Инженерные компетенции

Программа испытаний ускоряет разработку подшипников

По мере увеличения выработки электроэнергии морскими ветряными турбинами повышаются требования к подшипникам главных валов. Поэтому, чтобы обеспечить требуемый срок службы, крайне важно провести обширные испытания этих подшипников до их установки на турбинах.

Related Articles

В июле 2019 года на испытательном стенде для подшипников главных валов компания SKF преодолела важный рубеж, «разогнав» подшипник качения SKF Nautilus до 30 об/мин. Столь высокие частоты вращения могут сократить как длительность, так и стоимость ресурсных испытаний.

Испытания проводились в передовом промышленном Испытательном центре им. Свена Вингквиста (SWTC) в Швайнфурте, Германия. Этот отмеченный наградами центр был специально создан для проведения испытаний крупногабаритных подшипников и обеспечения их соответствия отраслевым требованиям.

Мощный испытательный стенд

Испытательные стенды центра SWTC предназначены для воспроизведения в течение нескольких недель любых нагрузок, которым подшипник может подвергаться в полевых условиях в течение многих лет. Эта ускоренная программа испытаний экономит время, деньги и энергию.

Испытательный центр им. Свена Вингквиста в Швайнфурте, Германия, был отмечен наградой в категории промышленных объектов на Международной архитектурной премии.

Испытательный центр SWTC, помимо прочего, располагает самым мощным в мире испытательным стендом для крупногабаритных подшипников главных валов с возможностью испытания одиночных подшипников с наружным диаметром до шести метров, а также подшипников в сборе и сопряжённых деталей. Стефан Энгберс, специалист по разработке продукции в Экспертном центре разработки и применения главных валов ветровых турбин, поясняет: «Испытательный стенд для подшипников главных валов позволяет нам создавать реалистичные ветровые нагрузки, которым подвергаются турбины в полевых условиях, с очень высокими динамическими изменениями. Мы можем исследовать динамику подшипников в нормальных и экстремальных условиях эксплуатации, таких как шторм, отказ турбины, землетрясения и т. д.»

Режим испытаний

До появления испытательного стенда для подшипников главных валов возможности проведения испытаний были ограничены из-за отсутствия подходящих испытательных стендов для крупногабаритных подшипников, а также из-за трудностей, связанных с испытаниями таких огромных компонентов. Испытательный стенд для подшипников главных валов позволяет проводить различные испытания, которые могут длиться минуты, недели или месяцы. На нём можно измерять следующие параметры: температура во множестве точек, начальная нагрузка, частота вращения, крутящий момент испытательного стенда, момент трения подшипника, вибрации подшипника и испытательной установки, кинематика роликов, а также деформации конструкции испытательного стенда.

Стефан Энгберс, специалист по разработке продукции SKF

Благодаря интеллектуальным датчикам, разработанным SKF, можно заглянуть непосредственно внутрь подшипника. «Мы можем измерить нагрузку на ролики и, таким образом, оценить нагруженную зону подшипника, — говорит Энгберс. — Кроме того, мы можем определить, насколько быстро вращаются ролики, проскальзывают ли они, и многое другое. Мы можем сравнить результаты этих измерений с результатами, полученными при помощи средств моделирования SKF, — продолжает он, — и мы видим очень хорошую корреляцию между этими результатами, что позволяет развивать возможности SKF в области испытаний и моделирования».

На Испытательном стенде для подшипников главных валов испытываемый подшипник был разогнан до 30 об/мин. Это важный рубеж и в настоящее время — предельное значение для испытательного стенда. Более высокие частоты вращения напрямую увеличивают количество перекатываний в подшипнике, что помогает выполнить требования ресурсных испытаний за гораздо более короткое время и, в свою очередь, влияет на стоимость и продолжительность испытаний. Возможность развивать предельную частоту вращения критически важна для деталей подшипника (например, сегментов сепаратора). Из-за более высокой частоты вращения значительно увеличиваются силы, действующие на детали, Эти силы вызваны инерцией и воздействием роликов на борта и сепараторы. Комплект роликов, который вращается примерно в два раза медленнее подшипника, весит 1,6 тонны — как автомобиль среднего размера. Для ускорения от 0 до 30 об/мин испытательный стенд для подшипников главных валов способен развивать мощность 880 кВт. Для информации: примерный диапазон частоты вращения роторов крупногабаритных ветряных турбин составляет от 5 до 20 об/мин. Более высокие частоты вращения позволяют сократить время испытаний и проводить испытания в экстремальных условиях.

Испытательный стенд для подшипников главных валов в Испытательном центре им. Свена Вингквиста — самый мощный испытательный стенд для крупногабаритных подшипников. Он позволяет испытывать отдельные подшипники с наружным диаметром до шести метров.

«Знания, полученные в ходе этих серий испытаний, закладывают прочную основу для разработки будущих изделий и областей применения, что позволит SKF сохранить лидирующие позиции в своём классе в отношении продукции и в самой отрасли», — комментирует Юрген Райхерт, куратор и менеджер проекта, специалист Экспертного центра разработки и применения главных валов ветровых турбин. «Испытания главных валов повлияют на отрасль благодаря сокращению времени от разработки до запуска в серийное производство, повышению надёжности продукции и снижению затрат и рисков», — добавляет руководитель Испытательного центра SWTC Томас Зика.

Текущая серия испытаний будет завершена к концу 2020 года, а затем планируется начало испытаний следующего подшипника с другой внутренней геометрией. Для оптимального использования Испытательного стенда для подшипников главных валов сейчас разрабатываются серии испытаний на 2021 и последующие годы.

Путь в будущее

На данный момент испытания позволили сопоставить собранные данные испытаний в различных смоделированных условиях эксплуатации.

«Результаты сбора данных нас очень порадовали, — говорит Энгберс. — Мы возлагаем большие надежды на предстоящие серии испытаний. Испытания в таких предельных условиях крайне важны для разработки надёжных турбин, особенно с учётом того, что в будущем класс мощности ветряных турбин превысит 15 МВт».

Подготовка к испытаниям подшипника качения SKF Nautilus

Испытания подшипника Nautilus будут продолжены с применением высоких динамических нагрузок, реальных ветровых нагрузок и нагрузок для ресурсных испытаний, а цикл испытаний будет продолжаться непрерывно в течение нескольких недель.

В дополнение к испытаниям подшипника Nautilus в Испытательном центре SWTC, который оснащён четырьмя испытательными стендами, будут испытаны подшипники и других типов. В частности — крупногабаритные многорядные цилиндрические роликоподшипники, однорядные конические роликоподшипники, сферические роликоподшипники, тороидальные роликоподшипники CARB и другие типы подшипников.

Подшипники SKF Nautilus

SKF Nautilus — это гигант в мире подшипников с наружным диаметром до 4 метров и весом до 14 тонн. Он используется в качестве подшипника главного вала для морских ветряных турбин мощностью 8 МВт. Являясь подшипником главного вала, он удерживает массу ротора и лопастей, а также воспринимает ветровые нагрузки, действующие на ротор.

SKF Nautilus — это двухрядный конический роликоподшипник. Такие подшипники устанавливаются по O-образной схеме. Он заменяет собой два одиночных подшипника, что позволяет сделать всю трансмиссию более компактной. Кроме того, для специальных подшипниковых узлов подшипник SKF Nautilus может быть интегрирован в редуктор, хотя при этом всё равно он остаётся подшипником главного вала.

Ожидается, что срок службы подшипников SKF Nautilus составит более 20 лет, поэтому чрезвычайно важна возможность проведения их тщательных испытаний.