Wälzlager - Neuigkeiten
05.05.2011
Leistungsstark für die Windkraft
Die Leistung von Windkraftanlagen steigt stetig. Das hat auch Auswirkungen auf die Wälzlager im Antriebsstrang. NSK reagiert darauf mit speziellen Werkstoffen.
Die Entwicklung zu immer größeren Antriebsleistungen in Windkraftanlagen hat nicht nur das Leistungsspektrum der Wälzlager hin zu ganz neuen Dimensionen der Multi-Megawatt-Klasse verändert. Die höheren Leistungen und Drehmomente haben auch zur Konsequenz, dass die Ingenieure neue Konzepte entwickeln, wie zum Beispiel Planetenräder mit integrierter Laufbahn. Zudem werden immer wieder neue Grenzen gesetzt und überschritten – beispielsweise was die dynamischen Belastungen und die Unempfindlichkeit gegenüber widrigen Umweltbedingungen betrifft. Um die äußerst anspruchsvollen Anforderungen der Windkrafttechnik zu erfüllen, waren und sind neue Anstrengungen in der Werkstoffentwicklung erforderlich. Mit konventionellen Wälzlagerstählen sind hier keine zufriedenstellenden Ergebnisse in Bezug auf die Standzeit zu erreichen: Die Anlagenhersteller fordern hier in der Regel eine Lebensdauer von 175 000 Stunden.
Lager aus Werkstoffen mit weniger nichtmetallischen Einschlüssen
Dauertests haben gezeigt, dass die Ermüdungsdauer von legiertem Kohlenstoff-Chrom-Wälzlagerstahl im Wesentlichen vom Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen abhängt. Daher hat NSK in Kooperation mit Stahlherstellern den Werkstoff Z-Stahl entwickelt, der deutlich weniger nichtmetallische Einschlüsse enthält. Tests unter Praxisbedingungen belegen, dass die Gebrauchsdauer von Lagern aus diesem Stahl im Vergleich zu solchen aus herkömmlichem vakuumentgastem Stahl bis zu 1,8 mal höher ist. Wenn noch höhere Anforderungen an die Langlebigkeit von Wälzlagern gestellt werden, kommt der Werkstoff "Super Tough" (Super-TF) zum Einsatz. Aufgrund der Änderung der Legierungsbestandteile im Wälzlagerstahl sowie der modifizierten Wärmebehandlung erreichen Super-TF-Lager bis zu zehnfache Standzeiten im Vergleich
zu konventionellen Wälzlagerstählen. Daher kommt dieses Material häufig bei Wälzlagern in Windkraftanlagen zum Einsatz. Es eignet sich für unterschiedliche Lagerbauarten wie beispielsweise für Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Pendelrollenlager, Rillenkugellager und Schrägkugellager.
Hybridlager mit Keramik sind besonders robust
In anderen Bereichen des Maschinenbaus bewährt sich Keramik als idealer Werkstoff, wenn sehr hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit gestellt werden. NSK hat bei den "Robust"-Wälzlagern bereits entsprechende Erfahrungen gesammelt. Sie sind mit Laufbahnen aus Hochleistungsstahl und optional mit Kugeln aus Keramik und ausgestattet. Sie kommen im Werkzeugmaschinenbau zur Anwendung.
Auf der Basis dieses Know-hows hat NSK speziell für die Anforderungen der Windtechnik stromisolierte Wälzlager mit keramisch beschichteten Außenringen entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Lebensdauer aus – die Anlagenhersteller fordern 175.000 Betriebsstunden bei äußerst dynamischen Belastungen, und diese Forderung erfüllen die neuen Lager. Zugleich verhindert der Keramikwerkstoff Stromdurchgänge im Antriebsstrang und minimiert Schäden z.B. bei Stromlastspitzen oder Kreisströmen (Elektrokorrosion). Deshalb eignet sich diese Lagerbauart besonders für den Einsatz als Generatorlager.
Bei den bislang eingesetzten Keramiklagern wird mittels Plasmaspritzen eine dauerhafte Keramikbeschichtung auf die Stahloberfläche aufgebracht. Als Alternative bietet NSK auch Hybridlager mit Kugeln aus Vollkeramik an. Bei der Entwicklung wurde auf umfassende Erfahrungen aufgebaut. Nicht zuletzt wegen der hohen Anforderungen an die Lebensdauer (bei minimaler Wartung) wird auch die Schmierstoffentwicklung vor echte Herausforderungen gestellt, wenn es um Wälzlager für die Windkrafttechnik geht. Hier ist in der Tat ein sehr hohes Maß an Expertise gefordert, denn viele Schäden, die vor Ablauf der erwarteten Lebensdauer registriert werden, gehen auf Fehler in der Schmierung zurück.
Schmierstoffversorgung konstruktiv in den Anwendungsfall einbinden
Diese Schäden treten meistens als Verschleiß, als Ermüdungsschaden, Fressspuren oder als Heißlauf des Lagers in Erscheinung. Bei allen Schadensbildern liegt die Ursache in Schmierungsmängeln, zu denen auch die Überschmierung gehört. Vermeiden lassen sich die Schäden, wenn die Versorgung mit Schmierstoffen konstruktiv in den konkreten Anwendungsfall eingebunden wird. Die optimale Trennung der Kontaktflächen durch einen Schmierfilm, die gezielte Reibungsreduzierung, das Fernhalten bzw. Abführen von Verschmutzungen, der Korrosionsschutz und vor allem auch die Wärmeabfuhr sind wichtige Aspekte einer geeigneten Wälzlagerschmierung.
Um das Kriterium der Trennung der Kontaktflächen zu erfüllen, kann man auf eine Beschreibung des Schmierungszustandes zurückgreifen, die sich aus der Theorie der elasto-hydrodynamischen Schmierung ableiten lässt. Danach muss das Verhältnis der vorhandenen zur erforderlichen Betriebsölviskosität größer als 1 sein. Dieses Verhältnis ist bei den Lagern der schnelllaufenden Welle, der schnelllaufenden Zwischenwelle, der langsam laufenden Zwischenwelle in der Regel größer als 1.
Bei der Planetenradlagerung und der Planetenträgerlagerung ist das Verhältnis meist kleiner 1. Es kann für diesen Fall jedoch der Wert auf 1 gesetzt werden, wenn Schmierstoffe mit nachgewiesenen EP-Additiven verwendet wird. Die erforderliche Wärmeabfuhr am Lager hängt ab von der Belastung, dem bauartspezifischen Reibungskoeffizienten, der Lagergröße, der Drehzahl und der Temperatur der Umgebung. Der erforderliche Ölvolumenstrom kann bei Kenntnis der vorgenannten Parameter gut abgeschätzt werden.
Bei der Festlegung der Ölzuführmethode muss die Lagerbauart einschließlich der Käfigkonstruktion beachtet werden, um sicherzustellen, dass das Öl durch das Lager hindurch strömen kann.