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Ursachenanalyse von Lagerschäden in Windkraftanlagen

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Die als "White Structure Flaking" bekannten Anzeichen eines Lagerschadens, die in Windenergieanlagen sowie in anderen Antriebssystemen auftreten, werden in der Regel sehr früh spürbar, lange bevor die erwartete Lebensdauer des Lagers endet.

Die Ursachen waren lange Zeit unbekannt, jetzt werden neue Erkenntnisse vom Lagerspezialisten NSK zur Verfügung gestellt, deren Ergebnisse zur Entwicklung eines neuen Lagermaterials geführt haben, das erhebliche Vorteile für die Langlebigkeit der Windkraftanlage bietet.

Antriebskomponenten für Windenergieanlagen müssen hohe Anforderungen an Haltbarkeit und Beständigkeit erfüllen, und diese Anforderungen werden immer strenger.

Onshore-Turbinen erfordern traditionell Lager, die für eine Lebensdauer von 175,000-Stunden ausgelegt sind, die 20-Jahren entspricht. In dem stark expandierenden Markt für Offshore-Windparks, in denen hohe Investitionen und ein schwieriger Standortzugang üblich sind, ist jedoch eine Lebensdauer von 25 erforderlich.

Längere Lebensdauer, höhere dynamische Belastungen

Bei extrem dynamischen Belastungen, die auf den Antriebsstrang einer Windkraftanlage wirken, ist diese Anforderung eine echte Herausforderung. In Onshore-Windenergieanlagen werden die Hauptlager mit Belastungen von ungefähr 1 MN belastet. Auf See wirken jedoch aufgrund sehr hoher Windgeschwindigkeiten noch stärkere statische und dynamische Belastungen auf den Rotor und damit auf den gesamten Antriebsstrang.

Gleichzeitig wachsen Größe und Leistung der Systeme sowohl bei Onshore- als auch Offshore-Anwendungen kontinuierlich. NSK stellt derzeit Lager für 9.5 MW-Turbinen her, die bald in vollem Umfang produziert werden. Darüber hinaus entwickelt das Unternehmen jetzt Lager für Offshore-Windenergieanlagen mit noch höherer Nennleistung.

nsk getriebe

NSK hat mit AWS-TF ein neues Material speziell für Lager von Windkraftanlagen entwickelt

Condition Monitoring

Die höhere Leistung und der wachsende Marktanteil von Offshore-Turbinen sind wichtige Treiber für die steigende Nachfrage nach einer längeren Lebensdauer der Lager. Damit ist die Windenergietechnik ein ideales Einsatzgebiet für Online-Condition-Monitoring-Systeme, die kontinuierlich Schwingungen im Antriebssystem messen und analysieren. Bei Lagerschäden können die fehlerhaften Bauteile (Innen- oder Außenring, Rollen oder Käfig) durch Analyse des Messprofils frühzeitig erkannt werden.

Ein von NSK entwickeltes Condition Monitoring System (CMS) wurde kürzlich in einem Offshore-Windpark in Japan installiert. Die Aufgabe des CMS besteht darin, Anomalien früh genug zu erkennen, um vorausschauende Instandhaltungsstrategien zu ermöglichen. Für derartige Lösungen sieht NSK ein großes Marktpotenzial.

Intensive Materialentwicklung

Eine sinnvolle Zustandsüberwachung kann jedoch als sekundäre Maßnahme in kritischen Anwendungsgebieten dienen. Das primäre Engineeringziel bei der Entwicklung von Lagern für Windenergieanlagen ist und bleibt, um ein hohes Maß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten. In dieser Hinsicht haben die Hersteller bereits beträchtliche Fortschritte gemacht.

Ein wichtiger Beitrag zum Fortschritt war beispielsweise die Entwicklung neuer Werkstoffe und Wärmebehandlungsverfahren, wie beispielsweise der von NSK entwickelte Super Tough (STF) -Spezialstahl. Lager aus diesem Werkstoff haben eine doppelt so lange Lebensdauer wie aus konventionellem Stahl. Tatsächlich wurde die damit verbundene Erhöhung der Tragfähigkeit im Dezember 2017 vom DNV GL bestätigt und zertifiziert.

Die langanhaltenden Eigenschaften von STF wurden durch die Verwendung einer bestimmten chemischen Zusammensetzung und eines speziellen Wärmebehandlungsprozesses erreicht. Typische Schadenssymptome, wie z. B. Ermüdungsrisse in den Lagerlaufbahnen, die durch nichtmetallische Einschlüsse im Lagerstahl verursacht werden, sind bei Lagern, die mit STF hergestellt werden, praktisch ausgeschlossen.

Erforschung der Ursachen für White Structure Flaking

Ein Problem, das die Branche immer noch betrifft, ist die Art von Schäden, die als White Structure Flaking (WSF) oder White Etching Cracks (WEC) bekannt sind. Bei beiden Ausfallarten zeigen bestimmte Bereiche des Materials unter der Laufbahn des Lagers eine lokale Versprödung. Die spröde Struktur kann der Belastung nicht standhalten und ist somit die Keimzelle von Rissen.

Letztendlich wachsen diese Risse bis zur Laufbahn und letztendlich versagt das Lager. Es ist typisch, dass diese Art von Schaden relativ früh auftritt. irgendwann kurz nachdem das System in Betrieb genommen wurde.

Nach dem Durchführen einer Picral-Ätzung zeigen diese Entitäten ein weißes Aussehen und werden daher als weiße Strukturen bezeichnet.

weiße Ätzbereiche

Beschädigungssymptome an einem Lagerring von White Etching Cracks

Intensive Tests in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von NSK waren in der Lage, den Schaden zu replizieren und eine Hypothese über den Ursprung zu geben. Verschiedene Rollkontaktermüdungstests haben gezeigt, dass weiße Strukturen durch das Eindringen von Wasserstoff entstehen.

Diese Wasserstoffdurchdringung wird höchstwahrscheinlich von mehreren Faktoren und deren Kombination beeinflusst, einschließlich axialem oder Umfangsschlupf zwischen Rollen und Laufbahnen, Elektrizität und bestimmten Arten von Schmierung.

Anschließend dringt Wasserstoff in die Laufbahn ein und bildet die typischen weißen Ätzstrukturen, die zu Rissbildungen führen und schließlich zu Abplatzungen führen. Diese Risse können mehrere Millimeter lang sein und sich von innen nach außen ausbreiten. Zerstörende Versuche mit gebrauchten Lagern, die keine sichtbaren Anzeichen von Oberflächenschäden zeigten, zeigten, dass hier sogar weiße Ätzflächen vorhanden sein können.

Bei genauerer Betrachtung der Schädigung ist zu beobachten, dass sich die ursprünglich martensitische Mikrostruktur unter Wasserstoffeinfluss zu einem sehr feinkörnigen, spröden Ferrit zersetzt. Dieser Mechanismus kann durch die Theorie der Wasserstoffgestützten Lokalisierten Plastizität (HELP) erklärt werden.

Eine der Eigenschaften ist, dass Plastizität nur lokal auftritt und die globale Ermüdung des Lagers gering ist. Es handelt sich also nicht um eine der klassischen Arten von Ermüdungsschäden, die entweder unterhalb der Laufbahn entstehen (aufgrund des Einschlusses nichtmetallischer Partikel) oder in der Rennbahn (wegen starker Verschmutzung).

Vergleich von neuen und gebrauchten Lagern

Woher kommt der Wasserstoff? Durch den Vergleich von neuen und gebrauchten Lagern stellte das zentrale Forscherteam von NSK fest, dass sich Wasserstoff nur während des Betriebs der Lager bildet.

Es ist wahrscheinlich (zumindest ist dies die anfängliche Annahme), dass der Wasserstoff aus den Kohlenwasserstoffketten von Schmiermitteln und ihren Additiven stammt. Diese Theorie wurde untermauert, nachdem die typischen Schadenssymptome der weißen Strukturen mit bestimmten Ölen und Fetten im Labor reproduziert werden konnten.

Ähnliche Schäden wurden von der Automobilindustrie in den 1990s gemeldet, was die Theorie weiter untermauert. Hier versagten die Lager von Gurtstraffern und Generatoren vorzeitig, doch der Fettwechsel und das Riemenmaterial lösten das Problem. Der Einfluss von Elektrizität (Stromfluss) auf diesen Fehlermodus muss jedoch noch bestimmt werden.

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Seit über 20 bietet NSK ein umfangreiches Portfolio an Lagern für Windkraftanlagen an

Neue Legierungen, spezifische Wärmebehandlung

NSK hat neue Legierungen entwickelt, die bei Wälzkontakt-Ermüdungstests bessere Ergebnisse liefern. In Versuchen mit Wasserstofffüllung führte die optimierte chemische Zusammensetzung im Vergleich zu herkömmlichen Lagerstählen zu einer Verfünffachung der WSF-Beständigkeit.

Eine wesentliche Verbesserung wird auch durch eine optimierte Wärmebehandlung erreicht. Hier kann die Restspannung unter den Laufbahnen durch Karbonitrieren anstelle von Durchhärten erhöht werden. Obwohl diese Maßnahme die Bildung der weißen Strukturen nicht verhindert, entwickeln sich aus diesen Strukturen deutlich weniger Risse und sie breiten sich langsamer an die Oberfläche aus.

AWS-TF, ein neues Lagermaterial

Basierend auf diesen Erkenntnissen führte NSK ein neues Material für Lager mit der Bezeichnung AWS-TF (AWS steht für Anti-White Structure) ein, das die optimierte chemische Zusammensetzung mit der optimierten Wärmebehandlung kombiniert.

Tests haben gezeigt, dass Lager aus AWS-TF zwar das WEC-Risiko nicht vollständig ausschließen, die Verzögerung, bevor Schäden auftreten, jedoch sieben Mal länger ist als bei herkömmlichen Lagerstählen. Derzeit laufen erste Feldtests an kritischen Installationsorten, die diese Testergebnisse zu bestätigen scheinen.

Für weitere Informationen besuchen Sie www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Unterschrift: Silber Mitgliedschaft

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