Wat zijn de meest voorkomende oorzaken van defecten in smeedstukken van tandwielkasten voor windturbines?

De meest voorkomende oorzaken van falen in Smeedstukken voor versnellingsbakken van windturbines zijn materiaalmoeheid, defecten aan de ondergrond, ontoereikende warmtebehandeling, door verkeerde uitlijning veroorzaakte spanningsconcentraties en defecten aan de smering . Uit onderzoek van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) blijkt dat defecten aan versnellingsbakken verantwoordelijk zijn voor ongeveer 20% van de stilstand van windturbines , waardoor ze de grootste bron van ongeplande onderhoudskosten in de sector zijn. Het begrijpen van de grondoorzaken op smeed- en materiaalniveau is de meest effectieve manier om voortijdig falen te voorkomen.

Materiaalvermoeidheid: de belangrijkste mechanische storingsmodus

Vermoeidheid is verantwoordelijk voor het merendeel van de smeedfouten van tandwielkasten bij werkende windturbines. In tegenstelling tot statische overbelasting stapelt vermoeiingsschade zich onzichtbaar op gedurende miljoenen belastingscycli voordat een scheur zich naar het oppervlak verspreidt.

Hoe vermoeidheid ontstaat bij smeedstukken

In ringtandwielen van versnellingsbakken, planeetdragers en uitgaande assen veroorzaken cyclische buig- en torsiebelastingen microscheurtjes op spanningsconcentratiepunten zoals spiebanen, afrondingen en kruispunten van boringen. Volgens een analyse uit 2019 gepubliceerd in Windenergie (Wiley), meer dan 60% van de defecten aan tandwieltanden in tandwielkasten van windturbines ontstaan door vermoeiingsscheuren die op of net onder het contactoppervlak begonnen.

Variabel belastingspectrum verergert vermoeidheid

Windturbines ervaren zeer onregelmatige belastingsspectra. Windstoten, turbulentie en start-stop-cycli zorgen ervoor dat versnellingsbakonderdelen zelden een stabiele belasting ervaren. Deze belasting met variabele amplitude versnelt de accumulatie van vermoeiingsschade in vergelijking met laboratoriumtestomstandigheden met constante amplitude. Daarom onderschatten veel standaard vermoeiingsclassificaties de levensduur in de echte wereld.

Ondergrondse insluitsels en interne defecten

Zelfs een smeedstuk van hoge kwaliteit kan interne defecten bevatten die dienen als startlocatie voor voortijdige scheuren. Het meest problematisch zijn niet-metallische insluitsels – oxiden, sulfiden en silicaten – die tijdens de staalproductie worden geïntroduceerd of die achterblijven door inadequate verwerking.

Inclusietypen en hun effecten

Bron: ASM Internationaal, Foutanalyse van warmtebehandelde stalen componenten , 2008.

Voor grote smeedstukken van tandwielkasten - planeetdragers die meer dan 2.000 kg wegen zijn gebruikelijk in turbines van 3 MW - is waterstofgeïnduceerde schilfering een bijzonder ernstig risico als de procedures voor langzaam afkoelen of uitgloeien na het smeden niet strikt worden gevolgd.

Ontoereikende warmtebehandeling en fouten bij het harden van de behuizing

Versnellingsbaksmeedstukken moeten een nauwkeurig evenwicht bereiken tussen een harde, slijtvaste oppervlaktelaag en een taaie, ductiele kern. Wanneer de warmtebehandeling slecht wordt gecontroleerd, gaat dit evenwicht verloren en treden er snel storingen op tijdens het gebruik.

Veel voorkomende fouten bij warmtebehandeling

• Onvoldoende kastdiepte in gecarbureerde of genitreerde tandwielen, waardoor vermoeidheidsscheuren in de behuizing ontstaan
• Niet-uniforme verharding als gevolg van onvoldoende quench-agitatie, waardoor zachte plekken in het smeedstuk achterblijven
• Ontkoling van de oppervlaktelaag tijdens het smeden of normaliseren, waardoor de vermoeiingssterkte van het oppervlak met maximaal wordt verminderd 30% (Bron: AGMA 923-B05, Metallurgische specificatie voor stalen tandwielen)
• Scheurvorming door overmatige thermische gradiënten in componenten met een dikke doorsnede
• Vastgehouden austeniet boven aanvaardbare drempels, dat transformeert onder gebruiksstress en dimensionale instabiliteit veroorzaakt

Voor ringtandwielen van tandwielkasten voor windturbines - die een wanddikte van meer dan 150 mm kunnen hebben - vereist het bereiken van uniforme doorharding zorgvuldig geselecteerde staalsoorten met voldoende hardbaarheid (meestal 18CrNiMo7-6 of 20MnCr5) en nauwkeurig gecontroleerde afschrikmedia en temperatuurprofielen.

Smeden van stroomlijndefecten en slechte graanstructuur

De mechanische eigenschappen van een voltooid smedwerk van een versnellingsbak worden rechtstreeks bepaald door de interne graanstroom die tijdens het smeedproces ontstaat. Slecht ontworpen smeedmatrijzen of onjuiste reductieverhoudingen kunnen defecten veroorzaken die verborgen blijven totdat het onderdeel tijdens gebruik defect raakt.

Belangrijkste structurele defecten uit de smeedpraktijk

• Ronden en koude afsluitingen: Gevormd wanneer metaal tijdens het vullen van de matrijs over zichzelf heen vouwt, waardoor een naad ontstaat die fungeert als een reeds bestaande scheur
• Doorstroomdefecten: Doet zich voor wanneer materiaal verkeerd rond kernen of doornen stroomt, waardoor de continuïteit van de korrel wordt verstoord
• Grofkorrelige banden: Het resultaat van onvoldoende reductie van heet werk of opwarmen boven de vergrovingstemperatuur van het graan, waardoor de slagvastheid met maar liefst 40% vergeleken met fijnkorrelige microstructuren (bron: ASTM E112 korrelgroottestandaarden en industriële smeedgegevens)
• Segregatie middenlijnen: Bij smeedstukken met een grote diameter kan de segregatie van de legering van de originele staaf zelfs na het smeden aanhouden, waardoor zones met verschillende hardheid en weerstand tegen vermoeidheid ontstaan.

Fabrikanten van hoge kwaliteit pakken deze risico's aan door middel van een rigoureus procesontwerp, inclusief adequate smeedreductieverhoudingen (doorgaans een reductie van minimaal 4:1 ten opzichte van ingots), gecontroleerde opwarmtemperaturen en verplichte ultrasone tests (UT) van alle afgewerkte smeedstukken volgens normen zoals EN 10228-3 of ASTM A388.

Smeringsfalen en het verband ervan met de oppervlaktekwaliteit van het smeden

Smeringsfouten worden vaak gezien als een puur operationeel probleem, maar de oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid van smeedstukken van versnellingsbakken bepalen rechtstreeks hoe goed een smeerfilm onder belasting behouden blijft.

Hoe de oppervlakteconditie slijtage versnelt

Ruwe of onregelmatige smeedoppervlakken - zelfs na machinale bewerking - zorgen voor hoge contactdrukken die de elastohydrodynamische (EHL) smeermiddelfilm doorboren. Zodra metaal-op-metaal contact plaatsvindt, kunnen de oppervlaktetemperaturen op microcontactpunten hoger worden 300 graden C plaatselijk (Bron: Tribology International, Vol. 44, 2011), wat leidt tot microlassen, schuren en snelle oppervlaktevermoeidheid, bekend als micropitting.

NREL's Gearbox Reliability Collaborative (GRC) identificeerde micropitting op planeet- en zonnewieltanden als een primaire schadeoorzaak bij in het veld geretourneerde versnellingsbakken, waarbij oppervlakteruwheidswaarden boven Ra 0,4 micron het risico op micropitting aanzienlijk verhogen, zelfs met de juiste smeermiddelviscositeit.

Smeermiddelverontreiniging door smeedresiduen

Kalkaanslag, oxidedeeltjes of resterende straalmedia die achterblijven in interne holtes van versnellingsbakbehuizingen of holle assen kunnen in de bedrijfsolie circuleren, waardoor schurende slijtage aan drie lichamen ontstaat die lagerloopvlakken en tandwielflanken veel sneller beschadigt dan ontwerpvoorspellingen aannemen.

Verkeerde uitlijning en door montage veroorzaakte spanningsconcentraties

Zelfs een perfect vervaardigde smederij van een versnellingsbak kan voortijdig falen als de versnellingsbak verkeerd is gemonteerd of als een verkeerde uitlijning van de aandrijflijn onverwachte buigmomenten in de behuizing en assen van de versnellingsbak overbrengt.

Bronnen van verkeerde uitlijning in aandrijflijnen van windturbines

• Slijtage van het hoofdlager maakt doorbuiging van de rotoras mogelijk, waardoor de ingaande as van de versnellingsbak asymmetrisch wordt belast
• Torenverzakking of vervorming van de bodemplaat van de gondel, waardoor een verkeerde hoekuitlijning ontstaat tussen de versnellingsbak en de generator
• Onjuiste installatie van de koppelarmbus, waardoor de reactiekrachten worden geconcentreerd op specifieke punten op het smeden van de versnellingsbakbehuizing
• De verkeerde uitlijning van de planeetwieldrager is overschreden 0,05 mm , waardoor sommige planeetwielen worden ontlast terwijl andere worden overbelast - een bekende oorzaak van voortijdige planeetwiel- en lagerstoringen (Bron: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Corrosie en aantasting van het milieu

Offshore- en kustwindturbines stellen versnellingsbakonderdelen bloot aan vocht, zoutnevel en temperatuurwisselingen die corrosiemoeheid versnellen - een combinatie van mechanische vermoeidheid en corrosieve aantasting die schadelijker is dan beide factoren op zichzelf.

Onderzoek gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor vermoeidheid (2017) hebben aangetoond dat corrosiemoeheid de vermoeidheidslimiet van versnellingsbakassen van laaggelegeerd staal met 30% verlaagt tot 50% vergeleken met tests uitgevoerd in droge lucht. Oppervlakteputten tegen corrosie fungeren als spanningsconcentratoren met effectieve spanningsintensiteitsfactoren die vergelijkbaar zijn met machinaal bewerkte inkepingen.

Voor offshore-toepassingen moeten de specificaties voor het smeden van versnellingsbakken de corrosieweerstand aanpakken door middel van materiaalkeuze, beschermende coatings en afgedichte smeersystemen - en niet simpelweg vertrouwen op onshore-componentnormen.

Hoe hoogwaardige smeedstukken het faalrisico verminderen

Door smeedstukken te selecteren die onder streng kwaliteitsmanagement zijn geproduceerd, worden de hierboven genoemde hoofdoorzaken direct aangepakt. Belangrijke kwaliteitsindicatoren die moeten worden gespecificeerd zijn onder meer:

1. Schone staalproductie met vacuümontgassing (VD) of vacuümbooghersmelten (VAR) om het insluitingsgehalte te minimaliseren
2. Gecontroleerde smeedreductieverhoudingen en gevalideerde matrijsontwerpen om een consistente graanstroom te garanderen
3. Volledige traceerbaarheid van warmtebehandelingsgegevens, inclusief tijd-temperatuurgrafieken voor elke batch
4. 100% ultrasoon testen (UT) volgens EN 10228-3 Klasse 3 of gelijkwaardig, plus magnetische deeltjesinspectie (MPI) van alle afgewerkte oppervlakken
5. Mechanische testcertificaten (treksterkte, impact, hardheid) van monsters gesneden uit testverlengingen die integraal met het onderdeel zijn gesmeed

Voor inkoopteams en OEM's van windturbines die leveranciers van smeedstukken beoordelen, zijn onze Smeedstukken voor versnellingsbakken van windturbines zijn manufactured to meet these exacting standards -- covering ring gears, planet carriers, output shafts, and housing components for turbines from 1.5 MW to 6 MW class, with full material certification and NDE documentation supplied with every order.

Samenvatting: De oorzaken van storingen in één oogopslag