Maintenance prédictive d'un réducteur mécanique par analyse combinée électrique et thermique

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire : Laboratoire LabECAM

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Dans le contexte industriel actuel, la fiabilité et la performance des équipements sont des préoccupations majeures. Les transmissions à engrenages sont des éléments essentiels des systèmes mécaniques et sont - pour nombre d’applications industrielles - associées à un moteur électrique. Ces motoréducteurs sont soumis à des contraintes opérationnelles de plus en plus importantes, et leur défaillance peut entraîner des conséquences graves, tant en termes de sécurité que de coûts de maintenance. La maintenance prédictive émerge alors comme une stratégie essentielle afin de garantir leur bon fonctionnement en identifiant les signes avant-coureurs de défaillance et en planifiant de manière optimale les interventions de maintenance. L’objectif de cette étude est d’étudier le potentiel des approches thermique et électrique pour la maintenance prédictive d’un réducteur à engrenages. Afin de répondre au besoin industriel, ces travaux proposent une approche permettant de détecter et localiser des défauts en temps réel en utilisant un nombre limité de capteurs non intrusifs. Un banc d'essai a été développé à partir d'un treuil de l’entreprise REEL International pour étudier le comportement thermique d'un réducteur à quatre étages. Cette étude présente, dans un premier temps, une méthode pour créer un jumeau numérique thermique du réducteur. Un modèle hybride analytique-expérimental est proposé. Sa structure est basée sur l'approche des réseaux thermiques². Une procédure expérimentale est utilisée pour déterminer certains paramètres critiques du modèle, tel que le coefficient de frottement des dentures. Dans un second temps, la capacité de ce jumeau numérique thermique à réaliser la maintenance prédictive du réducteur est étudiée via l’introduction d’un défaut d’hélice et d’un défaut d’écaillage sur un des pignons. Dans un troisième temps, une étude du module du vecteur de Park des courants statoriques du moteur pour la détection des défauts est présentée en complément de l’approche thermique. Il résulte de cette étude que le jumeau numérique thermique est capable de prédire précisément le comportement thermique des composants du réducteur (roulements, carter, huile) en utilisant seulement quelques capteurs thermiques. Celui-ci permet la détection et la localisation d’un défaut géométrique à l’engrènement. L’étude du module de Park démontre quant à elle la pertinence de certains indicateurs ainsi que celle de combiner les deux approches pour la surveillance de la transmission.

Les Instituts Carnot représentent un réseau national de 38 instituts à travers toute la France. Leur objectif est de soutenir l’activité de recherche partenariale des laboratoires avec les entreprises, en encourageant les démarches d’innovation. L’INSA, dont une des vocations est de consolider les liens entre le monde industriel et les laboratoires de recherche publique, a rejoint naturellement ce réseau au moment de sa création, il y a maintenant plus de 12 ans.  

Ingénierie@Lyon, un Institut Carnot relié à l'ingénierie

Lyon et plus généralement la région Auvergne Rhône-Alpes est une des plus actives en France dans le domaine de l’ingénierie. Il était donc logique que l’Institut Carnot local soit spécialisé sur l’ingénierie. Entretien avec Jérôme Chevalier, nouveau Directeur de l’Institut Carnot « Ingénierie@Lyon » et professeur à l’INSA Lyon.

Quelles sont les spécificités de l’Institut Carnot Ingénierie@Lyon ? 

« Son rôle est de mettre en évidence le potentiel des laboratoires d’ingénierie auprès des industries et de soutenir leur activité de recherche partenariale. Ingénierie@Lyon aide aussi les laboratoires à travailler ensemble sur des sujets de recherche qui peuvent ensuite être appliqués à des problématiques industrielles. Le réseau formé permet une forte collaboration et un partage de compétences et de plateformes expérimentales. Ils sont principalement issus de cinq grands établissements de la région : l’École Centrale de Lyon, l'ECAM de Lyon, l’Université Claude Bernard Lyon 1, le CNRS et l’INSA Lyon. Nous travaillons avec la direction de la recherche des établissements, les sociétés de valorisation (INSAVALOR pour INSA Lyon) et les laboratoires. Au final, nous sommes l’un des leviers d’accélération de l’innovation et de rayonnement de nos laboratoires en ingénierie sur le territoire. »

En tant que laboratoire, comment appartenir à ce réseau ?

« Pour appartenir à l’Institut Carnot et bénéficier du label Carnot, il faut que 10% du budget consolidé des laboratoires soit consacré à de la recherche contractuelle avec des entreprises privées (et non avec des fonds publics). Appartenir à Ingénierie@Lyon, c’est aussi partager ses valeurs et présenter une solide cohérence avec les thématiques de l’institut, dans les domaines de l’ingénierie. Plus de mille contrats de recherche sont signés chaque année par l’ensemble des laboratoires d’Ingénierie@Lyon. L’INSA souhaite jouer un rôle majeur dans le développement des entreprises et répondre à leurs problématiques, c’est pourquoi près d’un tiers de nos laboratoires sont labélisés Carnot. »

Quels sont les bénéfices pour les industries à travailler avec un laboratoire ayant le label Carnot ? 

« Les industries ont souvent des problématiques complexes à traiter, mêlant contraintes techniques, économiques, règlementaires et environnementales. Le point fort de l’Institut Carnot est de regrouper des laboratoires aguerris à la recherche partenariale et capables de répondre, souvent à plusieurs, à des questions d’ingénierie dans des domaines aussi variés que le transport, l’énergie, les matériaux ou la santé. Pour l’industriel qui s’engage avec un laboratoire détenant un label Carnot, c’est l’assurance d’une qualité de compétences et de suivi ainsi que de bénéficier du doublement crédit d'impôt recherche. Pour les laboratoires, être associés aux Instituts Carnot leur permet d’avoir une plus grande visibilité et un plus fort ancrage auprès des entreprises. De plus, les Instituts Carnot reçoivent un financement au prorata de leur chiffre d’affaire en termes de recherche partenariale de la part de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) pour soutenir des projets inter-laboratoires et inter-établissements. Ils peuvent consolider des équipements qui les aident à répondre aux sollicitations des entreprises, comme par exemple, les plateformes d’essais de l'Equipex PHARE. Une partie de notre financement va enfin vers le financement de projets stratégiques, réfléchis et construits avec les directeurs des laboratoires, dans des domaines comme la tribologie, la fabrication additive, les multi-matériaux, etc.  »

Pourquoi avez-vous choisi de devenir directeur de l’Institut Carnot Ingénierie@lyon ?

« Depuis 1997, je suis enseignant-chercheur à l’INSA Lyon au sein du laboratoire MATEIS (MATÉriaux : Ingénierie et Science) en sciences des matériaux. J’ai toujours aimé la recherche en lien avec des industries car les solutions qu’on développe sont ensuite utilisées réellement et ont un impact sociétal. J’ai déposé une dizaine de brevets dans le domaine de la santé, dont six ont conduit à des dispositifs médicaux utilisés cliniquement. J’apprécie de me nourrir des problématiques industrielles complexes pour trouver des questions de recherche motivantes et des solutions innovantes. Convaincu de la nécessité des enjeux industriels pour les laboratoires, j’ai toujours apprécié la démarche des Instituts Carnot. Lorsque les précédents porteurs d'Ingénierie@Lyon m’ont contacté pour me proposer de travailler en binôme avec Manuel Collet, président et chercheur CNRS au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes, j’ai tout de suite accepté. Nous partageons la même vision sur la démarche partenariale et je suis convaincu que nous allons faire un binôme efficace pendant ces quatre ans. Nous allons continuer à développer des projets stratégiques entre les directeurs de laboratoires, en lien avec nos établissements et leurs sociétés de valorisation, pour répondre aux challenges de nos partenaires industriels. Nous souhaitons également monter en visibilité nationalement et internationalement pour porter au plus haut niveau les couleurs de l’ingénierie régionale. »

 

Jérôme Chevalier et Manuel Collet

 

Il y a trois ans, l’INSA Lyon a lancé son Bachelor en partenariat avec l’ECAM de Lyon et l’Université de Strathclyde (Ecosse). Cette formation, soutenue par le géant de l’aéronautique Safran, permet à ses étudiants d’acquérir un profil international basé sur l’ingénierie mécanique et aéronautique. Rencontre avec Ramzi Abdelwahed (2^e année) et Paul Perez (3^e année). 

Le Bachelor International accueille des étudiants aux profils très différents. Ramzi a 25 ans quand il décide de reprendre ses études après une classe préparatoire en mathématiques et quelques années de vie professionnelle.

« Reprendre ses études relève du parcours du combattant. Je me suis heurté à de nombreux refus et la seule option pour envisager des études d’ingénieur était un Bachelor aux États-Unis, ce qui sous-entendait de quitter Lyon. Lorsque j’ai découvert que l’INSA proposait un Bachelor international dans des secteurs aussi prometteurs et porteurs que la mécanique et l’aéronautique, j’ai soigné ma candidature et croisé les doigts pour être pris ! »

Paul, lui, a découvert le programme par hasard :

« J’étudiais au lycée français à San Francisco et lorsque j’ai dû faire le choix des études supérieures, j’ai vite compris que le rapport qualité-prix des études aux Etats-Unis n’était pas avantageux. Je voulais étudier en Europe et j’avais déjà candidaté au cursus classique INSA sur lequel j’étais sur liste d’attente. En entrant en contact avec Monsieur Velex, le responsable de la formation, j’ai été conquis par le concept d’études courtes, les cours dispensés exclusivement en anglais et la mention internationale du diplôme ».  

En effet, le Bachelor international de l’INSA Lyon est une formation conçue pour correspondre aux standards internationaux de formation, compatible avec le système européen LMD (Licence-Master-Doctorat) qui séduit les étudiants étrangers, souvent plus familiers à ce concept d’études courtes.

« J’ai été très surpris de découvrir une école si internationale en arrivant à l’INSA Lyon. On entend parler plein de langues différentes tous les jours, et d’ailleurs, nous sommes peu d’élèves francophones dans notre classe », s’amuse Ramzi. 

La formation a également la volonté d’inscrire les étudiants dans une réalité de terrain grâce à des cours pensés pour répondre à des enjeux sociétaux réels. Les deux premières années sont consacrées à la consolidation des connaissances scientifiques et la troisième, dédiée à la science appliquée s’articule autour d’un projet de fin d’année et des travaux techniques de groupe. Deux périodes de stage sont exigées sur la durée de la formation et les étudiants sont largement encouragés à en effectuer une troisième entre la 2e et 3e année. Les étudiants du Bachelor international bénéficient des relations entre l’INSA et l’Université de Strathclyde en Ecosse et sont invités à trouver leur place dans un nouveau contexte multiculturel, le temps d’un semestre d’études en ingénierie aéronautique :

« La qualité des études d’ingénieurs en France est vraiment élevée, et mes camarades étrangers du Bachelor en ont pris conscience durant l’échange en Ecosse. Le niveau d’exigence français est également très élevé », note Paul. 

Au terme de leurs trois années de formation, Paul et Ramzi souhaitent continuer leurs études d’ingénieur en master.

« Nous avons la possibilité de présenter une candidature en deuxième cycle du parcours INSA, j’aimerais tenter d’entrer au département Génie Mécanique en alternance », explique Ramzi.

Le diplôme permet également de s’insérer directement sur le marché du travail à l’international ou de faire valoir sa candidature dans des écoles à l’international, comme Paul.

« Je continuerai mes études, je voudrais intégrer une école européenne pour poursuivre un master. J’aimerais changer d’environnement et profiter du fait que mon diplôme soit reconnu en Europe ». 

C’est en toute discrétion que l’INSA Lyon a lancé l’an dernier un programme de bachelor. 25 places sont ouvertes pour une deuxième promotion. L’heure est à la sélection.

Objectif international. En proposant un programme de formation sur 3 ans après le Bac, l’INSA Lyon élargit son ouverture à l’international et cherche à davantage capter les étudiants anglo-saxons, plus familiers à ce modèle court de poursuite d’études. Pour mieux correspondre aux standards outre-Manche, l’INSA a d’ailleurs conçu ce bachelor en partenariat avec la prestigieuse université de technologie de Strathclyde, à Glasgow. Domaine de spécialité : ingénierie mécanique et aéronautique.

« Ce bachelor est un diplôme d’établissement reconnu par nos partenaires » précise le directeur de l’INSA Lyon Eric Maurincomme. « La société Safran nous soutient financièrement dans cette démarche pédagogique, et nous souhaitons accueillir 25 étudiants internationaux par promotion. »

Avec ce cursus, hors de question de concurrencer les licences des universités lyonnaises mais bien de rendre l’INSA plus visible à international. En choisissant le modèle du bachelor, l’INSA permet aux étudiants une fois diplômés d’entrer sur le monde du travail ou de poursuivre leurs études avec la particularité de posséder un diplôme reconnu partout en Europe. La maîtrise des deux langues, française et anglaise, et une bonne connaissance des deux cultures seront bien évidemment un plus dans leur curriculum vitae.

« Il n’y a pas vraiment de formation Bac+3 en ingénierie en France et c’est un manque sur le marché du travail » précise Philippe Velex, enseignant-chercheur à l’INSA Lyon et responsable de l’International Bachelor in Mechanical, Materials and Aerospace Engineering. « Ce bachelor s’inspire d’un standard international classique que ce soit aux Etats-Unis ou au Royaume-Uni. Il est également compatible avec le système LMD instauré en Europe » précise-t-il.

Avec la totalité des cours en anglais (niveau C1 requis), ce programme insalien, qui vise l’excellence, met l’accent sur le travail en équipe et par projets, il permet une spécialisation dès l’entrée, en mécanique, science des matériaux ou aéronautique. Un stage de découverte de l'entreprise d’un mois est obligatoire en fin de première année. En deuxième année, les élèves doivent intégrer dans leur planning une journée par semaine à l’ECAM, Ecole Catholique d’Arts et Métiers de Lyon, partenaire de ce programme. Au deuxième semestre (S4 en réalité), direction Glasgow pour suivre les cours à l’université de Strathclyde. Le programme s’achève en troisième année par deux semestres à l’INSA Lyon puis par un stage en Europe de 3 ou 4 mois.

Une autre formation de niveau bachelor sera offerte prochainement au sein du Groupe INSA, en collaboration avec la société de formation à distance OpenClassrooms. Les modules fournis par les 6 INSA sont en cours de finalisation autour d’une spécialisation « Internet des Objets », et dans le cadre d’un projet IDEFI financé par l’Agence Nationale de la Recherche dans le cadre des Investissements d’avenir pour l’enseignement supérieur et la recherche.