風力タービンのケース浸炭ベアリングの事例

May 27, 2023

ポール・ドヴォルザーク著 | 2016 年 12 月 19 日

ロブ・バドニー、RBBエンジニアリング株式会社 代表取締役社長リチャード・ブルックス、Timken Co.、風力エネルギーアフターマーケットマネージャー

編集者注: この記事は 11 月 2 日に発表された Web キャストに基づいており、ここで再生できます: https://goo.gl/KGglfR

風力タービンのギアボックス内の 2 つのベアリングを分析した実際の例は、一部のベアリングが他のベアリングよりも長持ちする理由についての洞察を提供します。 ここでのケーススタディでは、風力タービン OEM が特定のモデルの約 500 数メガワットのユニットを製造しました。 約 6 年前、500 基のタービンのうちのいくつかは使用後 1 年未満で、いくつかは少し古いものでした。 最年長の艦隊リーダーは調査時点で6歳だった。 このモデルのギアボックスには、2 つのサプライヤーからの中間ベアリングが使用されていました。 これらをサプライヤー A とサプライヤー B と呼びます。また、サプライヤー C とサプライヤー D という 2 つのサプライヤーのメイン ベアリングも使用していました。

メインベアリングはギアボックスに統合されました。 主要なベアリングのうち、半分はサプライヤー C から、残りの半分はサプライヤー D から入手されました。研究にとって幸いなことに、最終結果には 500 を超えるタービンという多数のタービンが含まれていました。 中間ベアリングの半分は 1 つのサプライヤーから提供されました。

ベアリングの信頼性が大きく異なることが判明したことに驚く人もいるかもしれません。 一部の中間ベアリングと一部のメインベアリングでは高い確率で故障が発生しました。 これらの故障率から根本原因分析、つまり RCA が開始されました。

中間ベアリング

中間ベアリングはNJ2334でした。 これは ISO 指定と標準カタログベアリングです。 理論的には、そのベアリングはほぼすべての主要メーカーから購入できます。 ベンダー A とベンダー B のベアリングはほぼ同一でした。

添付の表は、2 つのベアリングの関連する設計データの一部を示しています。 内径と外径が同じであることに注意してください。 ローラーの数は同じです。 ローラーの直径とローラーの長さは同じです。 したがって、ほとんどすべての点で、ベンダー A のベアリングはベンダー B のベアリングと同一です。

両者が異なる点の 1 つは熱処理でした。 ベンダー A のベアリングは浸炭処理され、ベンダー B のベアリングは完全硬化されました。

ただし、ベンダー A のベアリング (ケース浸炭) を備えたギアボックスでは、故障が 1 回だけ発生しました。 その失敗率は 1% よりはるかに低かったです。 ベンダー B のベアリング (硬化処理済み) を備えたギアボックスの故障率は 16%、平均故障時間は 27,200 時間でした。 RCA の一環として、私たちはベンダー A のベアリングに信頼性の利点をもたらすベアリングの違いを詳しく調べて理解したいと考えました。

右の画像は、ベアリング リングの断面図を示しています。 これは、irWEA または不規則な白いエッチング領域と呼ばれるものを示しています。 これは、このホワイト エッチ クラックの破損に関連する明らかな構造です。

この障害の形態、または障害がどのようなものであったかを考えてください。 中間ベアリングの場合は、添付画像のような亀裂がかなり広がっています。 これが風力タービンのギアボックス故障の唯一の主な原因である、この軸方向の亀裂故障モードです。 分解すると、ほとんどの場合 (左側) に表示されます。

右の画像は、ベアリング リングの断面図を示しています。 これは、irWEA または不規則な白いエッチング領域と呼ばれるものを示しています。 これは、このホワイト エッチ クラックの破損に関連する明らかな構造です。

それぞれに存在する残留応力も調べました。 スライド上の暗い曲線は、ケース浸炭ベアリングのベアリングリングの残留応力を示し、破線は、貫通硬化ベアリングのベアリングリングの死に至る残留応力を示します。 リングの表面には、両方のベアリングに圧縮残留応力がありました。 これは研削プロセスのアーチファクトですが、表面のすぐ下を観察すると、浸炭されたベアリングのケースには比較的大きな圧縮残留応力があることが分析でわかりました。 この応力は亀裂を閉じた状態に保つように作用し、信頼性の利点をもたらします。

しかし、貫通硬化されたベアリングには、表面以外には圧縮残留応力はほとんどありませんでした。 これは、2 つのベアリング間で発見された大きな違いの 1 つです。 私たちが注目したもう 1 つの特性は、残留オーステナイトのレベルです。 ベアリングの微細構造は単一ではなく、主にマルテンサイトとオーステナイトの点で異なります。

メーカー A の中間軸受の場合、添付のグラフ「中間軸受残留応力」は、表面から軸受材料への残留オーステナイトの割合を示しています。 高レベルの残留オーステナイトが存在し、表面では 30% を超え、表面に 1 ミリメートル入ると約 25% に低下することがわかります。 しかしながら、完全硬化された軸受には、本質的に残留オーステナイトが存在しなかった。 2 つのベアリングの微細構造には大きな違いがあります。

要約すると、データは、ケース浸炭ベアリングが完全硬化バージョンよりも何倍も信頼性が高いことを示しました。 ケース浸炭ベアリングには、貫通硬化ベアリングには存在しなかった有益な残留圧縮応力が表面下にありました。

圧縮残留応力は亀裂を閉じた状態に保ち、そもそも亀裂が発生するのを防ぎます。

圧縮残留応力は亀裂を閉じた状態に保つように作用し、そもそも亀裂が形成されるのを防ぎます。 亀裂が発生した場合、圧縮残留応力によって亀裂の進行が妨げられるか、亀裂の進行が遅延されます。

浸炭処理した軸受には 25% を超える大量の残留オーステナイトが含まれているのに対し、貫通硬化軸受にはほとんど残留オーステナイトが含まれていないことがわかりました。 残留オーステナイトはマルテンサイトよりも少し柔らかいですが、破壊靱性が高く、ある程度の疲労耐性も備えています。

主なベアリングの研究

前と同様に、C と D と呼ぶ 2 つのベアリング ベンダーがあります。ここでも、両社のベアリングは寸法的に類似していました。 以前と同様に、ID と OD は同じで、ローラーの数も同じです。 この場合、両方のベアリングに浸炭処理を施しました。 その他の類似点には、熱処理プロセスが含まれます。 大きな違いは冶金にありました。

故障の原因はベアリングの内輪にありました。 この場合、ベアリングの内輪に重大なマクロピッチングまたは剥離が発生します。

ベンダー C ベアリングを備えたギアボックスにはまったく故障がありませんでした。 ただし、ベンダー D ベアリングを使用したギアボックスは、故障率が 16% で、平均故障時間は 26,690 時間でした。

破損形態の詳細がさらに明らかになりました。 添付の画像はベアリングの内輪を示しています。 また。 故障の原因はベアリングの内輪にありました。 この場合、ベアリングの内輪に重大なマクロピッチング、またはベアリング関係者がよく言うような破砕が発生します。 ベアリングのサブセクションの断面を見ると、この亀裂破壊モードに関連する構造である不規則な白いエッチング領域が明らかになります。

2 つのベアリングの残留応力は同様の残留応力プロファイルを示し、やはりベアリングの表面には高い圧縮残留応力があります。 それは研磨の結果です。 ベアリングの深さを調べると、どちらもかなりの圧縮残留応力があることがわかります。 しかし、約 1 ミリメートルを下回ると、圧縮残留応力の大きさが変化します。

亀裂が発生する位置は深さ 1 ミリメートル未満です。 圧縮残留応力に関しては、軸受は比較的同等でした。 したがって、それが信頼性の違いの原因ではありませんでした。

次に残留オーステナイトのレベルを調べたところ、顕著な違いが見られました。 ベンダー C のベアリングには故障はありませんでしたが、表面に 20% の残留オーステナイトがあり、表面下の約 25% まで増加していました。 もう一方の軸受もケース浸炭されており、表面に約 12% の残留オーステナイトがあり、最大約 17% まで増加しました。

要約すると、両方のメインベアリングは浸炭処理されていますが、冶金学的特性が異なります。 残留応力分布はそれぞれ同様であった。 しかし、より信頼性の高いベアリングであるベンダー C のベアリングには故障はなく、残留オーステナイトのレベルが 25% を超えるかなり高レベルでした。 ベンダー D のベアリングの故障率は 16% でした。 提示されているデータは、分析的な予測やベンチトップ テストではなく、風力タービンのギアボックスなど、実際の現場での経験に基づいていることを認識することが重要です。

データは、浸炭処理を施したベアリングが、完全硬化ベアリングよりも実際の亀裂破壊に対してより耐性があることを示しました。 繰り返しますが、実際の亀裂故障モードは、風力タービンのギアボックス故障の主な原因です。 ケース浸炭ベアリングは圧縮残留応力の存在により疲労耐性が向上するという利点があることが分かりました。 繰り返しますが、圧縮応力は亀裂を閉じたままにする傾向があります。 さらに、亀裂の成長やそもそもの進展を防ぎます。

また、残留オーステナイトのレベルが 25% を超えると、これらの破損に対する保護が提供されるようであることもわかりました。 また、すべての浸炭プロセスで同じ冶金学的特性が得られるわけではないこともわかりました。 メインベアリングの場合、どちらもケース浸炭処理されていますが、信頼性の割合は大きく異なります。 また、2 つのベアリング間の残留オーステナイトのレベルには大きな違いがあります。

熱処理プロセスの違いは、ベアリングの信頼性に大きな影響を与える可能性があります。 あらゆる点でほぼ同一の 2 つのベアリングでは、熱処理プロセスの詳細がベアリングの信頼性に大きな影響を与える可能性があります。

ケース浸炭と貫通焼き入れの比較

ここでは、ケース浸炭ベアリングと完全硬化ベアリングの違いについてさらに詳しく説明します。 他にも熱処理方法はありますが、ここで重要なのは浸炭処理と貫通焼き入れです。

これら 2 つの熱処理の違いをイメージするために、キャンディーの簡単な例えを考えてみましょう。 ケース浸炭ベアリングは、硬い殻を持つチョコレートでコーティングされたキャンディーと考えてください。 衝撃を受けると折れる可能性がありますが、完全に折れるわけではありません。 ハードシェルとソフトコアにより衝撃を吸収します。

完全硬化ベアリングは従来のハードキャンディーのようなものです。 脆いんです。 衝撃が加わると完全に壊れてしまいます。 これは完璧な例えではありませんが、始めるには良い方法です。 それは実際にここではどのように適用されるのでしょうか？

完全硬化ベアリングを製造するプロセスは、52100 などの高炭素鋼から始まり、バリエーションはありますが、基本的に 2 つのステップを要します。

ケースを浸炭処理すると、外側は硬いケースになりますが、中心部は比較的柔らかくなります。 これにより、アプリケーションに対する衝撃や破片に対する耐性が得られます。 また、ホワイト エッチング領域の形成に対する耐性と、有用な圧縮残留応力も提供します。

一方、完全硬化ベアリングは、断面全体にわたって同じ硬度を持ちます。 これには、動作温度の上昇などの利点があり、これは一部のアプリケーションでは重要です。 また、完全硬化はプロセスが簡単なため、製造コストが低くなります。

完全硬化ベアリングを製造するプロセスは、52100 などの高炭素鋼から始まり、バリエーションはありますが、基本的に 2 つのステップを要します。 ステップ 1 ではベアリングを加熱して硬化し、その後に焼き入れを行います。 ステップ 2 は、材料を焼き戻す、より低い温度への二次加熱プロセスです。 グラフの Y 軸は温度の種類、最大約 800°C までの硬化プロセス、X 軸はプロセスにかかる時間を示しています。

ケース浸炭プロセスは 8620 などの低炭素鋼から始まり、3 つのステップで構成されます。 簡単に言うと、鋼の浸炭とは、1,000℃近くに加​​熱された雰囲気中に炭素を注入し、鋼を焼き入れすることです。 2 回目の加熱期間で材料が硬化し、その後 3 回目の加熱プロセスで材料が焼き戻されます。 全体的な浸炭処理は 3 回の個別の加熱を伴うはるかに長いプロセスです。

それでは、ケース浸炭の利点は何でしょうか?また、浸炭がアプリケーションに求められるのはなぜでしょうか? おそらく一番の理由は、浸炭により耐摩耗性が大幅に向上することです。 表面は摩耗に非常によく対応できます。 ケース浸炭ベアリングは、衝撃荷重だけでなく、通常の荷重による亀裂にも耐性があります。 材料には圧縮残留応力があり、亀裂の形成や伝播を防止、または少なくとも抑制します。 実際、状況の物理学が亀裂の成長と戦っています。

そうすれば、システム内の破片や汚染に対する耐性も大幅に高まります。これは、よく知られているように、風力タービンのギアボックスの場合に当てはまります。 たとえば、慣らし運転期間中および通常の運転中に発生した金属片が存在します。 ケース浸炭ベアリングは、汚染の影響に対する耐性がはるかに高くなります。

硬さ対深さのグラフは、Y 軸に硬さを示し、X 軸に硬化深さをミリメートル単位で示します。 一般的に言えば、貫通硬化ベアリングは全体的にかなり硬いものになります。 60 ロックウェルより少し北ではずっと同じ硬度になります。 一方、浸炭された材料は、表面では同じかそれに近い硬度を持ちますが、その後、かなり剥がれて、はるかに柔らかいコアになります。

浸炭処理と貫通硬化処理のグラフは、Y 軸に表面下の残留応力を示し、次に X 軸に表面下の深さを示します。 2 つのグラフを比較すると、浸炭処理したケースの残留圧縮残留応力がはるかに大きいことがわかります。 一方、貫通硬化されたものには引張応力がかかります。

それはベアリングの寿命にとって何を意味しますか? 図「厳しい条件における相対寿命」は、正規化された寿命を示しています。 このグラフは、長年にわたって無菌の実験室条件で実行された何千ものテストに基づいており、実際のパフォーマンスの違いをよく示しています。 左側は、薄い潤滑膜条件で動作するケース浸炭 (CC) 軸受と貫通硬化軸受 (TH) の正規化寿命を示しています。 つまり、接触面間に十分な距離がない状態です。 同等の硬化処理を施したベアリングの寿命は約 0.6 であり、寿命が大幅に低下します。

デブリを含む同様のフィルムの正規化データを見ると、結果はより重要になります。 このシナリオでは、浸炭ベアリング (1 に正規化) の寿命は、このような過酷な条件で 0.4 に低下する完全硬化ベアリングよりもはるかに長くなります。

熱処理の概要

高速中間ベアリングに関して業界で遭遇する一般的な問題が 3 つあります。 ホワイトエッチングのクラック、インクルージョン、および表面に発生したスミアリング。

高速および中間ベアリングの推奨事項

DLC：ダイヤモンドライクコーティング

鋼の清浄度は確かに介在物を除去するのに役立ち、白いエッチングを防ぐのに少し役立ちます。 ケースの浸炭処理はホワイトエッチングに効果を発揮します。 形成される亀裂の伝播を防ぐため、インクルージョンの除去にも役立ちます。

スミアリングについては、ここでは取り上げないコーティングに注目してください。 黒色酸化物または DLC は両方とも、表面から始まるスミアリングの滑りをより効果的に防ぎ、また、ホワイトエッチングの亀裂にも多少の効果をもたらします。

ギアボックス内の各位置に必要なベアリングの特性を説明しようとすると、ベアリングの選択はかなり複雑になります。 ベアリングは、さまざまなコーティング、さまざまな材料、さまざまな熱処理方法、およびさまざまなコストで入手できます。 すべてをすべてのポジションに投げ込むのは賢明ではありません。 目標は、耐用年数にわたって優れたパフォーマンスを発揮する経済的なギアボックスです。