Tribotechnické listy

 

 

Analýza základních příčin poškození ložisek větrných turbín

Poškození ložisek známé jako bílé strukturní praskání (White Structure Flaking), které se vyskytují ve větrných turbínách i jiných pohonných soustavách, se typicky projevují velmi brzy, hodně dlouho před očekávaným koncem životnosti ložiska. Jejich příčiny zůstávaly dlouho neznámé, ale nyní došli odborníci firmy NSK k novým zjištěním, která vedla k vývoji nových materiálů ložisek, jež výrazně přispívají k prodloužení životnosti větrných turbín.


Delší životnost, větší dynamické namáhání
V kombinaci s extrémním dynamickým zatížením, které působí na převodovou soustavu větrné turbíny, je tento požadavek opravdovou výzvou. U pobřežních větrných elektráren jsou hlavní ložiska zatížena momentem přibližně 1 MN. Na moři však bývá větší rychlost větru, a proto jsou rotor a následně celá soustava turbíny vystaveny ještě většímu statickému i dynamickému namáhání.

Současně s tím kontinuálně roste velikost i výkon turbín pobřežních i příbřežních větrných elektráren. Společnost NSK nyní připravuje ložiska pro turbíny o výkonu 9,5 MW, které budou brzy uvedeny do výroby.  A navíc společnost vyvíjí ložiska pro turbíny příbřežních větrných elektráren s ještě větším jmenovitým výkonem.



Obrázek 1. - Ložiska turbín příbřežních větrných elektráren musí mít minimální životnost 25 let, i když jsou vystavena velkému dynamickému namáhání


Sledování stavu
Klíčovými faktory zvyšování požadavků na prodloužení životnosti ložisek je růst výkonu a zvětšování podílu příbřežních větrných elektráren na trhu.  Proto je technika větrných elektráren ideální oblastí využití systémů pro on-line sledování stavu ložisek (condition monitoring), které kontinuálně měří a analyzují vibrace převodové soustavy. Jestliže se vyskytne poškození, je možné analýzou měřeného profilu vibrací brzy detekovat vadný díl (vnitřní nebo vnější kroužek, valivá tělesa nebo klec).

Systém pro sledování stavu ložisek (CMS – Condition Monitoring System) vyvinutý firmou NSK byl nedávno instalován na příbřežní větrné farmě v Japonsku. Úkolem CMS je detekovat anomálie dostatečně brzy, aby mohla být zavedena strategie prediktivní údržby. NSK vidí v tomto typu řešení velký tržní potenciál.

Intenzivní vývoj nových materiálů
Avšak v kritických oblastech použití je sledování stavu ložisek až sekundárním opatřením. Primárním cílem techniků je a zůstane vyvinout taková ložiska větrných elektráren, která zajišťují vysoký stupeň jejich spolehlivosti. Také v tomto ohledu již učinili výrobci velké pokroky. K nim významně přispívá např. vývoj nových materiálů a jejich tepelného zpracování. Patří sem také speciální vysoce houževnatá ocel STF (Super Tough), vyvinutá společností NSK. Ložiska z tohoto materiálu mají až dvojnásobnou trvanlivost ve srovnání s ložisky z běžných ocelí.  S tím spojené zvýšení dovoleného zatížení bylo v prosinci 2017 potvrzeno a certifikováno zkouškami u firmy DNV GL.

Dlouhodobé odolnosti oceli STF bylo dosaženo speciálním chemickým složením a procesem tepelného zpracování. Typické druhy poškození, jako např. únavové trhliny v oběžných drahách ložisek způsobené nekovovými částicemi v ložiskové oceli, byly u ložisek vyrobených z materiálu STF téměř zcela odstraněny.

Výzkum příčin bílého strukturního praskání
Jeden z problémů, které se v průmyslu stále vyskytuje, je poškození známé jako bílé strukturní praskání (WSF – White Structure Flaking) nebo bíle naleptané trhliny (WEC – White Etching Cracks). V případě obou druhů poškození se v určitých oblastech pod povrchem oběžné dráhy vyskytují oblasti zkřehnutí materiálu. Křehká struktura není schopná odolávat zatížení, a je proto zárodkem trhlin. V některých případech se tyto trhliny šíří k povrchu oběžné dráhy ložiska, které následkem toho selže. Pro tento typ poškození je typické, že se objevuje poměrně záhy; někdy i krátce potom, co bylo ložisko uvedeno do provozu.

Na metalografickém výbrusu se tato místa jeví jako bělavá, a proto byla nazvána bílé struktury.

Intenzivními zkouškami prováděnými v oddělení výzkumu a vývoje společnosti NSK se podařilo poškození v laboratorních podmínkách replikovat a vytvořit několik hypotéz o jeho původu. Při testech únavového poškození při valivém kontaktu bylo dokázáno, že příčinou vzniku bílých struktur je pronikání vodíku do oceli. Pronikání vodíku do materiálu je s největší pravděpodobností způsobeno hned několika faktory, resp. jejich kombinací, včetně osového a obvodového prokluzu mezi valivými tělesy a oběžnou dráhou, působením elektrického proudu a některými typy maziv.

Vodík následně proniká do materiálu ložiska a tvoří zde typické bělavé naleptané struktury, které vedou k tvorbě trhlin a popř. mají za následek praskání povrchu oběžné dráhy. Tyto trhliny mohou být několik milimetrů dlouhé a šíří se z vnitřku materiálu k povrchu. Destruktivní zkoušky použitých ložisek ukázaly neviditelné známky poškození povrchu způsobené výskytem bíle naleptaných oblastí.

Když bylo poškození zkoumáno podrobněji, zjistilo se, že vlivem vodíku se původní martenzitická mikrostruktura mění na jemnozrnný křehký ferit.  Tento mechanismus může být vysvětlen teorií vodíkem vyvolané lokalizované plasticity (HELP – Hydrogen Enhanced Localized Plasticity).  Jednou z charakteristik je to, že plasticita vzniká jen lokálně a že celkové poškození ložiska je malé; není to tedy klasický typ únavového poškození, které vzniká pod povrchem oběžné dráhy a je způsobeno nekovovými částicemi v materiálu, nebo poškození povrchu oběžné dráhy vlivem znečištění.

Srovnání nových a používaných ložisek
Odkud tedy vodík pochází? Srovnáním nových a již používaných ložisek zjistil tým výzkumných pracovníků NSK, že vodík vzniká jen za provozu ložiska.

Je pravděpodobné (alespoň je to počáteční odhad), že vodík pochází z uhlovodíkových řetězců v mazivech a jejich aditivech. Tato teorie byla prokázána tím, že se typické příznaky poškození bílými strukturami podařilo zopakovat v laboratoři při použití určitých typů olejů a maziv. Teorii dále podpořilo to, že s podobným poškozením bylo možné se setkat v devadesátých letech v automobilovém průmyslu. V tomto případě předčasně selhávala ložiska napínáku řemenu a alternátoru. Problém vyřešila změna materiálu řemenu a maziva. Současně se však prokázal vliv elektrického proudu na tento typ poškození.

Nové slitiny, speciální tepelné zpracování
Společnost NSK vyvíjí nové slitiny, které při zkouškách únavového poškození valivým kontaktem dosahují lepších výsledků. Při zkouškách napadení vodíkem vedlo vylepšení chemického složení k pětinásobnému prodloužení odolnosti proti WSF ve srovnání s konvenčními ložiskovými ocelemi.

Významného vylepšení bylo dosaženo také optimalizovaným tepelným zpracováním. Použití karbonitridování místo prokalení zvyšuje zbytkové napětí pod oběžnou dráhou. Ačkoliv toto opatření nezabrání tvorbě bílých struktur, významně omezí šíření trhlin z nich a zpomalí jejich postup k povrchu.

Nový ložiskový materiál AWS-TF
Na základě těchto zjištění představila společnost NSK nový materiál pro ložiska nazvaný AWS-TF (AWS je Anti-White Structure), který kombinuje optimalizované chemické složení s optimalizovaným tepelným zpracováním.

Zkoušky prokázaly, že u ložisek z AWS-TF sice není zcela eliminováno nebezpečí WEC, ale doba do poškození se ve srovnání s konvenčními ložiskovými ocelemi sedmkrát prodlouží. Úvodní zkoušky v provozu k kritických instalacích právě probíhají a zdá se, výsledky laboratorních testů potvrdí.

 


NAWROCKA Agnieszka, NSK

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 4 =
Odoslanie formulára

Tribotechnika_2_2019

TriboTechnika_2_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd