KEM Konstruktion 05.2017

WERKSTOFFE/VERFAHREN
WERKSTOFFE
Bild: NSK
WEA (White Etching Areas) unter
der Werkstoffoberfläche
NSK gehört seit vielen Jahren zu den
führenden Lieferanten von Wälzlagern für
Windkraftgetriebe
Bild: NSK
Werkstoffe als Schlüssel zur Steigerung der Zuverlässigkeit von Wälzlagern in Windenergieanlagen
Windkraft: Gesamtbetriebskosten senken
Für Wälzlager in Windenergieanlagen (WEA) stehen anwendungsspezifische Sonderwerkstoffe und
Oberflächenbehandlungen zur Verfügung. Ihr Einsatz kann die Zuverlässigkeit signifikant steigern und
einen Beitrag zur Senkung der Gesamtbetriebskosten von WEA leisten.
Klaus Sausele, Sector Manager Wind Energy, NSK Deutschland, Ratingen
Die Windtechnik gehört zu den anspruchsvollsten Anwendungsbereichen
von Wälzlagern. Die Lager sind teilweise sehr groß,
sie werden hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt und die
Umgebungsbedingungen sind sehr ungünstig für Präzisionskomponenten
der Antriebstechnik.
Unter diesen Vorzeichen stellt eine Anlagenlebensdauer von
175.000 h oder zwanzig Jahren bei kaum möglichem Zugang zu den
Lagern die Wälzlager-Entwickler vor große Herausforderungen.
Zudem definieren viele WEA-Hersteller inzwischen sogar eine
noch längere Anlagenlebensdauer von 25 Jahren.
Erschwerend kommt hinzu, dass es spezifische Schadensbilder
gibt, gegen die Vorkehrungen getroffen werden müssen. Durch das
Größenwachstum – inzwischen werden Anlagen für bis zu 10 MW
entwickelt – können Wartungsarbeiten und Stillstand extrem hohe
Kosten verursachen.
Dies gilt sowohl für Onshore-Anlagen als auch – und das in besonderem
Maße – für die schwer zugänglichen und stark exponierten
Offshore-Anlagen auf See. Eine Auswahl von Wälzlagern mit optimierten
Werkstoffen kann hier erheblich zur Senkung des TCO (Total
Cost of Ownership) beitragen.
Frühe Schäden durch White Etching Cracks
Zu den typischen Unregelmäßigkeiten, die bei Wälzlagern in Windenergieanlagen
auftreten können, gehören so genannte White
Etching Areas unter der Werkstoffoberfläche. Diese im angeätzten
Werkstoff-Schliffbild weiß erkennbaren Strukturen bestehen aus
sprödem Ferrit, der sich durch Gefügeveränderungen bildet.
Die veränderten Strukturen können den vorhandenen hohen Belastungen
nicht mehr ausreichend standhalten. Es bilden sich Risse
White Etching Cracks (WEC), die sich ausbreiten und schließlich
an der Oberfläche zu Pittings bzw. Abblätterungen (White Structure
Flaking (WSF)) führen. Diese Schäden treten am häufigsten an der
Laufbahn der Innenringe auf, seltener an den Außenringen und sehr
selten an den Wälzkörpern.
Alle etablierten und optimierten Auslegungsverfahren von Wälz -
lagern (u. a. die Berechnung der Lebensdauer gemäß ISO 281 und
ISO/TS 16281), die Last/Drehzahlkollektive, Temperaturen, Schmierstofftypen
und Schmierstoffreinheit berücksichtigen, können das
Risiko eines Versagens durch WEC leider nicht abschätzen.
Reproduktion des Schadensbildes im Labor
Die Ursachen für die Entstehung von WEC sind wissenschaftlich
nicht vollständig geklärt. Der aktuelle Wissensstand geht von Bedingungen
aus, die in der Interaktion aller Komponenten des gesamten
Antriebsstrangs begründet sind. Dazu gehören u. a.: Dynamik,
118 K|E|M Konstruktion 05 2017