Optimierung von Rotorlagern hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit

Windenergieanlagen sind dank der Energiewende aus der modernen Stromversorgung nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer Funktionsweise und ihrer Standorte sind die Anlagen extremen internen und externen Belastungen ausgesetzt. Die Rotorlager bzw. Wälzlager stellen dabei eines der wichtigsten Bestandteile solcher Anlagen dar. Der Werkstoff, der hierbei zum Einsatz kommt, muss eine hohe Reinheit, Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, um die erforderliche Tragfähigkeit und eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen. Das Ziel dieses Verbundvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen Wälzlagers mit erhöhtem Widerstand gegen Verschleiß, Ermüdung und Korrosion.

© Fraunhofer IGP
Reales Schadensbild der Laufbahn in einem Großwälzlager
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FEM-Modell: Statische Belastung der Laufbahnen eines Wälzlagers unter Berücksichtigung der Symmetrie, bei dem jeder Wälzkörper durch ein Federmodel ersetzt worden ist

Problemstellung

Wälzlager, die zu den am höchst belasteten Maschinenelementen zählen, bestehen aus mehreren Bauteilen. Die zyklische Belastung durch das Abrollen der Wälzkörper auf der Laufbahn führt zur strukturellen Änderung des Wälzlagerwerkstoffes und somit zu einer Materialermüdung. Die häufigsten Schadensfälle neben Core-Crushing (s. Bild) sind Pittings, Korrosionsschäden, Ermüdungsrisse und Reibungsschäden.

Die optimale Auswahl des Werkstoffes mit anschließendem Härten spielt neben der konstruktiven Auslegung die zentrale Rolle für die Betriebssicherheit des Wälzlagers. Dabei ist die Einhärtungstiefe nach dem Härtevorgang ein entscheidender Faktor. Bei Wälzlagern mit großem Durchmesser ist auf eine ausreichende Einhärtungstiefe zu achten, da sonst die Gefahr für das Core-Crushing ansteigt. Eine Übersicht für Wälzlagerstähle, die für eine Wärmebehandlung bestimmt sind, sind in der Norm DIN EN ISO 683-17 aufgeführt und nach der Art der Vergütung gruppiert. Die Wirtschaftlichkeit der neuen Stahlsorte ist dabei ein weiterer wichtiger Aspekt und darf nicht außer Acht gelassen werden.

Lösung

Weltweit häufig eingesetzte Werkstoffe für Ringe und Wälzkörper sind hochreine, niedriglegierte, durchhärtende, martensitische Chromstähle, z.B. DIN EN ISO 683-17- 100Cr6 (1.3505), die jedoch den Nachteil haben, dass sie eine ausgeprägte Neigung zu Kernseigerungen von Kohlenstoff aufgrund eines relativ großen Erstarrungsintervalls aufweisen und eine lange Diffusionsglühung erfordern.

Dagegen führt die Verwendung legierter Vergütungsstähle, wie z.B. DIN EN 10083-3-42CrMo4 (1.7225) kombiniert mit induktiver Randschichthärtung der Laufbahn, zu deutlich höheren Einhärtungstiefen, vermeidet jedoch eine Schädigung durch Core-Crushing nicht in allen Fällen.

Zwecks der Belastungsuntersuchung wird zudem ein mechanisch-thermisch gekoppeltes Simulationsmodell erstellt. Dieses hilft bei der Ermittlung der Spannungsverteilung im Wälzlager und somit bei der geometrischen Optimierung. Des Weiteren ist das Simulationsmodell dabei behilflich lokale Druckspannungen, die sogenannte Hertzsche Pressung, zu ermitteln. Hierbei handelt es sich um die größte vorherrschende Spannung, die in der Mitte der Berührungsfläche zweier Kontaktköper liegt und mit Hinblick auf die mechanischen Materialparameter ein Indiz für die Dauerfestigkeit darstellt.

Nutzen

Für den Technologietransfer ist der Einsatz einer neuen Sonderstahlsorte interessant, da er aufgrund der geplanten mechanisch-technologischen Eigenschaften für verschiedene Großwälzlager universell angewendet werden können. Aufgrund der zahlreichen Querschnittsprobleme können die Ergebnisse und auch Teilergebnisse breite Verwendung finden.

Mit der Bearbeitung des Projektes werden neue Lösungen, innovative technologische Fertigungs- und Produktionsstrategien ermittelt und deren Umsetzung erarbeitet. Es wird folglich ein sowohl wissenschaftlicher als auch technisch/technologischer Vorsprung auf den genannten Gebieten für die Rotorlager von Windenergieanlagen erreicht.

Projektpartner

  • Deutsche Großwälzlager GmbH