Auswahl und Berechnung von Wälzlagern für Windkraftanlagen

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Anhang 4 der DIN ISO 281 nimmt eine vereinfachte Geometrie der Wälzlager als Basis für die Berechnung der modifizierten Referenzlebensdauer an. Diese Art der Berechnung reicht meist aus. In der Windkraftindustrie sind jedoch exaktere Werte erwünscht. Dafür hat NSK die Software „STIFF“ entwickelt, die bei der Lebensdauerberechnung auch die innere Geometrie, das Betriebsspiel bzw. die Vorspannung, die Verformung des Welle-Wälzlager-Systems sowie die Lastzone und die Lastverteilung zwischen Wälzkörpern und Laufbahn berücksichtigt.

In diesem Modell sind die Wälzkörper in Scheiben unterteilt. Für jede Scheibe wird eine individuelle modifizierte Referenzlebensdauer ermittelt. Anhand der Zeitanteile für jeden Lastfall kommt man zu einer realistischen Angabe der Gesamtlebensdauer.

Gezielte Optimierung der Konstruktion

Neben der schnellen und exakten Berechnung der Lebensdauer lässt sich mit der Software auch eine kurzfristige Variantenanalyse durchführen um so vorhandene Konstruktionen zu optimieren. Zudem können spezielle Anpassungen des Wälzlagers zeitsparend geprüft werden. Dieser Vorteil wird häufig genutzt, denn gerade in der Windkrafttechnik kommen wegen der hohen Anforderungen häufig kundenspezifisch modifizierte Wälzlager zum Einsatz. Darüber hinaus gehören auch Vorhersagen zur Steifigkeit, die Abschätzung des Leistungsverlustes und Untersuchungen zur Betriebssicherheit zu den Berechnungszielen, die die NSK-Geschäftseinheit Wind Energy bei der Auswahl von Wälzlagern verfolgt.

Engineering im Vorfeld: Intensive Zusammenarbeit mit den Kunden

Angesichts der Fülle von Daten, die hier zu berücksichtigen sind, und der anspruchsvollen Lebensdaueranforderungen überrascht es nicht, dass solche Projekte immer in enger Kooperation mit dem Kunden stattfinden. Neben dem Engineering spielt dabei auch der Versuch eine wichtige Rolle: NSK hat Wälzlagerprüfstände konzipiert, die eine Simulation der dynamischen Belastungen und Bewegungsverhältnisse erlauben. Dazu gehört z.B. ein Großlagerprüfstand mit der Möglichkeit, dynamische Kräfte und Momente aus der Rotorbelastung aufzubringen, und ein Prüfstand zur Simulation von Anfahr- und Bremsvorgängen von schnelldrehenden Rollenlagern.

Super-TF-Technologie für die Windkrafttechnik

Neben der Auswahl der Lagerbauart spielt die Werkstoffauswahl eine ganz entscheidende Rolle: Eine Lebensdauer von zum Beispiel 175.000 Stunden unter ungünstigen Bedingungen und dynamischen Belastungen kann nur durch den Einsatz von Sonderwerkstoffen erreicht werden. Daher hat NSK auf der Basis seiner langjährigen Werkstoffkompetenz Materialien entwickelt, die eigens für extreme Betriebsbedingungen entwickelt wurde. Ein Beispiel dafür ist die Super-TF-Technologie. Hier kommt ein hochreiner Wälzlagerstahls in Verbindung mit einem besonderen Wärmebehandlungsverfahren zum Einsatz, das einen optimierten Restaustenitgehalt gewährleistet. Dieser Werkstoff gewährleistet, dass ins Lager eingedrungene Fremdkörper eine geringere Spannung im Werkstoff erzeugen als dies bei konventionellem Stahl der Fall ist. Das schafft die Voraussetzung dafür, dass Schäden durch Verunreinigungen sehr viel seltener auftreten.

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