Investigations Regarding the Operating Performance of OscillatingBearings using the Example of Wind Turbine Pitch Bearings

Abstract

Pitch bearings in wind turbines are typical examples for oscillating rollingelement bearings. On the one hand pitch bearings are aected by intentionaloscillations due to the adaption of the aerodynamic angle of attack of the rotorblade. On the other hand, unwanted micro-oscillations (vibrations) are causedby turbulence when the wind turbine is at standstill. The occurring damagemechanisms can reduce the service life of component and, in the worst casescenario, lead to a failure of the whole technical system.On basis of the operating conditions of a reference wind turbine and loadsimulations for the reference pitch bearing, the occurring wear phenomena areanalysed. For this purpose, experimental investigations for the identicationand determination of inuencing parameters are undertaken. The experimentalinvestigations are carried out on angular contact ball bearings of the size7208. The operating conditions of the reference pitch bearing are transferredto the test bearing size using a scaling method. A time-dependent connectionof wear phenomena is established by the incubation hypotheses. The inuenceof the oscillation amplitude and frequency on occurring wear becomesclear through the investigations. In addition, experiments are carried out onfour-point contact ball bearing with a pitch diameter of 675 mm.The results of the experimental investigations are used to set up a simulationmodel which is focused on the contact kinematics between rolling elementsand raceways. The occurrence and the form of the wear can be explainedwith the simulated frictional work. Using the fully parametric structure of themodel, the inuence of the bearing geometry and input parameters on thefrictional work can be analysed.In order to determine the inuence of the type of lubricating grease, afurther series of experiments is carried out. In this experiments common usedlubricants for pitch bearings are tested. The results show that none of theexamined lubricants can prevent wear for all operating conditions. However,statements on suitable grease compositions can be made for certain operatingparameters.The results show the relationship between wear and operating parametersin pitch bearings based on experimental investigations and simulations.Rotorblattlager in Windenergieanlagen sind typische Beispiele für oszillierendeWälzlager. Zum einem werden Rotorblattlager gewollten Oszillationenausgesetzt, um den aerodynamischen Angriswinkel des Rotorblattes einzustellen.Zum anderem entstehen ungewollte Mikrooszillationen (Vibrationen)durch Turbulenzen, wenn die Windenergieanlage stillsteht. Durch Oszillationenaufkommende Schadensmechanismen können die Gebrauchsdauer der Maschinenkomponentereduzieren und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Gesamtsystemsführen.Auf Basis des Betriebsverhaltens einer Referenzwindenergieanlage und Lastsimulationenfür das zugehörige Referenzrotorblattlager werden verschiedeneVerschleiÿphänomene analysiert. Zu diesem Zweck werden experimentelle Untersuchungenzur Identikation und Ermittlung von Einussparametern unternommen.Die experimentellen Untersuchungen werden an Schrägkugellagernder Baugröÿe 7208 durchgeführt. Die Betriebsbedingungen des Referenzrotorblattlagerswerden mit Hilfe einer Skalierungsmethode auf die Prüagergrö-ÿe übertragen. Ein zeitlicher Zusammenhang der Verschleiÿphänomene wirddurch die Inkubationshypothese hergestellt. Der Einuss der Oszillationsamplitudeund -frequenz wird durch die Untersuchungen deutlich. Darüber hinauswerden Untersuchungen an Vierpunktlagern mit einem Laufkreisdurchmesservon 675 mm durchgeführt.Auf Basis der Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen wird einSimulationsmodell aufgebaut, welches die Kinematik des Kontakts zwischenWälzkörper und Laufbahn abbildet. Das Auftreten und die Form des Verschleiÿes können mit Hilfe der Reibarbeit erklärt werden. Mit Hilfe des parametrischenAufbaus des Modells, kann der Einuss der Lagergeometrie undder Eingangsparameter auf die Reibarbeitsdichte analysiert werden.Um den Einuss des Schmiermittels bestimmen zu können wird eine weitereVersuchsreihe durchgeführt. In dieser Versuchsreihe werden gängige Schmierfettefür Rotorblattlager getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass keines der untersuchtenSchmierfette für alle Betriebsbedingungen Verschleiÿ verhindern kann.Allerdings lassen sich für bestimmte Betriebsparameter Aussagen zur geeignetenFettzusammenstellungen treen.Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen den Zusammenhang zwischenVerschleiÿ und Betriebsparametern in Rotorblattlagern anhand experimentellerUntersuchungen und Simulationen.QC 20200602</p