antriebstechnik 1-2/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Gearbox 03 Systemelemente - Pitting - Root bending fatigue - Case crushing - toothing - Flank fracture - Micro pitting - Sun gear - … - Fretting corrosion - spline - Plastic flow - … Planetary assembly - Ring gear - … - Planet gears - … - WEC - Planet bearings - Pitting - … - Fatigue - Planet shafts - … - LSI gear - … - LSI shaft - … Low speed intermediate assembly - LSI bearing 1 - … - LSI bearing 2 - … - HSI gear - … - HSI shaft - … High speed intermediate assembly - HSI bearing 1 - … - HSI bearing 2 - … - HS gear - … High speed assembly - HS shaft - … - HS bearing 1 - … - HS bearing 2 - … ein Zahnrad bspw. aufgrund eines Zahnfußbruchs oder eines Grübchenschadens ausfallen, siehe Bild 03. KLASSIFIZIERUNG Die Systemelemente werden anschließend klassifiziert, siehe Bild 04. Dabei werden Systemelemente für das betrachtete System in zuverlässigkeitsrelevant (A1, A2, B) und neutral (C) klassifiziert (Bild 04). A1 stellt solche Elemente dar, für die Berechnungsmethoden verfügbar sind (z. B. ISO 6336), während A2 auf Elemente verweist, für die Berechnungsmethoden nicht verfügbar sind. Elemente der Kategorie B sind durch nicht deterministische Fehlerverteilungen (z. B. Lageranschmierung) gekennzeichnet. Daher sollten Erfahrungen und Versuche zur Zuverlässigkeitsvorhersage dieser Elemente herangezogen werden. Elemente der Kategorie C sind für die Zuverlässigkeit des Systems irrelevant und werden daher bei Berechnungen nicht berücksichtigt. Die A1, und teilweise A2-Systemelemente werden bei der vorliegenden Zuverlässigkeitsberechnung berücksichtigt. Die Klassifizierung entspricht dem aktuellen Stand der Technik und wird angepasst, wenn ein anerkannter Berechnungsansatz für ein A2-Element verfügbar wird. Durch Multiplikation der Zuverlässigkeiten der System elemente wird die Systemzuverlässigkeit bestimmt. Dabei wird zugrunde gelegt, dass die Ausfallmodi unabhängig voneinander sind und ein Fehler zum Ausfall des funktionalen Elements führt (Boolesche Bedingung), siehe Bild 05. BERECHNUNGSANSÄTZE Für die A1 Systemelemente liefert die Methode Berechnungsansätze. Die Berechnung der Zuverlässigkeit einer Kompo nente R erfolgt unter Verwendung Life calculation Load Profile Typical Weibull shape Gears Rolling bearings Shafts 04 Klassifizierung der Systemelemente (Ausschnitt) A1 recognized codes available Deterministic ß > 1 ß > 1 0,8 ≤ ß ≤ 1,2 0 ≤ ß ≤ 1 • Pitting • Root bending fatigue • Rolling contact fatigue (pitting) • Fatigue A2 recognized codes not available Deterministic Stochastic Stochastic • Flank fracture • Rim fracture • Cage fracture • Rim fracture • Ring fracture • Subsurface initiated fatigue (WEC) B recognized codes not available • False brinelling • Hard-end contact • Scuffing • Tip fracture • Abrasive wear • Micropitting • Fretting corrosion • Smearing • False brinelling • Abrasive wear • Thermal runaway • Thermal fracture • Surface initiated fatigue (Micropitting) • Ring creeping • Overload fracture • Loosening (axial) C irrelevant • Case crushing • Overload fracture • Plastic deformation • Moisture corrosion • Excessive voltage • Current leakage • Plastic deformation by handling • Plastic deformation by debris • Plastic deformation 05 Berechnung der Systemzuverlässigkeit (nach [6]) F = 1 – R system R S (t) = R C1 (t) · R C2 (t) · … · R Cn (t) = n ∏ i=1 R ci (t) t 42 antriebstechnik 2020/1-2 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 06 Iterative Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit auf Basis der Schadensakkumulation gemäß ISO 6336-6 100 % 90 % 70 % 50 % 30 % 10 % 0 % Failure probability PA Service-life calculation Torque Wöhler-curve for 50 % PA Load spectrum for 20 years Load spectrum scaled in time direction Time einer 3-parametrischen Weibull-Verteilung. Hierbei handelt es sich um den Form parameter β, die charakteristische Lebensdauer η für die Ausfallwahrscheinlichkeit F (η) = 63,2 % und den Standortpara meter γ, der in der Ermüdungsanalyse häufig als ausfallfreie Zeit interpretiert wird. Die Zuverlässigkeit R (t) = 1 – F (t) ist das Komplement der Ausfallwahrscheinlichkeit. Wenn die Komponentenlebensdauer B x für eine andere Ausfallwahrscheinlichkeit F (B x ) = x % angegeben wird, wird die Lebensdauer B 10 wie folgt berechnet: Empfehlungen für die Formparameter und f tb sind im Einheitsblatt angegeben. Für die Fehlermodi Zahnfußbruch und Grübchen von Evolventenverzahnungen stellt die Methode einen erweiterten Berechnungsansatz zur Verfügung. In Anlehnung an ISO 6336-6 [2] wird die Schadenssumme für ein bestimmtes Lastkollektiv ermittelt und mit der zugrundeliegenden Wöhlerkurve verglichen. Iterativ wird das Kollektiv über die Zeit erweitert und zu jedem Rechenschritt die zugehörige Ausfallwahrscheinlichkeit berechnet. Man erhält so die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systemelements über der Betriebszeit, siehe Bild 06. Die wesentlichen Inhalte der Methode werden in die Edition 2 der IEC 61400-4 überführt. Diese wird voraussichtlich 2021 erscheinen und eine Technische Spezifikation zur Bestimmung der Zuverlässigkeit enthalten. In der Technischen Spezifikation wird auf das VDMA-Einheitsblatt zwecks weiterführender Informationen verwiesen werden. Fotos: Aufmacher: Adobe Stock/mirkomedia; sonst.: VDMA Literaturhinweise: [1] IEC 61400-4:2012, Wind turbines – Part 4: Design requirements for wind turbine gearboxes [2] ISO 6336-6, Calculation of load capacity of spur and helical gears – Part 6: Calculation of service life under variable loads [3] VDMA 23901:2016, Komponenten und Systeme für Windenergieanlagen in kalter Umgebung [4] VDMA 23902:2014, Leitlinie für den bruchmechanischen Nachweis von Planetenträgern aus EN-GJS-700-2 für Getriebe von Windenergieanlagen [5] Bertsche B.: Reliability in Automotive and Mechanical Engineering. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008 [6] Haibach E., Betriebsfestigkeit – Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, 3., korrigierte und ergänzte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2006 DIE AUTOREN Dr.-Ing. Dirk Strasser, Leiter Produktentwicklung, ZF Wind Power Antwerpen N.V. und Obmann des DIN-Normenausschuss NA 060-34-16 AA „Getriebe für Windkraftanlagen“ Dirk Stemmjack, Technischer Referent, Fachverband Antriebstechnik des VDMA und Sekretär der ISO/TC 14 und ISO/TC 60/SC 2 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/1-2 43