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DER KONSTRUKTEUR 12/2018

DER KONSTRUKTEUR 12/2018

KONSTRUKTIONSELEMENTE

KONSTRUKTIONSELEMENTE „KOOPERATION UND INTEGRATION FÜHREN ZUM ERFOLG“ Martina Klein, Stv. Chefredakteurin www.DerKonstrukteur.de 04 Der zur Verfügung stehende Bauraum bleibt gleich. Die Kernkomponenten bleiben auch gleich. Aber die Leistung soll steigen. Integration ist hier der Schlüssel zum Erfolg. Und da ist enge Zusammenarbeit gefragt – in diesem Fall zwischen Lager- und Getriebehersteller. Dadurch, dass ein Teil des Lagers ins Getriebe wandert, können Bauraum und Gewicht gespart werden und so kann die Leistungsdichte gesteigert werden. Kooperation und Integration führen hier also – wie in vielen anderen Fällen auch – zum Erfolg! 04 Bei der Konstruktion von Wälzlagern für WEA nutzt NSK intensiv die Möglichkeiten der FEM und der Simulation; dabei wird auch das Gesamtmodell des Getriebes berechnet Getriebehersteller voraus. Die Fertigungstoleranzen müssen z. B. extrem genau zwischen zwei Herstellern abgestimmt werden. KEGELROLLEN- ODER ZYLINDERROLLENLAGER? Je nachdem, wieviel Bauraum gegeben ist oder wie hoch die wirkenden Kräfte auf die jeweilige Lagerposition sind, wird entsprechend die Art des zu verwendeten Lagers gewählt. Während bei kleineren WEA häufig Zylinderrollenlager als Getriebelager eingesetzt werden, sind bei größeren Anlagen aus Sicht von NSK Kegelrollenlager die bessere Wahl. Der Grund dafür ist die präzisere Einstellungs-möglichkeit der für die Anwendung geforderten Lagerluft, die im Fall des Multi-MW-Getriebes negativ, also vorgespannt, eingestellt wird. PRODUKTE UND ANWENDUNGEN MIT UNSEREN NEUEN LAGERKONZEPTEN UNTERSTÜTZEN WIR DIE ENTWICKLUNG HIN ZU LEISTUNGSFÄHIGEREN WEA RALF PETERSEN, Engineering Manager Industrial, European Technology Centre, NSK Deutschland GmbH Zu den Technik-Trends in der Antriebstechnik von Windenergieanlagen gehören Wälzlager, deren Design und Werkstoffauswahl den Anforderungen nach höherer Leistungsdichte (Power density) nachkommen. Mit unseren neuen Lagerkonzepten werden wir dem gerecht und begleiten so die Entwicklung hin zu immer leistungsfähigeren Windenergieanlagen. 14 DER KONSTRUKTEUR 12/2018

KONSTRUKTIONSELEMENTE Bei der Fertigung der Getriebelager für die Planetenstufen mit einem Außendurchmesser bis zu 800 mm bei einem Bohrungsdurchmesser bis zu 360 mm kommt der für diese Anwendungen von NSK entwickelte „Super Tough“-Stahl in einer Kombination mit einer darauf abgestimmten Wärmebehandlung (Carbonitrieren) zum Einsatz. Auch die innere Konstruktion der Lager wurde an die besonderen Anforderungen der Windtechnik angepasst. INTENSIVE FEM-BERECHNUNG WÄHREND DER ENTWICKLUNG Bei der Konstruktion und Optimierung derartiger Lager nutzt NSK intensiv die Möglichkeiten der FEM und der Simulation. Im ersten Schritt werden Teile des Antriebsstrangs berechnet, anschließend dann das Gesamtmodell des Getriebes. Da die Getriebemodelle sehr aufwendig und komplex aufgebaut sind, werden für die Berechnung sehr viele Rechnerstunden aufgewendet, und an deren BEI DEN LEISTUNGSGESTEIGERTEN VERSIONEN DER KEGEL- UND ZYLINDERROLLENLAGER SIND DIE AUSSENRINGE DER LAGER DIREKT IN DIE PLANETENRÄDER INTEGRIERT Auswertung sind neben Konstrukteuren und Windkraft-Spezialisten auch Mathematiker beteiligt. Zu den Vorteilen einer solchen Vorgehensweise gehört es, dass man verschiedene Lagerluft- oder Vorspannungseinstellungen erproben und vergleichen kann. SIMULATION VERBESSERT DIE KONSTRUKTION Die Berechnungen und Simulationen ergeben ein sehr genaues Bild des zu entwickelnden Wälzlagers. Zum Beispiel lässt sich der Verschleiß schon beim digitalen Zwilling des Lagers (von dem noch kein realer Prototyp vorliegt) so exakt simulieren, dass Tragbilder inklusive Gehäuseverformung abgebildet werden – unter der Voraussetzung, dass sämtliche Einflussgrößen bis hin zur Temperatur, der Vorspannung von Schraubverbindungen und zu den generatorseitigen Rückwirkungen in die Simulation eingehen. Die Tests der Getriebelager werden folgerichtig in der Umgebungskonstruktion, d. h. im kompletten Getriebe, vorgenommen. Die Entwickler können dann nach einem Last+HAL-Test vergleichen, ob die simulierten Ergebnisse mit denen der realen Versuche übereinstimmen. DER NÄCHSTE SCHRITT: VERFEINERN DURCH VEREINFACHEN Die Planetenlager (Kegel- oder Zylinderrollenlager) in integrierter Bauweise, d. h. ohne Außenring, befinden sich seit Kurzem in der Serienproduktion. Für die deutlich leistungsgesteigerten Offshore- WEA liegen bereits Aufträge für mehrere große Windparks vor. Im nächsten Schritt wird NSK gemeinsam mit dem Getriebehersteller das neue Konzept verfeinern und dabei auch berücksichtigen, in welchen Bereichen Vereinfachungen möglich sind. Schließlich ist der wirtschaftliche Druck, unter dem die Hersteller und Betreiber der WEA stehen, hoch. Bei solchen Optimierungen helfen auch die Big-Data-Rechenmodelle, die beim Betrieb vorhandener Offshore-Windparks generiert werden. Sie leisten einen Beitrag dazu, künftige Generationen von Wälzlagern für WEA exakt an die realen Umgebungs- und Betriebsbedingungen anzupassen. Darüber hinaus berücksichtigt NSK bei der Entwicklung auch Sonderereignisse und -einflüsse, die eine verringerte Lagerlebensdauer zur Folge haben können. Dazu gehören unter anderem Richtungsänderungen des Kraftflusses bei Bremsen, Netzunregelmäßigkeiten und Stromdurchgänge. Solche Einflüsse können typische Schäden wie die „White Etching Cracks“ (WEC) hervorrufen, die zu vorzeitigem Ausfall führen. Hier hat NSK Grundlagenarbeit geleistet und Maßnahmenpakete entwickelt, die das Risiko des Auftretens dieser Schäden deutlich verringern. Bilder: NSK Deutschland GmbH www.nskeurope.de

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