean Bouyer, Jorge Seabra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détection de défaut (ingénierie)

Analyse thermique

Frottement

Mécanique du contact

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Transmission mécanique

Analyse thermique

Pièces mécaniques

Détection de défaut

Diagnostic

Machine Bi-Disques

Contacts mécaniques

Engrenages

Frottement

Maintenance préventive conditionnelle

Mechanical engineering

Mechanical transmission

Thermal analysis

Mechanical parts

Defect detection

Diagnosis

Bi-Disk Machine

Mechanical contact

Gear transmission

Friction

Health Monitoring

Résumé

Le Health monitoring (maintenance préventive conditionnelle) appliqué aux transmissions par engrenages et basé sur des mesures dynamiques et/ou acoustiques est une méthodologie en plein développement. Cependant, cette technologie peut se heurter à des difficultés d’analyse des signaux pour identifier les défaillances. C’est pourquoi une autre approche de Health monitoring peut être envisagée, cette fois-ci basée sur des mesures thermiques. Le niveau de température des systèmes mécaniques est imposé par leur efficacité énergétique et leur environnement. Ainsi une dégradation des composants mécaniques peut se traduire par une diminution du rendement et donc une augmentation de la température du composant touché. L’étude s’est donc portée sur l’évaluation de la capacité d’une approche thermique à permettre la détection de défauts mais aussi le diagnostic et le pronostic des composants mécaniques. Une étude bibliographique a pu montrer que l’analyse thermique est effectivement une approche viable pour détecter les défaillances dans les transmissions mécaniques. Un nombre relativement important d’études s’est déjà intéressé à ce sujet. Cependant cette investigation a aussi montré que les études existantes étaient rarement en mesure de diagnostiquer ou pronostiquer l’état des transmissions mécaniques du fait d’un manque de modèle associé. La réalisation d’un modèle utilisant la méthode des réseaux thermiques a permis de montrer que les variations de pertes entrainent des variations localisées de températures. Le modèle a aussi permis de montrer que les variations de températures étaient directement proportionnelles aux variations de pertes observées. Ces deux observations suggèrent que les mesures thermiques doivent permettre de réaliser respectivement le diagnostic et le pronostic des transmissions mécaniques. L’utilisation de machines bi-disques, qui simulent les conditions de contact des engrenages, a permis de mettre en évidence un lien direct entre la présence de défauts, en l’occurrence le micropitting, et l’augmentation du coefficient de frottement des surfaces lubrifiées. Cette série d’essais suggère aussi que les engrenages des transmissions mécaniques pourraient voir leur rendement impacté par la présence de défauts. Finalement l’utilisation d’un banc FZG a permis de réaliser des essais de caractérisations des pertes et des températures à plusieurs niveaux de développement du micropitting sur les dentures. Ces essais ont permis de montrer que les températures d’une transmission mécanique sont directement impactées par les variations de pertes. Les variations des températures se sont avérées cohérentes avec celles issues du modèle numérique élaboré. Au final, ces résultats montrent que l’étude des températures est un moyen viable de diagnostiquer l’état de transmissions mécaniques.

Health monitoring applied to gear units and based on dynamic or acoustic measurements is a growing technology. It is especially true in the present industrial context that tends to increase constrains on any mechanical systems. Nevertheless, this technology faces great difficulties regarding signal treatments and failure identifications. Thus, another health monitoring approach based on temperature measurements is considered. Enclosed gear drive temperatures are imposed by their efficiency and their environment. Therefore, any component damage can lead to efficiency degradation and so a local temperature increase. The proposed study aims to evaluate the capability of temperature measurements to detect, diagnose and estimate the remaining life expectancy of any mechanical component. A bibliographic study shows that temperature analysis is a valid approach to detect failure in mechanical systems. Indeed, a substantial number of studies deal with this subject. But, these studies are rarely able to diagnose or estimate remaining life expectancy as they are lacking of a comprehensive thermal model. Considering this observation, a model based on the thermal network approach was developed to simulate the energetic behavior of a given gear unit. It shows that any variation in mechanical system efficiency results in localized temperature increase. It also reveals that the simulated temperature variation is proportional to the power loss one. Those two observations suggest that temperature measurements could be a relevant approach. Experimental investigations were conducted with twin-disc machines to replicate gear mesh contact conditions. This study shows that a defect such as micropitting has a direct impact on friction coefficient for a lubricated contact. The relationship between friction increase and defect number appears to be proportional. These experiments suggest that the efficiency of geared mechanical systems could be directly impacted with such failures. Finally, an FZG test rig was used to experimentally characterize the effect of micropitting on power losses and temperatures. Tests indicate that there is a direct relationship between efficiency and temperatures. Furthermore, efficiency variations are numerically linked to gear surface features and micropitting magnitude evolutions observed during tests. Temperature variation appears to be consistent with the ones obtained with the thermal model. In fine these results show that temperature measurements are a valuable approach to diagnose and estimate the remaining life expectancy of a geared mechanical system.