El caso de los rodamientos carburizados de caja en turbinas eólicas

May 27, 2023

Por Paul Dvorak | 19 de diciembre de 2016

Rob Budny, Presidente, RBB Ingenieríaricardo brooks, gerente de posventa de energía eólica, Timken Co.

Nota del editor: este artículo se basa en un webcast presentado el 2 de noviembre y está disponible para reproducirlo aquí: https://goo.gl/KGglfR

Los ejemplos del mundo real de un análisis de dos cojinetes en cajas de engranajes de turbinas eólicas brindan información sobre por qué algunos cojinetes duran más que otros. Para los estudios de casos aquí, un OEM de turbinas eólicas construyó alrededor de 500 unidades de varios megavatios de un modelo en particular. Hace unos seis años, algunas de las 500 turbinas tenían menos de un año y algunas un poco más. El mayor, el líder de la flota, tenía seis años en el momento del estudio. La caja de cambios del modelo utilizaba cojinetes intermedios de dos proveedores. Los llamaremos proveedor A y proveedor B. También usaron rodamientos principales de dos proveedores, llámelos proveedor C y proveedor D.

El cojinete principal estaba integrado en la caja de cambios. De los cojinetes principales, la mitad provino del proveedor C y la otra mitad del proveedor D. Afortunadamente para el estudio, el resultado final involucró una gran población de más de 500 turbinas. La mitad de los cojinetes intermedios provenían de un solo proveedor.

Podría sorprender a algunos que la confiabilidad de los rodamientos resultó ser muy diferente. Hubo altas tasas de fallas en algunos de los cojinetes intermedios y en algunos de los cojinetes principales. Esas tasas de falla iniciaron un análisis de causa raíz: un RCA.

Los cojinetes intermedios

Los rodamientos intermedios eran NJ2334. Esa es una designación ISO y un rodamiento de catálogo estándar. En teoría, podría comprar ese rodamiento de casi cualquiera de los principales fabricantes. Los cojinetes del proveedor A y del proveedor B eran casi idénticos.

La tabla adjunta muestra algunos de los datos de diseño pertinentes de los dos rodamientos. Observe que los diámetros internos son los mismos y el diámetro exterior es el mismo. El número de rodillos es idéntico. El diámetro de los rodillos es el mismo, al igual que las longitudes de los rodillos. Entonces, en casi todos los aspectos, los rodamientos del proveedor A son idénticos a los rodamientos del proveedor B.

La única área en la que diferían era en su tratamiento térmico. Los cojinetes del proveedor A se cementaron mientras que los cojinetes del proveedor B se endurecieron completamente.

Sin embargo, las cajas de engranajes con cojinetes del proveedor A (carcasa carburada) experimentaron solo una falla. Esa tasa de fracaso fue mucho menos del 1%. Las cajas de engranajes con cojinetes del proveedor B (endurecidos) tenían una tasa de fallas del 16 % con un tiempo medio de falla de 27 200 horas. Como parte del RCA, queríamos profundizar y comprender las diferencias en los rodamientos que brindaban los beneficios de confiabilidad para los rodamientos del proveedor A.

La imagen de la derecha muestra una sección transversal del anillo del cojinete. Esto muestra lo que se llama un irWEA o un área de grabado blanco irregular. Esta es una estructura indicadora asociada con esta falla de grieta de grabado blanco.

Considere esta morfología de falla o cómo se veía la falla. En el caso de los rodamientos intermedios, la fisura como la de la imagen adjunta, que ha sido tan generalizada. Esta es la única causa principal de falla de la caja de engranajes de la turbina eólica, este modo de falla de grieta axial. Casi siempre es visible (a la izquierda) al desmontarlo.

La imagen de la derecha muestra una sección transversal del anillo del cojinete. Esto muestra lo que se llama un irWEA o un área de grabado blanco irregular. Esta es una estructura indicadora asociada con esta falla de grieta de grabado blanco.

También examinamos la tensión residual presente en cada uno. La curva oscura en la diapositiva muestra la tensión residual en el anillo del cojinete del cojinete cementado mientras que la línea punteada muestra la tensión residual en la muerte del anillo del cojinete para el cojinete endurecido. En la superficie del anillo, ambos rodamientos tenían un esfuerzo residual de compresión. Eso es un artefacto del proceso de esmerilado, pero mire justo debajo de la superficie y el análisis muestra que el cojinete carburizado de la caja tiene una tensión residual de compresión relativamente grande. Ese estrés actúa para mantener cerradas las grietas y proporciona un beneficio de confiabilidad.

Sin embargo, el rodamiento completamente endurecido tenía poca o ninguna tensión residual de compresión excepto en la superficie. Esa fue una de las diferencias significativas que encontramos entre los dos rodamientos. Otro atributo que analizamos fue el nivel de austenita retenida. Los rodamientos no tienen una sola microestructura, son diferentes, principalmente en términos de martensita y austenita.

En el caso del cojinete intermedio del fabricante A, un gráfico adjunto, Esfuerzo residual del cojinete intermedio, muestra el porcentaje de austenita retenida desde la superficie hacia el material del cojinete. Puede ver que hay altos niveles de austenita retenida, más del 30 % en la superficie y cayendo a alrededor del 25 % a un milímetro en la superficie. Sin embargo, el cojinete endurecido por completo no tenía esencialmente austenita retenida. Hay una gran diferencia en la microestructura entre los dos rodamientos.

Para resumir, los datos mostraron que los rodamientos cementados eran muchas veces más confiables que las versiones completamente endurecidas. Los cojinetes cementados tenían una tensión de compresión residual beneficiosa en el subsuelo que no tenían los cojinetes endurecidos.

El esfuerzo residual de compresión funciona para mantener las grietas cerradas e inhibe la formación de grietas en primer lugar.

El esfuerzo residual de compresión actúa para mantener las grietas cerradas e inhibe la formación de grietas en primer lugar. Si se desarrollan grietas, la tensión residual de compresión les impide progresar o retrasará su progresión.

Descubrimos que los cojinetes cementados tenían una cantidad significativa de austenita retenida, superior al 25 %, mientras que los cojinetes cementados tenían casi nada. La austenita retenida es un poco más blanda que la martensita, pero también proporciona una mayor tenacidad a la fractura y proporciona cierta resistencia a la fatiga.

El estudio del cojinete principal

Como antes, hay dos proveedores de rodamientos a los que llamaremos C y D. Una vez más, sus rodamientos eran dimensionalmente similares. Como antes, ID y OD idénticos y el mismo número de rodillos. En este caso, ambos rodamientos fueron cementados. Otras similitudes incluyeron el proceso de tratamiento térmico. Las diferencias significativas estaban en la metalurgia.

Fallas originadas en el aro interior del rodamiento. En este caso, aparece macropitting grave o espalación en el aro interior del rodamiento.

La caja de cambios con cojinetes del proveedor C no tuvo absolutamente ninguna falla. Sin embargo, las cajas de engranajes con rodamientos del proveedor D sufrieron una tasa de fallas del 16 % con un tiempo medio de falla de 26 690 horas.

Los detalles de la morfología de la falla revelaron más. Una imagen adjunta muestra el anillo interior del rodamiento. De nuevo. las fallas se originaron en el aro interior del rodamiento. En este caso, en el aro interior del rodamiento aparece un macropitting severo, o espalación, como le gusta decir a la gente de los rodamientos. Una sección transversal a través de la subsección del cojinete revela el área irregular de grabado blanco, una estructura asociada con este modo de falla por agrietamiento.

La tensión residual de los dos cojinetes mostró un perfil de tensión residual similar y nuevamente, la superficie del cojinete tiene una tensión residual de compresión alta. Eso es el resultado de la molienda. Adentrarse en la profundidad del rodamiento muestra que ambos tienen tensiones residuales de compresión significativas. Pero una vez por debajo de un milímetro, la magnitud de la tensión residual de compresión cambia.

La ubicación en la que comenzarían las grietas tiene menos de un milímetro de profundidad. Los cojinetes eran relativamente equivalentes en términos de tensión residual de compresión. Entonces eso no fue responsable de la diferencia en confiabilidad.

Luego, observamos los niveles de austenita retenida y encontramos una marcada diferencia. El cojinete del proveedor C, que no tuvo fallas, tenía un 20 % de austenita retenida en la superficie, aumentando hasta aproximadamente un 25 % por debajo de la superficie. El otro rodamiento, también cementado, tenía aproximadamente un 12 % de austenita retenida en la superficie, aumentando hasta un máximo de un 17 %.

Para resumir, ambos cojinetes principales fueron cementados, pero tenían diferentes propiedades metalúrgicas. La distribución de esfuerzos residuales fue similar en cada uno. Sin embargo, el cojinete del proveedor C, el cojinete más confiable, no tuvo fallas y niveles considerablemente más altos de austenita retenida, superiores al 25%. Los cojinetes del proveedor D tuvieron una tasa de fallas del 16 %. Es importante reconocer que los datos presentados provienen de la experiencia de campo real, de cajas de engranajes de turbinas eólicas, no de predicciones analíticas ni de pruebas de laboratorio.

Los datos mostraron que los cojinetes cementados eran más resistentes a las fallas reales por grietas que los cojinetes templados. Nuevamente, el modo real de falla por grietas es la causa principal de fallas en las cajas de engranajes de las turbinas eólicas. Vimos que los cojinetes carburizados Case se benefician de la presencia de una tensión residual de compresión que proporciona una mayor resistencia a la fatiga. Nuevamente, el esfuerzo de compresión tiende a mantener cerradas las grietas. Además, evita que las grietas crezcan y se desarrollen en primer lugar.

También vimos que los niveles más altos de austenita retenida, superiores al 25%, parecen brindar protección contra estas fallas. También vimos que no todos los procesos de cementación de cajas brindan las mismas propiedades metalúrgicas. En el caso de los cojinetes principales, ambos estaban cementados pero tenían índices de confiabilidad significativamente diferentes. Además, existen diferencias significativas en los niveles de austenita retenida entre los dos rodamientos.

Las diferencias en el proceso de tratamiento térmico pueden tener un gran efecto en la confiabilidad del rodamiento. Dos rodamientos que son casi idénticos en todos los aspectos, los detalles del proceso de tratamiento térmico pueden tener un gran impacto en la confiabilidad de los rodamientos.

Caja cementada versus endurecida

Aquí presentamos algunos detalles más sobre las diferencias entre los rodamientos cementados y endurecidos. Existen otros métodos de tratamiento térmico, pero los más importantes para esta discusión son la cementación superficial y el endurecimiento completo.

Considere una analogía simple de dulces para visualizar las diferencias en estos dos tratamientos térmicos. Piense en los cojinetes carburizados de la caja como un caramelo recubierto de chocolate con una cubierta dura. Si recibe un golpe, puede fracturarse, pero no del todo. Una carcasa dura y un núcleo blando le permiten absorber los impactos.

Un cojinete completamente endurecido es como un caramelo duro tradicional. es quebradizo Si recibe un impacto, se romperá por completo. No es una analogía perfecta, pero es una buena forma de empezar. ¿Cómo se aplica eso realmente aquí?

El proceso para fabricar un rodamiento completamente endurecido comienza con un acero con alto contenido de carbono, como el 52100, y básicamente consta de dos pasos, aunque existen variaciones.

La carcasa carburada proporciona una carcasa dura en el exterior pero deja el núcleo relativamente más blando. Esto brinda los beneficios de la resistencia a golpes y escombros a la aplicación. También proporciona resistencia a la formación de áreas de grabado blanco y las tensiones residuales de compresión útiles.

Por el contrario, el rodamiento templado tendrá la misma dureza en toda su sección transversal. Eso tiene sus beneficios, como temperaturas de funcionamiento más altas, lo cual es importante en algunas aplicaciones. El endurecimiento completo también es un proceso más simple y, por lo tanto, da como resultado un menor costo de fabricación.

El proceso para fabricar rodamientos completamente endurecidos comienza con un acero con alto contenido de carbono, como el 52100, y básicamente consta de dos pasos, aunque existen variaciones. El primer paso calienta el rodamiento para endurecerlo, seguido de un enfriamiento rápido. El segundo paso es un proceso de calentamiento secundario a una temperatura más baja que templa el material. Puede ver el tipo de temperatura en el eje Y del gráfico, el proceso de endurecimiento completo, hasta aproximadamente 800 ° C y el tiempo en el eje X, el tiempo que lleva realizar el proceso.

El proceso de cementación comienza con un acero con bajo contenido de carbono, como el 8620, y consta de tres pasos. En pocas palabras, carburar el acero inyecta carbono en la atmósfera calentada que está cerca de los 1.000 ºC y luego templar el acero. Un segundo período de calentamiento endurecerá el material y luego un tercer proceso de calentamiento lo templará. En general, la cementación es un proceso mucho más largo con tres calentamientos separados.

Entonces, ¿cuáles son los beneficios de la cementación de carcasas y por qué se necesitan en una aplicación? Probablemente el número uno: la carburación brinda una resistencia al desgaste mucho mejor. La superficie es capaz de manejar el desgaste mucho mejor. Un rodamiento de caja carburada será resistente a las grietas solo por las cargas convencionales, así como por las cargas de choque. El material tendrá tensiones residuales de compresión que evitarán o al menos inhibirán la formación de grietas o su propagación. La física de la situación en realidad lucha contra el crecimiento de esas grietas.

Entonces también va a ser mucho más resistente a los desechos y la contaminación en el sistema, que como sabemos lo suficiente es el caso de las cajas de engranajes de turbinas eólicas. Por ejemplo, habrá piezas de metal del período de rodaje y solo del funcionamiento normal. Un rodamiento de caja carburizado será mucho más resistente a los efectos de la contaminación.

El gráfico, Dureza versus profundidad, muestra la dureza en el eje Y y la profundidad de la caja en milímetros en el eje X. En términos generales, un rodamiento completamente endurecido será bastante duro en toda su extensión. Tendrá la misma dureza un poco al norte de 60 Rockwell hasta el final. Mientras que, a través del material carburado, tendrá la misma dureza o cerca de ella en la superficie, pero luego se caerá un poco y tendrá un núcleo mucho más suave.

El gráfico, cementado versus endurecido, muestra las tensiones residuales debajo de la superficie en el eje Y y luego la profundidad debajo de la superficie en el eje X. La comparación de los dos gráficos muestra que el caso cementado tiene tensiones residuales de compresión residuales mucho mayores. Mientras que el endurecido tiene tensiones de tracción.

¿Qué significa eso para dar vida? La ilustración, Vida relativa en condiciones difíciles, muestra una vida normalizada. El gráfico, basado en miles de pruebas realizadas en condiciones estériles de laboratorio durante muchos años, ofrece una buena idea de las diferencias de rendimiento reales. El lado izquierdo muestra la vida normal de un rodamiento de caja carburizada (CC) y un rodamiento endurecido (TH) que funcionan en condiciones de película lubricante delgada. Es decir, condiciones sin suficiente separación entre las superficies en contacto. El cojinete templado equivalente tiene una vida útil de aproximadamente 0,6, lo que representa una disminución significativa de la vida útil.

Los resultados son más significativos cuando observa los datos normalizados para una película similar con residuos. En este escenario, el cojinete carburizado de la caja, normalizado a uno, tiene una vida útil mucho mayor que un cojinete completamente endurecido que cae a 0,4 en estas duras condiciones.

Resumen de tratamientos térmicos

Hay tres problemas comunes que encontramos en la industria de los rodamientos intermedios de alta velocidad. Grietas por grabado blanco, inclusiones y manchas generadas en la superficie.

Recomendaciones de rodamientos intermedios y de alta velocidad

DLC: recubrimiento similar al diamante

La limpieza del acero ciertamente ayuda a eliminar las inclusiones y ayuda un poco a resistir el grabado blanco. El tratamiento de cementación de la caja ayudará con el grabado blanco. También ayudará con las inclusiones porque resistirá la propagación de cualquier grieta que se forme.

Para manchas, mire hacia los recubrimientos que no tienen un tema aquí. El óxido negro o el DLC ayudan más con el deslizamiento de manchas iniciado en la superficie, y también un poco con algún beneficio para el agrietamiento por grabado blanco.

La selección de un rodamiento se vuelve bastante complicada cuando se trata de describir las propiedades del rodamiento necesarias para cada posición dentro de una caja de engranajes. Los rodamientos están disponibles con diferentes recubrimientos, diferentes materiales, diferentes métodos de tratamiento térmico y diferentes costos. Sería imprudente arrojar todo en cada posición. El objetivo es una caja de cambios económica que aún brinde un excelente rendimiento durante su vida útil.