Schaeffler steigert Zuverlässigkeit von Windkraft-Lagerungen durch konstruktive Maßnahmen und Industrie 4.0-Lösungen

Funktion und Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage werden maßgeblich von ihren Lagerungen beeinflusst, denn sie nehmen alle Lasten auf – im Getriebe wie auch insbesondere als Hauptlager. Ihre Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sind ein entscheidender Faktor für die Stromgestehungskosten. Daher entwickelt Schaeffler konsequent optimierte und innovative Produkte, die die Belastbarkeit und Beanspruchbarkeit von Lagerungen – und damit auch der Windkraftanlagen erhöhen. Zum einen werden bewährte Lagerlösungen vor allem hinsichtlich Leistungsdichte, Robustheit oder auch vereinfachter Montage- und Wartungsprozesse konstruktiv optimiert. Zum anderen integriert Schaeffler Sensorik in Lagerungen, um Betriebszustände und deren Wirkung auf die Lagerungen im Betrieb transparent zu machen. Mit den Daten aus dem Feld kann Schaeffler seine Lager-Expertise auch Betreibern verfügbar machen, um Wartungsarbeiten bedarfsgerecht und vorausschauend planen zu können, oder auch Betriebsstrategien der Anlagen anpassen zu können.

Auf der diesjährigen WindEnergy in Hamburg präsentiert Schaeffler neue und optimierte Lagerungen, smarte Komponenten und Systeme für Industrie 4.0-Lösungen, digitale Services und ein neues Prüfverfahren.

Asymmetrische FAG-Pendelrollenlager: Baureihe in X-life-Qualität

Schaeffler hat 2015 erstmals asymmetrische FAG-Pendelrollenlager für Rotor-Hauptlagerungen vorgestellt. Mittlerweile sind diese Lager in vielen Anlagen im Einsatz und wurden zu einer kompletten Baureihe nach X-life-Standard weiterentwickelt. Das asymmetrische Lagerdesign ermöglicht einen höheren Druckwinkel auf der axial belasteten Wälzkörperreihe und einen flacheren Druckwinkel auf der hauptsächlich radial belasteten Wälzkörperreihe. Durch diese optimierte Lastverteilung gemäß dem für Rotorlagerungen typischen Belastungsprofil können die Lager schmaler ausgeführt werden. Damit erlaubt das Lagerdesign dem Anlagenhersteller eine Verkleinerung des Antriebsstrangs bei gleicher Leistungsfähigkeit. Bei gleicher Lagergröße können Anlagen mit größerem Rotordurchmesser oder höherer Leistung gestaltet werden. Für den Anlagenbetreiber ergibt sich die Möglichkeit, mit einem asymmetrischen Lager als Ersatzteil die Robustheit seiner Anlage zu erhöhen. Weitere Leistungssteigerungen sind mit Beschichtungssystemen von Schaeffler möglich, wie beispielsweise Durotect B für nochmals gesteigerte Robustheit oder Triondur für optimalen Verschleißschutz.

4.0-Lösungspaket: Rotorlagersystem mit bedarfsgerechter Sensorik

Um die Wälzlagerungen im Triebstrang und das Gesamtsystem weiter zu verbessern und den Anlagenbetrieb zu optimieren, bieten reale Betriebsdaten zum Zustand der Lager großes Potential. Beispielsweise können durch die Auswertung und Interpretation der erhobenen Daten Sicherheitsfaktoren genauer bestimmt und gegebenenfalls reduziert werden. Gemeinsam mit Kunden entwickelt Schaeffler Sensorkonzepte, um relevante Schadensmechanismen für Lager erfassen zu können. Für spezifische Parameter, deren Überwachung im Betrieb bislang nicht erfolgt, aber einen Mehrwert für den Betreiber darstellt, entwickelt Schaeffler beispielsweise den LoadSense-Pin: Bei Rotorlagersystemen, die vormontiert an die Umgebungskonstruktion angeflanscht werden, hat Vorspannung der hierzu verwendeten Schraubenverbindungen einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer des Lagers, da sie die Lastverteilung im Lager mitbestimmen. Mit dem LoadSense-Pin kann Schaeffler die Vorspannung der Verschraubung des Flanschlagers im Betrieb überwachen, so dass ein bedarfsgerechtes Nachziehen der Schrauben möglich wird. Eine in festen Abständen sonst erforderliche Überprüfung der Vorspannung entfällt. Die Zuverlässigkeit des Lagersystems wird erhöht und Wartungskosten gesenkt.

Zustandsanalysen per Cloud-to-cloud-Kommunikation

Auf Basis der realen Lasten aus dem Betrieb der Windkraftanlage erstellen Schaeffler und ZF mit gemeinsam erarbeiteten Experten-Modellen Analysen und Prognosen des Getriebezustands. Über Cloud-to-cloud-Kommunikation werden die von ZF generierten und von Schaeffler analysierten Daten ausgetauscht. So ist es ZF möglich, das Know-how des Lager-Experten in sein Wartungs- und Ersatzteilmanagement zu integrieren, das auf Basis von Betriebsdatenanalysen proaktives Handeln ermöglicht. Schaeffler liefert im ersten Schritt Auswertungen zur Wälzlagerermüdung und zur statischen Tragsicherheit der einzelnen Getriebelager.

Robustheitstest für Rotorlager

Mit seiner realitätsnahen Belastungssimulation liefert der Schaeffler-eigene Großlagerprüfstand ASTRAIOS schon seit 2011 wertvolle Erkenntnisse, die für die Neuentwicklung von Lagerlösungen sowie für die Optimierung der Simulations- und Berechnungsmodelle genutzt werden. Auf Basis dieser einzigartig langjährigen Erfahrung mit dem Testen von Rotorlagerungen für Windkraftanlagen der Multi-Megawatt-Klasse hat Schaeffler nun einen Robustheitstest entwickelt. Die Ermüdungslebensdauer ist zwar auch für Rotorlagerungen in der Windkraft Basis der Auslegung, aber für die tatsächliche Lagergebrauchsdauer weniger relevant; andere Ausfallmechanismen wirken oft früher. Der Robustheitstest konzentriert sich daher auf jene Ausfallmechanismen und Beanspruchungszustände im Betrieb, die nicht mit der klassischen Ermüdungslebensdauer beschrieben werden können. Die Lastfälle des Robustheitstests werden derart ausgewählt und komprimiert auf die zu prüfende Lagerung aufgebracht, dass sie in nur wenigen Monaten die Ereignisse, Belastungen und Beanspruchungen des 20 bis 25-jährigen Betriebs einer Windkraftanlage repräsentieren und dabei die spezifische Dynamik der Rotorlagerbeanspruchung abbilden. Mit diesem anwendungsbezogenen, realitätsnahen Test erzielt Schaeffler für die Kunden eine höhere Auslegungssicherheit, als das dies bisher der weltweite Standard war.

WEC-resistente Wälzlager: Schaeffler-Empfehlung bewährt sich weiterhin

Ein Phänomen, das die Zuverlässigkeit von Lagern in Windkraftanlagen negativ beeinflusst, sind die so genannten „White Etching Cracks“ (WEC). Dabei handelt es sich um Gefügeveränderungen im Werkstoff, die sich unterhalb der Lagerlaufbahn bilden. Schaeffler ist in der Lage, WEC-Schäden auf Prüfständen zu reproduzieren und darauf basierend geeignete Gegenmaßnahmen zu entwickeln.

Für eine effiziente und wirtschaftliche Reduktion von WEC-Schäden empfiehlt Schaeffler das Durchhärten der Lager in Kombination mit dem Beschichten der Ringe und Wälzkörper mit Durotect B. Bei mittlerweile einer Million brünierten, bzw. mit Durotect B beschichteten Lagern, die seit 2005 von Schaeffler für den Einsatz in von WEC gefährdeten Lagerpositionen produziert und geliefert wurden, traten Schäden durch WEC nur in weniger als 0,01 Prozent auf.