EP4612472A1 - Hybrides prüfverfahren, insbesondere für einen antriebsstrang von windenergieanlagen - Google Patents

Hybrides prüfverfahren, insbesondere für einen antriebsstrang von windenergieanlagen

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Publication number
EP4612472A1
EP4612472A1 EP23798793.8A EP23798793A EP4612472A1 EP 4612472 A1 EP4612472 A1 EP 4612472A1 EP 23798793 A EP23798793 A EP 23798793A EP 4612472 A1 EP4612472 A1 EP 4612472A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
test
load
test object
bench
results
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23798793.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Feja
Hans Kyling
Muhammad Omer Siddiqui
Jan Wenske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4612472A1 publication Critical patent/EP4612472A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/025—Test-benches with rotational drive means and loading means; Load or drive simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021—Gearings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Definitions

  • the present disclosure relates to a test method for determining a behavior of a test object, in particular a drive train of wind turbines.
  • test benches for mechanical drive systems are increasing with increasing sizes of test objects.
  • Many existing test benches for drive trains are already too small and/or too low-performance for the testing requirements of modern wind turbines.
  • test benches for example for testing a wind turbine nacelle or a wind turbine drive train.
  • the implementation of ever larger test benches is associated with disproportionately increasing costs and effort.
  • the widely used validation approach in the context of product development according to the V model i.e. validation at various development stages during product development, is difficult to implement at the level of the "drive train" system, since many existing test facilities do not offer the required test capacity for the entire, specified working range (idle, partial load, full load, overload) for current and future drive train prototypes.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing an alternative testing method. This object is achieved by a testing method according to claim 1.
  • Advantageous further developments of the method are set out in the dependent claims and the following description. Exemplary embodiments of the method according to the invention are explained in more detail in the description of the figures.
  • the proposed hybrid test procedure is used to determine the behavior of a test object, in particular a drive train of wind turbines, under predefined loads.
  • the test procedure comprises the following steps
  • test bench with a test object to be tested, the test bench having a maximum load that can be applied to the test object by the test bench, a full load being predefined for the test object, the full load of the test object being greater than the maximum load that can be applied to the test bench, II.
  • V Simulate a load test of the test object under full load and/or overload in the validated simulation model.
  • the maximum load that can be applied to the test object by the test bench can therefore be lower than the full load of the test object.
  • a test bench that is significantly smaller than a test bench that could apply the full load of the test object to the test object can be used to test the test object.
  • the investment costs for such a test bench can be significantly lower than for a test bench that could represent a full load of the test object.
  • full load can be understood as a maximum load specified by the manufacturer. Full load can therefore be the maximum load for which the test object was designed. For a machine, full load can correspond to the state of maximum performance. Overload can be understood as a load above full load.
  • a load range can be simulated in particular.
  • a lower limit of the load range can in particular be greater than or equal to the maximum load that can be applied to the test object by the test bench.
  • An upper limit of the load range can be less than or equal to the full load of the test object and/or less than or equal to a defined overload of the test object.
  • a simulation of the load range can consist of repetitions of sequential and/or simultaneous simulations of individual load cases in the corresponding load range. Performing mechanical tests at partial loads can result in lower energy requirements and/or a smaller number of tests to be performed in real life compared to testing on a test bench with higher performance. Both can lead to lower testing costs.
  • test bench infrastructure there may be no need to invest in larger or more powerful test bench infrastructure as soon as the first test requirements exceed the existing test bench capacities.
  • Existing smaller test benches can still be used to test a test object with higher operating performance or load requirements.
  • the operators of the existing test benches usually have validated simulation models of the test benches that are based on data from several test campaigns.
  • the existing test benches can generally be expected to be more reliable (numerous errors have already been corrected) and to operate more efficiently than newly commissioned test benches.
  • the proposed method can be used to generate a validated simulation model that can also be used for other applications.
  • Another advantage of the method can be that validated virtual models (in any number) can be used to test several test scenarios by parallelization. This can result in time and cost savings, whereas a physical test bench can typically only run one test at a time.
  • the numbering of the steps can specify a sequence of execution, for example in ascending order. However, execution can also deviate from the ascending order.
  • the steps can, for example, be carried out in the order I, II, III, IV, V. Alternatively, the steps can be carried out in the order I, III, II, IV, V or in the order III, I, II, IV, V. Steps I and III can be carried out simultaneously. Step I can be carried out before step II is carried out. Step V can in particular be carried out after step IV. Step IV can in particular be carried out after step II.
  • the test bench applies the maximum load that can be applied to the test object in step II.
  • This can be advantageous, for example, because a load case is mechanically tested that is comparatively close to the simulated load test in step V.
  • the quality of the simulation model can be improved if the simulation model can be validated in step IV with load cases that are comparatively close to the simulated load case.
  • step IV may include simulating loading of the test object under the same partial load as in the partial load stress test of step II in the simulation model.
  • the results of the partial load stress test of step II and the results of the partial load simulation may be compared with each other.
  • the simulation model can be adapted in step IV.
  • an adaptation can take place if the results of the partial load stress test in the test bench and the partial load simulation are not the same and/or are not within a predefined tolerance range.
  • the quality of the simulation model can in particular represent how similar a test simulated with the simulation model is to a test on a test bench under the same boundary conditions.
  • the quality can be defined, for example, by a mapping quality of the test in the simulation process. The more similar the results of a simulated test are to the results of the same test on the test bench, the better the quality can be.
  • the simulation model can be adapted in step IV by adapting parameters of the simulation model, in particular if the physical-mathematical model remains unchanged. Additionally or alternatively, the simulation model can be adapted in step IV by adapting the physical-mathematical model to describe the system. New and/or modified parameters can be used in this case.
  • step II can be repeated for at least one further partial load and/or at least two further partial loads and/or at least three further partial loads.
  • Step II can be repeated for a plurality of partial loads.
  • the one partial load or the several partial loads can in particular be smaller than the maximum load that can be applied by the test bench.
  • the results of the repeated test or the repeated Tests can be used to validate the simulation model in step IV. This can improve the accuracy of the simulation model. A large number of tests can be used to detect non-linear behavior of a test object. The quality of the simulation results in step V can be improved.
  • the results of the partial load stress test in step II may be used as a reference to adjust the simulation model such that the measurements from the partial load stress tests substantially correspond to the simulation results of the partial load stress test(s) in the simulation. This may increase the accuracy of the simulation model.
  • the maximum load that can be applied by the test bench can be at least 40% and/or at least 50% and/or at least 60% and/or at least 70% and/or at least 90% of the full load of the test object.
  • the maximum load that can be applied to the test bench of at least 40% and/or at least 50% can have the advantage that enough data can be collected on the test bench to validate the simulation model relatively accurately. Furthermore, test bench costs and/or dimensions can be kept relatively low.
  • Ranges of at least 60% and/or at least 70% of the full load of the test object can have an improved simulation model quality compared to methods with lower maximum loads that can be applied by the test bench. Furthermore, test bench costs and/or dimensions can be kept comparatively low.
  • Ranges of at least 80% and/or at least 90% of the full load of the test object can provide even better simulation results than methods with lower maximum loads that can be applied to the test bench.
  • the test bench costs and/or dimensions increase compared to methods with test benches with lower maximum loads that can be applied.
  • the maximum load that can be applied by the test bench can, for example, be a maximum of 99% and/or a maximum of 90% and/or a maximum of 80% and/or a maximum of 70% and/or at most 65% and/or at most 60% of the full load of the test object.
  • Test benches that have very high maximum loads that can be applied, for example up to 99% and/or up to 90% of the full load of the test object, can provide very accurate results in the simulation process.
  • a smaller and/or more cost-effective test bench can be used compared to a process that also provides for the full load test on the test bench.
  • "Smaller" can be understood here as essentially "less powerful”. Less powerful test benches can usually also be built "smaller” in terms of space. With a lower maximum load, the test object to be tested at partial load can still be integrated with the test bench, particularly geometrically/physically.
  • test benches that have high maximum loads that can be applied, for example up to 80% and/or up to 70% of the full load of the test object, can provide accurate results in the simulation process.
  • the cost savings compared to a test bench that can test the full load of the test bench are significant.
  • a comparatively small test bench can be used, which takes up correspondingly less storage space.
  • it can be advantageous to use a test bench whose maximum load that can be applied is at most 65% and/or at most 60% of the full load of the test object.
  • Such a test bench is typically much smaller and cheaper than a test bench that is able to apply higher loads.
  • Steps I and/or II and/or III and/or IV and/or V can be carried out repeatedly for different types of load, for example.
  • steps II and IV and V can be carried out repeatedly for different types of load, for example for a torsional moment and/or a bending moment and/or a tensile force and/or a compressive force.
  • steps II and IV can be carried out for one or more different partial loads.
  • step V may include simulating a stress test of the device under test under overload in the validated simulation model.
  • Overload can, for example, be defined as a load in a range of 120% to 200% of full load.
  • the proposed hybrid test method can be particularly suitable for testing a technical system which is subjected to loads on a test bench and/or a shaft-bearing unit of a drive train of a technical machine and/or a drive train of a wind turbine or a gear stage of a drive train or a motor vehicle cardan shaft or a planetary gear for wind turbines or a rolling bearing.
  • the test object can accordingly be a technical system which is subjected to loads on a test bench and/or a shaft-bearing unit of a drive train of a technical machine and/or a drive train of a wind turbine and/or a gear stage of a drive train and/or a motor vehicle cardan shaft and/or a planetary gear for wind turbines or a rolling bearing.
  • Fig. 1 is a schematic flow diagram illustrating a hybrid test procedure for determining a test object’s behaviour under predefined loads
  • Fig. 2 is a diagram showing proportions of measurement results from physical tests and simulation results depending on the load
  • Fig. 3 shows an exemplary process diagram illustrating a hybrid test procedure for determining the behavior of a test object under predefined loads
  • Fig. 4 shows an exemplary process diagram illustrating a hybrid test method for measuring a deformation of a machine support of a drive train of wind turbines (WEA) under various combined loads
  • Fig. 5 shows an exemplary process diagram illustrating a hybrid test procedure for testing a motor vehicle cardan shaft
  • Fig. 6 shows an exemplary process diagram illustrating a hybrid test method for testing gear deformation and planet carrier displacement of a gearbox for wind turbines.
  • Figure 1 shows a flow chart 100 to illustrate a hybrid test method for determining the behavior of a test object under predefined loads.
  • a test bench with a test object to be tested is provided.
  • the test bench has a maximum load that can be applied to the test object by the test bench.
  • a full load is defined for the test object.
  • the full load of the test object is greater than the maximum load that can be applied to the test bench.
  • the maximum load that can be applied to the test object is, for example, 80% of the full load of the test object.
  • at least one simulation model 105 is provided that is designed to test the test object.
  • the test object is subjected to a mechanical load test on the test bench in step 103.
  • the test conditions are predefined and the test bench is set up accordingly.
  • the test object is subjected to a partial load.
  • the partial load is less than the full load of the test object.
  • the partial load is either less than or equal to the maximum load that can be applied by the test bench.
  • the partial load applied to the test object during the test is, for example, 80% of the full load of the test object and thus corresponds to the maximum load that can be applied by the test bench.
  • the mechanical load test has results 104.
  • the results 104 are used to validate the simulation model 105 so that a validated simulation model 106 is generated.
  • the validated simulation model 106 is used to simulate a load on the test object under full load, which results in simulation results 107 of a full load on the test object.
  • the mechanical load test according to step 103 can optionally be repeated for further partial loads of the test object, so that results 104 are also generated for these partial loads.
  • the simulation model 105 can be validated with the results of these further tests, which increases the accuracy of the validated simulation model 106. This leads to optimized full-load simulation results 107.
  • simulations can be carried out over the entire specified load or operating range. In this way, the real measurement results of the test campaign in the load range below the nominal loads can be used twice: firstly to validate one or more realistic simulation models and secondly as measurement results for all (relevant) tests below the nominal loads.
  • Figure 2 shows a diagram 200 which shows the respective proportions of measurement results from physical tests 201 and simulation results 202 for the test procedure according to Figure 1 over the load.
  • the range 203 represents the load range that can be applied to the test object by the test bench.
  • the load 204 is therefore the maximum load that can be applied by the test bench.
  • the load 205 corresponds to the full load of the test object.
  • the simulations can be extended back to the partial load range in order to investigate cross-range dynamic test scenarios, e.g. from idling to the full or overload range.
  • test bench capacity 203 can be significantly reduced compared to the conventional full load test. Tests can therefore be shifted to smaller, cost-efficient test benches (which can also operate with higher accuracy due to their principle); or not currently in Full load testable systems can be tested on existing test benches, even though their load requirements may exceed the test bench capacity. Using the procedure shown in Figure 1, it is therefore possible to achieve equivalent results to the full load test without having to rely on a test bench with maximum load introduction capacity.
  • Figure 3 shows a process diagram 300 illustrating an example of a hybrid test method for determining the behavior of a test object under predefined loads.
  • the process diagram 300 shows a test method for a drive train of a wind turbine. In particular, loads, deformations and oscillations or vibrations of the system are examined.
  • a simulation model 302 of a test bench with a virtual test object in this case with a simulation model of a drive train of a wind turbine, is provided.
  • Information 301 is fed into the simulation model 302.
  • the information can include, for example, specified loads, for example static loads and/or torques.
  • the loads can be, for example, partial loads in the range of 50 - 60% of the full load 308.
  • the simulation model the behavior of the drive train under the specified loads can be investigated by simulation.
  • the simulation provides results 303 as output.
  • the results 303 of the simulation can be or include, for example, information on loads and/or deflection and/or deformations and/or stresses and/or vibrations of the test object.
  • the behavior of the test object, here the drive train, under partial load can be simulated.
  • the results relating to the virtual test object can be applied to the real test object.
  • a test bench 304 in which a real test object, here the drive train of the wind turbine, is integrated for testing.
  • the test object is tested on the test bench, whereby the test object is subjected to the same loads as the virtual test object in the simulation.
  • the test provides results 310 as output.
  • the results 310 of the test can, for example, contain information on loads and/or deflection and/or deformation. and/or stresses and/or vibrations of the test object.
  • the results 310 of the test are compared with the results 303 of the simulation. If the results 310 of the test correspond to the results 303 of the simulation or if the deviation is less than or equal to 5%, a further simulation 306 is carried out.
  • the simulation model is adapted, in particular based on information from the test, as symbolized by the arrow 307.
  • the possibly adapted simulation model 302 is used for the simulation 306.
  • the simulation is carried out under full load conditions 308 and provides as a result 309 information on the behavior of the test object, here the drive train of the wind turbine, under full load conditions.
  • it is therefore possible to achieve results equivalent to the full load test without having to rely on a test bench with maximum load introduction capacity.
  • tolerances for deviations can also be provided, for example 0.1% or 1% or 2% or 10% or 15% or 20%.
  • the quality of the results from the simulated tests can essentially be determined by the quality (accuracy) of the previously validated test object models.
  • the test object can exhibit consistently linear operating and system behavior.
  • the test specimen models identified and validated by partial load testing can be used to simulate the test specimen's behavior in the full load range without any further steps.
  • the systems to be tested may exhibit non-linearities.
  • a ratio between the test specimen load and the test bench load capacity can be used, in particular between 1.001-100, in particular 1.3-3, in particular 1.5-3. This can have the advantage that non-linearities of the test specimen can be measured comparatively well in the partial load range during the physical test bench tests.
  • the quality of the non-linear test specimen models derived from the test bench tests can essentially be determined by the type of model, the identification of the non-linearities and their parameter-dependent (operating state, load-dependent) extrapolation into the full load range.
  • To identify non-linear system behavior tried and tested procedures for parametric and non-parametric identification of system behavior.
  • neural networks general methods of machine learning or methods of regression and optimization can be used. If the nonlinearities can be described using multilinear polynomials, optimization techniques can be used advantageously in conjunction with tensor calculations.
  • Figure 4 illustrates in a process diagram 400 a hybrid test method for measuring a deformation of a test object, in this case a machine carrier of a drive train of wind turbines (WEA) under various combined loads.
  • a test object in this case a machine carrier of a drive train of wind turbines (WEA) under various combined loads.
  • WEA drive train of wind turbines
  • the method is intended to be used to examine the deformation of the machine support at the gearbox support, for example so that the azimuth bearing and drive are not subjected to excessive loads by a deformed machine support. Combined loads from rotor torques as well as bending and transverse forces were determined in advance as load cases to be examined.
  • a simulation model 402 of the test bench with test object is provided.
  • the simulation model can, for example, already exist and have been created as part of the design/development of the drive train.
  • the simulation model can be an FE simulation model.
  • FE simulations of the deformation of the machine support can already have been carried out in this simulation model 402.
  • the simulations can, for example, not be validated. Due to numerous assumed model and material parameters, the results can therefore be subject to a certain degree of uncertainty. A test under full load should therefore confirm/validate the design assumptions.
  • test bench 404 which cannot fully achieve the intended loads, in this case for example only about 50-70% of the target load.
  • the test object is tested in real size on the "under-dimensioned" test bench 404, whereby the loads 401 do not fully correspond to the target loads due to the test bench limitations, but are scaled down according to the test bench capacity.
  • the test object has a full load torque of 12MNm.
  • the test on the test bench 404 is carried out at a partial load, namely a torque of 8MNm.
  • the test object has a full load bending moment of 24MNm.
  • the test on the test bench 404 is carried out at a partial load, namely a bending moment of 16MNm.
  • the actual loads introduced can be the maximum loads of the test bench; a proportional scaling of the target loads is not necessarily required.
  • the physical tests carried out yield initial measurement results 410 for the desired target value "deformation of the machine support (e.g. in the x and y directions)", which in the example can be present as time series from a distance sensor (e.g. laser distance measurement). Individual target loads below the test bench capacity may already have been reached, but overall the desired results under the target load cannot be determined from the physical tests.
  • a new simulation model 406 is now created and parameterized, which can reproduce exactly the physical test results of the relevant sensors.
  • the model 402 already developed for the design can also be used for this and fitted/adjusted with appropriate parameter corrections.
  • the same partial loads 401 are set that were tested in the test on the test bench 404 (in this case as a bending moment of 16MNm and a torque of 8MNm).
  • the results 403 of the simulation with the simulation model 402 are validated with the results from the test on the test bench 404 in step 405.
  • the simulation model is adjusted (symbolized by the arrow 407) until the results of the adjusted simulation model 402 essentially match the test results.
  • the final adapted simulation model corresponds to the validated simulation model 406.
  • the test bench can also be mapped in the simulation model.
  • the validated simulation model 406 is able to output the measured variable of interest (deformation of the machine support) with significantly greater accuracy than a non-validated simulation model or a simulation model that is not adapted to test results.
  • the simulation model therefore delivers accurate results up to the level of the loads introduced in the physical test, as it has been optimized for these measurement results. With this partial load validated simulation model, simulations are now carried out under the desired target loads 408, which could not be reached in the physical test. Virtual tests are therefore carried out at full load.
  • the expected deformations 409 of the machine support at full load and/or overload can be determined with high accuracy. Additional physical tests at the real target loads are thus replaced.
  • the measurement results from the physical tests at partial load and the virtual test results from the simulations with the partial load-validated simulation model provide a comparable information content to a physical test that would have been carried out with the target loads.
  • Figure 5 illustrates a hybrid test method for testing a motor vehicle cardan shaft in a process diagram 500.
  • the method essentially corresponds to the methods described in Figures 1 to 4.
  • 504 is a test bench for examining motor vehicle cardan shafts.
  • the test bench can introduce speed, torque, spring travel and steering movement to the test object according to the load profiles. Parameters such as speed, torque, spring travel, bending angle or joint temperature are measured or controlled.
  • the test capacity is limited by the maximum torque and the range of spring movement (spring travel, speed, acceleration) that the test bench can provide.
  • the test object i.e. the motor vehicle cardan shaft, is tested within the capacity of the test bench 504 at partial load 501.
  • the partial load 501 is in particular in a range of 50-60% of the full load 508.
  • a virtual Model 502 of the test bench with test object is available. With the virtual model 502, the test is carried out virtually under partial load conditions 501. Results 503 are generated.
  • the test results 510 of the test on the test bench 504 e.g. the measured axial force and the torsional play
  • the test results 510 of the test on the test bench 504 are used to validate (symbolized by the arrow 507) the virtual model 502 of the test object (and if applicable the test bench) under the same partial loads in step 505, so that a validated virtual model 506 is generated.
  • the remaining full loads 508 can be simulated and results 509 at full load can be determined. In this case, the results 509 can be present, for example, as an axial force corresponding to the full loads and as a torsional play reaction.
  • Figure 6 illustrates a process diagram 600 of a hybrid test method for testing gear deformation and planet carrier displacement of a gearbox for wind turbines.
  • the method essentially corresponds to the methods described in Figures 1 to 5.
  • 604 is a gearbox test bench.
  • Gearbox test benches are an important and certification-relevant component of the development process for wind turbines that have a gearbox.
  • the gearbox test bench 604 can, for example, apply torque and/or bending and/or thrust and/or shear loads. In this case, for example, the deformation of the gearing and the displacement of the so-called planet carrier can be examined.
  • the test bench 604 has specific limits for the level of the maximum loads that can be applied.
  • the reaction of the gearbox to loads that exceed this load capacity of the test bench can be determined based on the partial load-validated virtual model 606 with significantly improved quality compared to a non-validated model 602.
  • the transmission is tested with partial loads 601, for example with torque and/or bending loads within the capacity of the test bench 604.
  • Test results 610 are generated. These loads 601 may only be in a partial area of the test that meets the desired test requirements. During these partial load tests, the deformation of the gearing and the resulting displacement of the planet carriers are measured. Results 603 are determined for the same partial loads using a virtual model 602.
  • the measured test results 610 are used to validate 607 the virtual model 602 of the gearbox to be tested (and the test bench, if necessary) for the same partial loads, so that a validated model 606 is generated.
  • the validated virtual model 606 the remaining full loads 608 can be simulated and results 609 in the form of deformation of the gearing and the displacement of the planet carrier corresponding to the full loads can be determined.
  • the partial load 601 can, for example, be 50-60% of the full load 608.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein hybrides Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings, insbesondere eines Antriebstrangs von Windenergieanlagen, unter vordefinierten Belastungen. Ein Prüfstandes mit einem zu prüfenden Prüfling wird bereitgestellt, wobei der Prüfstand eine maximal aufbringbare Last aufweist, die durch den Prüfstand auf den Prüfling aufgebracht werden kann, wobei für den Prüfling eine Volllast vordefiniert ist, wobei die Volllast des Prüflings größer ist als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands. Der Prüfstand wird betrieben zum Durchführen eines mechanischen Teillast-Belastungstests bei dem Prüfling, wobei der Prüfling mit einer Teillast-Belastung beaufschlagt wird, die kleiner ist als die Volllast-Belastung des Prüflings und kleiner oder gleich der maximal aufbringbaren Last des Prüfstands. Ein Simulationsmodells zum Prüfen des Prüflings wird anhand der Ergebnisse des Teillast-Belastungstests validiert. Mit dem validierten Simulationsmodell werden Belastungstests des Prüflings unter Volllast und/oder Überlast simuliert.

Description

Hybrides Prüfverfahren, insbesondere für einen Antriebsstrang von Windenergieanlagen
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings, insbesondere eines Antriebstrangs von Windenergieanlagen.
Die Anforderungen an Prüfstände für insbesondere mechanische Antriebssysteme, insbesondere für Windenergieanlagen (WEA), steigen mit zunehmen- den Größen von Prüflingen. Viele bestehende Prüfstände für Antriebstränge sind bereits zu klein und/oder zu leistungsschwach für Prüfanforderungen von modernen Windenergieanlagen.
Im Stand der Technik werden wachsende Prüfanforderungen hinsichtlich der Leistung und/oder der einzuleitenden Belastungen erfüllt, indem größere Prüfstände, beispielsweise zum Prüfen einer Windenergieanlagen-Gondel o- der eines Windenergieanlagen-Antriebsstrangs, gebaut werden. Die Realisierung immer größerer Prüfstände ist jedoch mit überproportional ansteigenden Kosten und Aufwand verbunden. Infolgedessen ist der weit verbreitete Validierungsansatz im Rahmen der Produktentwicklung nach dem V-Modell, d.h. die Validierung auf verschiedenen Entwicklungsstufen während der Produktentwicklung, auf der Ebene des Systems „Antriebsstrang" nur schwer zu verwirklichen, da bereits heute viele existierende Prüfeinrichtungen nicht die erforderliche Prüfkapazität für den gesamten, spezifizierten Arbeitsbereich (Leerlauf, Teillast, Volllast, Überlast) für aktuelle und künftige Antriebstrang- Prototypen bieten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein alternatives Prüfverfahren vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Prüfverfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Figurenbeschreibung näher erläutert.
Das vorgeschlagene hybride Prüfverfahren dient zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings, insbesondere eines Antriebstrangs von Windenergieanlagen, unter vordefinierten Belastungen. Das Prüfverfahren umfasst die folgenden Schritte
I. Bereitstellen eines Prüfstandes mit einem zu prüfenden Prüfling, wobei der Prüfstand eine maximal aufbringbare Last aufweist, die durch den Prüfstand auf den Prüfling aufgebracht werden kann, wobei für den Prüfling eine Volllast vordefiniert ist, wobei die Volllast des Prüflings größer ist als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands, II. Betreiben des Prüfstands zum Durchführen eines mechanischen Teillast-Belastungstests bei dem Prüfling, wobei der Prüfling mit einer Teillast-Belastung beaufschlagt wird, die kleiner ist als die Volllast-Belastung des Prüflings und kleiner oder gleich der maximal aufbringbaren Last des Prüfstands ist,
III. Bereitstellen eines Simulationsmodells zum Prüfen des Prüflings,
IV. Validieren des Simulationsmodells mithilfe der Ergebnisse des Teillast-Belastungstests in Schritt II,
V. Simulieren eines Belastungstests des Prüflings unter Volllast und/oder Überlast in dem validierten Simulationsmodell.
Eine maximal durch den Prüfstand auf den Prüfling aufbringbare Last kann also geringer sein, als eine Volllast des Prüflings. So kann beispielsweise ein Prüfstand zum Prüfen des Prüflings verwendet werden, der deutlich kleiner ist als ein Prüfstand, der die Volllast des Prüflings auf den Prüfling aufbringen könnte. Die Investitionskosten für einen derartigen Prüfstand können deutlich geringer sein als für einen Prüfstand, der eine Volllast des Prüflings abbilden könnte.
Unter Volllast kann vorliegend eine vom Hersteller angegebene maximale Belastung verstanden werden. Die Volllast kann also insbesondere die maximale Last sein, für die der Prüfling bei der Konstruktion ausgelegt wurde. Bei einer Maschine kann die Volllast dem Zustand der maximalen Leistung entsprechen. Unter Überlast kann eine Belastung oberhalb der Volllast verstanden werden.
In Schritt V kann insbesondere ein Lastbereich simuliert werden. Eine untere Grenze des Lastbereichs kann insbesondere größer oder gleich der maximal durch den Prüfstand auf den Prüfling aufbringbaren Last sein. Eine obere Grenze des Lastbereichs kann kleiner oder gleich der Volllast des Prüflings und/oder kleiner gleich einer definierten Überlast des Prüflings sein. Eine Simulation des Lastbereichs kann sich aus Wiederholungen von nacheinander und/oder gleichzeitig durchgeführten Simulationen einzelner Lastfälle in dem entsprechenden Lastbereich zusammensetzen. Die Durchführung der mechanischen Tests bei Teillasten kann zu einem geringeren Energiebedarf und/oder zu einer geringeren Anzahl von real durchzuführenden Tests im Vergleich zur Prüfung auf einem Prüfstand mit höherer Leistungsfähigkeit führen. Beides kann zu geringeren Prüfkosten führen. Zudem kann die Notwendigkeit entfallen, in größere bzw. leistungsfähigere Prüfstandsinfrastruktur zu investieren, sobald die ersten Prüfanforderungen die bestehenden Prüfstandskapazitäten überschreiten. Bereits existierende kleinere Prüfstände können weiterhin für die Prüfung eines Prüflings mit größerer Betriebsleistung bzw. Belastungsanforderung verwendet werden. Die Betreiber der vorhandenen Prüfstände verfügen meist über validierte Simulationsmodelle der Prüfstände, die auf Daten mehrerer Prüfkampagnen aufsetzen. Weiterhin kann bei den vorhandenen Prüfständen allgemein von einer höheren Zuverlässigkeit (zahlreiche Fehler wurden bereits behoben) und einem effizienteren Betrieb ausgegangen werden als bei neu in Betrieb genommenen Prüfständen. Ferner kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein validiertes Simulationsmodell generiert werden, das auch für andere Anwendungen verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens kann sein, dass validierte virtuelle Modelle (in beliebiger Anzahl) durch Parallelisierung zum Testen mehrerer Testszenarien verwendet werden können. Dies kann zu Zeit- und Kosteneinsparungen führen, während in einem physischen Prüfstand in der Regel jeweils nur ein Test gleichzeitig durchgeführt werden kann.
Die Nummerierung der Schritte kann eine Reihenfolge der Durchführung, beispielsweise in einer aufsteigenden Reihenfolge, vorgeben. Jedoch kann eine Durchführung auch von der aufsteigenden Reihenfolge abweichen. Die Schritte können beispielsweise in der Reihenfolge I, II, III, IV, V durchgeführt werden. Alternativ können die Schritte in der Reihenfolge I, III, II, IV, V oder in der Reihenfolge III, I, II, IV, V durchgeführt werden. Die Schritte I und III können gleichzeitig durchgeführt werden. Bevor der Schritt II durchgeführt wird, kann der Schritt I durchgeführt sein. Der Schritt V kann insbesondere nach dem Schritt IV durchgeführt werden. Der Schritt IV kann insbesondere nach dem Schritt II durchgeführt werden.
In einer Ausführung bringt der Prüfstand im Schritt II die maximal aufbringbare Last auf den Prüfling auf. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, da derart ein Lastfall mechanisch geprüft wird, der vergleichsweise nah an dem simulierten Belastungstest des Schrittes V ist. Insbesondere für den Fall von einem nicht linear verlaufenden Verhalten des Prüflings bei ansteigender Belastung, kann eine Qualität des Simulationsmodells verbessert werden, wenn eine Validierung des Simulationsmodells im Schritt IV mit Lastfällen vorgenommen werden kann, die vergleichsweise nah an dem simulierten Lastfall liegen.
In einer Ausführung kann der Schritt IV umfassen, dass eine Belastung des Prüflings unter derselben Teillast wie in dem Teillast-Belastungstests des Schrittes II in dem Simulationsmodell simuliert wird. Die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests des Schrittes II und die Ergebnisse der Teillast-Simulation können miteinander verglichen werden.
In einer Ausführung kann das Simulationsmodell in Schritt IV angepasst werden. Insbesondere kann eine Anpassung stattfinden, wenn die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests im Prüfstand und der Teillast-Simulation ungleich sind und/oder nicht in einem vordefinierten Toleranzbereich liegen. So kann eine Qualität des Simulationsmodells und/oder der simulierten Ergebnisse verbessert werden. Die Qualität des Simulationsmodells kann insbesondere darstellen, wie ähnlich ein mit dem Simulationsmodell simulierter Test einem Test an einem Prüfstand unter denselben Randbedingungen ist. Die Qualität kann beispielsweise durch eine Abbildungsgüte des Tests im Simulationsverfahren definiert sein. Je ähnlicher Ergebnisse eines simulierten Tests Ergebnissen des gleichen Tests am Prüfstand sind, desto besser kann die Qualität sein.
In einer Ausführung kann das Simulationsmodell in Schritt IV angepasst werden, indem Parameter des Simulationsmodells, insbesondere bei unverändertem physikalisch-mathematischem Modell, angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Simulationsmodell in Schritt IV angepasst werden, indem das physikalisch-mathematische Modell zur Systembeschreibung angepasst wird. Dabei können neue und/oder veränderte Parameter verwendet werden.
In einer Ausführung kann der Schritt II für zumindest eine weitere Teillast und/oder zumindest zwei weitere Teillasten und/oder zumindest drei weitere Teillasten wiederholt werden. Der Schritt II kann für eine Vielzahl von Teillasten wiederholt werden. Die eine Teillast oder die mehreren Teillasten kann/können insbesondere kleiner als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands sein. Die Ergebnisse des wiederholten Tests bzw. der wiederholten Tests können jeweils zum Validieren des Simulationsmodells in Schritt IV genutzt werden. So kann eine Genauigkeit des Simulationsmodells verbessert werden. Durch eine Vielzahl von Tests kann insbesondere ein nichtlineares Verhalten eines Prüflings erfasst werden. Die Ergebnisgüte der Simulation in Schritt V kann verbessert werden.
In einer Ausführung können zum Ermitteln von Parametern für das Simulationsmodell in Schritt IV die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests in Schritt II als Referenz verwendet werden, um das Simulationsmodell so anzupassen, dass die Messungen aus den Teillast-Belastungstests im Wesentlichen den Simulationsergebnissen des bzw. der Teillast-Belastungstest/s in der Simulation entsprechen. Dies kann die Genauigkeit des Simulationsmodells erhöhen.
In einer Ausführung kann die maximal aufbringbare Last des Prüfstands mindestens 40% und/oder mindestens 50% und/oder mindestens 60% und/oder mindestens 70% und/oder mindestens 90% der Volllast des Prüflings sein.
Dabei kann die maximal aufbringbare Last des Prüfstands von mindestens 40% und/oder von mindestens 50% den Vorteil haben, dass genügend Daten auf dem Prüfstand erhoben werden können, um das Simulationsmodell vergleichsweise genau zu validieren. Ferner können Prüfstandkosten und/oder - dimensionen vergleichsweise gering gehalten werden.
Bereiche von mindestens 60% und/oder mindestens 70% der Volllast des Prüflings können eine verbesserte Simulationsmodellgüte gegenüber verfahren mit geringeren maximal aufbringbaren Lasten des Prüfstands haben. Ferner können Prüfstandkosten und/oder -dimensionen vergleichsweise gering gehalten werden.
Bereiche von mindestens 80% und/oder mindestens 90% der Volllast des Prüflings können nochmals bessere Simulationsergebnisse liefern als Verfahren mit geringeren maximal aufbringbaren Lasten des Prüfstands. Dabei steigen jedoch die Prüfstandkosten und/oder -dimensionen gegenüber Verfahren mit Prüfständen mit geringeren aufbringbaren maximalen Lasten.
Die maximal aufbringbare Last des Prüfstands kann beispielsweise höchstens 99% und/oder höchstens 90% und/oder höchstens 80% und/oder höchstens 70% und/oder höchstens 65% und/oder höchstens 60% der Volllast des Prüflings sein. Prüfstände, die sehr hohe maximal aufbringbare Lasten von beispielsweise bis zu 99% und/oder bis zu 90% der Volllast des Prüflings aufweisen, können sehr genaue Ergebnisse im Simulationsverfahren liefern. Ferner kann gegenüber einem Verfahren, das auch den Volllasttest am Prüfstand vorsieht, ein kleinerer und/oder kostengünstigerer Prüfstand verwendet werden. „Kleiner" kann vorliegend als im Wesentlichen „weniger leistungsstark" verstanden werden. Weniger leistungsstarke Prüfstände können in der Regel auch räumlich „kleiner" gebaut werden. Bei geringerer Maximallast kann trotzdem insbesondere geometrisch/physikalisch der in Teillast zu prüfende Prüfling mit dem Prüfstand integriert werden.
Verfahren mit Prüfständen, die hohe maximal aufbringbare Lasten von beispielsweise bis zu 80% und/oder bis zu 70% der Volllast des Prüflings aufweisen, können genaue Ergebnisse im Simulationsverfahren liefern. Eine Kostenersparnis gegenüber einem Prüfstand, der die Volllast des Prüfstandes testen kann, ist signifikant. Zusätzlich oder alternativ kann ein vergleichsweise kleiner Prüfstand verwendet werden, der entsprechend weniger Lagerplatz in Anspruch nimmt. Insbesondere für Anwendungsfälle, in denen an die Genauigkeit nicht allzu hohe Ansprüche gestellt werden, kann es vorteilhaft sein, einen Prüfstand zu verwenden, dessen maximal aufbringbare Last höchstens 65% und/oder höchstens 60% der Volllast des Prüflings ist. Ein derartiger Prüfstand ist typischerweise deutlich kleiner und günstiger als ein Prüfstand, der in der Lage ist, höhere Lasten aufzubringen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Prüfling verschiedenen Belastungsprüfungen unterzogen wird. Die Schritte I und/oder II und/oder III und/oder IV und/oder V können beispielsweise für verschiedenartige Belastungen wiederholt durchgeführt werden. Insbesondere können die Schritte II und IV und V beispielsweise für verschiedenartige Belastungen, zum Beispiel für ein Torsionsmoment und/oder ein Biegemoment und/oder eine Zugkraft und/oder eine Druckkraft, wiederholt durchgeführt werden. Für jede Belastungsart können die Schritte II und IV für eine oder mehrere unterschiedliche Teillasten durchgeführt werden.
In einer Ausführung kann Schritt V eine Simulation eines Belastungstests des Prüflings unter Überlast in dem validierten Simulationsmodell umfassen. Überlast kann dabei beispielsweise als eine Last in einem Bereich von 120% bis 200% der Volllast definiert sein.
Das vorgeschlagene hybride Prüfverfahren kann sich insbesondere eignen zum Prüfen eines technischen Systems, welches Belastungen auf einem Prüfstand ausgesetzt ist und/oder einer Welle-Lager-Einheit eines Antriebsstrangs einer technischen Maschine und/oder eines Antriebsstrangs einer Windenergieanlage oder einer Getriebestufe eines Antriebstrangs oder einer Kraftfahrzeugkardanwelle oder eines Planetengetriebes für Windenergieanlagen oder eines Wälzlagers. Der Prüfling kann entsprechend ein technisches System, welches Belastungen auf einem Prüfstand ausgesetzt ist und/oder eine Welle- Lager-Einheit eines Antriebsstrangs einer technischen Maschine und/oder ein Antriebsstrang einer Windenergieanlage und/oder eine Getriebestufe eines Antriebstrangs und/oder eine Kraftfahrzeugkardanwelle und/oder ein Planetengetriebe für Windenergieanlagen oder ein Wälzlager sein.
Anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden exemplarische Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Die genannten Merkmalsausprägungen und Merkmalskombinationen sind nicht einschränkend zu verstehen und dienen lediglich der Veranschaulichung.
Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Flussdiagramm veranschaulichend ein hybrides Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings unter vordefinierten Belastungen,
Fig. 2 ein Diagramm darstellend Anteile von Messergebnissen aus physikalischen Tests und Simulationsergebnisse in Abhängigkeit der Last,
Fig. 3 ein beispielhaftes Prozessschaubild veranschaulichend ein hybrides Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings unter vordefinierten Belastungen,
Fig. 4 ein beispielhaftes Prozessschaubild veranschaulichend ein hybrides Prüfverfahren zur Messung einer Verformung eines Maschinenträgers eines Antriebsstrangs von Windenergieanlagen (WEA) unter verschiedenartigen kombinierten Belastungen,
Fig. 5 ein beispielhaftes Prozessschaubild veranschaulichend ein hybrides Prüfverfahren zur Prüfung einer Kraftfahrzeugkardanwelle und
Fig. 6 ein beispielhaftes Prozessschaubild veranschaulichend ein hybrides Prüfverfahren zur Prüfung einer Verzahnungsverformung und Planetenträgerverschiebung eines Getriebes für Windenergieanlagen.
In Figur 1 ist ein Flussdiagramm 100 zur Veranschaulichung eines hybriden Prüfverfahrens zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings unter vordefinierten Belastungen dargestellt. In einem Schritt 101 wird ein Prüfstand mit einem zu prüfenden Prüfling bereitgestellt. Der Prüfstand weist dabei eine maximal aufbringbare Last auf, die durch den Prüfstand auf den Prüfling aufgebracht werden kann. Für den Prüfling ist eine Volllast definiert. Die Volllast des Prüflings ist größer als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands. Vorliegend beträgt die maximal aufbringbare Last des Prüfstands beispielsweise 80% der Volllast des Prüflings. Ferner wird in einem Schritt 102 zumindest ein Simulationsmodell 105 bereitgestellt, das zum Prüfen des Prüflings ausgelegt ist.
Zunächst wird der Prüfling an dem Prüfstand in Schritt 103 einem mechanischen Belastungstest unterzogen. Die Testbedingungen sind vordefiniert und der Prüfstand ist entsprechend eingestellt. Bei dem mechanischen Belastungstest wird der Prüfling mit einer Teillast beaufschlagt. Die Teillast ist kleiner als die Volllast des Prüflings. Die Teillast ist entweder kleiner oder gleich der maximal durch den Prüfstand aufbringbaren Last. Vorliegend ist die bei dem Test auf den Prüfling aufgebrachte Teillast beispielsweise 80% der Volllast des Prüflings und entspricht damit der maximalen durch den Prüfstand aufbringbaren Last. Der mechanische Belastungstest hat Ergebnisse 104. Die Ergebnisse 104 werden zur Validierung des Simulationsmodells 105 genutzt, sodass ein validiertes Simulationsmodel 106 generiert wird. Mit dem validierten Simulationsmodel 106 wird eine Belastung des Prüflings unter Volllast simuliert, woraus sich Simulationsergebnisse 107 einer Volllastbelastung des Prüflings ergeben. Der mechanische Belastungstest gemäß Schritt 103 kann optional für weitere Teillasten des Prüflings wiederholt werden, sodass für diese Teillasten ebenfalls Ergebnisse 104 generiert werden. Das Simulationsmodell 105 kann mit den Ergebnissen dieser weiteren Tests validiert werden, was eine Genauigkeit des validierten Simulationsmodells 106 erhöht. Dies führt zu optimierten Volllastsimulationsergebnissen 107. Mit dem validierten Simulationsmodell können Simulationen über den gesamten spezifizierten Belastungs- bzw. Betriebsbereich durchgeführt werden. Auf diese Weise können die realen Messergebnisse der Prüfkampagne im Lastbereich unterhalb der Nennbelastungen zweifach verwendet werden: zum einen zur Validierung eines oder mehrerer realistischer Simulationsmodelle und zum anderen als Messergebnisse für alle (relevanten) Prüfungen unterhalb der Nennbelastungen. Alle weiteren Prüfergebnisse (Vollastverhalten und bereichsübergreifendes, sog. Großsignalverhalten) oberhalb der durch die Prüfeinrichtung einleitbaren Belastungen können mit den validierten Simulationsmodellen ermittelt werden. Die Ergebnisse des bzw. der mechanischen Belastungstests 104 sowie die Ergebnisse der Vollastsimulation 107 können also zu Ergebnissen 108 über den gesamten Lastbereich zusammengeführt werden.
Figur 2 zeigt ein Diagramm 200, das die jeweiligen Anteile von Messergebnissen aus physikalischen Tests 201 und Simulationsergebnissen 202 für das Prüfverfahren gemäß Figur 1 über die Last darstellt. Der Bereich 203 steht für denjenigen Lastbereich, der durch den Prüfstand auf den Prüfling aufbringbar ist. Die Last 204 ist also die maximal durch den Prüfstand aufbringbare Last. Die Last 205 entspricht der Volllast des Prüflings. Durch Kombination der Ergebnisse der physikalischen Tests 201 und Simulationen 202 kann der gesamte Lastbereich 206 getestet werden. Zusätzlich können die Simulationen auf den Teillastbereich zurück ausgedehnt werden, um bereichsübergreifende dynamische Testszenarien z.B. vom Leerlauf in den Voll- oder Überlastbereich zu untersuchen. Während bei konventionellen Volllasttests ein Prüfstand eine Kapazität bis zur Volllast 205 aufweisen muss, kann im gezeigten Verfahren die erforderliche Prüfstandskapazität 203 im Vergleich zum konventionellen Volllasttest deutlich reduziert werden. Prüfungen können daher auf kleinere, kosteneffizient zu betreibende Prüfstände verlagert werden (welche prinzipbedingt auch mit höheren Genauigkeit arbeiten können); oder aktuell nicht in Volllast prüfbare Systeme können auf bestehenden Prüfständen geprüft werden, obwohl ihre Lastanforderungen die Prüfstandskapazität ggfs. überschreiten. Mithilfe des Verfahrens gemäß Figur 1 ist es also möglich, äquivalente Ergebnisse zum Volllasttest zu erzielen, ohne auf einen Prüfstand mit maximaler Lasteinleitungskapazität angewiesen zu sein.
Figur 3 zeigt ein Prozessschaubild 300 illustrierend ein Beispiel eines hybriden Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings unter vordefinierten Belastungen. Das Prozessschaubild 300 zeigt ein Prüfverfahren eines Antriebstrangs einer Windenergieanlage. Insbesondere werden Lasten, Verformungen und Schwingungen bzw. Vibrationen des Systems untersucht.
Ein Simulationsmodell 302 eines Prüfstandes mit einem virtuellen Prüfling, vorliegend mit einem Simulationsmodell eines Antriebsstrangs einer Windenergieanlage, wird bereitgestellt. In das Simulationsmodell 302 werden Informationen 301 eingespeist. Die Informationen können beispielsweise vorgegebene Belastungen umfassen, beispielsweise statische Lasten und/oder Drehmomente. Die Belastungen können beispielsweise Teillasten im Bereich von 50 - 60% der Volllast 308 sein. Im Simulationsmodell kann durch Simulation das Verhalten des Antriebstrangs unter den vorgegebenen Belastungen untersucht werden. Die Simulation liefert Ergebnisse 303 als Output. Die Ergebnisse 303 der Simulation können beispielsweise Informationen zu Lasten und/oder Durchbiegung und/oder Verformungen und/oder Spannungen und/oder Vibrationen des Prüflings sein oder umfassen. Insbesondere kann das Verhalten des Prüflings, hier des Antriebstrangs, unter Teillast simuliert werden. Die Ergebnisse den virtuellen Prüfling betreffend können auf den realen Prüfling angewendet werden.
Ferner wird ein Prüfstand 304 bereitgestellt, in den ein realer Prüfling, hier der Antriebstrang der Windenergieanlage, zum Prüfen integriert ist. Der Prüfling wird auf dem Prüfstand getestet, wobei der Prüfling denselben Belastungen ausgesetzt wird, wie der virtuelle Prüfling bei der Simulation. Der Test liefert Ergebnisse 310 als Output. Die Ergebnisse 310 des Tests können beispielsweise Informationen zu Lasten und/oder Durchbiegung und/oder Verformun- gen und/oder Spannungen und/oder Vibrationen des Prüflings sein oder umfassen. In einem Schritt 305 werden die Ergebnisse 310 des Tests mit den Ergebnissen 303 der Simulation verglichen. Entsprechen die Ergebnisse 310 des Tests den Ergebnissen 303 der Simulation oder ist eine Abweichung kleiner o- der gleich 5%, wird eine weitere Simulation 306 durchgeführt. Weichen die Ergebnisse 310 des Tests von den Ergebnissen 303 der Simulation um mehr als 5% voneinander ab, so wird das Simulationsmodell, insbesondere basierend auf Informationen aus dem Test, angepasst, wie durch den Pfeil 307 symbolisiert wird. Für die Simulation 306 wird das ggf. angepasste Simulationsmodell 302 verwendet. Die Simulation wird unter Vollastbedingungen 308 durchgeführt und liefert als Ergebnis 309 Informationen zum Verhalten des Prüflings, hier des Antriebstrangs der Windenergieanlage, unter Volllastbedingungen. Mithilfe des Verfahrens gemäß Figur 3 ist es also möglich, äquivalente Ergebnisse zum Volllasttest zu erzielen, ohne auf einen Prüfstand mit maximaler Lasteinleitungskapazität angewiesen zu sein. Selbstverständlich können auch andere Toleranzen für Abweichungen vorgesehen sein, beispielsweise 0,1% o- der 1% oder 2% oder 10% oder 15% oder 20%.
Die Qualität der Ergebnisse durch die simulierten Tests kann im Wesentlichen von der Güte (Genauigkeit) der zuvor validierten Prüflingsmodelle bestimmt werden. Im einfachsten Fall kann der Prüfling durchgängig ein lineares Betriebs- und Systemverhalten aufweisen. In diesem quasi „trivialen" Fall kann mit den durch Teillasttest identifizierten und validierten Prüflingsmodellen ohne weitere Schritte das Verhalten des Prüflings im Volllastbereich simuliert werden. Die zu prüfenden Systeme können jedoch Nichtlinearitäten aufweisen. Für das obige Verfahren kann ein Verhältnis zwischen Prüflingsbelastung und Prüfstandslastkapazität insbesondere zwischen 1,001-100, insbesondere 1,3-3, insbesondere 1,5-3 zugrunde gelegt werden. Dies kann den Vorteil haben, dass Nichtlinearitäten des Prüflings bereits im Teillastbereich während der physikalischen Prüfstandversuche messtechnisch vergleichsweise gut erfasst werden können. Die Qualität der aus den Prüfstandversuchen abgeleiteten nichtlinearen Prüflingsmodelle kann im Wesentlichen durch die Art des Modells, die Identifikation der Nichtlinearitäten und deren parameterabhängige (betriebszustands-, belastungsabhängige-) Extrapolation in den Vollastbereich hinein bestimmt werden. Für die Identifikation von nichtlinearem Systemverhalten können bereits bewährte Verfahren für die parametrische und nicht-parametrische Identifikation von Systemverh alten verwendet werden. Z.B. können Neuronale Netze, allgemeine Methoden des „machine learning" oder Methoden der Regression sowie Optimierung verwendet werden. Bei einer möglichen Beschreibung der Nichtlinearitäten durch multilineare Polynome können vorteilhaft Optimierungstechniken in Verbindung mit Tensorrechnung eingesetzt werden.
Figur 4 veranschaulicht in einem Prozessschaubild 400 ein hybrides Prüfverfahren zur Messung einer Verformung eines Prüflings, vorliegend eines Maschinenträgers eines Antriebsstrangs von Windenergieanlagen (WEA) unter verschiedenartigen kombinierten Belastungen.
Mithilfe des Verfahrens soll die Verformung des Maschinenträgers an der Abstützung des Getriebes untersucht werden, bspw. damit Azimut-Lager und - Antrieb durch einen deformierten Maschinenträger nicht unzulässig belastet werden. Als zu untersuchende Lastfälle wurden im Vorfeld kombinierte Lasten aus Rotor-Drehmomenten sowie Biege- und Querkräften bestimmt.
Ein Simulationsmodell 402 des Prüfstands mit Prüfling wird bereitgestellt. Das Simulationsmodell kann beispielsweise bereits vorliegen und im Rahmen der Auslegung/Entwicklung des Triebstrangs erstellt worden sein. Insbesondere kann das Simulationsmodell ein FE-Simulationsmodell sein. In diesem Simulationsmodell 402 können bereits FE-Simulationen der Verformung des Maschinenträgers durchgeführt worden sein. Die Simulationen können beispielsweise nicht validiert vorliegen. Aufgrund zahlreicher angenommener Modellund Materialparameter können die Ergebnisse daher mit einer gewissen Unsicherheit versehen sein. Daher soll ein Test unter Volllast die Auslegungsannahmen bestätigen/validieren.
Dafür könnte ein Full-Size-Test auf einem Prüfstand für WEA-Triebstränge durchgeführt werden, bei welchem die als kritisch angesehenen Lasten in der vorgesehenen Größe eingeleitet werden. Prüfstände mit der erforderlichen Lasteinleitungskapazität sind jedoch rar und teuer. Mittels des Verfahrens in Figur 4 kann der Test auch auf einem Prüfstand 404 durchgeführt werden, welcher die vorgesehenen Lasten nicht vollständig erreichen kann, vorliegend beispielsweise nur zu ca. 50-70% der Ziellast.
Der Prüfling wird in realer Baugröße auf dem „unterdimensionierten" Prüfstand 404 getestet, wobei die Lasten 401 aufgrund der Prüfstandslimitierung nicht vollständig den Ziellasten entsprechen, sondern entsprechend der Prüfstandskapazität herunterskaliert sind. Der Prüfling weist beispielsweise ein Volllastdrehmoment von 12MNm auf. Der Test auf dem Prüfstand 404 wird jedoch bei einer Teillast durchgeführt, nämlich einem Drehmoment von 8MNm. Der Prüfling weist beispielsweise ein Volllastbiegemoment von 24MNm auf. Der Test auf dem Prüfstand 404 wird jedoch bei einer Teillast durchgeführt, nämlich einem Biegemoment von 16MNm. In anderen Beispielen können die real eingeleiteten Lasten die Maximallasten des Prüfstands sein, es ist nicht zwingend eine proportionale Skalierung der Ziellasten erforderlich.
Aus den durchgeführten physikalischen Tests ergeben sich erste Messergebnisse 410 für die gewünschte Zielgröße „Verformung des Maschinenträgers (bspw. in x- und y-Richtung)", welche im Beispiel als Zeitreihen eines Distanzsensors (bspw. Laser-Distanzmessung) vorliegen können. Einzelne Ziellasten unterhalb der Prüfstandskapazität können damit schon angefahren worden sein, insgesamt sind jedoch die gewünschten Ergebnisse unter der Zielbelastung aus den physikalischen Tests nicht ermittelbar.
Basierend auf diesen Messergebnissen 410 der physikalischen Tests bei Teillast wird nun ein neues Simulationsmodell 406 erstellt und parametriert, welches genau die physikalischen Testergebnisse der relevanten Sensoren reproduzieren kann. Dafür kann auch das bereits für die Auslegung entwickelte Modell 402 verwendet und mit entsprechenden Parameter-Korrekturen gefit- tet/angepasst werden. In dem bekannten Simulationsmodell 402 werden dieselben Teillasten 401 eingestellt, die in dem Test auf dem Prüfstand 404 getestet wurden (vorliegend als ein Biegemoment von 16MNm und ein Drehmoment von 8MNm). Die Ergebnisse 403 der Simulation mit dem Simulationsmodell 402 werden mit den Ergebnissen aus dem Test auf dem Prüfstand 404 in Schritt 405 validiert. Das Simulationsmodell wird (symbolisiert durch den Pfeil 407) so lange angepasst, bis die Ergebnisse des angepassten Simulationsmodells 402 im Wesentlichen mit den Testergebnissen übereinstimmen. Das final angepasste Simulationsmodell entspricht dann dem validierten Simulationsmodell 406. Wo erforderlich, bspw. aufgrund von Kopplungseffekten, kann auch der Prüfstand im Simulationsmodell abgebildet werden. Das validierte Simulationsmodell 406 ist in der Lage, die Messgröße von Interesse (Verformung des Maschinenträgers) mit einer deutlich größeren Genauigkeit als ein nicht validiertes bzw. nicht an Prüfergebnisse angepasstes Simulationsmodell auszugeben. Bis zur Höhe der im physikalischen Test eingeleiteten Lasten liefert das Simulationsmodell also genaue Ergebnisse, da es für diese Messergebnisse optimiert wurde. Mit diesem Teillast-validierten Simulationsmodell werden nun Simulationen unter den gewünschten Ziellasten 408 durchgeführt, welche im physikalischen Test nicht angefahren werden konnten. Es werden also virtuelle Tests bei Volllast durchgeführt. Aus diesen Simulationen können mit hoher Genauigkeit die zu erwartenden Verformungen 409 des Maschinenträgers bei Volllast und/oder Überlast bestimmt werden. Zusätzliche physikalische Tests bei den realen Ziellasten werden damit ersetzt. In Kombination bieten die Messergebnisse aus den physikalischen Tests bei Teillast sowie die virtuellen Testergebnisse aus den Simulationen mit dem Teillast-validierten Simulationsmodell einen vergleichbaren Informationsgehalt wie ein physikalischer Test, welcher mit den Ziellasten durchgeführt worden wäre.
Figur 5 veranschaulicht in einem Prozessschaubild 500 ein hybrides Prüfverfahren zur Prüfung einer Kraftfahrzeugkardanwelle. Das Verfahren entspricht im Wesentlichen den in den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Verfahren. 504 ist ein Prüfstand für die Untersuchung von Kraftfahrzeuggelenkwellen. Der Prüfstand kann Geschwindigkeit, Drehmoment, Federweg und Lenkbewegung gemäß den Belastungsprofilen auf den Prüfling einleiten. Parameter wie Drehzahl, Drehmoment, Federweg, Beugewinkel oder Gelenktemperatur werden gemessen bzw. geregelt. Die Prüfkapazität ist durch das maximale Drehmoment und den Bereich der Federbewegung (Federweg, Geschwindigkeit, Beschleunigung) begrenzt, die der Prüfstand aufbringen kann. Der Prüfling, d.h. die Kraftfahrzeugkardanwelle, wird innerhalb der Kapazität des Prüfstandes 504 geprüft bei Teillast 501. Die Teillast 501 liegt insbesondere in einem Bereich von 50-60% der Volllast 508. Dies ist im Allgemeinen nur ein Teil des Prüfbereichs in Bezug auf die gewünschten Prüfanforderungen. Ein virtuelles Modell 502 des Prüfstands mit Prüfling liegt vor. Mit dem virtuellen Modell 502 wird der Test virtuell unter Teillastbedingungen 501 durchgeführt. Dabei werden Ergebnisse 503 generiert. Die Prüfergebnisse 510 des Tests auf dem Prüfstand 504 (z. B. die gemessene Axialkraft und das Torsionsspiel) werden zur Validierung (symbolisiert durch den Pfeil 507) des virtuellen Modells 502 des Prüflings (und ggf. des Prüfstands) unter denselben Teilbelastungen in Schritt 505 verwendet, sodass ein validiertes virtuelles Modell 506 generiert wird. Mit Hilfe des validierten virtuellen Modells 506 können die verbleibenden Volllasten 508 simuliert und Ergebnisse 509 bei Volllast ermittelt werden Vorliegend können die Ergebnisse 509 beispielsweise als eine den Volllasten entsprechende Axialkraft und als Torsionsspielreaktion vorliegen.
Figur 6 veranschaulicht in einem Prozessschaubild 600 ein hybrides Prüfverfahren zur Prüfung einer Verzahnungsverformung und Planetenträgerverschiebung eines Getriebes für Windenergieanlagen. Das Verfahren entspricht im Wesentlichen den in den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Verfahren. 604 ist ein Getriebeprüfstand. Getriebeprüfstände sind ein wichtiger und zertifizierungsrelevanter Bestandteil des Entwicklungsprozesses von Windenergieanlagen, die über ein Getriebe verfügen. Der Getriebeprüfstand 604 kann beispielsweise Drehmoment- und/oder Biege- und/oder Schub- und/oder Scherlasten aufbringen. Vorliegend kann beispielsweise die Verformung der Verzahnung und die Verschiebung des sogenannten Planetenträgers untersucht werden. Der Prüfstand 604 weist spezifische Grenzen für die Höhe der maximal aufbringbaren Belastungen auf. Mit der hier vorgestellten hybriden Prüfmethode kann die Reaktion des Getriebes auf Belastungen, die über dieser Belastungskapazität des Prüfstands hinausgehen, basierend auf dem Teillast-vali- dierten virtuellen Modell 606 mit gegenüber einem nicht validierten Modell 602 deutlich verbesserter Güte bestimmt werden. Zunächst wird das Getriebe mit Teillasten 601 bspw. mit Drehmoment und/oder Biegebelastungen im Rahmen der Kapazität des Prüfstandes 604 geprüft. Dabei werden Testergebnisse 610 generiert. Diese Lasten 601 liegen möglicherweise nur in einem Teilbereich der Prüfung, der den gewünschten Prüfanforderungen entspricht. Bei diesen Teillastprüfungen werden die Verformung der Verzahnung und die daraus resultierende Verschiebung der Planetenträger gemessen. Für dieselben Teillasten werden Ergebnisse 603 mit einem virtuellen Modell 602 ermittelt. Die gemessenen Prüfergebnisse 610 werden zur Validierung 607 des virtuellen Modells 602 des zu prüfenden Getriebes (und des Prüfstands, falls erforderlich) für dieselben Teillasten verwendet, sodass ein validiertes Modell 606 generiert wird. Mit Hilfe des validierten virtuellen Modells 606 können die ver- bleibenden Volllasten 608 simuliert und Ergebnisse 609 in Form von Verformung der Verzahnung und die Verschiebung des Planetenträgers entsprechend den Volllasten ermittelt werden.
Die Teillast 601 kann beispielsweise 50-60% der Volllast 608 sein.

Claims

Patentansprüche Hybrides Prüfverfahren zum Ermitteln eines Verhaltens eines Prüflings, insbesondere eines Antriebstrangs von Windenergieanlagen, unter vordefinierten Belastungen, das Prüfverfahren umfassend die folgenden Schritte
I. Bereitstellen eines Prüfstandes mit einem zu prüfenden Prüfling, wobei der Prüfstand eine maximal aufbringbare Last aufweist, die durch den Prüfstand auf den Prüfling aufgebracht werden kann, wobei für den Prüfling eine Volllast vordefiniert ist, wobei die Volllast des Prüflings größer ist als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands,
II. Betreiben des Prüfstands zum Durchführen eines mechanischen Teillast-Belastungstests bei dem Prüfling, wobei der Prüfling mit einer Teillast-Belastung beaufschlagt wird, die kleiner ist als die Volllast-Belastung des Prüflings und kleiner oder gleich der maximal aufbringbaren Last des Prüfstands ist,
III. Bereitstellen eines Simulationsmodells zum Prüfen des Prüflings,
IV. Validieren des Simulationsmodels mithilfe der Ergebnisse des Teillast-Belastungstests in Schritt II,
V. Simulieren eines Belastungstests des Prüflings unter Volllast und/oder Überlast in dem validierten Simulationsmodell. Hybrides Prüfverfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte in der Reihenfolge I, II, III, IV, V durchgeführt werden oder in der Reihenfolge I, III, II, IV, V oder in der Reihenfolge III, I, II, IV, V. Hybrides Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt II der Prüfstand die maximal aufbringbare Last auf den Prüfling aufbringt. 4. Hybrides Prüfverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schritt IV umfasst, dass eine Belastung des Prüflings unter derselben Teillast wie in dem Teillast-Belastungstests des Schrittes II in dem Simulationsmodell simuliert wird, und die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests des Schrittes II und der Teillast-Simulation miteinander verglichen werden.
5. Hybrides Prüfverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei im Schritt IV das Simulationsmodell angepasst wird, wenn die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests im Prüfstand und der Teillast-Simulation ungleich sind und/oder nicht in einem vordefinierten Toleranzbereich liegen.
6. Hybrides Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt II für zumindest eine weitere Teillast wiederholt wird, wobei die Teillast kleiner als die maximal aufbringbare Last des Prüfstands ist, und die Ergebnisse des wiederholten Tests jeweils zum Validieren des Simulationsmodells in Schritt IV genutzt werden.
7. Hybrides Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt IV zum Ermitteln von Parametern für das Simulationsmodell die Ergebnisse des Teillast-Belastungstests in Schritt II als Referenz verwendet werden, um das Simulationsmodell so anzupassen, dass die Messungen aus den Teillast-Belastungstests im Wesentlichen den Simulationsergebnissen des bzw. der Teillast-Belastungstest/s in der Simulation entsprechen.
8. Hybrides Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximal aufbringbare Last des Prüfstands mindestens 40% und/oder mindestens 50% und/oder mindestens 60% und/oder mindestens 70% und/oder mindestens 90% der Volllast des Prüflings ist und/oder wobei die maximal aufbringbare Last des Prüfstands höchstens 99% und/oder höchstens 90% und/oder höchstens 80% und/oder höchstens 70% und/oder höchstens 65% und/oder höchstens 60% der Volllast des Prüflings ist. Hybrides Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte II bis V für verschiedenartige Belastungen wiederholt durchgeführt werden. Hybrides Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prüfling ein technisches System ist, welches Belastungen auf einem Prüfstand ausgesetzt ist und/oder der Prüfling eine Welle-Lager- Einheit eines Antriebsstrangs einer technischen Maschine ist und/oder der Prüfling ein Antriebsstrang einer Windenergieanlage oder eine Getriebestufe eines Antriebstrangs oder eine Kraftfahrzeugkardanwelle oder ein Planetengetriebe für Windenergieanlagen oder ein Wälzlager ist.
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