Der Fall für karburierte Lager in Windkraftanlagen

May 27, 2023

Von Paul Dvorak | 19. Dezember 2016

Rob Budny, Präsident, RBB EngineeringRichard Brooks, Manager für Windenergie-Ersatzteilmarkt, Timken Co.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel basiert auf einem Webcast vom 2. November und kann hier wiederholt werden: https://goo.gl/KGglfR

Praxisnahe Beispiele einer Analyse von zwei Lagern in Windkraftgetrieben geben Aufschluss darüber, warum manche Lager länger halten als andere. Für die Fallstudien hier baute ein Windkraftanlagen-OEM etwa 500 Multi-Megawatt-Einheiten eines bestimmten Modells. Vor etwa sechs Jahren waren einige der 500 Anlagen weniger als ein Jahr alt, andere schon etwas älter. Der Älteste, der Flottenführer, war zum Zeitpunkt der Studie sechs Jahre alt. Das Getriebe des Modells verwendete Zwischenlager von zwei Lieferanten. Wir nennen sie Lieferant A und Lieferant B. Sie verwendeten auch Hauptlager von zwei Lieferanten, nennen sie Lieferant C und Lieferant D.

Das Hauptlager wurde in das Getriebe integriert. Die Hälfte der Hauptlager stammte von Lieferant C und die andere Hälfte von Lieferant D. Glücklicherweise für die Studie ergab das Endergebnis einen großen Bestand von über 500 Turbinen. Die Hälfte der Zwischenlager stammte von einem Lieferanten.

Es mag einige überraschen, dass die Zuverlässigkeit der Lager sehr unterschiedlich ausfiel. Bei einigen Zwischenlagern und einigen Hauptlagern kam es zu hohen Ausfallraten. Diese Ausfallraten waren der Auslöser für eine Ursachenanalyse – eine RCA.

Die Zwischenlager

Die Zwischenlager waren NJ2334. Das ist eine ISO-Bezeichnung und ein Standardkataloglager. Theoretisch könnte man dieses Lager bei fast jedem der großen Hersteller kaufen. Die Lager von Anbieter A und Anbieter B waren nahezu identisch.

Die beigefügte Tabelle zeigt einige relevante Konstruktionsdaten der beiden Lager. Beachten Sie, dass die Innendurchmesser gleich und die Außendurchmesser gleich sind. Die Anzahl der Rollen ist identisch. Der Rollendurchmesser ist gleich, ebenso die Rollenlängen. Daher sind die Lager von Anbieter A in fast jeder Hinsicht identisch mit den Lagern von Anbieter B.

Der einzige Bereich, in dem sie sich unterschieden, war ihre Wärmebehandlung. Die Lager von Anbieter A waren einsatzgekohlt, während die Lager von Anbieter B durchgehärtet waren.

Bei Getrieben mit Lagern des Herstellers A (Gehäuse aufgekohlt) kam es jedoch nur zu einem Ausfall. Diese Ausfallquote lag deutlich unter 1 %. Getriebe mit Lagern des Anbieters B (durchgehärtet) hatten eine Ausfallrate von 16 % mit einer durchschnittlichen Zeit bis zum Ausfall von 27.200 Stunden. Im Rahmen des RCA wollten wir uns mit den Unterschieden zwischen den Lagern befassen und diese verstehen, die den Lagern von Anbieter A die Zuverlässigkeitsvorteile verschafften.

Das Bild rechts zeigt einen Querschnitt durch den Lagerring. Dies zeigt einen sogenannten irWEA oder einen unregelmäßigen weißen Ätzbereich. Dies ist eine verräterische Struktur, die mit diesem White-Etch-Crack-Fehler in Zusammenhang steht.

Betrachten Sie die Morphologie dieses Fehlers oder wie der Fehler aussah. Im Fall der Zwischenlager ist der Riss wie im nebenstehenden Bild so weit verbreitet. Dies ist die häufigste Ursache für den Ausfall von Getrieben bei Windkraftanlagen, nämlich die Art des Versagens durch axiale Risse. Beim Abbau ist es fast immer (auf der linken Seite) sichtbar.

Das Bild rechts zeigt einen Querschnitt durch den Lagerring. Dies zeigt einen sogenannten irWEA oder einen unregelmäßigen weißen Ätzbereich. Dies ist eine verräterische Struktur, die mit diesem White-Etch-Crack-Fehler in Zusammenhang steht.

Wir haben auch die jeweils vorhandene Eigenspannung untersucht. Die dunkle Kurve auf der Folie zeigt die Restspannung im Lagerring des aufgekohlten Lagers, während die gestrichelte Linie die Restspannung bis zum Tod des Lagerrings für das durchgehärtete Lager zeigt. An der Ringoberfläche wiesen beide Lager eine Druckeigenspannung auf. Das ist ein Artefakt des Schleifprozesses, aber wenn man direkt unter die Oberfläche schaut, zeigt die Analyse, dass das aufgekohlte Lager eine relativ große Druckeigenspannung aufweist. Diese Spannung sorgt dafür, dass Risse geschlossen bleiben, und sorgt für einen Zuverlässigkeitsvorteil.

Das durchgehärtete Lager wies jedoch abgesehen von der Oberfläche kaum oder gar keine Druckeigenspannungen auf. Das war einer der wesentlichen Unterschiede, die wir zwischen den beiden Lagern festgestellt haben. Ein weiteres von uns untersuchtes Attribut war der Gehalt an Restaustenit. Die Lager haben keine einheitliche Mikrostruktur, sie unterscheiden sich vor allem im Hinblick auf Martensit und Austenit.

Im Fall des Zwischenlagers von Hersteller A zeigt ein begleitendes Diagramm, Zwischenlager-Eigenspannung, den Prozentsatz des zurückgehaltenen Austenits von der Oberfläche in das Lagermaterial. Sie können sehen, dass ein hoher Anteil an Restaustenit vorhanden ist, der an der Oberfläche mehr als 30 % beträgt und bei einem Millimeter Tiefe auf etwa 25 % abfällt. Das durchgehärtete Lager wies jedoch im Wesentlichen keinen Restaustenit auf. Es gibt einen großen Unterschied in der Mikrostruktur zwischen den beiden Lagern.

Zusammenfassend zeigten die Daten, dass die einsatzaufgekohlten Lager um ein Vielfaches zuverlässiger waren als durchgehärtete Versionen. Die aufgekohlten Lager hatten eine vorteilhafte Restdruckspannung im Untergrund, die die durchgehärteten Lager nicht hatten.

Druckeigenspannung hält Risse geschlossen und verhindert die Entstehung von Rissen.

Druckeigenspannung hält Risse geschlossen und verhindert die Bildung von Rissen. Wenn sich Risse bilden, verhindert die Druckeigenspannung deren Fortschreiten bzw. verzögert ihr Fortschreiten.

Wir fanden heraus, dass einsatzgekohlte Lager einen erheblichen Anteil an Restaustenit von mehr als 25 % aufwiesen, während die durchgehärteten Lager fast keinen Restaustenit aufwiesen. Restaustenit ist etwas weicher als Martensit, bietet aber auch eine höhere Bruchzähigkeit und eine gewisse Ermüdungsbeständigkeit.

Die Hauptlagerstudie

Wie zuvor gibt es zwei Lageranbieter, die wir C und D nennen. Auch hier waren ihre Lager von den Abmessungen her ähnlich. Nach wie vor identische Innen- und Außendurchmesser und die gleiche Anzahl an Rollen. In diesem Fall wurden beide Lager aufgekohlt. Weitere Gemeinsamkeiten waren der Wärmebehandlungsprozess. Die wesentlichen Unterschiede lagen in der Metallurgie.

Die Schäden entstanden am Innenring des Lagers. In diesem Fall kommt es am Innenring des Lagers zu starker Makropitting oder Abplatzung.

Das Getriebe mit Lagern des Herstellers C hatte keinerlei Ausfälle. Getriebe mit Lagern des Herstellers D hatten jedoch eine Ausfallrate von 16 % mit einer durchschnittlichen Zeit bis zum Ausfall von 26.690 Stunden.

Details zur Fehlermorphologie enthüllten mehr. Ein nebenstehendes Bild zeigt den Innenring des Lagers. Wieder. Die Ausfälle hatten ihren Ursprung am Innenring des Lagers. In diesem Fall kommt es am Innenring des Lagers zu starker Makropittingbildung oder Spallation, wie Lagerleute es gerne nennen. Ein Querschnitt durch den Unterabschnitt des Lagers zeigt den unregelmäßigen weißen Ätzbereich, eine Struktur, die mit dieser Rissversagensart in Zusammenhang steht.

Die Eigenspannung der beiden Lager zeigte ein ähnliches Eigenspannungsprofil und auch hier weist die Oberfläche des Lagers eine hohe Druckeigenspannung auf. Das ist ein Ergebnis des Schleifens. Ein Blick in die Tiefe des Lagers zeigt, dass beide erhebliche Druckeigenspannungen aufweisen. Unterschreitet man jedoch etwa einen Millimeter, ändert sich die Größe der Druckeigenspannung.

Die Stelle, an der Risse entstehen würden, ist weniger als einen Millimeter tief. Hinsichtlich der Druckeigenspannung waren die Lager relativ gleichwertig. Das war also nicht für den Unterschied in der Zuverlässigkeit verantwortlich.

Als nächstes untersuchten wir den Gehalt an Restaustenit und stellten einen deutlichen Unterschied fest. Das Lager des Anbieters C, das keine Ausfälle aufwies, wies 20 % Restaustenit an der Oberfläche auf, das bis zu etwa 25 % unterhalb der Oberfläche anstieg. Das andere Lager, ebenfalls einsatzkarburiert, wies etwa 12 % Restaustenit an der Oberfläche auf, der auf etwa maximal 17 % anstieg.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beide Hauptlager einsatzgekohlt waren, jedoch unterschiedliche metallurgische Eigenschaften aufwiesen. Die Eigenspannungsverteilung war bei beiden ähnlich. Allerdings hatte das Lager des Anbieters C, das zuverlässigere Lager, keine Ausfälle und einen deutlich höheren Restaustenitgehalt von über 25 %. Lager des Anbieters D hatten eine Ausfallrate von 16 %. Es ist wichtig zu erkennen, dass die präsentierten Daten aus tatsächlichen Felderfahrungen stammen – von Getrieben für Windkraftanlagen – und nicht aus analytischen Vorhersagen oder Labortests.

Die Daten zeigten, dass einsatzaufgekohlte Lager widerstandsfähiger gegenüber tatsächlichen Rissausfällen waren als durchgehärtete Lager. Auch hier ist der eigentliche Riss-Fehler-Modus die häufigste Ursache für Getriebeausfälle von Windkraftanlagen. Wir haben gesehen, dass einsatzkohlenstoffhaltige Lager vom Vorhandensein einer Druckeigenspannung profitieren, die für eine erhöhte Ermüdungsbeständigkeit sorgt. Auch hier führt die Druckspannung dazu, dass Risse geschlossen bleiben. Darüber hinaus wird verhindert, dass Risse entstehen und sich gar nicht erst bilden.

Wir haben auch gesehen, dass ein höherer Gehalt an Restaustenit von mehr als 25 % offenbar Schutz vor diesen Ausfällen bietet. Wir haben auch gesehen, dass nicht alle Aufkohlungsprozesse die gleichen metallurgischen Eigenschaften bieten. Im Fall der Hauptlager waren beide einsatzgekohlt, wiesen jedoch deutlich unterschiedliche Zuverlässigkeitsgrade auf. Außerdem gibt es erhebliche Unterschiede im Gehalt an Restaustenit zwischen den beiden Lagern.

Die Unterschiede im Wärmebehandlungsprozess können einen großen Einfluss auf die Lagerzuverlässigkeit haben. Bei zwei Lagern, die in jeder Hinsicht nahezu identisch sind, können die Details des Wärmebehandlungsprozesses einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Lager haben.

Einsatz aufgekohlt statt durchgehärtet

Hier stellen wir Ihnen noch ein paar Details zu den Unterschieden zwischen einsatzkohlenten und durchgehärteten Lagern vor. Es gibt noch andere Wärmebehandlungsmethoden, aber die wichtigsten für diese Diskussion sind das Einsatzaufkohlen und das Durchhärten.

Betrachten Sie eine einfache Analogie von Süßigkeiten, um die Unterschiede zwischen diesen beiden Wärmebehandlungen zu veranschaulichen. Stellen Sie sich aufgekohlte Lager als mit Schokolade überzogene Bonbons mit einer harten Schale vor. Wenn es einen Schlag abbekommt, kann es brechen, aber nicht vollständig. Eine harte Schale und ein weicher Kern absorbieren Stöße.

Ein durchgehärtetes Lager ist wie herkömmliches Bonbon. Es ist spröde. Wenn es einen Aufprall erleidet, wird es vollständig durchbrechen. Es ist keine perfekte Analogie, aber ein guter Anfang. Wie trifft das hier eigentlich zu?

Der Prozess zur Herstellung eines durchgehärteten Lagers beginnt mit einem kohlenstoffreichen Stahl wie 52100 und umfasst im Wesentlichen zwei Schritte, obwohl es Variationen gibt.

Das aufgekohlte Gehäuse sorgt für ein hartes Gehäuse auf der Außenseite, lässt den Kern jedoch relativ weicher. Dadurch ergeben sich bei der Anwendung die Vorteile der Stoß- und Schmutzfestigkeit. Es bietet außerdem Widerstand gegen die Bildung von weißen Ätzflächen und die nützlichen Druckeigenspannungen.

Das durchgehärtete Lager hingegen weist im gesamten Querschnitt die gleiche Härte auf. Dies bringt Vorteile mit sich, beispielsweise höhere Betriebstemperaturen, was bei manchen Anwendungen wichtig ist. Das Durchhärten ist außerdem ein einfacherer Prozess und führt daher zu geringeren Herstellungskosten.

Der Prozess zur Herstellung durchgehärteter Lager beginnt mit einem kohlenstoffreichen Stahl wie 52100 und umfasst im Wesentlichen zwei Schritte, obwohl es Variationen gibt. Im ersten Schritt wird das Lager erhitzt, um es zu härten, gefolgt von einem Abschrecken. Schritt zwei ist ein sekundärer Erhitzungsprozess auf eine niedrigere Temperatur, der das Material temperiert. Auf der Y-Achse des Diagramms können Sie die Art der Temperatur, den Durchhärtungsprozess bis zu etwa 800 °C und auf der X-Achse die Zeit sehen, die Zeit, die für den Prozess benötigt wird.

Der Einsatzkohlenprozess beginnt mit einem kohlenstoffärmeren Stahl wie 8620 und umfasst drei Schritte. Kurz gesagt: Beim Aufkohlen des Stahls wird Kohlenstoff in die erhitzte Atmosphäre mit einer Temperatur von nahezu 1.000 °C injiziert und anschließend der Stahl abgeschreckt. Durch eine zweite Erhitzungsperiode wird das Material ausgehärtet und anschließend durch einen dritten Erhitzungsvorgang temperiert. Das Aufkohlen insgesamt ist ein viel längerer Prozess mit drei separaten Erhitzungen.

Was sind also die Vorteile der Gehäuseaufkohlung und warum sind sie in einer Anwendung erwünscht? Wahrscheinlich Nummer eins: Aufkohlen sorgt für eine viel bessere Verschleißfestigkeit. Die Oberfläche ist deutlich verschleißfester. Ein einsatzkohlenstoffhaltiges Lager ist beständig gegen Risse, die sowohl bei herkömmlichen Belastungen als auch bei Stoßbelastungen auftreten. Das Material verfügt über Druckeigenspannungen, die die Bildung oder Ausbreitung von Rissen verhindern oder zumindest hemmen. Die Physik der Situation kämpft tatsächlich gegen das Wachsen dieser Risse.

Dann wird es auch viel widerstandsfähiger gegen Schmutz und Verunreinigungen im System sein, was, wie wir zur Genüge wissen, bei Getrieben von Windkraftanlagen der Fall ist. Es werden zum Beispiel Metallteile aus der Einlaufphase und einfach aus dem normalen Betrieb vorhanden sein. Ein aufgekohltes Lager ist viel widerstandsfähiger gegen die Auswirkungen der Verunreinigung.

Das Diagramm „Härte vs. Tiefe“ zeigt die Härte auf der Y-Achse und die Härtetiefe in Millimetern auf der X-Achse. Im Allgemeinen ist ein durchgehärtetes Lager durchgehend ziemlich hart. Etwas nördlich von 60 Rockwell wird es durchgehend die gleiche Härte haben. Während das aufgekohlte Material an der Oberfläche die gleiche oder eine ähnliche Härte aufweist, fällt es dann deutlich ab und hat einen viel weicheren Kern.

Das Diagramm „Einsatzaufkohlung versus Durchhärtung“ zeigt die Eigenspannungen unter der Oberfläche auf der Y-Achse und dann die Tiefe unter der Oberfläche auf der X-Achse. Der Vergleich der beiden Diagramme zeigt, dass das aufgekohlte Gehäuse eine viel größere Restdruckeigenspannung aufweist. Während das durchgehärtete Material Zugspannungen aufweist.

Was bedeutet das für das gebärende Leben? Die Abbildung „Relatives Leben unter schwierigen Bedingungen“ zeigt ein normalisiertes Leben. Das Diagramm basiert auf Tausenden von Tests, die über viele Jahre hinweg unter sterilen Laborbedingungen durchgeführt wurden, und vermittelt einen guten Überblick über die tatsächlichen Leistungsunterschiede. Die linke Seite zeigt die normalisierte Lebensdauer eines einsatzkohlenten (CC) Lagers und eines durchgehärteten Lagers (TH), die unter Bedingungen mit dünnem Schmierfilm betrieben werden. Das heißt, Bedingungen ohne ausreichenden Abstand zwischen den Kontaktflächen. Das entsprechende durchgehärtete Lager hat eine Lebensdauer von etwa 0,6, was einen deutlichen Rückgang der Lebensdauer darstellt.

Die Ergebnisse sind aussagekräftiger, wenn Sie sich die normalisierten Daten für einen ähnlichen Film mit Ablagerungen ansehen. In diesem Szenario hat das aufgekohlte Lager – normiert auf eins – eine viel längere Lebensdauer als ein durchgehärtetes Lager, das unter diesen rauen Bedingungen auf 0,4 sinkt.

Zusammenfassung der Wärmebehandlungen

Es gibt drei häufige Probleme, denen wir in der Industrie bei Hochgeschwindigkeits-Zwischenlagern begegnen. Weiße Ätzrisse, Einschlüsse und oberflächenbedingte Verschmierungen.

Empfehlungen für Hochgeschwindigkeits- und Zwischenlager

DLC: Diamantähnliche Beschichtung

Die Sauberkeit des Stahls trägt sicherlich dazu bei, Einschlüsse zu beseitigen, und trägt ein wenig dazu bei, der weißen Ätzung zu widerstehen. Die Aufkohlungsbehandlung des Gehäuses hilft beim Weißätzen. Es hilft auch bei den Einschlüssen, da es der Ausbreitung eventuell entstehender Risse entgegenwirkt.

Achten Sie beim Verschmieren auf Beschichtungen, die hier nicht thematisiert werden. Schwarzes Oxid oder DLC helfen beide besser bei oberflächenbedingtem Schleudern und wirken sich auch ein wenig positiv auf die White-Etch-Risse aus.

Die Auswahl eines Lagers wird ziemlich kompliziert, wenn man versucht, die Lagereigenschaften zu beschreiben, die für jede Position innerhalb eines Getriebes erforderlich sind. Lager sind mit unterschiedlichen Beschichtungen, unterschiedlichen Materialien, unterschiedlichen Wärmebehandlungsmethoden und unterschiedlichen Kosten erhältlich. Es wäre unklug, alles auf jede einzelne Position zu werfen. Das Ziel ist ein wirtschaftliches Getriebe, das über seine gesamte Lebensdauer hinweg eine hervorragende Leistung erbringt.