Typy łożysk do zastosowań w energetyce wiatrowej: pitch, yaw i wał główny – jakie dowody dotyczące ogólnych łożysk tocznych są dostępne

Wyklucz typy, które nie przenoszą jednocześnie obciążenia promieniowego i osiowego

Zacznij od strony ustalonej. W układzie stałym/swobodnym łożysko stałe ustala wał w kierunku osiowym i dlatego przenosi obciążenie osiowe w obu kierunkach.

Musi więc być to typ, który przenosi jednocześnie obciążenie promieniowe i osiowe¹⁰. Strona swobodna to przeciwny przypadek: przenosi tylko obciążenie promieniowe i jest skonstruowana do kompensacji rozszerzalności cieplnej.

Odbywa się to albo przez rozłączne łożysko przenoszące tylko obciążenie promieniowe, albo przez pasowanie z luzem między pierścieniem zewnętrznym a obudową¹⁰. Dla pozycji stałej kandydatami do przenoszenia obciążenia złożonego wymienianymi w ogólnych wytycznych są dopasowane pary łożysk skośnych, dwurzędowe łożyska skośne, dwurzędowe łożyska stożkowe (TDO), łożyska baryłkowe i łożyska stożkowe^1,10.

Stopień obciążenia zawęża listę: lekkie obciążenie złożone wskazuje na łożyska kulkowe zwykłe lub skośne, duże obciążenie złożone na łożyska stożkowe¹⁹. Gdy obciążenie osiowe jest duże w obu kierunkach, wytyczne zalecają sparowanie dwóch lub więcej łożysk albo przejście na konstrukcję dwurzędową¹⁹.

To daje uzasadnione pierwsze zawężenie dla pozycji pitch, yaw i wału głównego: dopasowane łożyska skośne, łożyska stożkowe i łożyska baryłkowe przechodzą przez filtr obciążenia złożonego. A zwykłe typy przenoszące tylko obciążenie promieniowe nie należą do strony stałej.

Który z ocalałych typów pasuje do danej pozycji w turbinie wiatrowej, to osobne pytanie, rozstrzygane przez dwa kolejne testy.

Samonastawność a nośność oraz prędkość, którą płacisz za nośność

Tolerancja niewspółosiowości i nośność ciągną w przeciwne strony, a dopuszczalna prędkość wynika z wyboru nośności. Łożyska baryłkowe przegubowo pracują dzięki baryłkowym wałeczkom toczącym się po sferycznej bieżni zewnętrznej.

Dzięki temu działają przy ugięciu wału, przenosząc jednocześnie duże obciążenie złożone promieniowe i osiowe⁹. Ceną jest nośność: łożysko samonastawne ma niższą nośność niż porównywalne łożysko kulkowe zwykłe.

Dlatego rezerwuje się je do przypadków, w których współosiowość naprawdę nie może być kontrolowana³⁶. Wśród typów do obciążenia złożonego łożysko stożkowe przenosi znacznie większe obciążenie złożone niż łożysko skośne o podobnym rozmiarze, ale przy niższej prędkości maksymalnej⁹.

Zatem kolejność dla pozycji w turbinie wiatrowej przedstawia się następująco. Jeśli wał nie może być utrzymany we współosiowości, łożysko baryłkowe daje tolerancję kosztem nośności.

Jeśli współosiowość jest kontrolowana, a obciążenie złożone duże, łożysko stożkowe daje nośność kosztem prędkości. Jeśli dominuje prędkość, a obciążenie złożone jest umiarkowane, dopasowane łożysko skośne pozostaje w grze^9,36.

Zanim ustalisz typ, przedstaw rzeczywiste warunki pracy: niewspółosiowość, jaką może tolerować montaż, oraz szczytowe obciążenie złożone. Uwzględnij także maksymalną prędkość obrotową, ponieważ każdy z trzech kandydatów wygrywa w innym z tych kryteriów.

Określ twardość bieżni jako parametr trwałości, a nie kosmetyczny

Twardość należy do specyfikacji, ponieważ wpływa na obliczoną trwałość. Łożyska pitch i yaw są nawęglane do około 58 HRC lub hartowane indukcyjnie do około 56 HRC.

Zmiana twardości bieżni z 58 do 56 HRC ma zmniejszać trwałość L10 o 30%¹⁸. Dwa punkty na skali twardości są więc warte około jednej trzeciej obliczonej trwałości.

To czyni określenie obróbki cieplnej i jej weryfikację elementem krytycznym dla projektu, a nie szczegółem warsztatowym. Ogólna stal łożyskowa plasuje się w innym punkcie.

Stal chromowa wysokowęglowa (GCr15/AISI 52100, około 1% węgla i 1,5% chromu) osiąga HRC60+ przy odpowiedniej obróbce cieplnej, zapewniając wysoką odporność na zużycie i wytrzymałość zmęczeniową¹¹. To droga hartowania na wskroś, podczas gdy powyższe dane dla energetyki wiatrowej dotyczą powierzchni nawęglanych i hartowanych indukcyjnie¹⁸.

Nie należy zakładać, że oba są wymienne. Poproś dostawcę o podanie procesu hartowania, docelowej twardości powierzchni i głębokości warstwy nawęglanej dla bieżni pitch lub yaw.

Poproś również o przedstawienie wyników pomiaru twardości dla każdego łożyska, a nie tylko certyfikatu materiałowego. To, czy bieżnia ze stali 52100 hartowanej na wskroś o twardości HRC60+ jest dopuszczalna do zastosowań pitch lub yaw w energetyce wiatrowej, nie jest rozstrzygnięte przez te źródła.

Ustal podstawę obliczeń trwałości przed porównaniem ofert

Dwie oferty na łożyska są porównywalne tylko wtedy, gdy obie wartości L10 zostały obliczone w ten sam sposób. Obciążenia złożone promieniowe i osiowe należy najpierw przeliczyć na równoważne obciążenie dynamiczne P.

Przeliczenie to zależy od stosunku obciążenia promieniowego do osiowego oraz od kąta działania łożyska, zanim P zostanie porównane z podstawową nośnością dynamiczną C²¹. Wzór na trwałość nominalną wykorzystuje wykładnik 3,0 dla łożysk kulkowych i 10/3 dla łożysk wałeczkowych²¹.

Niezawodność zmienia wartość, którą podajesz. L10 to podstawa 90% niezawodności z a1 = 1,00; dla 95% celu stosuje się a1 = 0,64, a dla 99% celu a1 = 0,25.

A jeśli skorygowana trwałość jest nieakceptowalna, odpowiedzią jest łożysko o większej nośności dynamicznej⁸. Wrażliwość na obciążenie jest duża: podwojenie równoważnego obciążenia dynamicznego zmniejsza obliczoną trwałość L10 do około jednej ósmej³⁶.

Zapisz podstawę w zapytaniu ofertowym — metodę równoważnego obciążenia, wykładnik, docelową niezawodność i współczynnik a1 — i poproś każdego dostawcę o podanie L10 (lub Ln) wraz z danymi wejściowymi. Bez tego dłuższa podana trwałość może oznaczać jedynie inne założenie dotyczące niezawodności.

Wybierz rodzinę uszczelnień według prędkości, a następnie zapytaj o schemat smarowania

Wybór uszczelnienia zależy bardziej od prędkości obrotowej i temperatury niż od obciążenia. Uszczelnienia niekontaktowe — szczelinowe, labiryntowe i uszczelki — nadają się do pozycji o wysokiej prędkości i wysokiej temperaturze.

Uszczelnienia kontaktowe, takie jak filcowe, skórzane miseczkowe i gumowe, nadają się do pracy przy średnich i niskich prędkościach²⁶. Uszczelnienia gumowe chronią przed wnikaniem pyłu i wody oraz zatrzymują smar, co jest argumentem za ich stosowaniem w wilgotnym lub zabrudzonym otoczeniu²⁶.

Dla pozycji o wysokiej prędkości w turbinie wiatrowej wskazuje to na koncepcję labiryntową lub szczelinową. Dla wolnoobrotowej pozycji narażonej na warunki atmosferyczne należy ocenić rodzinę uszczelnień kontaktowych.

Czego dowody nie podają, to metoda smarowania lub interwał serwisowy faktycznie stosowane w łożyskach pitch, yaw lub wału głównego. Dlatego smarowanie smarem stałym versus olejem oraz interwał dosmarowywania należy traktować jako dane od dostawcy, o które trzeba zapytać, a nie zakładać.

Kontrole przed zapytaniem ofertowym, które zapobiegają akceptacji oferty tylko na podstawie typu

Prawidłowy typ łożyska to początek specyfikacji, a nie jej koniec. Te kontrole zamykają luki, które pozostawia oznaczenie typu.

• ✓Podaj jednoznacznie klasę tolerancji — klasy JIS B 1514 obejmują 0, 6X, 6, 5, 4, 2 w kolejności rosnącej dokładności, a klasa opiera się na normach ISO.
• ✓Wymagaj podania procesu hartowania, docelowej twardości powierzchni i głębokości warstwy nawęglanej dla bieżni pitch i yaw, wraz z wynikami pomiarów dla każdego łożyska.
• ✓Ustal podstawę trwałości w zapytaniu ofertowym: metodę równoważnego obciążenia dynamicznego, wykładnik dla łożysk kulkowych lub wałeczkowych, docelową niezawodność i współczynnik a1.
• ✓Wskaż rodzinę uszczelnień (niekontaktowe labiryntowe lub szczelinowe versus kontaktowe gumowe) oraz prędkość i temperaturę, którym musi sprostać.
• ✓Zapytaj, czy potrzebna jest niestandardowa średnica podziałowa koszyka lub zestaw wałeczków, ponieważ unikalne oprzyrządowanie może wiązać się z wysokimi kosztami niezależnie od przydatności.
• ✓Poproś dostawcę o potwierdzenie metody smarowania i interwału dosmarowywania dla danej pozycji, ponieważ źródła ich nie podają.

Dlaczego warto podjąć ten wysiłek specyfikacyjny

Wybór łożyska niesie ryzyko kosztowe nieproporcjonalne do liczby części. Ponad 60% awarii przekładni przypisuje się łożyskom.

Chociaż awarie te są rzadsze niż usterki elektryczne, ich naprawa jest znacznie droższa¹⁸. To argument za poświęceniem wysiłku specyfikacyjnego na twardość, podstawę trwałości i uszczelnienie przed złożeniem zamówienia, a nie po awarii.

Liczba ta dotyczy przypisania awarii przekładni, a nie statystyki niezawodności farmy wiatrowej. Użyj jej więc do uzasadnienia wysiłku, a nie do przewidywania okresu eksploatacji.

Gdzie dowody dotyczące twardości są sprzeczne i czego żądać

Dwa poniższe stanowiska dotyczące twardości opisują różne procesy i różne zastosowania, a źródła nie godzą ich dla zastosowań w energetyce wiatrowej. Zachowaj oba widoczne podczas pisania klauzuli o obróbce cieplnej.

Zanim złożysz zapytanie ofertowe

• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak geometrii wewnętrznej specyficznej dla pitch lub yaw (czteropunktowy styk, rolki w trzech rzędach) oraz konstrukcji bieżni i mocowania.
• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak układu łożyska wału głównego oraz rzeczywistych nośności dynamicznych lub statycznych łożysk wału głównego turbin wiatrowych.
• Poproś o pełną kartę techniczną z jednostkami, warunkami badania i założeniami konfiguracji.
• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak schematu uszczelnienia lub smarowania łożysk wiatrowych, wyboru między smarem a olejem, automatycznych smarownic ani interwałów konserwacji.
• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak wymogu certyfikacji DNV GL lub IEC 61400 oraz specyficznych dla energetyki wiatrowej walidacji konstrukcji, próby trwałości ani widma obciążenia.
• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak klasy tolerancji łożysk wiatrowych, metody kontroli, wymogu identyfikowalności ani zdolności produkcyjnych.
• Potwierdź wykazaną z nazwy obsługę serwisową, oczekiwany czas reakcji i warunki gwarancji dla miejsca przeznaczenia.
• Dowody pozostawiają tę kwestię otwartą — przedyskutuj ją z dostawcą: brak danych o trwałości L10 w eksploatacji, mechanizmach uszkodzeń lub MTBF z porównywalnych instalacji.