Couplage entre modélisations et expérimentations pour étudier le rôle de l'oxydation et des sollicitations mécaniques sur la rhéologie et les débits de troisième corps solide : cas de l'usure de contacts de géométrie conforme

Study of the influence of oxidation and mechanical solicitations on the rheology and the flows of third body by coupling computations and testings

• Auteur / Autrice : Jérôme Rocchi
• Direction : Yves Berthier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS, Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Solides, UMR 5514 (INSA Lyon2003-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impact

Oxydation

Usure (mécanique)

Rhéologie

Tribologie (technologie)

Résumé

L'espacement des opérations de maintenance aéronautique implique une grande fiabilité des avions et de leurs composants dont l'étude de l'usure devient un enjeu majeur pour la sécurité. Le système de prélèvement d'air sur les moteurs pour pressuriser les cabines d'avion est à ce sujet un équipement critique car ses clapets de régulation constitués de contacts axe-guide sont sumis à des problèmes d'usure responsables de pannes. L'étude de l'usure de ces clapets est délicate car les géométries des contacts sont assez différentes et les sollicitations résultent de la superposition des sollicitations fonctionnelles et des sollicitations parasites telles que vibrations et température des moteurs. Les premières expertises tribologiques de ces clapets montrent que leur usure est influencée par les phénomènes d'impacts vibratoires et par l'oxydation. L'étude de l'usure doit donc découpler les effets mécaniques et physico-chimiques. Dans un premier temps, des modélisations de mécanique des solides et des contacts déterminent la contribution des impacts aux contraintes et montrent que cette contribution reste dans le domaine de comportement élastique des matériaux, ce qui ne peut expliquer les macro-usures expertisées. L'étude de l'oxydation du matériau du guide de clapet permet alors de comprendre comment l'oxydation modifie la morphologie et la rhéologie des surfaces de contact. Dans ces conditions, au lieu d'étudier classiquement l'usure de chacun des clapets, un problème tribologique modèle a été créé comme dénominateur commun des contacts étudiés. Le problème modèle identifie clairement les sollicitations effectivement vues par les contacts, notamment en distinguant les sollicitations mécaniques fonctionnelles et parasites, des sollicitations physico-chimiques. Ce problème modèle permet d'évaluer à partir d'essais simples, d'expertises et d'analyses chimiques les conditions de formation (mécaniques et physico-chimiques) et les valeurs estimées des différents débits de troisième corps, plus particulièrement le débit source, représentatif des dégradations et le débit d'usure. Il donne aussi des équations de débits découplées les unes des autres. Ce découplage permet alors d'étudier séparément les différentes causes de l'usure, c'est-à-dire l'oxydation du troisième corps et non celle des premiers corps qui aurait été l'hypothèse classique. Dans le cas présent, les sollicitations fonctionnelles se traduisent par un frottement qui augmente la cohésion du troisième corps, ce qui en limite l'oxydation, et limite donc le débit d'usure. Bilan, l'augmentation des sollicitations fonctionnelles réduit l'usure ; ce qui va à l'encontre des "évidences". Enfin, l'identification du circuit tribologique de chaque clapet, permet de faire appel aux bonnes études scientifiques et donc d'envisager de véritables solutions notamment en jouant sur les sollicitations mécaniques. L'ajout du circuit tribologique aux paramètres classiques d'étude de l'usure : pression de contact, vitesse de glissement, température. . . Est un atout supplémentaire pour établir le bon enchaînement causes-conséquences d'un problème d'usure.

Maintenance operation periods may be increased if the reliability of aircraft and associated components can be guaranteed. Wear is one of the key issue to solve to increase reliability and therefore safety. Engine bleed system reliability may be greatly improved if wear issues on its regulating clappers could be solved. Tribological analyses show that wear is the result of strong vibration and temperature environment. Wear results of mechanical and physico-chemical solicitations. Stresses on materials related to vibration have been determined by computation integrating solid and contact mechanics. Computational results showed that stresses are below the yield stress of the material and therefore cannot explain observed degradations. Oxidation seems to have a stronger role as it modifies surface morphology and rheology. Tribological tests, mechanical and chemical analyses allow evaluating the third body flows representative of degradations. The uncoupling of the equations of third body flows leads to identify wear real cause which is not due to the oxidation of the first bodies, as generally assumed, but results of the oxidation of the third body. Experimentally, it has also been demonstrated that friction, by increasing the cohesion of the third body, limits oxidation and therefore wear. All previous results let to establish the tribological circuit of each clapper allowing to propose relevant materials and design solutions. Tribological circuit gives a strong added value to understand all phenomena at each level of the wear study.