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Analisi della causa principale del danneggiamento del cuscinetto nelle turbine eoliche

turbina nsk hauptrotorlager

I sintomi di danni ai cuscinetti noti come scartamento della struttura bianca, che si verificano nelle turbine eoliche e in altri sistemi di trasmissione, in genere diventano molto evidenti molto prima della fine della vita utile prevista del cuscinetto.

Le cause sono rimaste a lungo sconosciute, ma ora vengono fornite nuove scoperte dallo specialista NSK, i cui risultati hanno portato allo sviluppo di un nuovo materiale per cuscinetti che offre vantaggi significativi per la longevità delle turbine eoliche.

I componenti di azionamento per le turbine eoliche devono soddisfare severi requisiti in termini di durata e resistenza e questi requisiti stanno diventando sempre più stringenti.

Le turbine onshore richiedono tradizionalmente cuscinetti progettati per durare per una durata di 175,000 ore, equivalente a 20 anni. Tuttavia, nel mercato in rapida espansione dei parchi eolici offshore, dove gli elevati livelli di investimento e l'accesso difficile alla posizione sono comuni, è richiesta una durata di vita di 25.

Vita più lunga, carichi dinamici più elevati

Con carichi dinamici estremi che agiscono sulla trasmissione di una turbina eolica, questo requisito rappresenta una vera sfida. Nelle turbine eoliche onshore, i cuscinetti principali sono sottoposti a carichi di circa 1 MN. In mare, tuttavia, a causa delle velocità del vento molto elevate, i carichi statici e dinamici ancora più forti agiscono sul rotore e, di conseguenza, su tutta la trasmissione.

Allo stesso tempo, le dimensioni e le prestazioni dei sistemi in applicazioni sia onshore che offshore aumentano continuamente. NSK attualmente produce cuscinetti per turbine 9.5 MW, che saranno presto in produzione su vasta scala. Inoltre, la società sta ora sviluppando cuscinetti per turbine eoliche offshore con potenza nominale ancora più elevata.

cambio nsk

Con AWS-TF, NSK ha sviluppato un nuovo materiale specifico per i cuscinetti per turbine eoliche

Monitoraggio delle condizioni

Prestazioni più elevate e la crescente quota di mercato delle turbine offshore sono fattori chiave alla base delle crescenti richieste di una maggiore durata del cuscinetto. Di conseguenza, la tecnologia eolica è un'area di applicazione ideale per i sistemi di monitoraggio delle condizioni online, che misura e analizza continuamente le vibrazioni nel sistema di guida. Se si verificano danni ai cuscinetti, i componenti difettosi (anello interno o esterno, rulli o gabbia) possono essere rilevati in anticipo analizzando il profilo di misurazione.

Un sistema di monitoraggio delle condizioni (CMS) sviluppato da NSK è stato recentemente installato in un parco eolico offshore in Giappone. Il ruolo del CMS è quello di rilevare le anomalie abbastanza presto per facilitare le strategie di manutenzione predittiva. NSK vede un grande potenziale di mercato per soluzioni di questo tipo.

Sviluppo di materiali intensivi

Tuttavia, il monitoraggio delle condizioni può essere utile come misura secondaria in aree di applicazione critiche, l'obiettivo principale dell'ingegneria nello sviluppo di cuscinetti per turbine eoliche è ancora, e lo sarà, per garantire un alto livello di affidabilità. A questo proposito, i produttori hanno già fatto notevoli progressi.

Ad esempio, un importante contributo al progresso è stato lo sviluppo di nuovi materiali e processi di trattamento termico, come l'acciaio speciale Super Tough (STF) di NSK. I cuscinetti realizzati con questo materiale durano il doppio di quelli fabbricati con acciaio convenzionale. In effetti, il relativo aumento del carico è stato confermato e certificato a dicembre 2017 da DNV GL.

Le caratteristiche di lunga durata di STF sono state raggiunte utilizzando una particolare composizione chimica e uno speciale processo di trattamento termico. I tipici sintomi di danneggiamento, come le fessurazioni legate alla fatica a livello delle piste dei cuscinetti causate da inclusioni non metalliche nell'acciaio del cuscinetto, sono virtualmente eliminati nei cuscinetti fabbricati con STF.

Ricercare le cause della desquamazione della struttura bianca

Un problema che ancora affligge il settore è il tipo di danno noto come White Structure Flaking (WSF) o White Etching Cracks (WEC). Nel caso di entrambe le modalità di guasto, alcune aree del materiale sotto la pista del cuscinetto mostrano infragilimento locale. La struttura fragile non può sopportare il carico e quindi il nucleo di fessure.

Alla fine, queste crepe crescono fino alla pista e alla fine il cuscinetto fallisce. È tipico che questo tipo di danno appaia relativamente presto; qualche tempo dopo che il sistema è stato messo in servizio.

Dopo aver eseguito un incisione picral, queste entità mostrano un aspetto bianco e sono quindi chiamate strutture bianche.

aree di incisione bianca

Sintomi di danni a un anello del cuscinetto da crepe bianche

Test intensivi nel dipartimento di ricerca e sviluppo di NSK sono stati in grado di replicare il danno e dare qualche ipotesi sulla sua origine. Vari test di fatica a contatto con il rotolamento hanno dimostrato che le strutture bianche sono causate dalla penetrazione dell'idrogeno.

Questa penetrazione dell'idrogeno è molto probabilmente influenzata da diversi fattori e dalla loro combinazione, tra cui slittamento assiale o circonferenziale tra rulli e piste, elettricità e alcuni tipi di lubrificazione.

L'idrogeno successivamente penetra nella pista e forma le tipiche strutture di incisione bianca che portano a formazioni fessurate e alla fine sfaldano. Queste fessure possono essere lunghe diversi millimetri e diffondersi dall'interno verso l'esterno. I test distruttivi di cuscinetti usati che non hanno mostrato segni visibili di danni superficiali hanno dimostrato che le aree di incisione bianca possono persino essere presenti qui.

Quando il danno viene esaminato più in dettaglio, si può osservare che sotto l'influenza dell'idrogeno, la microstruttura originariamente martensitica degrada in una ferrite a grana molto fine e fragile. Questo meccanismo può essere spiegato dalla teoria della plasticizzazione localizzata dell'idrogeno (HELP).

Una delle sue caratteristiche è che la plasticità si verifica solo localmente e che la fatica globale del cuscinetto è leggera, quindi non è uno dei classici tipi di danni da fatica che hanno origine sotto la pista (a causa dell'inclusione di particelle non metalliche) o nella pista (a causa di una grave contaminazione).

Confronto di cuscinetti nuovi e usati

Quindi, da dove viene l'idrogeno? Confrontando i cuscinetti nuovi e usati, il gruppo di ricerca centrale di NSK ha determinato che l'idrogeno si forma solo mentre i cuscinetti sono in funzione.

È probabile (almeno questa è la supposizione iniziale) che l'idrogeno provenga dalle catene di idrocarburi dei lubrificanti e dai loro additivi. Questa teoria è stata motivata dopo che i tipici sintomi di danno delle strutture bianche potevano essere riprodotti in laboratorio con determinati tipi di oli e grassi.

Un danno simile è stato riportato dall'industria automobilistica negli 1990, sostenendo ulteriormente la teoria. Qui, i cuscinetti dei tendicinghia e degli alternatori si sono guastati prematuramente, tuttavia il cambio del grasso e il materiale della cinghia hanno risolto il problema. Tuttavia, l'influenza dell'elettricità (flusso di corrente) su questa modalità di guasto deve ancora essere determinata.

nsk cuscinetti a rulli di grandi dimensioni

Per oltre 20 anni NSK ha offerto un ampio portafoglio di cuscinetti per turbine eoliche

Nuove leghe, trattamento termico specifico

NSK ha sviluppato nuove leghe che danno risultati migliori durante i test di fatica a contatto con il rotolamento. Nei test con carica di idrogeno, la composizione chimica ottimizzata ha portato ad un aumento di cinque volte della resistenza al WSF rispetto agli acciai per cuscinetti convenzionali.

Un miglioramento significativo si ottiene anche con un trattamento termico ottimizzato. Qui, lo stress residuo sotto le piste può essere aumentato dalla carbonitrurazione anziché dall'indurimento. Sebbene questa misura non impedisca la formazione delle strutture bianche, si sviluppano in modo significativo meno crepe da queste strutture e si diffondono in superficie più lentamente.

AWS-TF, un nuovo materiale per cuscinetti

Sulla base di questi risultati, NSK ha introdotto un nuovo materiale per cuscinetti denominato AWS-TF (AWS sta per Anti-White Structure), che combina la composizione chimica ottimizzata con un trattamento termico ottimizzato.

I test hanno dimostrato che mentre i cuscinetti realizzati in AWS-TF non eliminano del tutto il rischio di WEC, il ritardo prima del danneggiamento appare sette volte più lungo rispetto agli acciai per cuscinetti convenzionali. I test sul campo iniziali nei siti di installazione critici sono attualmente in corso e sembrano confermare questi risultati.

Per ulteriori informazioni, visitare www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Firma: iscrizione al bronzo

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