41. VDI Jahrestagung Schadensanalyse 2015

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1 41. VDI Jahrestagung Schadensanalyse 2015 Herausforderungen und Beanspruchungen an Lagern in Windenergieanlagen (WEA) Würzburg und F. Guzman, Dr. R. Schelenz, G. Burghardt und Prof. Jacobs 1 von 23

2 Gliederung Motivation Belastungen von WEA-Lagerungen Schäden an Wälzlagern False Brinelling Graufleckigkeit Schadensphänomen White Etching Cracks Kritischer Schlupf in Wälzlagern Zusammenfassung 2 von 23

3 Einleitung und Motivation Ausfallhäufigkeit Stillstandzeit Triebstrangschäden 30% Sonst 56% Elektrik, Regelung 26% Sonst 59% Triebstrang 15% Verzahnung 15% Sonst 70% Lager 14% Triebstrang 15% Elektrik, Regelung Quelle: NREL 2013 Hohe Stillstandszeiten durch Schäden am Triebstrang 70 % der Schäden am Triebstrang durch Wälzlager verursacht Rechnerische Auslegung der Wälzlager erfolgt auf die Lebensdauer der Windenergieanlage (~ 20 Jahre) Verringerung der Stillstandszeiten durch frühzeitiges Erkennen von initialen Schäden 3 von 23

5 Belastungen von WEA Belastungsfälle Transport Montage Normaler Betrieb Normale Abschaltung Trudelbetrieb Parken Start Notabschaltung Betrieb mit Fehler Wartung/Reparatur 5 von 23

6 Belastungen von WEA Belastungen im Betrieb Wind Mittl. Windgeschwindigkeit Turbulenzintensität Turmvorstau Höhenprofil Schräganströmung 50 Jahres Böe Betriebskräfte Fliehkraft Aerodynamische Unwucht Massenunwucht Betriebsstrategie Fehlerfälle Lasten auf Komponentenebene 6 von 23

7 Belastungen von WEA Lagerstellen einer WEA Rotorblatt Rotornabe Pitch-System Hauptlager Gondel Azimutantrieb Turm Rotorwelle Getriebe Generator Getriebelager Azimut-Lager Pitch-Lager Hauptlager Quelle: Schaeffler Außendurchmesser: bis mmm Quelle: ISCAR Germany GmbH 7 von 23

8 Belastungen von WEA Rexroth Bosch G oup 8 von : Institute for Machine Elements and Machine Design CWD Centerfor Wind Power Drives

10 Schäden an Wälzlagern Pitch- und Azimutlager Pitch-Lager Quelle: Schaeffler Azimut-Lager Quelle: ISCAR Germany GmbH Vorwiegende Beanspruchungen: Dynamische Massenkräfte Vorwiegend statische Belastung Niedrige Einsatztemperaturen False Brinelling Schäden durch Feuchtigkeit Plastische Verformung 10 von 23

11 False Brinelling (Riffelbildung) Schadensverlauf und Bewertung Muldenbildung verursacht durch Schwingungen, Stößen oder Vibrationen an stehenden Lagern Verdrängung des Schmierstoffes aus dem Wälzkontakt Aktivierung und Korrosion der Oberflächen durch Mikrobewegungen Verschleiß im Kontakt durch Oxidpartikel Etabliertes Test zur Beurteilung der Schmierfetteignung Bewertung durch Korrosionsgrad und Riffeltiefe 11 von 23

12 Schäden an Wälzlagern Hauptlager Hauptlager Quelle: Schaeffler Quelle: ISCAR Germany GmbH Verschleiß Vorwiegende Beanspruchungen: Dynamische Betriebsweise Niedrige Drehzahlen White etching cracks Graufleckigkeit 12 von 23

13 Wälzlagergraufleckigkeit Schadensverlauf Voraussetzungen: Graufleckenkritischer Schmierstoff Mischreibung Anstieg der Schubspannungen im Kontakt lokal hohe Pressungen (Kontakt von Rauheitsspitzen) Max. Vergleichsspannung an der Oberfläche Anrisse an der Oberfläche Micropittings Mischreibung Vollschmierung λ<1 λ=1 λ>4 Veränderte Pressungsverteilung Spannungsverteilung bei Vollschmierung Beschleunigung Grübchenschaden Ausfall des Wälzlagers Spannungsverteilung bei Mischreibung 13 von 23

14 Wälzlagergraufleckigkeit Aktueller Forschungsstand Reproduzierbare Erzeugung von Graufleckigkeit am Prüfstand Verstärkende Faktoren identifiziert: Pressung Schmierungszustand Temperatur Öl-Additiv Detektion: Ausbrüche führen zu Vibrationen => Beschleunigungssensor Ausbrüche führen zu Partikel- Kontamination des gesamten Getriebes => Partikelzählung, Ölanalyse Quelle: IGF-Vorhaben BG 14 von 23

15 Schäden an Wälzlagern Getriebelager Getriebelager Quelle: Schaeffler 4% LSS 10% Planet 18% IMS 68% HSS Quelle: ISCAR Germany GmbH HSS: High speed shaft IMS: Intermediate shaft LSS: Low speed shaft Ausfallhäufigkeit Quelle: NREL von 23

16 Schäden an Wälzlagern Getriebelager Getriebelager Quelle: Schaeffler Verschleiß Graufleckigkeit White etching cracks Kritischer Schlupf Quelle: ISCAR Germany GmbH 16 von 23

17 White Etching Cracks (WEC) Schadensbild Weiß anätzbares Gefüge im Schliff sichtbar Unterscheidung zwischen Axialrissen und Rissnetzwerken parallel zur Überrollrichtung WEC führen zur Schädigung der Laufbahn in Form von Rissen und Pittings Ausfall von Wälzlagerungen im Zusammenhang mit White Etching Cracks (WEC) erscheinen i.d.r. nach ca % der rechnerischen Lebensdauer Auftreten in diversen Anwendungen, jedoch gehäuft im Bereich Windkraft Entstehungsmechanismus unklar Lichtmikroskop nach Anätzung mit Nital 17 von 23

18 White Etching Cracks (WEC) Übersicht fördernder Zusatzbeanspruchungen Fehlstelle im oberflächennahen Bereich unzureichende Bindung Rissentstehung infolge von Überrollung Rissentstehung führt zu Gefügeveränderung (keine) Fehlstelle im oberflächennahen Bereich Vibrationen lokale Lastüberhöhung Mikrorisse an/unter der Oberfläche Öffnen/Ausbreiten der Risse beim Überrollen (+) (Öleintritt in den Riss chemische Prozesse) + Flankenreibung verstärkende Faktoren Drehzahl (+) Temperatur (+) Korrosion (+) Verschleiß (+) Stillstand (+) Schlupf (+) atomarer H (+) elektr. Strom (+) Werkstoff Gefügeveränderung führt zu Rissentstehung chemisch Grundöl + Additivierung mechanisch Belastung, Belastungsgradient (+) Lastwechselzahl (+) Flankenreibung an Ausscheidungen (Butterflies) White Etching Cracks Ausfall der Lagerung 18 von 23

19 White Etching Cracks (WEC) Detektion und Nachweis Pittings und großflächige Abschälungen Axialrisse Ausbrüche führen zu Vibrationen => Beschleunigungssensor Lichtmikroskop Quelle: [Sta13] Ausbrüche führen zu Partikel- Kontamination des gesamten Getriebes => Partikelzählung, Ölanalyse Risse unterhalb der Oberfläche stellen Grenzflächen innerhalb des Materials dar => Ultraschall, Wirbelstrom Rissüberrollung führt zu Vibrationen => Beschleunigungssensor REM WEC s können durch metallographische und mikrostrukturelle Untersuchungen nachgewiesen werden 19 von 23

20 White Etching Cracks (WEC) WEC Detektion durch Ultraschall (Scan der Oberfläche) Pitting durch WEC x in mm max. Abweichung y in mm 37.5 y in mm y in mm x in mm WEC- Schäden unter Oberfläche x in mm Referenz- Punkt 20 von 23

21 Schäden an Wälzlagern Getriebelager Getriebelager Quelle: Schaeffler Verschleiß Graufleckigkeit White etching Cracks Kritischer Schlupf Quelle: ISCAR Germany GmbH 21 von 23

22 Kritischer Schlupf in Wälzlagern Dynamische Betriebszustände begünstigen Schlupfzustände im Wälzlager Durch Schlupf kann es zu Anschmierungen und Neuhärtungen kommen (thermisch bedingte Gefügeveränderung) Neuhärtungen können zu frühzeitigen Lagerausfällen führen Aktueller Forschungstand Reproduzierbare Erzeugung von Neuhärtung am Prüfstand unter praxisnahen Bedingungen Bestimmung neuhärtungskritischer Schlupfzustände Korrelation der Neuhärtungsgrenzen mit energetischen Kennwerten im geschmierten Wälzkontakt Schliffbild ohne Gefügeveränderung Schliffbild mit Neuhärtung 22 von 23

23 Kritischer Schlupf in Wälzlagern Untersuchung Lastaufschaltungen fps ca. 390fach langsamer ISO VG 320; 70 C n Welle = 1500 min -1 F rad = 0 (-100) kn NU2330-E-M1/C3 C = 1380 kn C 0 = 1600 kn Quelle: FVA-Vorhaben von 23

25 Zusammenfassung White Etching Cracks Diskussion verschiedener Schadenshypothesen Untersuchungen zeigen: Keine WEC ohne Zusatzbeanspruchung des Lagers Detektion im eingebauten Zustand derzeit nicht möglich Risse unterhalb der Oberfläche mittels Ultraschallmessung identifizierbar Graufleckigkeit Graufleckigkeit begünstigt Schäden an Wälzlagern Nachweis mittels Rasterelektronmikroskopie Neuhärtung und Schlupf Anschmierung und Neuhärtung durch Schlupfzustände unter dynamischen Betriebsbedingungen Frühzeitige Schäden durch Neuhärtung möglich 25 von 23

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. F. Guzman Schinkelstr Aachen

27 Anhang 27 von 23

28 Anhang Betriebszustand Lastzustand Schäden Haupteinflussgrößen Beschleunigungsrampen Rel. Gleitgeschwindigkert, Schmierung, Pressung. Reibenergie Netzfehler Dynamische Drehzahl und Momente um AP Extremer Last- und Drehzahlgradient Drehmomentumkehr Lastwechsel, Lasthöhe (Ober- und Unterlast). Werkstoffe Schlupf, Lasthöhe, Drehzahl, Pressung, Lagerluft. Temperatur Extreme Windereignisse Parken Überlast Minimale Drehzahl bei geringer Windlast Schwingungen bei stehendem Roto Neg. Schlupf, Lasthöhe, Drehzahl, Drehmoment, Schmierstoff, Temperatur Drehzahl, Lasthöhe, Mischreibung, Umrichter-PWM,... ~ Schwingungsamplitude und -dauer, Feuchtigkeit, Schmierstoff 1-< 28 von : Institute for Machine Elements and Machine Design CWD Centerfor Wind Power Drives

29 Belastungen von WEA Einleitung Anregungskräfte und Belastungen Konstant (quasi-stationär) Schwerkraft F G (Rotorgewicht) Mittlerer Schub F Ax Fliehkraft F F Drehmoment in Porsche 911 Turbo S Leistung: 530PS Drehmoment: 700 Nm 4,8 MNm 6858 * 911 Turbo S Schub in Airbus A kn 3,2 * A320 F G Nickmoment: 2,2 MNm Giermoment: 0,8 MNm F Ax F F Daten von: Schub 800 kn Drehmoment 4,8 MNm IME 6MW y z x Nick- & Giermoment Biegung 10 m 8 t 10 m 22 t Regelmäßig (periodisch) Massenunwucht Aerodynamische Kräfte (ideale Anströmung) Regellos (stochastisch) Aerodynamische Kräfte aus der Windphysik Kurzzeitig (transient) Betriebsstrategie. 29 von 23

30 Riffeltest Prüfstand und Versuchsparameter Versuchsparameter Lager: FAG QJ212.TVP Last: F = 70 kn (wechselnd) max. Pressung Am Innenring: p max,i = 3062 N/mm 2 Am Außenring: p max,i = 3052 N/mm 2 Frequenz: f = 10 Hz Lastwechselzahl: N = 1 Mio. Wasserdurchfluss: Q = 6 ml/min Salzgehalt: 1% NaCl Drehzahl: n = 0 min -1 Regional Sales

31 Erscheinungsformen und Schadensbilder Übersicht Prüfstände FE8-Prüfstand Drehzahl Temperatur Werkstoffe Lastwechselzahl Grundöl Additivierung Schlupf 2-Scheiben Prüfstand Drehzahl Temperatur Werkstoffe Lastwechselzahl Grundöl Additivierung Schlupf stat. Radiallagerprüfstand Drehzahl Temperatur Werkstoffe Lastwechselzahl Grundöl Additivierung elektr. Strom dyn. Radiallagerprüfstand Drehzahl Temperatur Werkstoffe Lastwechselzahl Grundöl Additivierung Schlupf Vibrationen Lokale Lastüberhöhung Lastgradienten Drehzahlgradienten Nicht direkt berücksichtigt: Korrosion, Verschleiß und Stillstand 31 von 23

32 Verschleißbedingte Ermüdung Schadensbild Örtliche Ausbrüche Laufspur weist Verschleißspuren auf Schadensmechanismus Veränderung der Geometrie der Wälzpartner durch Verschleiß Dadurch örtliche Überlastung Profilierungsänderung an Axial-Zylinderrollenlager bei starkem Verschleiß Hohe Pressung durch Profilierungsänderung

33 Einlauf von Wälzlagern Einleitung Was passiert im Einlauf? Wofür wird der Einlauf benötigt? Einebnung von Rauheitsspitzen Gleichmäßiges Tragen Höhere Ermüdungslebensdauer Tribochemische Reaktionen Ausbildung einer schützenden Schicht Minderung bzw. Unterbindung von adhäsivem und abrasivem Verschleiß p rough,2d p HERTZ 0 [mm] 0,01 0,015 0, nm

34 Einlauf von Wälzlagern Tribochemische Reaktionen Esteröl Reaktionsschicht: Eisenoxid Mineralöl + Additiv Reaktionsschicht: Additivelemente (O, P, S, Zn) Definition (DIN 50320): Durch tribologische Beanspruchung aktivierte bzw. geförderte chemische Reaktion zwischen Grundkörper, Gegenkörper und angrenzenden Medien (Schmierstoff, Umgebungsmedium) Tribochemische Reaktionen und ihre Auswirkung Ausbildung einer metall-organischen Schicht auf der Stahloberfläche Unterbinden des direkten metallischen Kontakts Minderung des adhäsiven und abrasiven Verschleiß Tribochemische Reaktionen sind ein gewünschter Effekt

35 Wälzlagerermüdung Erscheinungsform Hinweise auf vorliegende Ermüdung Materialausbrüche aus der Oberfläche Eindrücke auf der geschädigten Laufbahn und der des Kontaktpartners durch (ausgebrochene) Materialpartikel Ermittlung der Schadensursache durch Schliffuntersuchungen möglich Ermüdung-auslösende Faktoren Hohe Kontaktpressungen Nicht ausreichende Werkstoffqualität Einschlüsse als möglicher Ausgangspunkt von Rissen 35 von 23