KISSsoft berechnet Wälzlager in der Windindustrie

Anbieter zum Thema

KISSsoft AG

Arno Arnold GmbH

GWJ Technology GmbH

Spezialisierte Software nötig

Bedingt durch die Tatsache, dass solche Methoden sehr rechenintensiv sind, ist in der Praxis die Nutzung spezialisierter Computersoftware üblich. Das Berechnungsprogramm von KISSsoft [6] liefert hierzu ein modular aufgebautes und bedienerfreundliches Werkzeug.

Die Basisprinzipien, beschrieben in der ISO/TS 16281 [5], beinhalten die komplette Analyse der internen Last jedes Rollelements unter Berücksichtigung der inneren Geometrie, des Kippens und/oder der Fehlstellung und Lagerluft.

Die nach [5] berechnete Lebensdauer wird Referenzlebensdauer, bei 10% Ausfallwahrscheinlichkeit L_10r, genannt. Der Kontakt zwischen Rollelement und Laufbahn bei Kugellagern wird als Punktkontakt behandelt, wohingegen der Kontakt bei Rollenlagern als Linienkontakt, wie in Bild 1 dargestellt, angenommen wird.

Es gibt mehrere Faktoren, welche die Referenzlebensdauer eines Lagers beeinflussen. Für eine gegebene Lastbedingung ist die Hertz’sche Pressung auf der Kontaktfläche des Rollelements grösstenteils vom Radius der Laufbahnrille des Rings im Querschnitt (für Kugellager) und dem Rollprofil (für Rollenlager) abhängig.

Im Allgemeinen führt eine erhöhte Hertz’sche Pressung zu einer Verringerung der Lebensdauer. Jeder Faktor, welcher das Radialspiel beeinflusst – sei es ein Presssitz des Lagers auf der Welle und/oder im Gehäuse, eine erhöhte Betriebstemperatur und die daraus folgende Expansion des Lagers oder eine lokale Deformation der Lagerringe z.B. durch Gehäuseverformungen – hat einen direkten Einfluss auf die interne Lastverteilung und dadurch auf die Lebensdauer.

Die Schmierbedingungen werden durch den ISO-Modifikationsfaktor a_ISO berücksichtigt. Eine 10% abweichende Ausfallwahrscheinlichkeit ist im Modifikationsfaktor für Ausfallwahrscheinlichkeit a₁ nach [4] erfasst. Die modifizierte Referenzlebensdauer wird somit berechnet als

Beispiel einer Anwendung

Es ist hilfreich, die obengenannten Erläuterungen an einem Beispiel aus der Praxis zu zeigen. Zu diesem Zweck wird ein typisches Beispiel aus dem Windenergiesektor herangezogen. Für Windkraftanlagen wird mittlerweile durchweg die Wälzlagerberechnung nach ISO/TS 16281 gefordert.

Beim Beispiel handelt es sich um eine Welle aus einer 2 MW Windturbine mit einer Drehzahl von 1750 1/min. Es werden zwei Zylinderrollenlager zum Stützen der signifikanten Radiallast sowie ein Rillenkugellager für die axialen Kraftkomponenten eingesetzt. Die Kupplung der Turbinenflügel auf der rechten Seite und das getriebene Stirnrad (220 mm Teilkreisdurchmesser) auf der linken Seite sind zu erkennen.

Im idealen Fall, in welchem die Lager perfekt im Gehäuse sitzen, ergibt sich für die modifizierte Referenzlebensdauer der kritischen Radiallager rund 99‘000 h für das linke Lager und 736‘600 h für das rechte Lager.

Die hohe Lebensdauer des rechten Lagers ist auf die ideale Lastbedingung zurückzuführen, die in realen Anwendungen eher selten vorkommt. Herstellungsfehler sowie Deformationen, bedingt durch Last und Montage, verformen das Gehäuse. Dies hat einen direkten Einfluss auf den Aussenring des Lagers und verursacht dadurch erhöhte Kontaktpressungen zwischen Rollen und Laufbahnen.

Die Deformation des Gehäuses kann als Fehlstellung des Aussenrings modelliert werden. Ein kleiner Fehler von 0.3° führt zu einer exzentrischen Belastung, welche wiederum eine hohe Kontaktpressung zur Folge hat. Die Konsequenz ist eine Reduktion der Lagerlebensdauer (modifizierte Referenzlebensdauer) auf rund 8‘280 h.

Können solche Montagefehler nicht vermieden werden, so ist in diesem Fall eine potentielle Korrektur der Rollen zu einem optimalen Profil hin möglich. Der Einfachheit halber werden hier die Ergebnisse mit unsymmetrisch profilierten Rollen herangezogen – bei denen die linke Hälfte der Rollen eine standardlogarithmische Profilierung und die rechte Hälfte einen Profilwert aufweist, welcher dem doppelten Wert der logarithmischen Seite entspricht.

Der neue Pressungsverlauf zeigt klar, dass die Spannungsspitzen beseitigt wurden. Die Lebensdauer des Lagers hat sich hierdurch auf rund 26‘200 h erhöht. Die durch die neue Profilierung der Rollen erhöhten Herstellungskosten können durch die nun möglichen Einsparungen der Instandhaltungskosten ausgeglichen werden, welche durch die kurze Lebensdauer des rechten Lagers verursacht worden wären.

Zusammenfassung der Lastfälle des rechten Zylinderrollenlagers nach Bild 2

>>Fall: Maximale Pressung (N/mm²); Ideal: 1‘238; 0.3° Fehlstellung: 2‘196; 0.3° Fehlstellung mit Ausgleichsprofilierung der Rollen: 1‘758.

>>Fall: Modifizierte Referenzlebensdauer (h); Ideal: 736‘628; 0.3° Fehlstellung: 8‘278; 0.3° Fehlstellung mit Ausgleichsprofilierung der Rollen: 26‘214.

Fazit

Moderne Windkraftanlagen müssen eine lange Lebensdauer erreichen, dürfen aber gleichzeitig nur geringe Wartungskosten verursachen. Betrieb und Wartung sind normalerweise gut kalkulierbar und mit einer zuverlässigen Berechnungssoftware lässt sich die Schadenswahrscheinlichkeit bei Wälzlagern im Vornherein drastisch reduzieren.

KISSsoft bietet mit der implementierten Berechnungsmethode nach ISO/TS 16281 unter dem Aspekt der geforderten Lebensdauer realitätsnahe Vorhersagen über zukünftiges Verhalten, geforderte Stabilität und Lebensdauer eines Getriebes.

[1] "Roller Bearing Contribute to the Environment", Japan Bearing Association, Global environment committee

[2] "A Life Cycle Cost Calculation and Management System for Machine Tools", Rafael Enparantza, Oscar Azkarate, Jose Zendoia, Proceedings of the 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, 2006

[3] "Roller Bearing Analysis", Tedric A. Harris, John Wiley & Sons, Inc. 2001

[4] ISO 281, Roller bearings - Dynamic load ratings and rating life, 2007

[5] ISO/TS 16281, Roller bearings - Methods for calculating the modified reference rating life for universally loaded bearings, 2008

[6] KISSsoft – Berechnungsprogramme für den Maschinenbau, www.KISSsoft.AG (hö)

(ID:28274310)