Starvation in oscillating rolling element bearings

Abstract

Oszillierende Wälzlager sind Teil eines breiten Spektrums industrieller Anwendungen. Neben Anwendungen in denen Oszillationen als unerwünschte Vibrationen auftreten, sind sie in anderen Anwendungen funktionsrelevant. Besonders der Einsatz von Rotorblattlagern in Windenergieanlagen hat in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Durch neue Regelungskonzepte wie 'Individual Pitch Control' (IPC) sind die Lager einer hohen Anzahl von Oszillationen bei variierenden Betriebsparametern ausgesetzt. In kontinuierlich rotierender Anwendung ist der Einsatz von Wälzlagern tiefgehend erforscht, sodass diese in der Regel bei Schmierungsbedingungen betrieben werden können, unter denen ein frühzeitiger Ausfall aufgrund von Verschleiß unwahrscheinlich ist. In oszillierenden Lagern, insbesondere unter Fettschmierung, sind die Schmierungsmechanismen nur unzureichend verstanden, sodass frühzeitige Lagerschäden durch Mangelschmierung und daraus resultierende Verschleißerscheinungen wie 'False Brinelling' nicht vorhergesagt werden können. Die vorliegende Arbeit setzt an diesem Punkt an. Die Schmierungsmechanismen in oszillierenden Wälzkontakten werden anhand von Bauteilversuchen an Schrägkugellagern des Typs 7208 und Modellversuchen auf einem optischen EHL-Tribometer analysiert. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf dem Einfluss des Grundölrückflusses sowie der Wälzkörper-Käfig-Interaktion auf die Schmierstoffversorgung des Kontaktes. Auf Grundlage der identifizierten Schmierungsmechanismen wird ein Mangelschmierungsmodell entwickelt, das es erlaubt, anhand der Betriebs- und Schmierstoffparameter zu beurteilen, ob das Lager Gefahr läuft, frühzeitigt Schaden aufgrund von Mangelschmierung zu nehmen. Das Modell wird anhand von Bauteilversuchen validiert und diskutiert. Die Versuche werden im Frequenzbereich von f=0.2-5 Hz und kleinen Oszillationsswinkeln (2-60°) unter maximalen Kontaktpressungen von p_max=1.5-2.5 GPa durchgeführt. In der Regel sind die Oszillationswinkel klein genug, sodass die Wälzkörperteilung nicht überschritten wird, jedoch so groß, dass das Amplitudenverhältnis kleiner eins ist (x/2b>1). Kleinste Schwingungen, die zu Stillstandsmarkierungen führen könnten, werden nicht untersucht.

Oscillating rolling element bearings are part of a wide range of industrial applications. In addition to applications in which the oscillations occur as unwanted vibrations, in other applications they are used intentionally. One application that has gained particular importance in recent times is the use of rotor blade bearings in wind turbines. Newcontrol concepts such as individual pitch control (IPC) expose them to a high number of oscillations under varying operating parameters. Continuously rotating bearings are well understood in most cases and can usually be operated under lubrication conditions that avoid early bearing failure due to wear. In oscillating bearings, especially under grease lubrication, the lubrication mechanisms are insufficiently understood, so early bearing damage due to starvation and resulting wear phenomena such as false brinelling cannot be predicted. The present work addresses this point and investigates the lubrication mechanisms in oscillating rolling contacts by means of component tests on angular contact ball bearings of type 7208 and model tests on an optical EHL tribometer. The focus of these investigations is primarily on the influence of the base oil re-flow as well as on the influence of the rolling bearing cage on the lubricant supply to the oscillating contact. Based on the identified lubrication mechanisms, a starvation model is proposed, which allows to assess, based on the operating and lubricant parameters, whether the bearing is at risk of early damage due to starvation. This model is validated and discussed on the basis of component tests. These tests are executed in the frequency range of 𝑓 = 0.2 − 5 Hz and small oscillation angles (2−60◦) under contact pressures of 𝑝max = 1.5−2.5 GPa. In general, the oscillation angles are small enough that the rolling element pitch is not exceeded, but large enough that 𝑥 2𝑏 > 1 applies to the amplitude ratio. Smallest vibrations, which could lead to standstill marks, are therefore not examined.