antriebstechnik 5/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Erkennen – beheben – auswerten Detektion von Planetenlagerschäden in drehzahlvariablen Windenergieanlagen Brit Hacke Schäden an Planetenlagern in Windenergieanlagen gelten als nicht detektierbar beziehungsweise werden oftmals erst in einem zu späten Stadium erkannt, sodass dem Anlagenbetreiber meist keine Zeit mehr bleibt, angemessen darauf zu reagieren. Im Zweifelsfall lässt sich eine Entstehung des Schadens nicht mehr rekonstruieren. Dr.-Ing. Brit Hacke ist Geschäftsführende Gesellschafterin bei der cms@wind GmbH in Hamburg Um Schäden an mechanischen Komponenten des Triebstranges von Windenergieanlagen wie Hauptlager, Getriebe und Generatorlager frühzeitig zu erkennen, werden deren Betriebsschwingungen mit dem online Condition Monitoring System cms.beta.X des Startup Unternehmens cms@wind aufgezeichnet, analysiert und ausgewertet. Durch diese Zustandsüberwachung werden Fehler diagnostiziert, bevor es zu Störungen des Anlagebetriebs oder zu schwerwiegenden Maschinenschäden kommt. Notwendige Instandsetzungsarbeiten können frühzeitig geplant und in Verbindung mit Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Der Prototyp dieses Systems, ein cms.beta.8, befindet sich seit drei Jahren in Erprobung auf einer Windkraftanlage. In diesem System wurde umgesetzt, was bisher über die Fehlerfrüherkennung von Schäden in drehzahlvariablen Windgetrieben bekannt ist. So konnte über eine Ost (ordnungs selektive Trendanalyse) in Kombi nation mit einer über die Hüllkurvenordnungsanalyse, ein Planetenlagerschaden in einem frühen Stadium festgestellt werden. Deutlich wurde, dass die Lagerlaufflächen in der frühen Phase Anzeichen von Grauflächigkeit (Micropitting) und Anschmierung aufwiesen. Das bedeutet, dass der Schaden – nach derzeitigem Kenntnisstand – auf eine mangelhafte Schmierung zurückzuführen ist. 01 Partikeleinpressungen, Micropitting, Mattierung (Glaufleckigkeit) Schäden in solch einem frühen Stadium mithilfe eines CMS (Condition Monitoring System) zu ermitteln, die auf einer Schwingungsanalyse beruhen, galt bisher in der Branche als unmöglich. Im zeitlich aufgetragenen Kennwertverlauf ist ein Anstieg im Trendverhalten des überwachten Lagers zu erkennen. Anhand der einfach nachzuvollziehenden Ampellogik kann der Betreiber nun erkennen, dass sich der Schadsignalanteil für dieses Lager erhöht hat und er wird in die Lage versetzt, eine Entscheidung zu treffen. In diesem Falle wurde entschieden, das Getriebe durch einen unabhängigen Gutachter mithilfe von Videoendoskopie untersuchen zu lassen. Der beginnende Scha­ 02 OsT – der zeitliche Anstieg des Kennwertverlaufes 56 antriebstechnik 5/2016

KOMPONENTEN UND SOFTWARE 03 Admittanz der Struktur vs. Amplitudenfrequenzgang des Sensors Bild 03 zeigt links das dreidimensionale Amplitudenspektrum des Hochlaufs an der dazugehörigen Messstelle, generiert aus der Aufzeichnung nach Installation des Messsystems. Die höheren Amplituden im Bereich 0 bis 3 kHz lassen sich dem Zahneingriff zuordnen, während im Bereich von 8 bis 13 kHz die eher schwach ausgeprägten Eigenfrequenzen sichtbar werden. Rechts im Bild das gleiche Diagramm in Form eines Sonagramms, überlagert durch eine weiße Linie. Sie verdeutlicht den nutzbaren Bereich des Sensors. Nach Ausgabe der ersten Warnung wurde der Hochlauf wiederholt. Der Schaden hatte sich so weit entwickelt, dass er in der Lage war, die Struktur zum Schwingen anzuregen, sodass der gut nutzbare Bereich des Sensors stärker zum Tragen kam (Bild 04). Durch die Ost wurde der Anstieg registriert, die Warnungmeldung generiert und die Videoendoskopie veranlasst, die den Schaden im Frühstadium betätigen konnte. Zeitgleich durchgeführte Spotmessungen mit handelsden konnte dadurch erkannt und bestätigt werden. Analysemethodik ermöglicht detaillierte Fehlerdiagnose Das cms.beta.8 beruht auf einer Weiterentwicklung eines neuartigen Algorithmus zur numerischen Lösung der Hilberttransformation. Hierfür wurde die 2011 bereits publizierte schnelle Hilbertransformation noch einmal numerisch erweitert und an die speziellen kinematischen Verhältnisse in der Planetenstufe angepasst. Der Schadsignalanteil früher Schäden wird, bedingt durch die Bauform der Planetenstufen und den Gusswerkstoff der Strukturelemente, stark gedämpft. Die Drehzahl an der Eingangsseite der Planetenstufe entspricht der Drehzahl des Rotors. Die Planetenstufe ist eingangsseitig, wie der Rotor der Anlage langsamlaufend. Die Drehzahl erhöht sich in gängigen Planetenstufen von Windgetrieben bis zum Abtrieb lediglich um den Faktor 6. Relevant für die Diagnose der Planetenlager ist die Relativdrehzahl zwischen Planet und Planetenträger. Sie weist nochmals einen deutlich geringeren Betrag auf. Das hat in der Diagnose zur Folge, dass der Schadsignalanteil tieffrequent und i. d. R. außerhalb des unteren Bereichs des Amplitudenfrequenzgangs alternativer industrieller Schwingungsaufnehmers zu finden ist. Man ist darauf angewiesen, dass der tieffrequente Schadanteil im höherfrequenten Bereich des nutzbaren Amplitudenfrequenzganges, ca. zwischen 8 und 20 kHz, erfassbar wird. Des Weiteren muss der Schaden bereits so weit fortgeschritten sein, dass er in der Lage ist die komplexe Struktur auch in den Eigenfrequenzen anzuregen, die der verwendeten Sensorik zugänglich sind. Dass der Zahneingriff das Schwingungsverhalten der Planetenstufe dominiert und die Struktur im nutzbaren Bereich des Sensoren eine geringe Admittanz aufweist, macht die Diagnose nicht einfacher. Für die Weiterentwicklung der bisher gängigen Diagnosemethoden wurden während der Erprobung der neuen Hardware Hochläufe aufgezeichnet, um zu überprüfen welchen Einfluss die Änderung der Strukturschwingung auf die Diagnosesicherheit hat. Optimierte Software bietet neue Möglichkeiten üblichen CMS-offline-Geräten, wie sie für die wiederkehrenden Prüfungen angewandt werden, kamen nicht zum Ergebnis. Das heißt, durch eine einfache, kurzzeitige Schwingungsmessung während der wiederkehrenden Prüfung wäre der Schaden in diesem Stadium nicht aufgefallen und der Betreiber in der nächsten Zeit überrascht worden. Bei einem bereits fortgeschrittenen Schaden lässt sich nicht mehr klar sagen, was die Ursache war, da sich bei dessen Weiterentwicklung aus den immer größer werdenden Pittings Partikel lösen. Durch deren Überrollung wird die anfängliche Ursache unkenntlich. Das für längere Messeinsätze optimierte cms.beta.8 eröffnet neue Möglichkeiten. Wie ist es möglich, dass das cms.beta.8 zu diesem Ergebnis kommt? Um das zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie die Hüllkurve, die die Grundlage für die Ost bildet, entsteht. Schaden im cms.beta-Viewer sichtbar Wird ein Schaden überrollt, entsteht ein kleiner Kraftimpuls. Aus der Geometrie der zu überwachenden Bauteile und der stetigen Überrollung des Schadens entsteht eine Stoßimpulsfolge, die in den Strukturbauteilen eine Schwingungsantwort erzeugt, die mit einem industriellen Schwingungsaufnehmer erfassbar wird. Antriebsstränge in Windkraftanlagen unterliegen dynamischen Belastungen. Aus ständig veränderlichen Windbedingungen resultieren wechselnden Drehzahl/Lastverhältnisse, die sich im Gesamtschwingverhalten der Anlage manifestieren. Das Betriebsschwing verhalten der Anlage wird mit dem zunächst deutlich antriebstechnik 5/2016 57