De afgelopen jaren is er een trend geweest in de richting van een groter bewustzijn van mondiaal milieubehoud, en de verwachtingen voor de opwekking van windenergie als hernieuwbare energiebron nemen toe. Hoewel de windturbine is ontworpen voor twintig jaar gebruik, zijn er verschillende technologische trends om de efficiëntie van de energieopwekking te verbeteren, zoals grotere eenheden en offshore-implementatie. Als gevolg hiervan zijn de complexiteit en de kosten van het vervangen van onderdelen tijdens onderhoud een probleem geworden. Bijgevolg is een hoge-betrouwbaarheid vereist voor de lagers die in windturbines zijn geïnstalleerd1). De lagers van de hoofdas van de windturbine ondersteunen externe belastingen door windkrachten en het gewicht van de bladen en de aandrijflijn (Fig.1). Daarom zijn de tonlagers, die een hoger draagvermogen en een grotere tolerantie voor montagefouten hebben in vergelijking met andere lagertypen, gebruikt voor hoofdastoepassingen van windturbines. Er is echter bevestigd dat oppervlakteschade, zoals slijtage en afbladderen, de belangrijkste storingsoorzaak is bij tonlagers voor de hoofdas van windturbines. Daarom zijn tegenmaatregelen nodig om de uitvaltijd-die gepaard gaat met het vervangen van componenten te verminderen. Deze keer heeft NSK een hoog-betrouwbaar tonlager voor de hoofdas van een windturbine ontwikkeld en gelanceerd, dat een hoog draagvermogen en een uitstekende weerstand tegen oppervlakteschade biedt (Fig.2)1).

De lagers van de hoofdas van de windturbine moeten fluctuerende belastingen kunnen opvangen die worden veroorzaakt door de wind en het gewicht van de bladen en de aandrijflijn. Omdat er grote radiale en axiale belastingen worden uitgeoefend, is een zeer hoog draagvermogen vereist. Tegelijkertijd worden ze gebruikt bij zeer lage rotatiesnelheden van ongeveer 10 tot 20 minuten-1. Daarom wordt verwacht dat voldoende vorming van een oliefilm moeilijk te bereiken is in lagers voor de hoofdas van windturbines. Bovendien is een grote uitdaging bij het tonlager dat de inherente structuur het glijden tussen de rolelementen en de loopvlakken van de ring mogelijk maakt, wat kan leiden tot een snelle verslechtering van de oppervlakteprestaties veroorzaakt door metaal-op-metaal contact. Als gevolg hiervan is een groot probleem dat het oppervlak gevoelig is voor schade aan het oppervlak, zoals slijtage en afbladderen2).

Dit nieuw ontwikkelde product maakt gebruik van een kooi van het type ECA- met een speciale zakvorm waardoor er geen geleidingsring nodig is. Conventioneel waren de standaard tonlagers (CA-type, Fig.3) voorzien van geleidingsringen om de kooi te geleiden, de nieuw ontwikkelde tonlagers (ECA-type, Fig.4) hebben deze geleidingsringen niet. Dit elimineert het glijden tussen de geleidingsring en de kooi, waardoor de vorming van metalen slijtagedeeltjes wordt verminderd. Door de vorm van de kooi te optimaliseren zijn de kooipilaren bovendien dunner gemaakt, terwijl de sterkte van de kooi is verbeterd. Daarom is het interne ontwerp van het lager herzien, waarbij de afmetingen en het aantal rolelementen zijn vergroot, wat resulteert in een hoger draagvermogen en een lagere contactdruk1).

Het is bekend dat oppervlakteschade voortkomt uit inkepingen veroorzaakt door vreemde stoffen in omgevingen waar verontreinigingen zoals metalen slijtagedeeltjes worden gegenereerd. NSK ontwikkelde technologie om de spanningsconcentratie veroorzaakt door inkepingen wanneer vreemde stoffen aanwezig waren te verminderen door de hoeveelheid vastgehouden austeniet te optimaliseren. Bovendien werd op basis van deze technologie de unieke materiaal- en warmtebehandelingstechnologie van NSK (Super-TF™) ontwikkeld, die de totale hoeveelheid vastgehouden austeniet verhoogt en tegelijkertijd de oppervlaktehardheid verbetert door een geschikte hoeveelheid carbide-vormende elementen (chroom, molybdeen) aan staal toe te voegen en dit vervolgens aan een speciale warmtebehandeling te onderwerpen3). Door deze technologie toe te passen op de binnen- en buitenringen van dit nieuw ontwikkelde product, hebben ze een verbeterde slijtvastheid van de loopbaanoppervlakken bereikt in vergelijking met standaard-lager-stalen lagers.

De rolelementen zijn gecoat met een hoge-hardheid DLC (Diamond-zoals-Carbon) coating van enkele micrometers dik. In deze ontwikkelde productspecificatie zorgt een speciale gelaagde structuur voor zowel de hechting aan het basismateriaal als voor de hardheid van de coating, waardoor de duurzaamheid van de coating wordt verbeterd (Fig.6). De DLC-coating voorkomt oppervlakteverslechtering veroorzaakt door metaalcontact tussen de rolelementen en de loopbaanoppervlakken wanneer de vorming van een oliefilm onvoldoende is. Dit draagt ​​ook bij aan het verminderen van de toename van de tangentiële kracht tussen de rolelementen en het loopvlakoppervlak. Als gevolg hiervan wordt de oppervlakteslijtage van de loopbanen teruggebracht tot minder dan een-tiende vergeleken met standaard ongecoate producten.

NSK heeft het tonlager voor de hoofdas van windturbines ontwikkeld dat hoge-betrouwbaarheid en duurzaamheid biedt, zelfs bij lage rotatiesnelheden en hoge belasting. Dit werd bereikt door het ontwerp van de interne lagers te herzien met een nieuw kooitype en door materiaal-, warmtebehandeling- en coatingtechnologieën toe te passen. Een belangrijk kenmerk van dit nieuwe product is dat het ongeveer 1,3 maal de levensduur van de lagers bereikt dan conventionele standaardproducten, terwijl de slijtage tot minder dan een-tiende wordt verminderd. De verkoop van dit product begon in juni 2024 voor windturbines in Noord-Amerika. NSK zal onze activiteiten blijven uitbreiden, voornamelijk in de vervangingsmarkt, en bijdragen aan de stabiele werking van windturbines naarmate ze groter worden en offshore gaan.