Optimisation fiabiliste de la maintenance d’un assemblage vissé de TGV,

en tenant compte de la fatigue, de la corrosion et du facteur humain

Alaa ChateauneufProfesseur à l’Université Blaise Pascal

Institut Pascal, Polytech Clermont-Ferrand

Alaa Chateauneuf Université Blaise Pascal

Journée de la conception robuste et fiable (10 avril 2015) 1

Sommaire

• Objectifs de l’étude

• Modèle mécanique dégradé

• Simulation de la durée de vie

• Critères d’acceptabilité

• Optimisation de la maintenance

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Gare Montparnasse,22/10/1895Photo Viollet

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Support Plaque

Rotule

Amortisseur

Assemblage étudié

Vis

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Conditions climatiques

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• Evaluation de la fiabilité d’un équipement  et confrontation au retour d’expérience.

• Identification des paramètres influents.

• Evaluation des marges disponibles en vue de l’optimisation de la maintenance.

Objectifs de l’étude

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Vis de fixation de l'amortisseur caisse‐caisse bas d'un Train à Grande Vitesse

• Incertitudes :– Propriétés des matériaux– Chargement– Environnement– Défauts géométriques– Conditions de montage

• Modes de défaillance :Endommagement par Fatigue

Incertitudes

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0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

-25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000

valeurs mesurées : matériel TGV

type de parcours pour 400km répartition

valeurs en N (0,15% et 99,85%)

valeur maximale

valeur de fatigue

LGV 40% +/- 14000 +/- 16000 +/- 14000LC 55% +/- 15000 +/- 16000 +/- 15000ES gare 5% +/- 20000 +/- 20000 +/- 20000

Force dans l’amortisseur

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e1=3 mm

e2=26 mm

e3=2 mm

Rondelle

26 m

m

la =34 mm

De=25,3 mm

Dext=30 mm

d=18mm

32 mm

19mm

l0=11 mm

l1=20 mm 17

9

a = 65 mmFe

Dint=19 mm

Dext=30 mm

e1=3 mm

15 mm 17 mm

Variabilités du système

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Fe

p*

Fb n p**

n

Gz Gz

m

FC

Fb Fe m s

A B

C

65mm

Modèle éléments finis

Modèle de poutreModèle VDI 2230

Facteur de charge

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

01020304050607080

Préte nsion (kN)

Lam

bda

F ou

M

Lambda Flambda MEquation FEquation M

Modèle mécanique

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Exploitation0 t 1 t 2 t 3 t 4

Dégradation Dégradation Dégradation Dégradation

Exploitation Exploitation Exploitation

Situations extrêmes : - Plastification de la vis - Séparation totale des pièces - Propagation de fissure

Dégradation : - Cumul du dommage - Cycles thermiques - Corrosion de la vis - Dévissage

Matériau/surface : - Résistance insuffisante - Rugosité trop importante

Fabrication : - Bavure - Non parallélisme - Fissure initiale - Filetage irrégulier - Décentrage de la rotule

Montage : - Sous-serrage/Sur-serrage - Oubli de vis - Oubli d'une pièce - Erreur de vis (longueur/revêtement) - Mauvais nettoyage (impureté/graissage)

Matériau/surface : - Résistance insuffisante - Rugosité trop importante

Fabrication : - Bavure - Non parallélisme - Fissure initiale - Filtage irrégulier - Décentrage

Montage : - Sous-serrage/Sur-serrage - Oubli de vis - Oubli d'une pièce - Erreur de vis (longueur/revêtement) - Mauvais nettoyage (impureté/graissage)

Mise en service

Relaxation

Fluage

Corrosion du filetage du support

Exploitation Maintenance

Cycle de vie de la fixation

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Facteur humain / MaintenanceLe lot de vis est défini par les distributions du matériau, de la géométrie et des défauts

La population de pièces est définie par les distributionsdes coefficients de frottement et des défauts géométriques

L'opérateur prend une vis (trop longue, trop courte, revêtement,...)

Il prépare les pièces à assembler (oubli, nettoyage, corrosion...)

Il utilise la visseuse d'approche (sur-serrage, blocage,...)

Il prend la clé (réglage, ...)

Il visse à la clé pour obtenir la prétension Fo(sous-serrage,...)

Relaxation de Fo due au tassement

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Probabilité de défaillance

Temps

S(t)

T

fR(r,t0) fR(r,t1)

fR(r,t3)

fR(r,t2)

Evolution des Valeurs extrêmes (15kN)

22800

23000

23200

23400

23600

23800

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Kilométrage (x1e6)

Cha

rge

extrê

me

(N)

15kN - Moyenne15kN - 5%15kN - 95%

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Résistance à la corrosion (AEF)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0,8 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8

306h432h306h (2° serrage)432h (2° serrage)Modèle

Couple résistant

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Cycle de maintenance

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Niveau de maintenance

Coû

t de

mai

nten

ance

Coût total de maintenance

Maintenanced’urgence

Coût de la maintenance

planifiée

Niveau faible

Pert

e de

su

r-m

aint

enan

ce

Niveau optimal de planification

Niveau élevéNiveau optimal

100%

Coût total de maintenance

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Contrôles et remplacements• Contrôle visuel :

• détection de l'oubli d'une pièce (rondelle, support de butée ou vis).• détection d'une vis desserrée (desserrage important). • détection potentielle de la corrosion.

• Contrôle au couple :• détection du desserrage de la vis.• élimination du risque de mauvais réglage de la clé et de l'oubli de serrage.

• Remplacement :• Mise à zéro de la durée de vie en fatigue.• Introduction des risques d’erreur de pièces et de montage.

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Effet des inspections

E spérance du coût to ta l (C c =1000C p )

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

In tervalle de rem placem ent (106 km )

Coû

t / C

oût à

106 k

m

C ycle = 1C ycle > 1

Contrôles visuels et au couple, éliminant les risques suivants :– oubli de vis,– sous-serrage ou desserrage,– mauvais revêtement de la vis,– mauvais nettoyage.

Avec inspections : augmentation de l’intervalle de service de 18%

E xpected to ta l cost (C c =1000C p )

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4R ep lacem en t in terval (10 6 km )

Rel

ativ

e co

st

C ycle = 1C ycle > 1

Sans inspection : remplacement optimal à 3,4 Mkm

Réduction de l’impact négatif des interventions

Conclusion

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• Limites des méthodes déterministes de conception en 

fatigue basées sur la valeur moyenne.

• Insuffisance du modèle mécanique de dimensionnement.

• Absence de robustesse de l’assemblage, malgré le  

surdimensionnement excessif.

• Confirmation du retour d’expérience.