DE102021203446A1

DE102021203446A1 - Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit eines Sensorrollenlagers

Info

Publication number: DE102021203446A1
Application number: DE102021203446.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Clemens van der Ham; Alireza AZARFAR; Dominik Fritz; Stefan Engbers; Juergen Reichert; Defeng Lang
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20220341817A1; CN115200860A

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit eines Sensorlagers, das zum Messen von Last und Geschwindigkeit eingerichtet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• während eines ersten Schritts 11 werden die Lagerlast und die Drehzahl aus den von dem Sensorlager erfassten Daten bestimmt,
• ein Array, das die bestimmte Last mit dem bestimmten n.dm-Wert verknüpft, wird gefüllt, bis alle verfügbaren Lasten analysiert sind:
• während eines vierten Schritts 14 wird eine L10-Lebensdauer für jede Last innerhalb einer Verteilung basierend auf dem Array bestimmt, dann wird eine gesamte L10-Lebensdauer basierend auf der Palmgren-Miner-Regel, der Lastverteilung und den L10-Lebensdauern bestimmt,
• während eines fünften Schritts 15 wird eine Lagerzuverlässigkeit R für ein gegebenes Datum auf der Grundlage der Weibull-Kurve und der gesamten L10-Lebensdauer bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensorrollenlager, insbesondere auf solche Lager, die eine Windturbinenhauptwelle tragen.
Lager werden oft so spezifiziert, dass sie eine „L10“-Lebensdauer für eine Anwendung haben. Dies ist die Dauer, nach der zehn Prozent der Lager in dieser Anwendung aufgrund von klassischem Ermüdungsausfall (und nicht aufgrund einer anderer Ausfallursache wie Mangelschmierung, falsche Montage usw.) ausgefallen sein dürften. Mit anderen Worten ist dies die Dauer, nach der neunzig Prozent der Lager noch in Betrieb sind. Die LlO-Lebensdauer eines Lagers ist seine theoretische Lebensdauer und entspricht nicht unbedingt der Lebensdauer des Lagers während des Betriebs.
Die L10-Lebensdauer des Lagers wird anhand einer Aufteilung oder eines Histogramms der Lasten berechnet, die gemäß den Kundenspezifikationen auf das Lager einwirken sollen.
Für jeden Lastfall (Bin des Histogramms) wird dann ein L10_i-Wert bestimmt. Dazu wird die Frequenz für einen bestimmten Lastfall in eine Einschaltdauer umgerechnet. $L 10_{i} = {(\frac{C}{P})}^{p}$
Wobei:

L10_i: die nominelle Lebensdauer mit 90%iger Wahrscheinlichkeit in Millionen Umdrehungen
C: die dynamische Tragfähigkeit in kN
P: die äquivalente dynamische Last des Lagers in kN
p: eine geometrische Konstante (3 für Kugellager, 10/3 für Rollenlager)

Die LlOi-Lebensdauer in Millionen von Umdrehungen kann mit der folgenden Formel in die L10h_i-Lebensdauer in Betriebsstunden umgerechnet werden: $L 10 h_{i} = \frac{10^{6}}{60 \cdot n} L 10_{i}$
Wobei:

n: Rotationsgeschwindigkeit

Auf der Grundlage dieser Einschaltdauer und der Palmgren-Miner-Regel wird die gesamte L10-Lebensdauer berechnet. $L 10 h = \sqrt{\sum_{i} \frac{L 10 h_{i}^{2}}{d_{i}}}$
Wobei
i: Index für jeden Lastfall
di: Einschaltdauer (Prozentsatz des Auftretens des Lastfalls)
Ausgehend von der gesamte LlOh-Lebensdauer kann die Weibull-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion oder die Zuverlässigkeit R, die die Wahrscheinlichkeit darstellt, dass das Lager nach einer bestimmten Betriebsdauer angesichts der gesamte L10h-Lebensdauer überlebt, anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden: $R = e^{- {(\frac{t}{c . L 10 h})}^{k}}$
$c = 1 / \sqrt[k]{- ln (0.9)}$
Wobei:

k ein konstanter Formparameter ist,
L10h die gesamte LlOh-Lebensdauer ist,
c ein Korrekturfaktor ist,
t die seit dem Einbau des Lagers verstrichene Zeit (Stunden) ist

Kundenspezifikationen können jedoch entweder optimistisch sein oder sich von den tatsächlichen Betriebsdaten stark unterscheiden. Die gesamte L10-Lebensdauer und die Zuverlässigkeit R, die auf der Grundlage der Kundenspezifikation bestimmt wurden, können dann um erhebliche Beträge von den entsprechenden Werten abweichen, die auf der Grundlage der tatsächlichen Betriebsdaten bestimmt wurden. Diese Unterschiede führen wiederum zu unterschiedlichen Betriebsmargen und Rentabilitäten, die im Wesentlichen auf entgangene Einnahmen zurückzuführen sind, wenn die Kundenspezifikationen zu konservativ sind, oder auf vorzeitige Wartung und Instandhaltung, wenn die Kundenspezifikationen zu optimistisch sind. Bei einer Windturbine kann der Austausch eines Hauptwellenlagers 3 Mio. € kosten, während das Lager selbst nur 300000 € kostet. Es ist daher sehr wichtig, das richtige Lager für den tatsächlichen Betrieb zu haben.
Es besteht daher der Bedarf nach einer Echtzeitbestimmung der gesamten L10-Lebensdauer und der Zuverlässigkeit in Echtzeit, damit die Betriebsparameter nach der Inbetriebnahme angepasst werden können.
Um den Zustand eines Lagers abzuschätzen, sind verschiedene Methoden bekannt.
Die Entnahme von Schmierstoffproben ist eine Möglichkeit, den Zustand des Lagers zu nachzuverfolgen. Dies erfordert das Ersteigen des Windturbinenturms, was daher nicht sehr häufig geschieht.
Das Spiel zwischen den Lagerringen kann als Maß für den Zustand des Lagers gemessen werden. Ein Verlust der Vorspannung oder Verschleiß kann ein Grund für eine Veränderung des Spiels sein und gibt somit einen Hinweis auf eine Veränderung des Zustands des Lagers. Dies bedeutet jedoch auch einen Zutritt in die Turbine an der Spitze des Windturbinenturms, was vor allem bei Offshore-Windturbinen selten durchgeführt wird.
Keines dieser Verfahren erlaubt eine einfache oder Echtzeit-Überwachung des Lagers, um seine Zuverlässigkeit zu bestimmen.
Keines dieser Verfahren erlaubt es, die Betriebsparameter einer Windturbine in Abhängigkeit von der Zuverlässigkeit des Lagers der Hauptwelle anzupassen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit eines Sensorrollenlagers, das mit einem Innenring, mit einem Außenring und mit zumindest einer Reihe von Rollen versehen ist, die zumindest eine Sensorrolle umfasst, wobei die zumindest eine Sensorrolle dazu eingerichtet ist, zumindest Last und Drehzahl zu messen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

• aus den von der zumindest einen Sensorrolle erfassten Daten werden Lagertemperatur, Last und Drehzahl bestimmt,
• es wird ein n.dm-Wert bestimmt, der gleich der Drehzahl mal dem mittleren Durchmesser des Rollenlagers ist,
• es wird ein Eintrag in einem Array abgelegt, der die bestimmte Last mit dem bestimmten n.dm-Wert verknüpft, wobei die n.dm-Werte über alle Messungen aggregiert werden,

• eine Verteilung, die den Prozentsatz des Auftretens gegenüber jeder Last verknüpft, wird auf der Grundlage des Arrays berechnet, dann wird eine L10-Lebensdauer für jede Last innerhalb der Verteilung bestimmt, und eine gesamte L10-Lebensdauer wird auf der Grundlage der Palmgren-Miner-Regel, der Lastverteilung und der L10-Lebensdauern bestimmt, und
• eine Lagerzuverlässigkeit R wird für ein gegebenes Datum auf der Grundlage der Weibull-Kurve und der gesamten L10-Lebensdauer bestimmt.

In einer Ausführungsform umfasst das Sensorrollenlager zumindest eine erste und eine zweite Reihe von Rollen, wobei jede Reihe zumindest eine Sensorrolle umfasst, wobei die Lagerlast und die Drehzahl aus den von den sensorgesteuerten Rollen der ersten und zweiten Reihe erfassten Daten bestimmt werden.
Das Datum für die Bestimmung der Zuverlässigkeit kann ein beliebiger Zeitpunkt in der Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft sein.
Die Lagertemperatur kann aus Daten bestimmt werden, die von der zumindest einen Sensorrolle erlangt werden.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Windturbine, die eine Hauptwelle hat, die von zumindest einem Sensorrollenlager getragen wird, wobei die Betriebsparameter der Windturbine auf der Grundlage der L10-Lebensdauer und der Zuverlässigkeit, wie oben bestimmt, angepasst werden.
Die Zuverlässigkeit kann für mehrere Daten in der Zukunft bestimmt werden, wobei die Zuverlässigkeit für jedes Datum dann mit einem Schwellenwert verglichen wird und die Wartung für das erste Datum geplant wird, das mit einer Zuverlässigkeit unter dem Schwellenwert verbunden ist.
Das Verfahren ist insofern vorteilhaft, als es eine direkte Rückmeldung über die Nutzung des Lagers und die Folgen dieser Nutzung bereitstellt. Es ermöglicht auch eine periodische Überwachung oder eine Überwachung in Echtzeit.
Dies kann zur Überwachungssteuerung der Windturbine genutzt werden und hilft auch bei der Entscheidung, welche Turbinen abgeschaltet werden sollen, wenn der Energiebedarf gering ist.
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden, wenn man die detaillierte Beschreibung einer Reihe von Ausführungsformen studiert, die als völlig nicht einschränkende Beispiele betrachtet und durch die beigefügte Zeichnung dargestellt werden, in der:

1 die Hauptkomponenten eines Sensorlagers zeigt,
2 die Hauptschritte eines Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt, und
3 die geometrische Beziehung zwischen den auf die Rollen wirkenden Kräften und den auf das Lager wirkenden Kräften zeigt.

Um die vorgenannten Nachteile zu lösen, sind die Erfinder auf die Idee gekommen, die Daten, die von einem Sensorlager bereitgestellt werden, zu verwenden, um die Lagerzuverlässigkeit abzuschätzen. Die Dokumente DE201810200047 , DE201610211779 und DE201810200048 offenbaren verschiedene Beispiele für ein solches Sensorlager. Insbesondere kann die Bestimmung einer Lagerzuverlässigkeit auf eine Windturbine angewendet werden, bei der das Hauptwellenlager ein Sensorlager ist.
Dank der Daten, die durch das Sensorlager verfügbar sind, kann die Lastfrequenz aktualisiert und eine neue gesamte L10-Lebensdauer berechnet werden.
Auf der Grundlage der gesamten LlO-Lebensdauer und der Betriebsdauer der Turbine kann die aktuelle Zuverlässigkeit des Hauptwellenlagers unter Verwendung der Weibull-Kurve berechnet werden.
1 zeigt ein Sensorlager 1, das einem herkömmlichen Lager ähnelt und zu den Rollenlagern gehört. Das Sensorlager 1 umfasst einen Innenring, einen Außenring, eine erste und eine zweite Reihe von Rollen, die zwischen Laufbahnen angeordnet sind, die auf dem Innen- und Außenring bereitgestellt sind. Die Rollen können Kegelrollen, Pendelrollen oder Zylinderrollen sein.
Das Sensorlager unterscheidet sich von einem herkömmlichen Lager dadurch, dass eine Rolle 2 in der ersten Reihe und eine Rolle 3 in der zweiten Reihe jeweils mit Sensoren ausgestattet sind, um die auf ihre Oberfläche einwirkenden Kräfte Fr1 bzw. Fr2 sowie die Drehzahl und gegebenenfalls die Temperatur zu bestimmen. Im dargestellten Beispiel steht die Sensorrolle 2 der Sensorrolle 3 axial gegenüber.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit des Sensorlagers ist durch 2 dargestellt.
Während eines ersten Schritts 11 werden Lagertemperatur, Last und Drehzahl aus den von den Sensorrollen erfassten Daten bestimmt.
Die Lagertemperatur wird anhand eines Modells aus der gemessenen Temperatur der Sensorrollen und der Geometrie des Lagers bestimmt.
In ähnlicher Weise wird die Lagerdrehzahl anhand eines Modells aus der gemessenen Drehzahl der Sensorrollen und der Geometrie des Lagers bestimmt.
Die radialen und axialen Lagerlasten werden zunächst durch Projizieren der Rollenkräfte auf die radialen und axialen Richtungen bestimmt. 3 zeigt die Position der Sensorrolle 2 und die Position der Sensorrolle 3 in Bezug auf den Lagermittelpunkt C zusammen mit den einwirkenden Kräften Fr1, Fr2 und den daraus resultierenden Lasten Fx, Fy, Fz in einem orthonormalen Rahmen.
Basierend auf den gemessenen Rollenkräften Fr1 und Fr2 in den beiden Laufbahnen kann die Axiallast Fx basierend auf der folgenden Gleichung bestimmt werden: $F x = (F r 2 - F r 1) * cos (ε)$
wobei ∈ π/2 ist - der Kontaktwinkel der Rolle mit der Laufbahn.
Zwei Radiallasten Fy, Fz können basierend auf den folgenden Gleichungen bestimmt werden: $F y = (F r 1 + F r 2) * sin (ε) * sin (θ)$
$F z = (F r 1 + F r 2) * sin (ε) * cos (θ)$
wobei θ der Winkel der Rolle um den Umfang des Lagers ist.
In der vorliegenden Erfindung wird θ gleich 0 gewählt, so dass die betrachtete Radiallast die Vertikallast ist, die in einer Ebene enthalten ist, die sich zwischen den Sensorrollen erstreckt.
Um die Momente Mx und My zu bestimmen, werden der Abstand L zwischen dem Ort der einwirkenden Last und dem Rotationsmittelpunkt des Lagers und der Winkel A zwischen der Richtung der einwirkenden Last und der Richtung, die sich zwischen dem Ort der einwirkenden Last und dem Rotationsmittelpunkt des Lagers erstreckt, mit Hilfe der folgenden Gleichungen bestimmt: $A = ε - atan (W / P)$
$L = \sqrt{P^{2} + W^{2}}$
Wobei:

W die Breite von der Mitte des Lagers bis zur Rolle ist
P der Teilungsradius ist

Die Momente Mx und My werden durch Anwenden der folgenden Gleichungen bestimmt: $M x = (F r 2 - F r 1) * cos (A) * L * cos (θ)$
$M y = (F r 2 - F r 1) * cos (A) * L * sin (θ)$
Es sei daran erinnert, dass θ gleich 0 gewählt ist. My ist somit gleich 0.
Sobald die Radial- und Axialkräfte und -momente für das Paar von Sensorrollen bestimmt sind, können die entsprechenden Werte für das Lager durch Integration oder Summation über einen vollständigen Ring von Rollen bestimmt werden.
Während eines zweiten Schritts 12 wird der n.dm-Wert bestimmt, der gleich der Drehzahl mal dem mittleren Durchmesser des Lagers ist.
Während eines dritten Schritts 13 wird ein Eintrag in einem Array abgelegt, der die aktuellen Lasten mit dem n.dm-Wert verknüpft.
Die Schritte 11 bis 13 werden in einer Schleife durchgeführt, so dass alle verfügbaren Lasten analysiert werden.
Während eines vierten Schritts 14 wird auf der Grundlage des Arrays eine Verteilung berechnet, die den Prozentsatz des Auftretens gegenüber jeder Last verknüpft. Für jede Last innerhalb der Verteilung wird eine LlO-Lebensdauer bestimmt. Die gesamte L10-Lebensdauer wird dann auf der Grundlage der Palmgren-Miner-Regel und der Lastverteilung bestimmt.
Während eines fünften Schritts 15 wird die Zuverlässigkeit R für einen gegebenen Zeitpunkt auf der Grundlage der Weibull-Kurve und der gesamten L10-Lebensdauer bestimmt. Der Zeitpunkt kann ein beliebiger Zeitpunkt in der Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft sein.
Ein Verfahren zum Steuern einer Windturbine, um die Lebensdauer des Hauptwellenlagers und den Betrieb der Windturbine zu optimieren, umfasst die folgenden Schritte und ist in 4 dargestellt.
Die Schritte 11 bis 15 ähneln denen, die oben im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit eines Sensorlagers beschrieben wurden. Nach dem fünften Schritt 15 fährt das vorliegende Verfahren mit einem sechsten Schritt 16 fort, während dessen die Betriebsparameter der Windturbine auf der Grundlage der L10-Lebensdauer und der aktuellen Zuverlässigkeit angepasst werden.
Alternativ wird während des sechsten Schritts 16 die Zuverlässigkeit für mehrere in der Zukunft liegende Zeitpunkte bestimmt. Die Zuverlässigkeit für jedes Datum wird dann mit einem Schwellenwert verglichen, und die Wartung wird für das erste Datum geplant, das mit einer Zuverlässigkeit unter dem Schwellenwert verbunden ist.
In einer bestimmten Ausführungsform ist nur eine Sensorrolle vorhanden oder wird für die Bestimmung der Lasten, der Drehzahl und der Temperatur berücksichtigt. Je nachdem, welche Sensorrolle vorhanden oder aktiv ist, wird die Last Fr1 oder Fr2 in den oben genannten Gleichungen gleich Null betrachtet. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Wälzlager nur eine einzige Reihe von Rollen mit zumindest einer Sensorrolle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 201810200047 [0028]
DE 201610211779 [0028]
DE 201810200048 [0028]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Zuverlässigkeit eines Sensorrollenlagers, das mit einem Innenring, mit einem Außenring und mit zumindest einer Reihe von Rollen versehen ist, die zumindest eine Sensorrolle umfasst, wobei die zumindest eine Sensorrolle dazu eingerichtet ist, zumindest die Last und die Geschwindigkeit zu messen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - aus den von der zumindest einen Sensorrolle erfassten Daten werden die Lagerlast und die Drehzahl bestimmt, - es wird ein n.dm-Wert bestimmt, der gleich der Drehzahl mal dem mittleren Durchmesser des Rollenlagers ist, - es wird ein Eintrag in einem Array abgelegt, der die bestimmte Last mit dem bestimmten n.dm-Wert verknüpft, wobei die n.dm-Werte über alle Messungen aggregiert werden, diese Schritte werden in einer Schleife durchgeführt, bis alle verfügbaren Lasten analysiert wurden, was in einer Lastverteilung resultiert, dann wird der Prozess mit den folgenden Schritten fortgesetzt: - eine Verteilung, die den Prozentsatz des Auftretens gegenüber jeder Last verknüpft, wird auf der Grundlage des Arrays berechnet, dann wird eine L10-Lebensdauer für jede Last innerhalb der Verteilung bestimmt, und eine gesamte L10-Lebensdauer wird auf der Grundlage der Palmgren-Miner-Regel, der Lastverteilung und den L10-Lebensdauern bestimmt, und - eine Lagerzuverlässigkeit R wird für ein gegebenes Datum auf der Grundlage der Weibull-Kurve und der gesamten L10-Lebensdauer bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Sensorrollenlager zumindest eine erste und eine zweite Reihe von Rollen umfasst, wobei jede Reihe zumindest eine Sensorrolle umfasst, wobei die Lagerlast und die Drehzahl aus Daten bestimmt werden, die von den Sensorrollen der ersten und zweiten Reihe erfasst werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Datum für die Bestimmung der Zuverlässigkeit ein beliebiger Zeitpunkt ist, der in der Vergangenheit, Gegenwart oder Zukunft liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lagertemperatur anhand von Daten bestimmt wird, die von der zumindest einen Sensorrolle erfasst werden.
Verfahren zum Steuern einer Windturbine, die eine Hauptwelle hat, die von zumindest einem Sensorrollenlager getragen wird, wobei die Betriebsparameter der Windturbine auf der Grundlage der L10-Lebensdauer und der bestimmten Zuverlässigkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 eingestellt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Zuverlässigkeit für mehrere Daten in der Zukunft bestimmt wird, die Zuverlässigkeit für jedes Datum dann mit einem Schwellenwert verglichen wird und eine Wartung für das erste Datum geplant wird, das mit einer Zuverlässigkeit unterhalb des Schwellenwerts verbunden ist.