Zapobieganie przedwczesnym awariom łożysk tocznych w turbinach wiatrowych

Jednym z celów opracowywania łożysk tocznych do turbin wiatrowych jest zwiększenie trwałości łożysk poprzez rozwinięcie ich odporności na typowe uszkodzenia. W tym obszarze widać znaczący postęp, a wiodący producenci stale poszerzają swoją ofertę produktową, chociaż technologia wiatrowa jest szczególnie wymagającym obszarem aplikacji dla łożysk tocznych.

Niektóre z tych łożysk są bardzo duże, poddawane dużym obciążeniom dynamicznym, a warunki środowiskowe bardzo negatywnie wpływają na precyzyjne komponenty napędowe. W tych warunkach, gdy dostęp do łożysk jest wyjątkowo trudny, osiągnięcie trwałości układu na poziomie 175.000 godzin lub dwudziestu lat stanowi ogromne wyzwanie dla producentów łożysk tocznych. Sytuację tę potęguje fakt występowania typowych uszkodzeń, przeciw którym należy stosować środki zapobiegawcze.

Poszerzenie oferty łożysk wirnika głównego
Najważniejszym projektem międzynarodowego oddziału NSK zajmującego się energetyką wiatrową jest poszerzenie oferty łożysk tocznych używanych w łożyskach wirnika głównego turbin. Łożyska te muszą spełniać bardzo wysokie wymagania. Z tego powodu wymagane są bardzo intensywne prace badawczo-rozwojowe. Inżynierowie opierają się na szerokiej wiedzy eksperckiej związanej z opracowywaniem łożysk tocznych dla turbin wiatrowych oraz doświadczeniu na polu zastosowań praktycznych.
NSK, jako dostawca systemowy, stale poszerza swoją ofertę łożysk do przekładni. Obecnie może zaoferować rozwiązania dla wszystkich pozycji, w jakich występują łożyska w turbinach wiatrowych, w których instalowanych jest zazwyczaj 20 do 30 łożysk tocznych. Ciężkie (400 kg) łożysko baryłkowe do łożyska wirnika głównego zostało zaprezentowane na targach Wind Energy 2014 w Hamburgu.

Zintegrowane łożyska toczne do przekładni planetarnych
Do tej pory w takiej specyfikacji dostępne były jedynie łożyska walcowe wielorzędowe. Teraz ofertę łożysk do przekładni planetarnych poszerzono o łożyska stożkowe. Łożyska stożkowe dwurzędowe w układzie „O” to nowy produkt, przeznaczony do zintegrowanych konstrukcji, który może być wykorzystywany w przekładniach planetarnych w turbinach wiatrowych. Łożyska te są produkowane bez pierścienia zewnętrznego i są bezpośrednio zintegrowane z kołami zębatymi

Kluczowe kompetencje: inżynieria materiałowa
Główne obszary kompetencji NSK obejmują projektowanie materiałów. Firma zapewnia materiały o składach i profilach właściwości zoptymalizowanych do konkretnych warunków otoczenia i wymagań, takich jak temperatury pracy, duże obciążenia mechaniczne, wilgoć i cząstki mogące wnikać do łożyska. Przykładowe materiały to specjalne stale WTF i STF. Łożyska toczne wykonane z tych materiałów charakteryzują się znacznie wyższą trwałością niż łożyska wykonane z konwencjonalnych stali łożyskowych. Dotyczy to także energetyki wiatrowej, która wymaga bardzo dużej trwałości łożysk z uwagi na skomplikowaną konserwację. Celem jest tu trwałość eksploatacyjna układu na poziomie dwudziestu lat. Trzeba przy tym wziąć pod uwagę wyjątkowo niekorzystne warunki środowiskowe oraz bardzo duże obciążenia dynamiczne, na które narażone są łożyska.

Zapobieganie złuszczaniu wodorowemu
W ostatnich latach firma NSK poczyniła ogromne wysiłki w celu wyeliminowania złuszczania wodorowego (White Structure Flaking – WSF), jako uszkodzeń będących przedmiotem ożywionej dyskusji w branży. WSF odnosi się do zmian strukturalnych pod powierzchniami bieżni, które osłabiają materiał i mogą prowadzić do pękania i złuszczania. Charakterystyka tego typu uszkodzeń polega na tym, że może się on pojawić po stosunkowo krótkim okresie eksploatacji turbiny wiatrowej.

Przyczyny WSF nie są do końca znane, jednakże wiele lat temu, w przemyśle motoryzacyjnym, NSK zaobserwowała podobne uszkodzenia łożysk tocznych w alternatorach montowanych w samochodach osobowych. Zauważono wówczas, że pewną rolę w powstawaniu uszkodzeń odgrywał prąd elektryczny, a inżynierowie byli w stanie opracować środki zapobiegawcze. Następnie wykryto negatywne czynniki występujące w turbinach wiatrowych, które w znacznym stopniu wynikają z obecności wodoru pochodzącego ze środka smarnego oraz poślizgu między powierzchniami styku.

Od pewnego czasu, NSK oferuje szereg opcji dla łożysk w turbinach wiatrowych, mających na celu redukcję tego typu uszkodzeń. Przykładem jest wykańczanie bieżni na czarno (przy pomocy powłoki z czarnych tlenków, BOC) oraz stosowanie materiałów STF z powierzchniami węgloazotowanymi.
Nowe materiały dla energetyki wiatrowej
Inżynierom zajmującym się pracami badawczo-rozwojowymi w NSK w Japonii udało się w dużym stopniu odtworzyć uszkodzenia WSF. Odkrycia te przyczyniły się do rozwoju nowych materiałów. Wynikiem badań był nowy materiał o wyjątkowej odporności na złuszczanie wodorowe.

Materiał ten to nowa opcja oferowana przez NSK jako środek zapobiegający uszkodzeniom prowadzącym do wielu przedwczesnych awarii. Podczas prób stwierdzono, że odporność tego nowego materiału na złuszczanie wodorowe wzrosła siedmiokrotnie (w porównaniu do standardowej stali stosowanej w łożyskach tocznych). Dodatkowo, w warunkach normalnego zużycia, tj. przy złuszczaniu bieżni wynikającym ze strukturalnych zmian bezpośrednio na powierzchni, łożyska również osiągają większą trwałość. Przy symulowaniu wnikania cząstek wprowadzanych do łożyska przez środek smarny osiągnięto trzykrotne zwiększenie trwałości łożyska w porównaniu ze standardową stalą stosowaną w łożyskach tocznych.
Przy takim profilu właściwości, łożyska toczne wykonane ze wspomnianego materiału nadają się nie tylko do turbin wiatrowych, ale także do przekładni innych dużych układów, wykorzystywanych w przemyśle stalowym i wydobywczym, jak również w dużych maszynach budowlanych.
***


Utworzona prawie 100 lat temu firma NSK (Nippon Seiko Kabushiki Kaisha) jest specjalistą od łożysk tocznych i dostawcą części samochodowych działającym na rynku globalnym. Zatrudnia ponad 30 500 pracowników w 29 krajach i osiąga roczne obroty 6,2 miliarda EURO (dane z marca 2014). Wynik ten oparty jest na nieustannie rosnących inwestycjach w badania i rozwój, pozwalających nieustannie podnosić jakości wyrobów i usług. Inwestycje te wspierają cel firmy, jakim jest bycie „Nr 1 w jakości”Oprócz kompletnego asortymentu łożysk tocznych, NSK opracowuje i produkuje elementy precyzyjne i wyroby mechatroniczne, jak również układy i części dla przemysłu motoryzacyjnego, w tym zespoły łożysk kół i układy kierownicze ze wspomaganiem elektrycznym.

NSK Europe to europejski oddział obchodzący w 2013 roku 50. lecie działalności NSK w Europie. Prowadzi ogólnoeuropejską sprzedaż, opierając się na zakładach produkcyjnych w Anglii, Polsce i Niemczech, centrach logistycznych w Holandii, Niemczech i Anglii oraz centrach technologii w Niemczech, Anglii, Francji i Polsce. NSK Europe jest podzielona na oddziały biznesowe według aplikacji: przemysłowych technologii łożysk tocznych oraz technologii liniowych i precyzyjnych, jak również modułów łożyskowych i układów kierowniczych dla przemysłu motoryzacyjnego. W ramach tej organizacji ponad 3 500 pracowników NSK Europe wypracowuje roczne obroty przekraczające 900 milionów EURO (dane z marca 2014).