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PRÉSENTATION
De nombreux outils et applications exigent une solution de mouvement qui fournit une densité de puissance élevée dans un format compact, ce qui inclut les outils électriques industriels, les outils chirurgicaux, la robotique, l’aérospatiale et la défense. C’est là qu’intervient un motoréducteur ! Un motoréducteur à courant continu est un ensemble de moteur CC avec ou sans balais et d’un réducteur qui répond spécifiquement aux exigences de couple (mNm), de vitesse (tr/min) et d’efficacité (%) d’une application. L’ajout d’un réducteur au moteur permet de réduire la vitesse de sortie tout en augmentant le couple. Les motoréducteurs jouent un rôle important dans les applications, car ils peuvent atteindre un couple plus élevé qu’un moteur individuel, et ceci avec un diamètre inférieur et une longueur supplémentaire.
Outre les exigences de couple, de vitesse et d’efficacité, la fiabilité est un quatrième critère crucial pour de nombreuses applications, ce qui signifie que les fabricants de moteurs miniatures doivent s’assurer que leurs moteurs respectent certaines exigences en matière de fiabilité. C’est là que les essais de démonstration de la fiabilité (ou RDT - Reliability Demonstration Testing) entrent en scène.
Explication de l'essai de démonstration de la fiabilité
L'essai de démonstration de la fiabilité (RDT) a été largement utilisé dans l’industrie manufacturière pour vérifier si un produit a satisfait à une exigence de fiabilité avec un niveau de confiance déclaré. Il s’agit d’un test de réussite/d’échec qui est généralement effectué au niveau du système/produit. Le processus RDT peut être divisé en trois étapes : planification, test/ surveillance et analyse des données.
Étape 1 : Planification
L’objectif de fiabilité doit être défini lors de la phase de planification, par ex. la fiabilité à un moment précis avec un niveau de confiance donné. C’est à ce stade que le plan d'essai de démonstration de la fiabilité peut être défini. Une fois l’objectif de fiabilité défini, l’étape suivante consiste à sélectionner les modèles de distribution et d’accélération pour calculer la taille de l’échantillon, le temps de test pour la fiabilité requise et le niveau de confiance. Sans objectif de fiabilité, les paramètres de l'essai de démonstration de la fiabilité ne peuvent pas être définis.
Un élément important de cette étape consiste à sélectionner un modèle statistique pour estimer la taille de l’échantillon et la durée du test. Les modèles binomiaux non paramétriques et les modèles binomiaux paramétriques sont les modèles les plus couramment utilisés pour les essais de démonstration de la fiabilité :
- Des modèles binomiaux paramétriques sont utilisés lorsque la durée du test diffère du moment de la fiabilité requise. Une distribution sous-jacente (par ex. : Weibull) doit être prise en compte.
- Des modèles binomiaux non paramétriques peuvent être utilisés pour les dispositifs à usage unique, car aucune hypothèse de distribution n’est nécessaire.
Étape 2 : Test/surveillance
Au cours de l’étape de test/surveillance, le RDT est effectué et les performances des motoréducteurs sont contrôlées quotidiennement. La surveillance des performances comprend des mesures de la tension, du courant, de la vitesse, de la température et un examen visuel pour détecter tout bruit anormal ou dommage physique.
Étape 3 : Analyse des données
Au cours de l’étape finale de l’analyse, les données de l'essai sont compilées et un rapport est rédigé sur la base des résultats. Le rapport compare les résultats obtenus à l’objectif et décrit la manière dont les données ont été calculées. Si quelques échantillons échouent pendant le test, les données de défaillance peuvent être analysées à l’aide de la méthode de Weibull pour calculer la fiabilité obtenue. Cependant, l’objectif du RDT est de démontrer la fiabilité sans défaillance au moment spécifié, ce qui s'appelle également test de zéro défaillance. Le temps de test requis sera recalculé si une défaillance est observée avant que le temps de test cible ne soit atteint.
Remarque : Les essais de démonstration de la fiabilité peuvent être effectués dans les conditions d’application réelles (ce qui est toujours recommandé) ainsi que dans des conditions de contrainte accélérée. Cependant, lorsque le délai requis pour atteindre l’objectif de fiabilité est très élevé (c’est-à-dire une durée de vie B10* de 10 ans), la méthode d’essai de durée de vie accélérée peut être utilisée pour raccourcir le temps d’essai nécessaire à l'obtention des données de premier niveau. Un test de durée de vie accélérée d’un motoréducteur peut être réalisé en utilisant certaines contraintes telles que la puissance, le couple, la vitesse, la température, etc.
*La durée de vie B10 est le moment où 10 % des unités d’une population présenteront une défaillance. Cela peut également être considéré comme la fiabilité à 90 % d’une population à un moment spécifique de sa vie ou le moment où un article a une probabilité de survie de 90 %.
L'ESSAI DE DÉMONSTRATION DE LA FIABILITÉ EN PRATIQUE
Un fabricant de dispositifs médicaux a mis au point un système de perfusion et a engagé le fabricant de moteurs pour vérifier la fiabilité du motoréducteur CC via RDT. Dans ce cas, le fournisseur devait valider la durée de vie B10 (heures) avec un niveau de confiance de 95 %. Étant donné que la durée de vie B10 requise était importante (10 000 heures, soit plus d’un an de fonctionnement réel), l’ingénieur en fiabilité a décidé d’effectuer le RDT de manière accélérée.
Calcul du facteur d’accélération
La durée de vie du motoréducteur dépend essentiellement de la charge appliquée et des conditions d’application. L’équipe d’ingénieurs a choisi le couple et la vitesse comme contraintes pour accélérer le temps d’essai, tandis que l’équipe de fiabilité et d’essai a utilisé le modèle de loi de puissance inverse (IPL) pour calculer le coefficient d’accélération afin de réduire le temps d’essai. Le modèle IPL (ou rapport) est couramment utilisé pour les contraintes accélérées non thermiques comme la tension, le courant, la charge mécanique, le couple, la vitesse, etc. Le modèle de calcul du coefficient d’accélération est donné dans l’équation ci-dessous :
Coefficient d’accélération
Pour le rapport IPL, le coefficient d’accélération est donné par :
Dans le cadre de l’utilisation d’un dispositif médical, le couple requis du motoréducteur était de 10 mNm. Pour calculer le coefficient d’accélération, le couple pour la contrainte accélérée a été défini à 25 mNm, avec une vitesse constante de 200 tr/min (comme indiqué par l’application).
La valeur « n » dans le rapport de puissance inverse permet de mesurer l’effet de la contrainte sur la fiabilité du motoréducteur. Plus la valeur absolue de n augmente, plus l’effet de la contrainte est important. D’après l’expérience acquise lors des essais du réducteur, « n » est supposé être de 3 pour le pire scénario.
Sur la base de la formule ci-dessus pour la loi de puissance inverse, les valeurs de contrainte du tableau ci-dessus (qui utilise le couple de niveau et le couple de niveau accéléré) et le coefficient de contrainte « n » sont calculés comme étant de 15,6.
Calcul du temps d'essai
Après le calcul du coefficient d’accélération, le temps d’essai a été calculé à l’aide de la méthode binomiale paramétrique. Une équation binomiale paramétrique pour le calcul de la taille de l’échantillon est présentée ici :
où
- CL = le niveau de confiance requis
- f = le nombre de défaillances admissibles
- n = le nombre total d’unités à tester
- RTEST = la fiabilité à l’essai
La méthode binomiale calcule la taille de l’échantillon de test nécessaire pour démontrer une valeur de fiabilité à un niveau de confiance donné. La méthode binomiale paramétrique utilise la loi de Weibull pour définir la fiabilité (R) dans l’équation binomiale ci-dessus. En tenant compte d’une exigence de fiabilité (R) pour un temps de mission (T) et d’une valeur pour le paramètre de forme de Weibull (β), la loi de la fiabilité de Weibull est résolue pour la durée de vie caractéristique (η). Cela définit entièrement la loi de la fiabilité de Weibull et permet de calculer la fiabilité à tout autre point de la courbe de fiabilité.
En supposant une valeur bêta pour la loi de Weibull de 2 pour la défaillance d’usure, la taille de l’échantillon a été déterminée à 10 et le temps d'essai requis a été calculé.
Cette équation peut encore être modifiée en utilisant l’équation de fiabilité pour la loi de Weibull. Le calcul peut être effectué directement avec le logiciel Weibull++, avec une fiabilité cible donnée de 90 % (durée de vie B10), 10 000 heures, un niveau de confiance de 95 %, des critères de zéro défaillance et une taille d’échantillon de 10 (déterminée en fonction de la faisabilité du test).
La durée de l'essai est calculée à 1 081 heures en considérant l’absence de cas de défaillance, ce qui signifie que les 10 échantillons testés doivent être soumis à 1 081 heures sans aucune défaillance.
Essai
Une fois la planification de l'essai terminée pour les 10 motoréducteurs dans des conditions de contrainte, l’étape suivante consistait à exécuter le plan d’essai. Pour réaliser l'essai, les 10 motoréducteurs et instruments de test ont été mis en place sur le banc d'essai. Il fallait pour cela une alimentation électrique, des appareils de contrôle, des coupleurs, des freins, un faisceau de câbles, un multimètre et un indicateur de couple. Le niveau de couple requis a été maintenu à l’aide d’un frein à hystérésis/limiteur de couple.
Le fonctionnement de chaque moteur a été testé avant le RDT. Les performances sans charge ont été réalisées sur tous les moteurs pour s’assurer que les performances de chaque moteur étaient conformes aux spécifications.
Au cours du RDT, divers paramètres de performance des moteurs, notamment la tension, le courant, la vitesse et la température, ont été relevés quotidiennement.
Dans cette étude de cas, les 10 moteurs ont été testés pendant 1 081 heures sans défaillance. Aucune anomalie n’a été constatée sur aucun des moteurs ; par conséquent, la durée de vie B10 requise de 10 000 heures avec un niveau de fiabilité de 95 % a été validée au cours de l’essai.
Résumé
L’approche systématique des essais de démonstration de la fiabilité permet d’illustrer la fiabilité cible des motoréducteurs à courant continu utilisés dans différentes applications, comme l’application des systèmes de perfusion médicale examinés cidessus. Le document a également passé en revue la méthode RDT pour prouver la fiabilité du motoréducteur grâce à des tests de durée de vie accélérée. Étant donné que la période d’essai dans des conditions de fonctionnement normales peut durer plusieurs mois, la méthode d’essai de durée de vie accélérée permet de réduire le temps investi et la taille de l’échantillon tout en garantissant que les motoréducteurs répondent aux exigences de fiabilité au niveau de confiance souhaité.
Références
Schéma 1 : Motoréducteur CC Portescap
Schéma 2 : Mode de calcul du coefficient d’accélération
Schéma 3 : Conditions d'essai du motoréducteur du système de perfusion
Schéma 4 : Calcul du temps d’essai pour le RDT
Tableau 1 : Données de l'essai issues du RDT terminé