21
#2 2013 evolution.skf.com
Technika
Przedwczesne uszkodzenia łożysk w skrzyniach przekładniowych
turbin wiatrowych i białe pęknięcia (WEC)
Skrzynie przekładniowe turbin wiatrowych poddawane są różnorodnym warunkom pracy, z których część może przerastać możliwości łożysk. Mogą one ulec awarii w wyniku specyficznej postaci przedwczesnego uszkodzenia znanego jako białe pęknięcia (WEC), zwanego również niekiedy kruchym, zmniejszającym trwałość, wczesnym, anormalnym lub białym łuszczeniem (WSF). W niniejszym artykule przedyskutowano środki służące uodpornieniu łożysk na takie warunki pracy
ZDJĘCIE: ISTOCKPHOTO
22 23
* **
Rys. 1. Standardowa skrzynia przekładniowa tur- biny wiatrowej klasy Multi-Megawatt (MMW) (dla zawieszenia 3-punktowego), mająca wolnoobro- towy stopień planetarny i dwa stopnie z kołami walcowymi (szybkoobrotowy wał pośredni i wał szybkoobrotowy) wraz z zaznaczonymi miejsca- mi zabudowy łożysk, które mogą być narażone na przedwczesne uszkodzenia
Rys. 2. Klasyczne rodzaje uszkodzeń zmęczeniowych kontra pęknięcia i WEC
*mikrografia wg [5], **mikrografia wg [6]
Rys. 3. Typowe dla przedwczesnego uszkodzenia maszyn przemysłowych jest to, że łożyska z maszyn tego sa- mego typu pracujące w takich samych środowiskach ulegają uszkodzeniu w ciągu podobnie krótkiego okresu.
Różne nachylenie linii wskazuje na „coś innego niż klasyczne zmęczenie”. Łoży- ska o krótkiej trwałość eksploatacyjnej prawdopodobnie ponownie wykażą się niską trwałością, jeśli nie zostanie pod- jęte żadne dalsze działanie w odniesie- niu do układu łożysko-wał-obudowa.
Uszkodzenie
przedwczesne Zastosowanie przemysłowe
Liczba uszkodzeń [%
] 100
Trwałość obliczeniowa L10 [%]
10
1
10 100 1000
1 Zmęczenie klasyczne <-> pęknięcia i WEC
Zmęczenie zainicjowane
podpowierzchniowo Zmęczenie zainicjowane na
powierzchni Pęknięcia i WEC
ISO 281; ISO/TR 1281-2; ISO 15243
Rys. 4. Wygląd uszkodzeń: a) pęknięcia proste, b) pęknięcia proste i niewielkie łuszczenie, c) łuszczenie
4a
5a
4b
5b
4c
5c
Rys. 5. Przykłady typowych rodzajów łożysk, które mogą być narażone na uszkodze- nia: a) łożysko stożkowe, b) łożysko walcowe, c) łożysko baryłkowe
łach – pośrednim i wysokoobroto- wym (rys. 1).
Wiele przedwczesnych uszko- dzeń łożysk w skrzyniach turbin wiatrowych skutkuje awarią, która nie jest spowodowana klasycznym mechanizmem zmęczenia toczne- go (RCF) (rys. 2). O ile te klasyczne mechanizmy obejmujące zmęczenie zainicjowane podpowierzchniowo i powierzchniowo mogą być przewi- dziane dzięki standardowym meto- dom obliczania trwałości łożysk (patrz ISO 281 i ISO/TR 1281-2), to przedwczesne uszkodzenia wywoła- ne pęknięciami nie są w tych meto- dach uwzględniane. Podejmowano jednakże próby obliczenia trwało- ści łożysk, gdy tylko dostępne były szczegółowe informacje o danym przypadku (np. lokalny efekt naprę- żeń obwodowych) 37.
Norma ISO 15243 opisuje obraz klasycznych mechanizmów zmę- czenia kontaktowego powierzch- ni tocznej.
„Białe trawienie” dotyczy wystę- powania zmienionej mikrostruktu- ry stali przy polerowaniu i trawie-
niu zgładów. Dotknięte nim obszary zbudowane z bardzo drobnego, na- norekrystalizowanego i bezwęgliko- wego ferrytu na fotografiach mikro- skopowych są białe wskutek słabej reakcji materiału na trawienie.
Częstotliwość przedwczesnych uszkodzeń, występujących okazjo- nalnie w pewnych zastosowaniach przemysłowych takich jak papier- nie, napędy z bezstopniowo zmie- nianą prędkością, napędy statków, przekładnie kruszarek lub napędy podnoszenia, w przypadku turbin wiatrowych wydaje się być wyższa (może to być też związane z więk- szą liczbą zainstalowanych maszyn).
Zwykle wczesne pęknięcia poja- wiały się między pierwszym a trze- cim rokiem pracy lub po osiągnięciu od 5 do 10% obliczeniowej trwałości nominalnej (patrz rys. 3).
Występujące najczęściej na pier- ścieniu wewnętrznym (rys. 4) wcze- sne pęknięcia przyjmują postać pęknięć prostych („pęknięć osio- wych”) lub pęknięć połączonych z niewielkim albo dużym łuszcze- niem. Opierając się na płynącej
z rozległego doświadczenia wiedzy SKF wywnioskowano, że wczesne uszkodzenia wywołane pęknięcia- mi nie są związane ani z określonym rodzajem łożyska (rys. 5), ani z okre- ślonym rodzajem obróbki cieplnej (rys. 6) 6, 7, 8, 9 i 10.
Jednakże wystąpienie uszkodze- nia jest związane z obróbką cieplną (np. polem naprężeń resztkowych), etapem zaawansowania uszkodze- nia i prawdopodobnie także z wa- runkami pracy lub umiejscowienia łożyska (np. pole naprężeń wynika- jących z obciążenia). Jak pokaza- no na rys. 6, w przypadku wczesnego pękania w tym konkretnym zasto- sowaniu pęknięcia w pierścieniach martenzytycznych mają tendencję do rozrastania się prosto w głąb ma- teriału (wskazując na występowa- nie prostych pęknięć „osiowych”, np.
rys. 6a), podczas gdy w pierścieniach bainitycznych (rys. 6b) i hartowa- nych powierzchniowo pęknięcia wzrastają obwodowo pod bieżnią (co wyjaśnia wystąpienie łuszczenia, np. rys. 6c). Niemniej na bardzo za- awansowanym etapie uszkodzenia ORGANIZACJA Global Wind Ener-
gy Counsil (GWEC)1 szacuje np., iż obecna moc zainstalowana elek- trowni wiatrowych na poziomie 200 GW podwoi się w ciągu trzech – czterech lat pozostawiając realnym osiągnięcie w 2020 r. zamierzonego celu 1000 GW mocy zainstalowanej.
Pomimo wysokiej dostępności turbin wiatrowych (> 96%, zależnie od turbiny) i stosunkowo niskiego wskaźnika awaryjności komponen- tów mechanicznych w porówna- niu z komponentami elektrycznymi, uszkodzenia mechanicznych ukła- dów napędowych wciąż generu- ją wysokie koszty napraw i straty wskutek długich przestojów 2.
W większości turbin wiatrowych skrzynia przekładniowa jest sto- sowana zwykle w celu podniesie- nia prędkości wirnika do poziomu prędkości generatora. Rzeczywi- sta trwałość eksploatacyjna skrzyń turbin wiatrowych jest obecnie czę- sto krótsza niż przewidywane 20 lat.
Uszkodzenia mogą wystąpić w ło- żyskach zabudowanych w różnych miejscach: w satelitach oraz na wa-
Te ch ni ka
24 25
6a
6b
6c
Rys. 6. Obrazy rozwoju pęknięcia przy standardowych obróbkach cieplnych: a) hartowanie martenzytyczne, b) hartowanie bainityczne i c) hartowanie powierzchniowe (nawęglanie)6
Rys. 7. Wg wielu istniejących w literaturze teorii a) pewne czynniki wpływające miejscowo zmieniają mikro- strukturę w białe obszary (WEA), b) WEA będą punktami początkowymi pęknięć (WEC), i wreszcie c) białe łuszczenie (WSF) będące rezultatem propagacji pęknięcia aż do powierzchni bieżni
Parametry wpływające
bieżnie pierścieni wewnętrznych są często silnie złuszczone niezależnie od obróbki cieplnej.
Wyzwania wynikające z warunków pracy skrzyń turbin wiatrowych
Skrzynie przekładniowe turbin wiatrowych poddawane są róż- norodnym warunkom pracy, któ- re mogą przerastać możliwości łożysk (np. w odniesieniu do obcią- żeń, prędkości, smarowania i ich kombinacji). Najtrudniejsze wy- zwania wiążą się ze zwiększaniem trwałości łożysk i redukcją przed- wczesnych uszkodzeń przy jedno- czesnym zredukowaniu kosztów ogólnych energii.
Istnieje wiele ogólnodostępnych opinii podsumowujących wspólne przejawy surowych warunków pra- cy połączonych z przedwczesnymi uszkodzeniami w turbinach wiatro- wych. Obejmują one:
• okresy działania bardzo dużych i dynamicznych obciążeń / momentów – prowadzące do drgań i gwałtownych zmian obciążeń (np. chwilowe naprężenie bież- ni przekraczające 3,1 GPa, 15 000 dużych obciążeń rocznie, obciąże- nia udarowe) 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 17 i 18.
• w zależności od typu turbi- ny, dodatkowe siły promieniowe
i osiowe ze strony wirnika, ruch poosiowy wału głównego – pro- wadzące do obciążenia dyna- micznego, wyższych naprężeń w elementach skrzyni, szczególnie na pierwszym stopniu 19, 20.
• przypadkowe dołączanie i odłączanie generatora od sieci energetycznej – prowadzące do zmian kierunku działania momen- tu i do zjawiska odbijania (może prowadzić np. do 2,5-4 krotnego wzrostu momentu, obciążeń udarowych) 12, 15, 21.
• gwałtowne przyspieszenia i opóź- nienia oraz przemieszczenia wałów w skrzyni 13, 15.
• niewspółosiowość, odkształce- nia konstrukcyjne (piasty gondoli, obudowy) 11.
• kompromis między środkiem smarnym odpowiednim dla kół zębatych albo łożysk i między środkiem smarnym odpowiednim dla wysokich albo niskich obrotów, zbyt długie okresy między wymia- ną oleju 22.
• surowe warunki otoczenia – ewen- tualne duże skoki temperatur i będące ich konsekwencją większe od spodziewanych różnice tempe- ratur między wewnętrznym pier- ścieniem łożyska a obudową przy uruchamianiu turbiny, pył, zim- ny klimat, lokalizacja poza lądem, wilgoć 23.
• praca na biegu jałowym – prowa- dząca do małych obciążeń zwią- zanych z ryzykiem uszkodzenia wskutek poślizgu (zużycie adhe- zyjne) 23.
• niektóre wymagania konstruk- cyjne mogą być ze sobą sprzecz- ne, np. zwiększenie wielkości elementu tocznego zwiększy nośność nominalną, ale i ryzyko poślizgu koszyka i wałeczka oraz wystąpienie uszkodzenia wsku- tek poślizgu 6, 7, 17, 23.
Jak już stwierdzono, łożyska mogą ulec uszkodzeniu z innych przyczyn nie związanych z niedochowaniem standardów najlepszych praktyk 24,
25 czy innych powodów przemysło- wych. Analiza statystyczna pewnej liczby morskich turbin wiatrowych
2 wyraźnie wskazuje na korelację między częstością występowania uszkodzeń, prędkością oraz wysoki- mi i zmieniającymi się obciążenia- mi. Tendencja budowy większych turbin o wyższym stosunku mocy do masy nieodmiennie będzie pro- wadzić do bardziej elastycznych konstrukcji nośnych 11, co z kolei wpłynie na rozkład obciążenia w obrębie łożysk tocznych i innych elementów napędu. Zgodnie z [26]
w „młodych”, wysoce obciążanych zastosowaniach o wysoce innowa- cyjnym planowanym cyklu istnienia
produktu, zwykle brak jest wystar- czających danych o ich trwałości.
Niezależnie od opinii producentów turbin wiatrowych i skrzyń, obec- ność pęknięć na łożyskach jest nie- kiedy interpretowana jako dowód niekontrolowanych zachowań kine- matycznych 19, 27.
Możliwe przyczyny
„pęknięć powierzchni tocznej” i przegląd hipotez Występowanie przedwczesnych uszkodzeń jest przedmiotem inten- sywnych dyskusji w przemyśle tur- bin wiatrowych i niezależnych ba- dań producentów turbin i skrzyń, dostawców łożysk oraz uczelni i nie- zależnych instytucji. Niestety nie istnieje obecnie spójna teoria w tym zakresie. Wyliczenie i wyjaśnie- nie wszystkich hipotez dotyczących pierwotnych przyczyn WEC wy- kraczałoby poza zakres niniejszego opracowania.
Niemniej jednak wiele z istnie- jących w literaturze teorii można skrótowo podsumować w sposób przedstawiony na rys. 7. Wiele opra- cowań (np. [10]) omawia miejscową zmianę w mikrostrukturze mate- riału łożyska pod postacią WEC pod wpływem pewnych czynników.
Wśród tych czynników wpływu wskazuje się często na:
• materiał
mikrostruktura, obróbka cieplna,
naturalna zawartość wodoru, czy- stość (różne rodzaje wtrąceń), na- prężenia resztkowe, itp.
• obciążenie
przeciążenia, obciążenia szczytowe, obciążenia udarowe, zmiany kie- runku momentu, drgania, poślizg, naprężenia strukturalne, prądy elektryczne, itp.
• środowisko
środek smarny, dodatki, korozja, efekty tribochemiczne, generacja wodoru, gradient temperatury, za- nieczyszczenia (np. woda), itp.
• inne
montaż (np. zarysowania), trans- port, aspekty jakościowe, itp.
Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, iż większość z tych czynników jest ze sobą skorelowanych.
Tak więc wywołane przez poje- dynczy czynnik lub ich kombina- cję WEA rozwijają się miejscowo w strukturze stali łożyska. WEA będą zatem miejscami powstawania pęknięć, które ostatecznie rozcho- dzą się aż do bieżni łożyska. W kon- sekwencji łożysko ulegnie uszko- dzeniu wskutek łuszczenia lub tzw. WSF.
Najbardziej powszechne hipo- tezy można dalej podzielić na te łączące powstawanie WEC z wodo-
rem 28, 29, 30, z samym obciążeniem/
naprężeniem, szczególnie przy wtrąceniach 31, 32 lub opierające się na kombinacji niektórych przyczyn 33.
Niektóre z powyższych mecha- nizmów wydają się mieć wpływ w przypadku takich zastosowań jak:
• papiernie (np. woda w oleju – dzia- łania korygujące są bazowane na poprawieniu warunków smarowa- nia) 34,
• układy napędowe okrętów (np. nadmierne naprężenia – dzia- łania korygujące polegają na sto- sowaniu specjalnej stali wysokiej czystości hartowanej na wskroś i redukcji naprężeń) 32, 34,
• łożyska alternatorów i genera- torów (np. uszkodzenia wskutek przepływu prądu – działania kory- gujące polegają na zastosowaniu specjalnych smarów plastycznych i/lub łożysk hybrydowych, specjal- nej stali) 6, 35, 36.
Niemniej jednak, związek po- wszechnie zakładanych przyczyn WEC z przedwczesnymi uszkodze- niami skrzyń turbin wiatrowych nie jest ogólnie rzecz biorąc dostatecz- nie jasny
Potencjalne przyczyny pierwotne WEC
w skrzyniach turbin wiatrowych wg doświadczenia SKF Z doświadczenia SKF wynika, że większość wczesnych uszkodzeń łożysk związanych jest ze smaro- waniem lub innymi problemami
Te ch ni ka
26 27
Rys. 8. Styk wałeczka z bieżnią z obszarami lokalnie wysokiego tarcia prowadzący wskutek lokalnego tarcia mieszanego np. do naprężeń rozciągających (a), które mogą prowadzić do uszkodzenia takiego jak małe pęknięcie (b); pęknięcia powierzchniowe lub pęk- nięcia dochodzące do bieżni pozwalają na wnikanie oleju (c); dla obszaru d więcej szczegółowych informacji na rys. 12
Te ch ni ka
dotyczącymi powierzchni i mogą one być częściowo przewidziane za pomocą zaawansowanego modelu trwałości łożyska SKF. Wewnętrz- ne badania SKF wykazały, że wiele rodzajów uszkodzeń wskutek pęk- nięć w łożyskach w węzłach łoży- skowych skrzyń turbin wiatrowych swój początek ma najprawdopo- dobniej na lub tuż pod powierzch- nią (0-150 µm) i rozprzestrzenia się w głąb materiału pod wpływem pro- cesu zmęczenia korozyjnego 6, 7, 16.
Istnieje kilka wskazań mogących przemawiać za tą hipotezą.
Łożyska skrzyń przekładnio- wych turbin wiatrowych są stosun- kowo duże, a mechanizm inicjacji i propagacji pękania w dużych łożyskach może się różnić od tego w małych 6, 16. Przykładowo, w większych łożyskach odnotowa- no głębsze pęknięcia promieniowe przy umiarkowanych obciąże- niach wskutek istnienia naprężeń resztkowych i wyższego napręże- nia obwodowego 37.
W przypadku przedwczesnych uszkodzeń łożysk skrzyń turbin wiatrowych pojawienie się uszko- dzenia sugeruje szybką propaga- cję pęknięć. Szybko rozgałęziająca i rozszerzająca się propagacja pęk- nięcia może być wytłumaczona wpływem takich czynników che- micznych, jak tlen i produkty sta- rzenia się środka smarnego na
bokach/wierzchołkach pęknięcia 6,
16, 38. W całkowicie podpowierzch-
niowym układzie pęknięcia mamy do czynienia z warunkami próż- ni i w konsekwencji znacznie wol- niejszym rozrostem pęknięcia z powodu czysto mechaniczne- go naprężenia 38. Innymi słowy, już na wczesnym etapie, pęknięcia lub układy pęknięć muszą być połączo- ne z powierzchnią, aby możliwy był dostęp tlenu i środka smarnego.
Zmęczenie, któremu towarzy- szy obecność wodoru, może pro- wadzić do podobnych skutków 28, 33 lub do przyspieszonego klasyczne- go zmęczenia tocznego 6, 35, 36; jednak wymagałoby to np. agresywnego środowiska korozyjnego lub ciągłe- go przepływu prądu elektrycznego o wysokiej częstotliwości. Obecność niezwiązanej wody prowadzi w ten sam sposób do powstania wysoce korozyjnego środowiska34, ale pro- ducenci turbin twierdzą, że zawar- tość wody w środkach smarnych jest pod kontrolą. W trakcie badań pro- wadzonych przez SKF w skrzyniach turbin wiatrowych zwykle nie napo- tykano na korozję powstałą wsku- tek wilgoci. Jeśli zatem można ją wykluczyć, to regeneracyjne i pasy- wacyjne tribowarstwy zwykle sta- nowią barierę dla korozji i absorpcji wodoru przez stal, o ile są one nie- przerwane i we właściwym stanie.
Ogólnie mówiąc, jeśli w stali poja-
wia się absorpcja wodoru, to jest ona szkodliwa; dowody występowa- nia tego mechanizmu uszkodzenia w skrzyniach turbin wiatrowych są jednak relatywnie słabe.
Badania tribochemiczne SKF potwierdzają miejscową generację wodoru w stykach, gdzie występu- je duże tarcie mieszane. Do nieprze- rwanej generacji wodoru potrzebne są nowe, współpracujące powierzch- nie metalowe. Może to prowa- dzić do miejscowego osłabienia na powierzchni, ułatwiającego powsta- nie pęknięcia powierzchniowe- go. Jednakże w skrzyniach turbin wiatrowych rzadko kiedy odno- towuje się na uszkodzonych bież- niach łożysk poważne zużycie, które mogłoby pozwolić na przenika- nie wodoru. Dlatego też wnikanie wodoru przez bieżnię łożyska (bez udziału dodatkowego czynnika) wydaje się mało prawdopodobne.
Potencjalnym czynnikiem dodatko- wym mogłyby być agresywne oleje w turbinach, ewentualnie w połą- czeniu z zanieczyszczeniami 39, 40, 41. Zgodnie z doświadczeniem SKF oddziaływanie olejów stosowanych w skrzyniach turbin wiatrowych można odróżnić od mechanizmów zainicjowanych na powierzch- ni uszkodzeń 39 (np. mikropęknię- cia powierzchniowe). Dla określenia ich zależności niezbędne są dalsze badania. Na chwilę obecną gene-
racja wodoru jest postrzegana jako miejscowe zjawisko powstające w układach pęknięć wskutek dosta- nia się środka smarnego, prowadzą- ce do mechanizmu pękania wskutek zmęczenia korozyjnego (CFC) 6, 16.
Normalne umiarkowane warunki obciążenia łożysk w skrzyniach tur- bin wiatrowych, brak resztkowych naprężeń ściskających (w obsza- rze maksymalnego naprężenia zre- dukowanego von Misesa) oraz zmniejszenie rozszerzania się linii dyfrakcyjnych promieni Roentge- na w sąsiedztwie bieżni w uszkodzo- nych łożyskach (np. wskutek tarcia mieszanego – naprężeń stycznych i drgań) wykazane w analizie odpo- wiedzi materiału również wska- zują na inicjację uszkodzenia na powierzchni lub w jej pobliżu 6, 7, 16. Ostatnio dowiedziono, iż nie tylko nieodpowiednie warunki smarowa- nia, ale również określone drgania przy wyższych częstotliwościach mogą zredukować grubość filmu i w konsekwencji zwiększyć ryzyko powstania warunków tarcia miesza- nego 42, 43.
Zgodnie z [44] powstawanie sieci WEC jest w mniejszym stopniu uza- leżnione od nacisków hertzowskich, a czynniki o największym wpływie związane są z powierzchnią. Często dyskutowana rola generacji motyl- kowatych pęknięć przy wtrące- niach, które wykazują się podobną do WEC zmienioną mikrostruktu- rą, jest postrzegana jako część kla- sycznego mechanizmu zmęczenia dobrze ujętego w modelu trwałości łożysk 7, 44, 45. Odnotowano niewiel- ką liczbę dowodów eksperymen- talnych, które podtrzymałyby tezę o propagacji pęknięć motylkowych w sieciach WEC 10.
Wysoka koncentracja pęknięć motylkowatych jest sygnałem nad- miernego naprężenia lub bar- dzo dużego obciążenia (>3 GPa), lecz wg producentów turbin nad- mierne obciążenia nie mają miej- sca. Potwierdzać to wydają się standardowe testy HALT skrzyń.
Wysoce przyspieszony test trwa-
łości (HALT) jest metodą badania naprężeń celem szybkiego osza- cowania niezawodności w czasie procesu opracowania inżynier- skiego. Przeprowadzane w jego ramach badania metalurgiczne czę- sto wykazują zwiększoną liczbę for- macji motylkowatych w łożyskach z powodu wysokich obciążeń pod- czas testu, lecz łożyska uszkodzone w rzeczywistej eksploatacji czę- sto nie wykazują znacznego wzro- stu liczby formacji motylkowatych
6, 7. Pomimo umiarkowanych obcią- żeń łożyska mogą ulegać uszko- dzeniom wskutek pęknięcia/WEC nie wykazując wcale znacznej licz- by czy choćby pojedynczych przy- padków formacji motylkowatych, co szczególnie sprawdza się na stop- niach szybkoobrotowych 6, 7. Wyda- je się, że standardowe testy skrzyń HALT wymagają dalszego dostoso- wania, aby mogły odwzorowywać mechanizmy wczesnego uszkodze- nia obserwowane w eksploatacji.
Nie można jednak w pełni wyklu- czyć występowania nieoczekiwa- nych uszkodzeń łożysk wywołanych wysokimi naprężeniami podpo- wierzchniowymi 32 również wsku- tek obecności wtrąceń, dopóki nie zostanie w pełni zrozumia- ny dokładny wpływ chwilowych warunków pracy. Dokładne wyzna- czenie obciążeń łożysk skrzyń prze- kładniowych turbin wiatrowych w warunkach rzeczywistej eksplo- atacji jest w dużej mierze oparte o symulacje pola wiatru, na dalszych etapach sprowadzone do przyjęcia obciążenia quasistatycznego; przy nominalnych warunkach zakłada się występowanie umiarkowanych obciążeń. Należy mieć na uwadze warunki stanów nieustalonych, któ- re w coraz większym stopniu są uwzględniane przez przemysł tur- bin wiatrowych.
Potencjalny mechanizm propagacji uszkodzenia Powszechnie uważa się, że to nie nominalne warunki pracy turbiny wiatrowej, ale raczej chwilowe, czę-
ściowo nieznane warunki zakłócają czasem kinematykę łożysk, obcią- żenie i smarowanie. Zasadniczo przyjmuje się, że dużą koncentrację naprężeń powierzchniowych moż- na uzyskać np. przez miejscowe tar- cie mieszane wywołane drganiami 6,
16, 47, niewspółosiowość lub w innych
już wymienionych przypadkach.
Przy granicznym smarowaniu sty- ków na poziomie chropowatości koncentracja naprężeń rozciągają- cych może wzrosnąć i otwierać pęk- nięcie w czasie powtarzalnych cykli (obszary wysokich naprężeń tuż pod chropowatością) 48, 49.
Jak pokazano schematycznie na rys.
8, warunki chwilowe mogą wywołać pęknięcia powierzchniowe, praw- dopodobnie przyspieszone efek- tami tribochemicznymi 6, 16, 39, 40, 41
lub pęknięcia podpowierzchniowe, które dosięgają bieżni, jeśli rozpo- czynają się w punktach osłabienia, takich jak np. wtrącenie w pobliżu powierzchni (<150 µm) 6.
Wtrąceniami mogą być miękkie siarczki manganu lub twarde tlenki, które naturalnie występują w każ- dej stali łożyskowej. Dodatkowo niewielkie linie siarczku manga- nu na bieżni mogą niekiedy ulec roz- puszczeniu przez środek smarny i działać jako potencjalne pęknięcia powierzchniowe 6, 16 i/lub jako pęk- nięcia korozyjne wywołane przez środowisko. Przykłady płytkich pęknięć powierzchniowych poka- zano na rys. 9 i 10, a ich dostrzeżenie na wczesnym etapie często wyma- ga znacznego wysiłku i doświadcze- nia 6, 7, 16.
Pęknięcia przedstawione na rys. 10 i 11 powstają w warunkach styku toczno-ślizgowego w zastoso- waniach motoryzacyjnych przy du- żej sile napędowej i wysokich naprę- żeniach stykowych (około 3 GPa), zbliżonych do potencjalnych warun- ków obciążenia wiatrem 18.
Po miejscowym uszkodzeniu bieżni łożyska środek smarny o wy- sokiej wytrzymałości (z dodatkami EP) przedostanie się do pęknięcia.
W zależności od ukierunkowania
Strefa podpowierzchniowa
Pole naprężeń
Wnikanie oleju
28 29
raceway cut
rolling direction starting crack raceway
Rys. 12. Kontynuacja rys. 8: a) po penetracji olej i dodatki reagują na bokach pęknięcia wytwarzając miejscowo wodór, b) i c) wodór miejsco- wo zmienia mikrostrukturę w pobliżu układu pęknięcia w WEC (od obsza- rów ciemnych DER do obszarów białych WEA)6, 7, 16.
Wnikanie oleju
DER WEA
H H H H
a b c
H
Rys. 9. a) małe płytkie pęknięcie na bieżni i dalsza propagacja pęknięcia, lekkie ślady obróbki wskazują na potencjalne warunki tarcia mieszanego, b) przekrój płytkiego pęknięcia powierzchniowego, c) pęknięcie powierzchniowe wywołane przez wtrącenie w pobliżu powierzchni (badania fraktograficzne przy użyciu ska- ningowego mikroskopu elektronowego, zaczerpnięte z [6])
9a
10a
9b
10b
9c
Rys. 10. Pęknięcia na elementach ze stykiem toczno-ślizgowym z zastosowania motoryzacyjnego: a) niewielkie pęknięcia na bieżni wywołane tarciem – niewielkie ślady obróbki wskazują na warunki tarcia mieszanego, b) mikroprzekrój obwodo- wy (SKF Material Physics, Schweinfurt) ukazujący „nie udekorowane” pęknięcie (po lewej) i „udekorowane” białe pęknięcie (po prawej).
Rys. 11. Powierzchnia przełomu (por.
z rys.10a) ukazująca dwa pęknięcia (podobne do tego z rys. 9c), otoczone strukturą CFC (fraktografia przy użyciu skaningowego mikroskopu elektro- nowego, tryb elektronów wstecznie rozproszonych)
13a 13b 13c
Rys. 13. a) przekrój wzdłużny pęknięcia związanego z powierzchnią, b) międzykrystaliczna mikrostruktura w pobliżu układu pęknięcia, c) transkrystaliczna mikrostruktura w innych miejscach
Rys. 14. Nieregularna sieć „udekorowanego” białego pęknięcia (wg [6])
Te ch ni ka
pęknięcia, efekty hydrauliczne do- datkowo wzmogą propagację pęk- nięcia 46. Jak pokazano na rys. 12, środek smarny (często zestarzały i/lub zanieczyszczony wodą) będzie reagował we wnętrzu materiału na
„świeżych”, metalicznych bokach pęknięcia. Innymi słowy zostanie wyzwolony proces propagacji pęk- nięć wskutek zmęczenia korozyjne- go (CFC).
Prowadzi to do wywołanej przez wodór transformacji mikrostruk- tury wskutek jego uwolnienia z pro- duktów rozkładu penetrującego oleju (dodatki, zanieczyszczenia) na ocierających się czysto metalicznych bokach pęknięcia, co dalej przyspie- sza propagację pęknięcia 6, 7, 16. Wnio- sek ten znajduje potwierdzenie także w przestrzennym rozłożeniu śladów zawartości wodoru w uszko- dzonych pierścieniach łożysk, które potwierdzają, że absorpcja wodoru pojawia się na dalszym etapie pro- cesu uszkodzenia 7, 16. Jak pokazano na rys.13, badanie fraktograficz- ne „wypreparowanej” powierzchni wymuszonego przełomu w pobli- żu pęknięcia pierścienia wewnętrz- nego ukazuje międzykrystaliczną mikrostrukturę, która wskazuje na wykruszenie materiału spowodowa- ne uwolnionym ze starzejących się środków smarnych wodorem 6, 7, 16, 41, podczas gdy w większej odległości od pęknięcia CFC można dostrzec normalną, w większości transkry- staliczną strukturę powierzchni przełomu. Dalsze oznaki mecha- nizmu CFC wykryto za pomocą analizy EDX pozostałości środka smarnego i dodatków w otwartym układzie pęknięcia 6, 7, 16.
Wewnątrz układu pęknięcia, me- chanizm CFC przekształci miejsco- wo mikrostrukturę w białe obszary i doprowadzi do typowego pojawienia się nieregularnej sieci WEC (np. rys.
2, 6 i 14). Dlatego też WEC uznawa- ne jest za zjawisko wtórne i produkt
uboczny mechanizmu CFC, jako że uwolniony wodór i rozproszona energia na bokach pęknięcia powo- dują miejscową zmianę mikrostruk- tury objawiającą się pod postacią białych pęknięć.
Rozkład i intensywność WEC są dość złożone. Zależą one w dużym stopniu od dystrybucji resztek środ- ka smarnego we wnętrzu sieci pęk- nięcia, lokalnego efektu tarcia na bokach pęknięcia i lokalnych pól na- prężeń zredukowanych.
Ostatecznie szybka i trójwymia- rowa propagacja oraz rozgałęzianie się pęknięcia w połączeniu ze zmia- ną jego kierunku doprowadzi do szybkiego uszkodzenia powierzchni tocznych łożyska.
Wnioski i strategia prewencyjna SKF
Szybki rozwój przemysłu turbin wiatrowych oraz tendencja do zwiększania rozmiarów turbin loko- wanych tam, gdzie panują niespo- kojne warunki wiatrowe, stawiają poważne wyzwania przed łożyska- mi tocznymi w układach napędo- wych. Jedną z konsekwencji tej ewo- lucji stało się przedwczesne uszkadzanie łożysk skrzyń przekła- dniowych. Na przestrzeni lat dysku- sja w przemyśle skupiała się głównie na wpływie materiału łożysk i ob- róbce cieplnej. Przyjmuje się, że spe- cyficzne warunki wiatrowe mogą prowadzić do zakłóceń kinematyki, obciążeń i smarowania łożyska.
Źródłowa przyczyna uszkodzenia może zatem znajdować się nie tylko we wnętrzu łożyska. Trzeba uwzględniać wszelkie powiązania pomiędzy łożyskiem, skrzynią i tur- biną w danym zastosowaniu.
Opisano zjawisko uszkodzeń ło- żysk skrzyń turbin wskutek pęknięć / WEC. Przedstawiono hipotezę po- wstawania uszkodzenia. Badania przeprowadzone przez SKF ujaw- niły, że rodzaje uszkodzeń wskutek
30 31
Bibligrafia
[1] GWEC, Global Wind Report, Annual Market Update 2010, April 2011
[2] Y. Feng, P. Tavner, Introduction to Wind Turbines and Their Reliability & Avail- ability, Durham side event at the EWEC conference, Warsaw, April 2010 [3] ISO 15243:2004, Rolling Bearings – Damage and Failures – Terms, Character- istics and Causes
[4] ISO 281, Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life ; ISO/TR 1281- 2: Rolling bearings – Explanatory notes on ISO 281 – Part 2: Modified rating life calculation, based on a systems approach to fatigue stresses, and SKF General Catalogue
[5] H. Swahn, P.C. Becker, O. Vingsbo (1976a), Martensite Decay During Rolling Contact Fatigue in Ball Bearings. Metal- lurgical Transactions A, Vol. 7A, No. 8, pp.
1099–1110
[6] J. Gegner, Tribological Aspects of Roll- ing Bearing Failures. In: Tribology – Lubri- cants and Lubrication, Kuo, C.-H. (Ed.), InTech, Rijeka, Croatia, 2011, Chap. 2, pp. 33–94, http://www.intechopen.com/
articles/show/title/tribological-aspects- of-rolling-bearing-failures
[7] J. Gegner, Frictional Surface Crack Ini- tiation and Corrosion Fatigue Driven Crack Growth, NREL workshop, Broomfield, November 2011
[8] J. Luyckx, Hammering Wear Impact Fatigue Hypothesis WEC/irWEA Failure Mode on Roller Bearings, NREL workshop, Broomfield, November 2011
[9] W. Holweger, Influence on Bearing Life by New Material Phenomena, NREL work- shop, Broomfield, November 2011 [10] M.H. Evans, White Structure Flaking (WSF) in Wind Turbine Gearbox Bearings:
Effects of ‘Butterflies’ and White Etching Cracks (WECs), Material Science and Technology, Vol. 28 No. 1, 2012 [11] J.P. Molly, Wind Energy – Quo Vadis?
DEWI Magazine No. 34, February 2009 [12] D. Heidenreich, A Lean Solution to the Gearbox Life Problem in Wind Turbine Drive Systems, Hannover Messe 2011 [13] J. Rosinski, D. Smurthwaite, Trouble- shooting Wind Gearbox Problems, Gear- solutions 2010
[14] A. Heege et al., Matching Experimen- tal and Numerical Data of Dynamic Wind Turbine Loads by Modeling of Defects, SAMTECH, EWEC 2009
[15] D. Aguglia, R. Rebeschini, Power Transformer Role for Gearbox Mechani- cal Stress Mitigation During Voltage Dips Applied to Doubly-Fed Induction Generator based WT, EWEC Warsaw, April 2010 [16] J. Gegner, W. Nierlich, Mechanical and Tribochemical Mechanisms of Mixed Friction Induced Surface Failures of Rolling Bearings and Modeling of Competing Shear and Tensile Stress Controlled Damage Ini- tiation. Tribologie und Schmierungstech- nik, Vol. 58, 2011, No. 1, pp. 10–210 Podsumowanie Szybki rozwój przemysłu turbin wiatrowych oraz wzrost
mocy znamionowej generowanej przez turbiny wiatrowe i zwiększanie ich rozmiarów w połączeniu z surowymi warunkami pracy tworzą wymagające środowisko pracy. Zrozumienie mechanizmów, szczególnie w układach łożysk, które mogą prowadzić do wczesnych uszkodzeń turbin, ma decydujące znaczenie dla dostarczania sprzętu spełniającego potrzeby przemysłu w zakresie niezawodnej generacji energii w połączeniu z oszczędnym działaniem.
Mechanizmy uszkodzeń są złożone i złagodzenie ich skutków wymaga dogłębnych badań oraz współpracy między wszystkimi sektorami przemysłu.
Te ch ni ka
pęknięć łożysk w newralgicznych węzłach łożyskowania skrzyni naj- prawdopodobniej powstają na po- wierzchni lub blisko powierzchni i rozchodzą się dalej w głąb mate- riału pod wpływem procesu korozji zmęczeniowej.
Ze względu na wysoki stopień skomplikowania turbiny wiatro- wej oraz możliwość uszkodzenia ło- żysk zabudowanych w różnych miej- scach jest mało prawdopodobne, aby była tylko jedna pierwotna przyczy- na związana z warunkami zastoso- wania. Niemniej można stwierdzić, że w celu zredukowania mikrotarcia i wysokich naprężeń rozciągających należy unikać każdych warunków zakłócających kinematykę łoży- ska, a więc także dużych poziomów drgań i dużego tarcia ślizgowego.
Aby skutecznie wesprzeć prze- mysł turbin wiatrowych, SKF sku- pia się na modyfikacjach łożysk, któ- rych celem jest zmniejszenie ryzyka przedwczesnego uszkodzenia ło- żysk i zwiększenie odporności ło- żysk w określonych warunkach za- stosowań w turbinach wiatrowych.
Strategia rozwiązania uwzględnia głównie opracowaną hipotezę, ale odnosi się również do powszech- nych teorii dotyczących WEC.
Większość strategii zapobiegania uszkodzeniom została pozytywnie zweryfikowana przez wewnętrzne badania oraz praktyczne doświad- czenie SKF. Najnowocześniejszymi obecnie środkami prewencji uszko- dzeń są:
• specjalne środki pasywne SKF stabilizacja mikrostruktury pod
powierzchnią,
uczynienie łożysk bardziej od- pornymi na wodór i oddziaływa- nie chemiczne,
zmniejszenie mikrotarcia przy obciążeniu szczytowym, ulepszenie fazy rozruchu;
• specjalna stal SKF o wysokiej czy- stości dla najbardziej obciążonego komponentu
dalsza redukcja ilości wtrąceń, które mogą działać jak punk- ty wzrostu naprężeń w materiale lub na powierzchni;
• proces SKF głębokiego wzmacnia- nia powierzchni dla najbardziej obciążonego komponentu (proto- typy)
umożliwienie kondycjonowania komponentu (po wstrząsie – no- minalne obciążenie przy wietrze jest stosunkowo umiarkowane), zwiększenie odporności na ini-
cjację pęknięcia powierzchnio- wego oraz podpowierzchniowej propagacji pęknięcia.
Podsumowując, łożysko zmodyfi- kowane w opisany powyżej sposób może zredukować liczbę przed- wczesnych uszkodzeń, ale mu- szą temu towarzyszyć dalsze ulep- szenia całej konstrukcji w świetle rzeczywistych warunków w za- stosowaniu. Dlatego w proce- sie konstruowania potrzebna jest
współpraca wszystkich partnerów.
Powinny być również użyte za- awansowane narzędzia obliczenio- we do analizy warunków pracy ce- lem zidentyfikowania krytycznych warunków pracy i wyeliminowa- nia tych potencjalnie szkodliwych.
Silniejsze skupienie się na bada- niu komponentów w połączeniu z badaniami dynamicznymi pró- bek o rzeczywistych wymiarach (np. w instytutach badawczych ta- kich jak NREL, NAREC, Fraun- hofer, itp.) powinno umożliwić od- tworzenie niszczących warunków pracy i przebadanie potencjalnych rozwiązań.
Autorzy:
Kenred Stadler, kierownik w SKF Renewable Energy Application Development Centre, Schweinfurt, Niemcy, Arno Stubenrauch, kierownik w SKF Development Cluster Roller and Plain Bearings, Schweinfurt, Niemcy.
[17] W. Nierlich, J. Gegner, Einführung der Normalspannungshypothese für Mis- chreibung im Wälz-Gleitkontakt. Gleit- und Wälzlagerungen: Gestaltung, Berechnung, Einsatz, VDI-Berichte 2147, VDI Wissens- forum, Düsseldorf, Germany, 2011, pp.
277–290 (in German)
[18] M.N. Kotzalas, G.L. Doll, Tribological Advancements for Reliable Wind Turbine Performance, Phil.Trans.R.Soc. A 368, 2010[19] T. Thomas, Schäden durch Schwingun- gen noch nicht im Griff, VDI Nachrichten, 26.Feb.2010, No. 8
[20] T. Korzeniewski, Gearbox Protection Concept for Wind Turbine Generator Sys- tems, DEWI No. 36, 2010
[21] FVA 541 I, Wälzlagerlebensdauer- Windgetriebe, 2010
[22] B. Kamchev, Wind Energy Encounters Turbulence, Lubes’n’greases 2011 [23] R .Heemskerk, Challenges on Rolling Bearings in Wind Turbines, VDI Gleit- und Wälzlagerungen 2011
[24] IEC/ISO 61400-1 to 25, Design Requirements for Wind Turbines [25] ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03, Standard for Design and Specification of Gearboxes for Wind Turbines, 2003 [26] O. Klempert, Belastungen im Getriebe werden zum Streitthema, VDI Nach- richten, 14.Mai.2010, No. 19
[27] W. Musial, S. Butterfield, B. McNiff, Improving Wind Turbine Gearbox Reliabil- ity, NREL, 2007
[28] H. Uyama, The Mechanism of White Structure Flaking in Rolling Bearings, NREL workshop, Broomfield, November 2011[29] N. Kino, K. Otani, The Influence Of Hydrogen On Rolling Contact Fatigue Life and Its Improvement, JSAE Rev., 24, 2003 [30] K. Tamada, H. Tanaka, Occurrence of Brittle Flaking on Bearings Used for Automotive Electrical Instruments and Auxiliary Devices, Wear, 199, 1996 [31] T. Lund, Subsurface Initiated Rolling Contact Fatigue – Influence of Non-Metal- lic Inclusions, Processing Conditions and Operating Conditions, J. ASTM Int., 7, 2010[32] T. Lund, SABB 1309, ASTM confer- ence, Tampa, 2011
[33] R. Vegter, J. Slycke, The Role of Hydro- gen on Rolling Contact Fatigue Response of Rolling Element Bearings, J. ASTM Int., 7, 2009
[34] I. Strandell, C. Fajers, T. Lund, Cor- rosion – One Root Cause for Premature Failures, 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, 2010
[35] J. Gegner, W. Nierlich, Sequence of Microstructural Changes during Rolling Contact Fatigue and the Influence of Hydro- gen. Proceedings of the 5th International Conference on Very High Cycle Fatigue, Berger, C. and Christ, H.-J. (Eds.), German Association for Materials Research and
Testing (DVM), Berlin, 2011, pp. 557–562 [36] J. Gegner, W. Nierlich, Hydrogen Accelerated Classical Rolling Contact Fatigue and Evaluation of the Residual Stress Response, Material Science Forum Vol. 681, 2011
[37] T.H. Kim, A.V. Olver, P.K. Pearson, Fatigue and Fracture Mechanism in Large Rolling Element Bearings, Tribology Transaction, 44, 2001
[38] J. Lai et al., The Fatigue Limit of Bear- ing Steels – Part I: A Pragmatic Approach to Predict Very High Cycle Fatigue Strength, International J.o.Fatigue, 37, 2012 [39] R. Pasaribu, P. Lugt, The Composi- tion of Reaction Layers on Rolling Bearings Lubricated with Gear Oils and Its Correla- tion with Rolling Bearing Performance, Tribology Transaction, STLE, 2012 [40] I. Nedelcu, E. Piras, A. Rossi, R.
Pasaribu, XPS Analysis on the Influence of Water on the Evolution of Zinc Dialkyl- dithiophosphate-derived Reaction Layer in Lubricated Rolling Contacts, ECASIA spe- cial issue paper, Surf. Interface Anal, 2012 [41] B. Han, Bo.X. Zhou, R. Pasaribu, C-Ring Hydrogen Induced Stress Corrosion Cracking (HISCC) Tests in Lubricating Liquid Media, European Corrosion Con- gress, Stockholm, 2011
[42] A. Félix-Quiñonez, G.E. Morales- Espejel, Film Thickness Fluctuations In Time-Varying Normal Loading of Rolling Elastohydrodynamically Lubricated Con- tacts, Proc. IMechE Vol. 224 Part C, 2010 [43] A. Félix-Quiñonez, G.E. Morales- Espejel, Film Thickness in EHL Rolling Contacts with Transient Normal Load, ITC Hiroshima, 2011
[44] W. Holweger, J. Loos, Beeinflußung der Wälzlagerlebensdauer durch neue Werkstoffphänomene in speziellen Anwend- ungen, Antriebstechnisches Kolloquium Aachen, ATK, 2011
[45] M. Brueckner, J. Gegner, A. Grabulov, W. Nierlich, J. Slycke, Butterfly forma- tion mechanisms in rolling contact fatigue, D.Verb.für Materialfor. und -prüf. e.V., 2011[46] J. Lai, J. Wang, E. Ioannides, Fluid- crack interaction in lubricated rolling- sliding contact, Proceedings of the STLE/
ASME, IJTC 2008
[47] J. Gegner, W. Nierlich, Operational Residual Stress Formation in Vibration- Loaded Rolling Contact. Advances in X-ray Analysis, Vol. 52, 2008, pp. 722–731 [48] G.E. Morales-Espejel, V. Brizmer, Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings, Trib. Trans. Vol. 54, pp. 625–643, 2011 [49] K. Stadler, G.E. Morales-Espejel, V.
Brizmer, Micropitting in rolling bearings:
influence of lubrication, roughness, wear and ways of prevention, Antriebstech- nisches Kolloquium Aachen, ATK 2011
