DE102012221739B4

DE102012221739B4 - Teil einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102012221739B4
Application number: DE102012221739.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander De Vries; Armin Olschewski; Junbiao Lai; Otto Menig; Arno Stubenrauch; Thomas Krause
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: DE102012221739A1

Abstract

Teil einer Windenergieanlage (1), umfassend mindestens eine Lageranordnung (2), mit der ein Rotor (3) relativ zu einem Gehäuse (4) drehbar gelagert wird, wobei die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager (5) umfasst, wobei das Wälzlager (5) mindestens einen mit dem Rotor (3) verbundenen ersten Lagerring (6) und mindestens einen mit dem Gehäuse (4) verbundenen zweiten Lagerring (7) aufweist, wobei zwischen den Lagerringen (6, 7) Wälzkörper (8) angeordnet sind, wobei der mit dem Rotor (3) verbundene erste Lagerring (6) eine zylindrische Sitzfläche (9) aufweist, mit der er auf einem zylindrischen Abschnitt des Rotors (3), vorzugsweise mit Presspassung, sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Sitzfläche (9) des mit dem Rotor (3) verbundenen Lagerrings (6) durch einen Hartdrehvorgang erzeugt ist, wobei zwischen einer Stirnfläche (10) des ersten Lagerrings (6) und einer zur axialen Anlage ausgebildeten Stirnfläche (11) eines Absatzes (12) des Rotors (3) ein Ringelement (13) angeordnet ist, das aus einem Material besteht, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das Material des ersten Lagerrings (6) und des Rotors (3), wobei die zylindrische Sitzfläche (9) nach dem Hartdrehen und gegebenenfalls einem sich anschließenden Honen derart ausgebildet ist, dass der radiale Differenzbetrag (hc) zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche (9) höchstens gleich dem folgenden Wert ist:hc=D5.000[1+4.200E(σc−σnom)−1]2mit:hc: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche (9) in mm;D: Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche des Lagerrings (6) in mm;E: Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings in N/mm2(MPa);σc: kritische Umfangsspannung im Lagerring (6) vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung, gegebenenfalls nach der Herstellung eines Presssitzes, in N/mm2(MPa);σnom: nominale Umfangsspannung im Lagerring (6) nach seiner Montage, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz, in N/mm2(MPa).

Description

Die Erfindung betrifft ein Teil einer Windenergieanlage, umfassend mindestens eine Lageranordnung, mit der ein Rotor relativ zu einem Gehäuse drehbar gelagert wird, wobei die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager umfasst, wobei das Wälzlager mindestens einen mit dem Rotor verbundenen ersten Lagerring und mindestens einen mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Lagerring aufweist, wobei zwischen den Lagerringen Wälzkörper angeordnet sind, wobei der mit dem Rotor verbundene erste Lagerring eine zylindrische Sitzfläche aufweist, mit der er auf einem zylindrischen Abschnitt des Rotors, vorzugsweise mit Presspassung, sitzt.
Eine Lageranordnung dieser Art ist aus der DE 201 09 014 U1 bekannt. Ein Wälzlager für eine Windkraftanlage offenbart die DE 10 2010 042 296 A1 .
Die Lagerung des Rotors einer Windenergieanlage ist eine anspruchsvolle Lageraufgabe. Der Lagerinnenring des oft als Kegelrollenlager ausgebildeten Lagers wird häufig mit Presssitz auf einem zylindrischen Abschnitt des Rotors angeordnet, um den Lagerring dauerhaft während seiner Gebrauchsdauer auf dem Rotor zu fixieren.
Bei entsprechender Belastung während des Einsatzes eines Wälzlagers treten mitunter Probleme mit Rissbildung im Laufbahnbereich auf. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass sich bei hohen Lasten und in Verbindung mit auftretendem Schlupf auf der Laufbahn Risse bilden, die auf der Laufbahnoberfläche in axiale Richtung verlaufen. Daher kommt es sehr häufig zu Reibkorrosion an der Lagerbohrung und an der gelagerten Welle. Zusätzlich ist eine Umlaufbiegung relevant, die bei der Rotation des Lagerrings wirkt.
Die genannten Effekte begrenzen die Gebrauchsdauer des Wälzlagers und führen mitunter zu frühzeitigen Ausfällen der Lagerung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Windenergieanlage bzw. ein Teil derselben zu schaffen, bei der die Neigung zur Rissbildung an den Lagerringen der Lagerung jedenfalls stark reduziert ist. Auch soll das Auftreten von Reibkorrosion im Bereich der zylindrischen Sitzfläche des Lagers durch Wellenbiegung unter Last vermindert werden.
Die Lös u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Sitzfläche des mit dem Rotor verbundenen Lagerrings durch einen Hartdrehvorgang erzeugt ist, wobei zwischen einer Stirnfläche des ersten Lagerrings und einer zur axialen Anlage ausgebildeten Stirnfläche eines Absatzes des Rotors ein Ringelement angeordnet ist, das aus einem Material besteht, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das Material des ersten Lagerrings und des Rotors, wobei die zylindrische Sitzfläche nach dem Hartdrehen und gegebenenfalls einem sich anschließenden Honen derart ausgebildet ist, dass der radiale Differenzbetrag (h_c) zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche höchstens gleich dem folgenden Wert ist: $h_{c} = \frac{D}{5.000} {[\sqrt{1 + \frac{4.200}{E} (σ_{c} - σ_{n o m})} - 1]}^{2}$
mit:

hc:: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche in mm;
D:: Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche des Lagerrings in mm;
E:: Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings in N/mm² (MPa);
σc:: kritische Umfangsspannung im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung, gegebenenfalls nach der Herstellung eines Presssitzes, in N/mm² (MPa);
σnom:: nominale Umfangsspannung im Lagerring nach seiner Montage, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz, in N/mm² (MPa).

Bevorzugt bestehen die Lagerringe und der Rotor aus Stahl, während das Ringelement aus Kunststoff besteht. Der Kunststoff ist vorzugsweise faserverstärkt; als Kunststoff kommt besonders bevorzugt Polyamid zum Einsatz, insbesondere Polyamid 6.6.
Das Ringelement hat dabei bevorzugt im Radialschnitt eine rechteckförmige Gestalt.
Die zylindrische Sitzfläche ist gegebenenfalls im Rahmen eines abschließenden spanenden Bearbeitungsvorgangs einer Honbearbeitung unterzogen. Dann schließt sich also an das Hartdrehen nur noch abschließend das Honen an. Indes ist die zylindrische Sitzfläche bevorzugt frei von einem Schleifbearbeitungsvorgang gehalten; die Sitzfläche wird also nicht geschliffen.
Dabei hat es sich überraschend herausgestellt, dass ein besonders gutes Ergebnis erzielt wird, wenn besagter Hartdreh- und ggf. Honvorgang - bei späterem Einbau des Lagerrings bevorzugt, aber nicht zwingend mittels Presssitz - in einem solchen Maße durchgeführt wird, bis ein definierter maximaler radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche vorliegt.
Als kritische Umfangsspannung (σ_c) im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung wird dabei bevorzugt ein Wert zwischen 180 MPa und 220 MPa zugrunde gelegt, vorzugsweise von 200 MPa.
Der erste Lagerring ist bevorzugt der Lagerinnenring; genauso kann der erste Lagerring aber auch der Lageraußenring sein, der entsprechend ausgebildet ist. Das Wälzlager ist bevorzugt als Kegelrollenlager oder als Zylinderrollenlager ausgebildet.
Vorgesehen ist also, dass die zylindrische Sitzfläche des Lagerrings durch einen Hartdrehvorgang erzeugt wird, wobei der Hartdrehvorgang der letzte spanende Bearbeitungsschritt der Sitzfläche ist oder wobei sich an den Hartdrehvorgang nur noch ein Honvorgang anschließt.
Die Laufbahn des Lagerrings ist bevorzugt hartgedreht; sie kann auch hartgewalzt werden.
Die Laufbahn und/oder die zylindrische Sitzfläche sind bevorzugt brüniert.
Es hat sich gezeigt, dass die Neigung zur Rissbildung auf der Laufbahn des Lagerrings sowie die Neigung zu Reibkorrosion in erheblichem Maße reduziert werden kann, wenn die vorgeschlagene Ausgestaltung der Lageranordnung eingesetzt wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 im Radialschnitt einen Teil einer Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Lageranordnung,
2 für den zylindrischen Sitz des Lagerinnenrings der Lageranordnung nach 1 den Verlauf des Radius der Sitzfläche über dem Umfang und
3 den erfindungsgemäß maximal zulässigen radialen Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche als Funktion des Durchmessers der zylindrischen Sitzfläche für verschiedene nominale Umfangsspannungen im Lagerring.

In 1 ist der Radialschnitt eines Teils einer Windenergieanlage 1 skizziert, wobei hier eine Lageranordnung 2 in Form einer Kegelrollenlagerung zu sehen ist, mit der ein Rotor 3 - dies kann, muss aber nicht, der Hauptrotor der Windenergieanlage sein - in einem Gehäuse 4 gelagert wird; freilich ist noch ein zweites, nicht dargestelltes (Kegelrollen)Lager nötig, um den Rotor 3 im Gehäuse 4 zu lagern; die Lageranordnung 2 umfasst in diesem Falle also zwei Wälzlager 5 in Form von Kegelrollenlagern.
Das Kegelrollenlager 5 hat einen ersten Lagerring 6, nämlich den Lagerinnenring, und einen zweiten Lagerring 7, nämlich den Lageraußenring. Zwischen den Lagerringen 6, 7 sind in üblicher Weise Wälzkörper 8 in Form von Kegelrollen angeordnet.
Der Lagerinnenring 6 sitzt mit einer zylindrischen Sitzfläche 7 im Ausführungsbeispiel mit Presssitz auf einem kongruent ausgebildeten zylindrischen Abschnitt des Rotors 3. Der Lagerinnenring 6 hat eine Stirnfläche 10, der eine Stirnfläche 11 eines flanschförmigen Absatzes 12 gegenüberliegt. Zwischen den beiden Stirnflächen 11 und 12 ist ein Kunststoffring 13 angeordnet, der aus Polyamid besteht. Der Kunststoffring 13 hat im Radialschnitt - wie zu sehen - eine rechteckige Gestalt.
Im montierten Zustand, d. h. wenn der Lagerring 6 auf dem Rotor 3 angeordnet ist, liegt hier ein Presssitz zwischen Lagerring 6 und Rotor 3 vor. Im Lagerring 6 herrscht daher eine nominale Umfangsspannung σ_nom (vorliegend in MPa angegeben; 1 Pa = 1 N/m²), die durch den Presssitz hervorgerufen ist. In 2 ist diese Spannung illustriert.
Sofern kein Presssitz, sondern ein Lossitz vorliegt, ist die nominale Umfangsspannung σ_nom meist Null. Sie kann aber auch größer als Null sein, wenn beispielsweise im Falle eines Kegelrollenlager-Außenrings infolge einer Axiallast und einer hierdurch hervorgerufenen Aufweitung des Rings eine Umfangsspannung im Ring hervorgerufen wird.
Weiterhin ist eine kritische Umfangsspannung σ_c (in MPa) definierbar, die im Lagerring nach der Herstellung, aber vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung herrschen darf. Dieser Wert ist materialabhängig und kann bei Stahl beispielsweise 200 MPa betragen.
In 2 ist dargestellt, wie sich über den Umfang des Lagerrings 6 die zylindrische Bohrung 9 mit ihrem nominalen Durchmesser D (in mm) im Radius verändert, wobei freilich der Verlauf der Bohrung stark überhöht dargestellt ist. Es ergibt sich, dass infolge der Ungleichförmigkeit bzw. Welligkeit ein radialer Differenzbetrag zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert des Radius vorliegt; dieser Differenzbetrag ist mit h_c bezeichnet.
Die zylindrische Bohrung 9 ist vorliegend durch Hartdrehen in ihre endgültige Form gebracht; es folgt kein weiterer mechanischer Bearbeitungsvorgang der Bohrung. Alternativ kann allenfalls noch ein Honprozess folgen. In jedem Falle ist die zylindrische Bohrung 9 nicht durch Schleifen bearbeitet.
Die Laufbahn des Lagerrings 6 kann klassisch hergestellt werden, d. h. dass die Endkontur mittels Schleifen hergestellt wird. Es ist aber bevorzugt auch hier ein Hartdrehen und/oder ein Hartwalzen möglich, an das sich ggf. ein Honen anschließt.
Ein sehr vorteilhaftes Ergebnis und eine wesentliche Verbesserung gegen Risse in der Laufbahn werden erreicht, wenn der radiale Differenzbetrag h_c folgenden Wert nicht überschreitet: $h_{c} = \frac{D}{5.000} {[\sqrt{1 + \frac{4.200}{E} (σ_{c} - σ_{n o m})} - 1]}^{2}$
Wie der Verlauf von h_c aussieht, ist für verschiedene Werte der nominale Umfangsspannung σ_nom über dem Durchmesser D in 3 dargestellt. Hier ist eine kritische Umfangsspannung σ_c, von 200 MPa angesetzt. Der Wert h_c stellt den kritischen Wert der Ungleichmäßigkeit der Bohrung dar. Die genannte Formel ergibt den Wert für h_c in mm, wenn auch der Durchmesser D in mm eingesetzt wird.
Man erkennt, dass - je näher sich der nominale Spannungswert dem kritischen Spannungswert nähert - in Abhängigkeit des Durchmessers D ein immer geringeres Maß für h_c angestrebt werden muss, um eine dauerhafte Vermeidung von Rissen auf der Laufbahn sicherzustellen.
Demgemäß wird bei der Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee so vorgegangen, dass anhand der vorgesehenen Konstruktion und dem geplanten Einsatz des Wälzlagers in der Windenergieanlage zunächst bestimmt wird, mit welcher Umfangsspannung σ_nom beispielsweise der Lagerinnenring auf dem Rotor 3 sitzen wird.
Dies ergibt sich insbesondere aus der vorgesehenen Passung zwischen dem zylindrischen Sitz des Lagerrings 6 und dem Wellenabschnitt des Rotors 3. Hierfür können entsprechende Rechenprogramme eingesetzt werden, mit denen sich die nominale Umfangsspannung im Lagerring ermitteln lässt, der sich aufgrund des vorgesehenen Presssitzes ergibt.
Dann wird die kritische Umfangsspannung σ_c, im Lagerring bestimmt, wie sie nach der Herstellung des Presssitzes und vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung im Lagerring vorliegt. Dieser Wert ist werkstoffabhängig; ein Beispiel für besagte Spannung wurde oben genannt.
Anschließend kann anhand der oben aufgeführten mathematischen Beziehung bestimmt werden, wie groß der radiale Differenzbetrag h_c werden darf.
Das Hartdrehen bzw. das Honen werden dann schließlich so durchgeführt, dass der ermittelte maximale radiale Differenzbetrag eingehalten wird, was gegebenenfalls durch interaktives Messen geprüft wird.
Bezugszeichenliste

1: Windenergieanlage bzw. Teil derselben
2: Lageranordnung
3: Rotor
4: Gehäuse
5: Wälzlager
6: erster Lagerring (Innenring)
7: zweiter Lagerring (Außenring)
8: Wälzkörper (Kegelrolle)
9: zylindrische Sitzfläche
10: Stirnfläche des ersten Lagerrings
11: Stirnfläche des Absatzes
12: Absatz
13: Ringelement (Kunststoffring)
hc: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche
D: Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche
E: Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings
σc: kritische Umfangsspannung im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung und ggf. nach der Herstellung eines Presssitzes
σnom: nominale Umfangsspannung im Lagerring, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz

Claims

Teil einer Windenergieanlage (1), umfassend mindestens eine Lageranordnung (2), mit der ein Rotor (3) relativ zu einem Gehäuse (4) drehbar gelagert wird, wobei die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager (5) umfasst, wobei das Wälzlager (5) mindestens einen mit dem Rotor (3) verbundenen ersten Lagerring (6) und mindestens einen mit dem Gehäuse (4) verbundenen zweiten Lagerring (7) aufweist, wobei zwischen den Lagerringen (6, 7) Wälzkörper (8) angeordnet sind, wobei der mit dem Rotor (3) verbundene erste Lagerring (6) eine zylindrische Sitzfläche (9) aufweist, mit der er auf einem zylindrischen Abschnitt des Rotors (3), vorzugsweise mit Presspassung, sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Sitzfläche (9) des mit dem Rotor (3) verbundenen Lagerrings (6) durch einen Hartdrehvorgang erzeugt ist, wobei zwischen einer Stirnfläche (10) des ersten Lagerrings (6) und einer zur axialen Anlage ausgebildeten Stirnfläche (11) eines Absatzes (12) des Rotors (3) ein Ringelement (13) angeordnet ist, das aus einem Material besteht, das eine geringere Steifigkeit aufweist als das Material des ersten Lagerrings (6) und des Rotors (3), wobei die zylindrische Sitzfläche (9) nach dem Hartdrehen und gegebenenfalls einem sich anschließenden Honen derart ausgebildet ist, dass der radiale Differenzbetrag (h_c) zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche (9) höchstens gleich dem folgenden Wert ist: $h_{c} = \frac{D}{5.000} {[\sqrt{1 + \frac{4.200}{E} (σ_{c} - σ_{n o m})} - 1]}^{2}$
mit: h_c: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche (9) in mm; D: Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche des Lagerrings (6) in mm; E: Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings in N/mm² (MPa); σ_c: kritische Umfangsspannung im Lagerring (6) vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung, gegebenenfalls nach der Herstellung eines Presssitzes, in N/mm² (MPa); σ_nom: nominale Umfangsspannung im Lagerring (6) nach seiner Montage, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz, in N/mm² (MPa).
Teil einer Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerringe (6, 7) und der Rotor (3) aus Stahl bestehen und dass das Ringelement (13) aus Kunststoff besteht, wobei der Kunststoff vorzugsweise faserverstärkt ist.
Teil einer Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (13) aus Polyamid, insbesondere aus Polyamid 6.6, besteht.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (13) im Radialschnitt eine rechteckförmige Gestalt aufweist.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Sitzfläche (9) als abschließendem spanenden Bearbeitungsvorgang einer Honbearbeitung unterzogen ist.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Sitzfläche (9) frei von einem Schleifbearbeitungsvorgang ist.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als kritische Umfangsspannung ((σ_c) im Lagerring (6) vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung ein Wert zwischen 180 MPa und 220 MPa zugrunde gelegt wird, vorzugsweise von 200 MPa.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (6) ein Lagerinnenring ist.
Teil einer Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerring (7) ein Lageraußenring ist.
Teil einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (5) ein Kegelrollenlager oder Zylinderrollenlager ist.