antriebstechnik 1-2/2020

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FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG NEUE RICHTLINIE ZUR BESTIMMUNG DER ZUVERLÄSSIGKEIT VON PLANETEN-/STIRNRADGETRIEBEN
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Dirk Strasser, Dirk Stemmjack In der Windkraftindustrie spielt die Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten eine große Rolle. Insbesondere bei Multi-Megawatt-Offshore-Anwendungen kann ein ungeplanter Austausch von Antriebsstrangkomponenten zu Kosten in Millionenhöhe führen. Entsprechend hoch ist die Erwartung der Anlagenbetreiber die Systemzuverlässigkeit zu prognostizieren. Unter Federführung des VDMA wurde im Oktober 2019 das VDMA-Einheitsblatt 23904 „Zuverlässigkeitsbewertung für Windgetriebe“ veröffentlicht. Bislang werden Windgetriebe gemäß der IEC 61400-4 ausgelegt. Diese schreibt für alle relevanten, lastführenden Komponenten im Getriebe Mindestsicherheiten vor, die für die verschiedenen Betriebs- und Extremlasten [3] zu erfüllen sind. Beispielsweise werden die Verzahnungen nach ISO 6336-3 und ISO 6336-2 mit Mindestsicherheiten für die Zahnfuß- und Flankentragfähigkeit, zudem die Fress- und Graufleckentragfähigkeit nach ISO/TS 6336-20 bzw. ISO/TS 6336-21 und ISO/TS 6336-22 ausgelegt. Die Wellen werden nach DIN 743 ausgelegt, Schraubverbindungen nach VDI 2230. Strukturkomponenten werden gemäß der FKM-Richtlinien „Dimensionierung von Maschinenbauteilen aus Stahl und Eisenguss“ und „Bruchmechanik“ (vgl. [4]) unter Vorgabe der Randbedingungen für die Berechnung ausgelegt. Allen Berechnungsmethoden ist gemein, dass sie auf einem Sicherheitskonzept be ruhen, sprich die zulässige Belastung wird mit der auftretenden Belastung in Form eines Sicherheits faktors bewertet. Das VDMA-Einheitsblatt 23904 liefert eine Methode zur Berechnung der Systemzuverlässigkeit von Getrieben in Windenergieanlagen, siehe Bild 01. Die Methode basiert im Wesentlichen auf den Grundlagen der statistischen Bestimmung von Ausfallwahrscheinlichkeiten nach Bertsche [5]. IDENTIFIKATION DER FUNKTIONALEN ELEMENTE UND SYSTEMELEMENTE Nicht für alle im Realbetrieb auftretende Versagensmechanismen sind theoretische Berechnungsansätze verfügbar. Die vorliegende Methode beschränkt sich auf Versagensmechanismen, für die eine Er müdungslebensdauer nach anerkannten Regeln der Technik beschreibbar ist. Es ist somit möglich, Einflussparameter auf die Zuverlässigkeit zu unter suchen und Getriebekonstruktionen miteinander zu vergleichen. Eine absolute Prognose der Systemzuverlässigkeit ist noch nicht möglich. Dafür sind zukünftig Berechnungsansätze für die bislang nicht berechenbaren Versagensmechanismen oder zugehörige statistische Verteilungen zu bestimmen. Die Methode identifiziert zunächst die funktionalen Elemente, die für die Bestimmung der System zuverlässigkeit relevant sind, siehe Bild 02. Typischerweise sind das die leistungsübertragenden Bauteile sowie tragende Strukturen. Im nächsten Schritt werden in Anlehnung an die Failure Mode Effekt Analysis (FMEA) die sogenannten Systemelemente bestimmt. Die Systemelemente beschreiben die Ausfallmechanismen der funktionalen Elemente. So kann 01 Systemzuverlässigkeit 02 Bestimmung der funktionalen Elemente (nach [1]) Scattering of Stress Load f (σ) Reliability with respect to Damage Mechanism Scattering of Strength Geomtry, Material and Manufacturing Process 4 5 POUT 1 2 σ Stress Strength Design of Designelement f (F) Load F PIN 1. HSS High-speed shaft 2. HS-IS High-speed Intermediate Shaft 3. LS-IS Low Speed Intermediate Shaft 4. PS Planet Shaft 5. LSS Low Speed Shaft PIN Power input POUT Power output 3 www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/1-2 41
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