Diagnose der Lagerermüdung verbessert Funktionstüchtigkeit von Windkraftanlagen

Über Rohit Voothaluru

Rohit Voothaluru ist seit sieben Jahren Mitglied des Forschungs- und Entwicklungsteams von Timken und nutzt moderne Verarbeitungstechnologien und rechnergestützte Modellierungen für die Herstellung von Lagern für Windkraftanlagen mit extrem großer Bohrung. Er leitet mehrere innovative Modellierungsprojekte und nutzt Fortschritte in den Bereichen Multiphysik, mesoskalige Modellierung und Datenverarbeitung, um Lösungen für die Optimierung von Fertigungsprozessen zu entwickeln. Seine Pionierarbeit wurde vom U.S. Department of Energy anerkannt.

„Je mehr man – von Standpunkt der Technik aus gesehen – das Unbekannte vorantreibt, desto mehr Möglichkeiten gibt es, diese Probleme zu lösen, Innovationen zu entwickeln und das Machbare zu erweitern, um eine Führungsrolle in den Bereichen Fertigung und Technologie zu übernehmen. Probleme lösen zu müssen, die gestern noch nicht existierten, aber heute von entscheidender Bedeutung sind – das motiviert mich sehr.“

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Getriebelager für Windkraftanlagen sind wesentliche Bestandteile, die hauptsächlich aus hochfestem martensitischem Stahl hergestellt werden, da sie wegen des konstant hohen Kontaktdrucks, der auf die Wälzkörper und Laufbahnkomponenten wirkt, außergewöhnliche Haltbarkeit erfordern.

Obwohl es sich um hervorragende technische Lösungen handelt, war die Rollkontaktermüdung (RCF) – gekennzeichnet durch die Bildung von Rissen an der Oberfläche oder unter der Oberfläche – für mehr als 75 % der vorzeitigen Getriebelagerausfälle von Windkraftanlagen verantwortlich. Die umgewandelten Bereiche innerhalb der Stahlmikrostruktur – in der Metallurgie auch bekannt als „White Etching Matter“ (WEM) aufgrund des weißen Erscheinungsbilds im Lichtmikroskop – gehen normalerweise einem unerwarteten Abblättern und Abplatzungen der Laufbahnen voraus.

Dies ist ein wichtiges Problem in der Tribologie im Allgemeinen – und speziell in der Windenergie. Da die gewaltigen Windkraftanlagen, die oft mehrere hundert Meter hoch sind oder kilometerweit vor der Küste errichtet werden, um enorme Energiemengen zu erzeugen, bei minimaler Wartung optimal funktionieren müssen, ist es von größter Wichtigkeit, die WEM-Bildung vorhersagen zu können – um Ermüdungserscheinungen zu diagnostizieren und die Gefahr von Betriebsstörungen zu reduzieren.

Genau darum geht es in unserem neuesten Whitepaper. Wir wollten die Mechanismen der WEM-Bildung besser verstehen und die Rolle der Dissipation der Reibungsenergie klären.

In unserer Studie stellen wir die Hypothese auf, dass eine Kombination aus multiaxialer Belastung und Änderungen der Reibungsenergie unter der Oberfläche Treiber für die WEM-Bildung sein könnte.

Um dies zu testen, haben wir eine neuartige parametrische Analyse eingesetzt, die Schäden an der Verbindungsstelle der Kontaktflächen unter oszillierenden Kräften bewertet, und ein Berechnungsmodell verwendet, das die Ausrichtung, Größe und lokale Reibung eines Risses unter der Oberfläche berücksichtigt.

Die Simulationsergebnisse unterstützen nicht nur unsere Hypothese und experimentellen Beobachtungen; sie zeigen außerdem, dass der von uns eingeführte Parameter für Fressschäden ein nützlicher Prädiktor für WEM und eine konsistente, reproduzierbare Grundlage für die Auswertung der Energiedissipation ist.

Unsere Ergebnisse dienen als Grundlage für künftige Studien, und wir entwickeln neue Modelle, die auf dieser Arbeit aufbauen, mit dem Ziel, die Zuverlässigkeit der Getriebelager und die Funktionstüchtigkeit von Windkraftanlagen zu verbessern.

Lesen Sie das vollständige Whitepaper.

Last Updated: 2022/02/24

Published: 2022/02/11