Le roulement est l'un des composants les plus importants des machines tournantes. Néanmoins, dans des conditions normales d'utilisation, il est soumis à de la fatigue de roulement qui peut conduire à un défaut d'écaillage. Dans ce travail, nous présentons un suivi de la fatigue d'un roulement de butée grâce à un banc d'essais dédié. L'analyse vibratoire est une méthode qui permet de caractériser et de localiser les défauts dans les roulements. Des mesures successives de ces niveaux de vibrations donnent des indications quant à l'évolution de la sévérité des défauts. Le suivi de cette évolution est fait grâce à un indicateur statistique, la valeur RMS (Root Mean Square) qui peut être corrélée avec la taille d'un écaillage de roulement. L'approche suit le fonctionnement du roulement de butée jusqu'à la dégradation avec une acquisition on line des états vibratoires sous forme de signaux temporels. A l'aide du traitement de signal, on obtient les valeurs des amplitudes vibratoires qui caractérisent l'état vibratoire du roulement. Par conséquent, ces valeurs nous permettent de tracer les courbes de fatigue. Au cours de notre travail expérimental, cette opération est appliquée à un lot de butées à billes pour lesquelles nous avons obtenu des courbes semblables où la tendance de l'évolution suit un modèle mathématique à partir de la détection de l'apparition de la première écaille. Le résultat de ce travail contribuera à prédire la durée de vie résiduelle avant la panne. / The bearing is one of the most important components of rotating machines. Nevertheless, in normal conditions of use, it is subject to fatigue which creates a defect called a rolling fatigue spalling. In this work, we present a follow-up of the thrust bearing fatigue on a test bench. Vibration analysis is a method used to characterize the defect. In order to obtain the fatigue curve more adjusted, we have studied the vibration level according to statistical indicators: the Root Mean Square value (RMS value), which is one of the best indicators to show the evolution of the bearing degradation. The approach follows the working of the bearing until the degradation with an on line acquisition of vibration statements in form of time signals. With the signal treatment, we obtain the values of the vibration amplitudes which characterize the vibration state of the bearing. Consequently, these values allow us to plot the fatigue curves. During our experimental work, this operation is applied for a batch of thrust bearings for which we have obtained similar fatigue curves where the evolution trend follows a mathematical model from the detection of the onset of the first spall. The result of this work will contribute to predict the working residual time before failure.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la disposition CIFRE entre la société Robert Bosch et l’Université de Caen Normandie au sein du laboratoire GREYC puis LAC. Elle comprend deux volets, l'un étant à caractère fondamental et porte sur la synthèse d'observateurs. Quant à l'autre volet, il est à caractère plus appliqué et porte sur la mise en œuvre d’un réseau de capteurs et assurer l’acheminement des informations provenant de ces derniers. Ce dernier est effectué au moyen du réseau, qu’il soit câblé ou sans fil.Dans le premier volet de l'étude, on s'est intéressé à une classe assez générale de systèmes temps-variant et affines en l'état, dont la sortie est mesurée avec un retard et échantillonnée. La nouveauté dans cette classe de systèmes est double :(i) l'équation d'état est sujette à une injection du signal de sortie et se retrouve de ce fait dépendante des sorties futures qui sont indisponibles;(ii) les sorties futures interviennent, au niveau de l'équation d'état, non seulement sous la forme usuelle d'une fonction indépendante de l'état, mais aussi à travers la matrice d'état ellemême qui, de ce fait, apparaît comme une quantité inconnue du modèle.Ces deux nouveautés du modèle entrainent en fait la perte du caractère « affine en l'état » de ce dernier et font que l'on se retrouve confronté à un problème de synthèse d'observateurs jamais résolu antérieurement. La solution que nous proposons est un observateur de type « Filtre de Kalman » augmenté d'un prédicteur inter-échantillons et d'opérateurs de saturations. Nous analysons la stabilité exponentielle du système d'erreur d'estimation d'état en utilisant le théorème du petit gain et des outils de la stabilité de Lyapunov. L'analyse met en évidence l'existence d'intervalles d'admissibilité dans lesquels doivent se situer les valeurs admissibles du retard et de la période d'échantillonnage, afin de garantir la convergence exponentielle de l'observateur.Dans le deuxième volet, nous nous intéressons à la maintenance prédictive au travers d’applications pratiques via la mise en place d’un réseau de capteurs. Le but de ce réseau est d’effectuer de la maintenance prédictive sur les équipements sensibles. Ce dernier est un composant essentiel à la mise en œuvre d’applications IoT et Industrie 4.0.Des applications de l’IoT et de l’Industrie 4.0 sur le site Robert Bosch de Mondeville sont évoqués ainsi que le développement d’un simulateur de perturbations réseau afin de tester la robustesse de la communication d’un capteur vers un client. / This thesis is part of the CIFRE agreement between the company Robert Bosch and the University of Caen Normandy in the laboratory GREYC then LAC. It consists of two parts, one which is of a fundamental nature and concerns the synthesis of observers. For the other part, it is more applied and concerns the implementation of a sensors network and ensure the routing of information from them. This is done through the network, whether wired or wireless.In the first part of the study, we looked at a fairly general class of time-varying and affine systems as they are, whose output is measured with a delay and sampled. The novelty in this class of systems is twofold:(i) the state equation is subject to an output signal injection and is therefore dependent on future outputs that are unavailable;(ii) future outputs occur at the state equation not only in the usual form of a stateindependent function, but also through the state matrix itself, which fact, appears as an unknown quantity of the model.These two novelties of the model cause in fact the loss of the "affine in the state" character of this last one, and make that one is confronted with a synthesis problem of observers never resolved previously. The solution we propose is a "Kalman filter" type observer augmented by an inter-sample predictor and saturation operators. We analyze the exponential stability of the state estimation error system by using the small gain theorem and tools of Lyapunov stability. The analysis highlights the existence of eligibility intervals in which the allowable values of the delay and the sampling period must be located in order to ensure the exponential convergence of the observer.In the second part, we are interested in predictive maintenance through practical applications via the installation of a sensor network. The purpose of this network is to perform predictive maintenance on sensitive equipment. The latter is an essential component for the implementation of IoT and Industry 4.0 applications.The purpose of this sensor network is to perform predictive maintenance on sensitive equipment. The latter is an essential component for the implementation of IoT and Industry 4.0 applications. Moreover, an observer of sampled data for affine systems in the state with output injection was studied on the basis of observers.Applications of IoT and Industry 4.0 on the Robert Bosch site in Mondeville are discussed as well as the development of a network disturbance simulator to stress the robustness of the communication of a sensor to a client.

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d'alimentation spécifiques. Il s'agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d'indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D'autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d'implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d'obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d'amélioration de notre système afin d'obtenir un SOH plus précis.

Pour maintenir leur compétitivité, les industries du semi-conducteur doivent être en mesure de produire des circuits intégrés en technologies avancées, avec des temps de cycle de plus en plus courts et à des coûts raisonnables. Un des axes d'amélioration réside dans le traitement des défaillances des équipements de production tenus responsables de plus de 50%des rejets produits. Cette thèse se fixe comme objectif de contribuer au développement d'une boucle réactive partant d'une dérive produit à la mise en place d'une solution appropriée tout en assurant un meilleur compromis entre disponibilité des équipements, coûts d'exploitation, qualité et compétitivité du produit. Joignant l'expertise humaine et les événements réels, nous nous sommes proposé ici de développer une méthodologie générique permettant de construire un modèle d'estimation du comportement des équipements de production (Equipment Health Factor EHF) à partir d'un raisonnement mathématique centré sur un formalisme probabiliste. L'approche a été amenée à sa validation expérimentale sur des outils, à base de réseaux Bayésiens, que nous avons développés. Les résultats obtenus amènent des éléments de décision permettant à l'industriel d'intervenir au plus tôt pour envisager par exemple de maintenir l'équipement avant qu'il n'ait dérivé. Cette thèse a été préparée dans le cadre du projet européen IMPROVE en collaboration avec STMicroelectronics, Lfoundry et Probayes

Le point de départ de ce travail est la thèse réalisée par Pascal Vrignat sur la modélisation de niveaux de dégradation d'un système dynamique à l'aide de Modèles de Markov Cachés (MMC), pour une application en maintenance industrielle. Quatre niveaux ont été définis : S1 pour un arrêt de production et S2 à S4 pour des dégradations graduelles. Recueillant un certain nombre d'observations sur le terrain dans divers entreprises de la région, nous avons réalisé un modèle de synthèse à base de MMC afin de simuler les différents niveaux de dégradation d'un système réel. Dans un premier temps, nous identifions la pertinence des différentes observations ou symboles utilisés dans la modélisation d'un processus industriel. Nous introduisons ainsi le filtre entropique. Ensuite, dans un but d'amélioration du modèle, nous essayons de répondre aux questions : Quel est l'échantillonnage le plus pertinent et combien de symboles sont ils nécessaires pour évaluer au mieux le modèle ? Nous étudions ensuite les caractéristiques de plusieurs modélisations possibles d'un processus industriel afin d'en déduire la meilleure architecture. Nous utilisons des critères de test comme les critères de l'entropie de Shannon, d'Akaike ainsi que des tests statistiques. Enfin, nous confrontons les résultats issus du modèle de synthèse avec ceux issus d'applications industrielles. Nous proposons un réajustement du modèle pour être plus proche de la réalité de terrain.

Le travail présenté porte sur l'étude et l'analyse des modes de défaillance des condensateurs électrolytiques à l'aluminium ainsi que sur les thyristors. Les composants étudiés sont des éléments principaux du système de protection des aimants supraconducteurs du LHC dont la fiabilité revêt est un aspect primordial. L'étude du vieillissement des condensateurs électrolytiques à l'aluminium à montré que leur fiabilité est fortement liée à leur caractéristique technologique. L'évolution de leur principal indicateur de vieillissement (ESR) peut être modélisée selon différente loi plus ou moins pessimiste choisis selon le mode d'utilisation de ceux-ci. Il apparaît que la prédiction de défaillance de ces composants autre que celle due à l'usure ne peut être que statistique compte tenu des nombreuses causes de défaillance entraînant divers modes de défaillance. Afin de pouvoir évaluer l'influence du vieillissement des condensateurs électrolytique à l'aluminium sur un système, des modèles simples prenant en compte ce paramètre ainsi que la température effective du composant sont proposés. Une précision acceptable compte tenu de la simplicité des modèles est obtenue. L'étude des thyristors à montré que ces composants ont peu de dérive de paramètres en vieillissement statique, par contre de nombreuses défaillances par court-circuit ont été observées. Ces défaillances ont toujours une origine locale due à des défauts du composant. La tenue en tension dépend fortement de la qualité du thyristor ainsi que de la technologie employée.

Le roulement est un élément essentiel dans la conception des machines tournantes. À l'échelle industrielle, sa défaillance peut avoir de coûteuses conséquences. La maintenance prédictive sert à minimiser les coûts d'entretien et à prévenir de l'état de fatigue du composant mécanique. Dans ce cadre, nous proposons une étude de l'endommagement par fatigue de contact de roulement appliquée au cas des butées à billes. Cette étude se structure en deux axes : numérique et expérimental. Le premier consiste à établir une modélisation numérique tridimensionnelle dynamique du passage cyclique d'une bille sur une bande de roulement en présence d'un indent, en utilisant la méthode des éléments finis. L'estimation de l'évolution de la taille d'un défaut d'écaillage initié en surface en fonction des cycles de chargement est effectuée. Ces résultats sont en adéquation avec les essais en laboratoire effectués dans les mêmes conditions à l'aide d'un banc d'essais de fatigue dédié aux butées à billes. Le deuxième axe consiste à déterminer un indicateur vibratoire utilisant l'analyse modale et permettant d'estimer le niveau d'endommagement de la butée à billes in situ en présence d'indent. La technique développée dans ces travaux permet de suivre l'évolution des valeurs de l'amortissement modal en fonction des cycles de vie, évolution déterminée à partir des essais en modes statique et dynamique. Cette étude contribuera à l'estimation de la durée de vie résiduelle du composant mécanique après apparition d'un écaillage en surface, en utilisant la méthode des éléments finis et en prenant compte de l'état d'endommagement de la structure. / The bearing is an essential element in the design of rotating machines. In an industrial context, bearing failure can have extremely costly consequences. Predictive maintenance minimizes the intervention costs and warns about the state of fatigue of the mechanical component. In this frame, we propose a study of the rolling contact fatigue damage applied to thrust ball bearings. This study is twofold: numerical and experimental. The first axis consists in establishing a dynamic three-dimensional numerical model of the cyclic shift of a ball on a running surface in the presence of an indent, using the finite element method. An estimation of the size evolution of a surface initiated spall depending on loading cycles is also performed. These results are consistent with laboratory tests executed in the same conditions using a fatigue test rig dedicated to ball bearings. The second axis consists in determining a vibratory indicator using modal analysis to estimate the on-line structural damage level of the ball bearing in the presence of an indent. The technique developed in this work enables monitoring the evolution of the modal damping values based on the life cycles determined from tests in static and dynamic modes. This study will contribute to estimate the residual life of the mechanical component after onset of a spall using the finite element method and accounting for the structural damage state.

De nos jours, afin de répondre aux exigences économiques et sociales, les systèmes de transport ferroviaire ont la nécessité d'être exploités avec un haut niveau de sécurité et de fiabilité. On constate notamment un besoin croissant en termes d'outils de surveillance et d'aide à la maintenance de manière à anticiper les défaillances des composants du matériel roulant ferroviaire. Pour mettre au point de tels outils, les trains commerciaux sont équipés de capteurs intelligents envoyant des informations en temps réel sur l'état de divers sous-systèmes. Ces informations se présentent sous la forme de longues séquences temporelles constituées d'une succession d'événements. Le développement d'outils d'analyse automatique de ces séquences permettra d'identifier des associations significatives entre événements dans un but de prédiction d'événement signant l'apparition de défaillance grave. Cette thèse aborde la problématique de la fouille de séquences temporelles pour la prédiction d'événements rares et s'inscrit dans un contexte global de développement d'outils d'aide à la décision. Nous visons à étudier et développer diverses méthodes pour découvrir les règles d'association entre événements d'une part et à construire des modèles de classification d'autre part. Ces règles et/ou ces classifieurs peuvent ensuite être exploités pour analyser en ligne un flux d'événements entrants dans le but de prédire l'apparition d'événements cibles correspondant à des défaillances. Deux méthodologies sont considérées dans ce travail de thèse: La première est basée sur la recherche des règles d'association, qui est une approche temporelle et une approche à base de reconnaissance de formes. Les principaux défis auxquels est confronté ce travail sont principalement liés à la rareté des événements cibles à prédire, la redondance importante de certains événements et à la présence très fréquente de "bursts". Les résultats obtenus sur des données réelles recueillies par des capteurs embarqués sur une flotte de trains commerciaux permettent de mettre en évidence l'efficacité des approches proposées / In order to meet the mounting social and economic demands, railway operators and manufacturers are striving for a longer availability and a better reliability of railway transportation systems. Commercial trains are being equipped with state-of-the-art onboard intelligent sensors monitoring various subsystems all over the train. These sensors provide real-time flow of data, called floating train data, consisting of georeferenced events, along with their spatial and temporal coordinates. Once ordered with respect to time, these events can be considered as long temporal sequences which can be mined for possible relationships. This has created a neccessity for sequential data mining techniques in order to derive meaningful associations rules or classification models from these data. Once discovered, these rules and models can then be used to perform an on-line analysis of the incoming event stream in order to predict the occurrence of target events, i.e, severe failures that require immediate corrective maintenance actions. The work in this thesis tackles the above mentioned data mining task. We aim to investigate and develop various methodologies to discover association rules and classification models which can help predict rare tilt and traction failures in sequences using past events that are less critical. The investigated techniques constitute two major axes: Association analysis, which is temporal and Classification techniques, which is not temporal. The main challenges confronting the data mining task and increasing its complexity are mainly the rarity of the target events to be predicted in addition to the heavy redundancy of some events and the frequent occurrence of data bursts. The results obtained on real datasets collected from a fleet of trains allows to highlight the effectiveness of the approaches and methodologies used

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d’alimentation spécifiques. Il s’agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d’indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D’autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d’implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d’obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d’amélioration de notre système afin d’obtenir un SOH plus précis. / To ensure power quality and permanently, some electronic system supplies exist. These supplies are the Uninterrupted Power Supplies (UPS). An UPS like any other system may have some failures. This can be a cause of redundancy loss. This load loss causes a maintenance downtime which may represent a high cost. We propose in this thesis to work on two of the most sensitive components in the UPS namely electrolytic capacitors and lead acid batteries. In a first phase, we present the existing surveillance systems for these two components, highlighting their main drawbacks. This allows us to propose the specifications which have to be implemented for this system. For electrolytic capacitors, we detail different stages of characterization ; the aging accelerated standard experimental procedure and their associated results. On the other hand, we present the simulation results of monitoring and failure prediction system retained. We discuss the experimental validation, describing the developed system. We detail the electronic boards designed, implemented algorithms and their respective constraints for a real time implementation. Finally, for lead acid batteries, we present the simulation results of the monitoring system adopted to obtain the SOC and SOH. We describe the aging experimental procedure of charging and discharging cycles of the batteries needed to find a simple and accurate electric models. We explain the aging experimental results and in the end we give suggestions for improving our system to get a more accurate SOH.

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d'alimentation spécifiques. Il s'agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d'indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en oeuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D'autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en oeuvre et leurs contraintes d'implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d'obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d'amélioration de notre système afin d'obtenir un SOH plus précis.