Four-point contact slewing bearings for wind turbines: advances in structural modelling and friction torque calculation

Abstract

Los rodamientos de vuelco (slewing bearings en inglés) son elementos de máquina enfocados a aplicaciones de orientación. Estos componentes se emplean en máquinas de muy diferente naturaleza, como grúas, brazos robóticos, centros de mecanizado, tuneladoras, tomógrafos computarizados, radiotelescopios o seguidores solares. Además de en las máquinas mencionadas, los rodamientos de vuelco también cumplen un papel fundamental en los aerogeneradores. En este último caso, se requiere de cuatro rodamientos de este tipo: uno para la orientación de la góndola y tres para permitir el giro de las palas. La función del primero es la de encarar la turbina contra el viento, mientras que los otros tres sonresponsables del ángulo de paso de las palas, y por lo tanto de la energía a extraer del viento. Así pues, han de soportar cargas importantes y de distinta naturaleza debidas fundamentalmente al peso propio de los componentes, el empuje del viento y las fuerzas centrífugas.Los rodamientos de vuelco son, por lo tanto, elementos de grandes dimensiones que han de soportar combinaciones de cargas axiales y radiales junto con un importante momento de vuelco. Asimismo, su modo de trabajo implica rotaciones oscilatorias a bajas velocidades en torno a una posición, como contraste al giro continuo y de altas revoluciones común en los rodamientos convencionales. Debido a su naturaleza, son componentes cuya sección transversal tiene dimensiones muy inferiores a las dimensiones globales. Se trata por ende de un componente de gran esbeltez, donde la flexibilidad de los anillos adquiere una relevancia especial. Otra diferencia respecto a los rodamientos convencionales es que no van montados sobre un eje, sino que se ensamblan a las estructuras adyacentes mediante uniones atornilladas.Los aerogeneradores constituyen una fuente de energía limpia y renovable que viene experimentando un crecimiento constante durante los últimos años. Su presencia en el mix energético ha adquirido tal relevancia que, de acuerdo con los últimos informes de WindEurope, a finales de 2016 se alcanzó una capacidad total instalada de 153.7GW en Europa. Esto sitúa a la energía eólica como la segunda fuente de electricidad del continente, sólo por detrás del Gas Natural. La relevancia del sector eólico implica una gran demanda de rodamientos de vuelco, que se ve reflejada en la cantidad de multinacionales dedicadas a su manufactura, como la sueca SKF; las alemanas Rothe Erde, Schaefler, e IMO; las americanas Kaydon y Timken; la francesa Rollix; o la japonesa NSK. Este sector también está presente en el País Vasco, donde las empresas Iraundi S.A. y Laulagun Bearings S.L. tienen su sede principal. Dada la competencia en el sector y las condiciones de trabajo cada vez más exigentes a las que se ven sometidos los rodamientos de vuelco, debidas principalmente al aumento de las dimensiones de los aerogeneradores y a su emplazamiento en entornos hostiles, existe una demanda para el mejor conocimiento del comportamiento de estos.Existen normas enfocadas al diseño de rodamientos que ofrecen métodos y formulaciones simples para garantizar su integridad estructural frente a cargas estáticas y dinámicas. No obstante, estas normas están enfocadas a rodamientos convencionales, y no contemplan las particularidades de los rodamientos de vuelco, cuya geometría y condiciones de trabajo son notablemente diferentes. Para cubrir el hueco de estas normas, la NREL (National Renewable Energy Laboratory) publicó una guía de diseño enfocada a rodamientos de vuelco para aerogeneradores, que es ampliamente reconocida y utilizada por los fabricantes no sólo para aplicaciones eólicas. No obstante, esta guía no contempla aspectos tan relevantes como la flexibilidad de los anillos o la precarga. Asimismo, el par de fricción se plantea como una función lineal de las fuerzas aplicadas, formulación ampliamente utilizada pero que demuestra tener importantes limitaciones.Debido a la demanda de conocimiento en el área y las limitaciones previamente mencionadas, actualmente existe un gran interés por parte de los investigadores por avanzar en la capacidad predictiva del comportamiento de estos rodamientos, interés que se ve reflejado en la gran cantidad de publicaciones relacionadas. Estas publicaciones van más allá de la norma o la guía de diseño de la NREL y estudian aspectos como la influencia del templado por inducción en el fallo estático o desarrollan nuevos métodos para el cálculo a fatiga. No obstante, todavía existen importantes lagunas en la caracterización y simulación de los rodamientos de vuelco.Esta tesis se centra en los rodamientos de vuelco de cuatro puntos de contacto. Estos son rodamientos de bolas que, a diferencia de los rodamientos convencionales, contactan con cada anillo en dos puntos en lugar de en uno sólo. Este tipo de rodamientos es el más comúnmente utilizado por su versatilidad y bajo coste. A pesar de que los desarrollos presentados en este documento están enfocados a este tipo concreto de rodamientos, estos pueden ser adaptados o reproducidos para otros tipos como los de rodillos cruzados o los de dos hileras de bolas (o de 8 puntos de contacto), ampliamente utilizados estos últimos en los aerogeneradores de mayores dimensiones.En lo referente a los rodamientos de cuatro puntos de contacto, existen trabajos recientes que demuestranla relevancia que los errores de fabricación pueden tener en la distribución de carga. No obstante, dichos trabajos están basados en modelos de Elementos Finitos e introducen variaciones aleatorias en la geometría, de manera que no existe un planteamiento analítico para la simulación de estos errores ni una estimación real de su influencia. En esta tesis se plantea un modelo analítico para tal fin, que requiere como dato la geometría real del rodamiento. Además, se desarrolla un sencillo modelo paramétrico de Elementos Finitos para el cálculo de las matrices de rigidez de los anillos, que pueden ser implementadas de manera directa en el planteamiento analítico. Iraundi S.A. cedió un rodamiento y prestó sus instalaciones para medir las pistas mediante una máquina de medir por coordenadas. Utilizando estos datos, se demuestra que los errores de fabricación existentes en un rodamiento real pueden ser del mismo orden de magnitud que la propia precarga de las bolas, de manera que no considerarlos puede incurrir en resultados poco fiables o imprecisos.El par de fricción también es un parámetro indispensable, dado que su valor es necesario para el dimensionamiento del sistema de actuación correspondiente. A este respecto, existen formulaciones más precisas que las planteadas por la NREL. No obstante, los modelos más avanzados para rodamientos de cuatro puntos de contacto consideran que existe deslizamiento puro entre la bola y la pista. En esta tesis, se presentan diferentes modelos de Elementos Finitos para la caracterización del contacto cuando el rodamiento está girando, así como el cálculo del par de fricción. Estos modelos demuestran que, para condiciones de funcionamiento normales, existen importantes regiones en adhesión en la elipse de contacto, lo que conlleva tensiones tangenciales menores que las predichas por los modelos analíticos existentes en dichas regiones, lo cual puede afectar al par de fricción. Dichos modelos son también utilizados junto con el modelo analítico previamente mencionado para realizar una serie de simulaciones de las que se concluye que tanto los errores de fabricación como la flexibilidad de los anillos afectan de manera importante al par en vacío. Adicionalmente, se demuestra que la influencia del número de bolas en el par en vacío es logarítmica.Con el fin de incluir el efecto de las regiones en adhesión en un planteamiento analítico y poder eludir así las costosas simulaciones de Elementos Finitos, se desarrolla un nuevo modelo. Dicho modelo parte del planteamiento cinemático de los modelos que asumen deslizamiento puro, pero implementa una formulación más compleja para la caracterización del problema tangencial. Tras identificar los factores que influyen en la extensión de la región en adhesión, se realizan simulaciones para diferentes casos bajo cargas típicas de funcionamiento mediante el modelo analítico propuesto, el modelo que asume deslizamiento puro y modelos de Elementos Finitos de diferente precisión. Como resultado, se concluye que el nuevo modelo es capaz de determinar qué zonas de la elipse de contacto están en adhesión, lo que demuestra influir de manera importante en el mapa de tensiones, mientras que el par de fricción a penas se ve afectado. En comparación con el modelo de Elementos Finitos, el planteamiento analítico muestra una serie de ventajas, como el ínfimo coste computacional o la menor dependencia de la discretización. A pesar de la limitada ventaja que aporta el nuevo planteamiento respecto al cálculo del par de fricción, una precisa estimación del campo de tensiones en la huella puede ayudar a desarrollar procedimientos de cálculo enfocados a la fatiga o relacionados con modos de desgaste típicos que actualmente carecen de un método adecuado para su predicción.Finalmente, se aborda el problema del cálculo de la rigidez del rodamiento. En este caso, las formulaciones analíticas existentes únicamente consideran las deformaciones locales del contacto bola-pista, suponiendo por lo tanto anillos infinitamente rígidos. Como ya se ha señalado anteriormente, esta hipótesis no es asumible en el caso de los rodamientos de vuelco debido a su esbeltez, que da lugar a grandes deformaciones en los anillos. La implementación de la flexibilidad de estos últimos en los procedimientos existentes conlleva siempre, de un modo u otro, costosas simulaciones de Elementos Finitos. En esta tesis, y por medio también de un preciso modelo de Elementos Finitos, se realizan una serie de simulaciones considerando diferentes valores de las variables principales que definen el rodamiento. Como resultado, se obtiene una formulación ingenieril que permite calcular las curvas de rigidez axial, radial y de frente al momento de vuelco, formulación que permite un cálculo directo y rápido prescindiendo de simulaciones de Elementos Finitos. Se demuestra que esta nueva formulaciónreproduce de manera adecuada los efectos no sólo de las variables principales, sino también de los parámetros de contacto.Adicionalmente, se presentan los resultados de unos ensayos preliminares realizados para la medición experimental del par de fricción. De la comparación de los resultados obtenidos con simulaciones realizadas mediante los modelos analíticos planteados en esta tesis, se concluye que existe una buena correlación para cargas altas, pero es necesario medir las pistas de los rodamientos ensayados para obtener conclusiones más sólidas para cargas bajas.Esta tesis deja la puerta abierta a futuros desarrollos. Así, aprovechándose de los bajos costes computacionales que ofrecen los nuevos modelos analíticos, pueden realizarse numerosas simulaciones que puedan permitir obtener una fórmula sencilla pero más completa y precisa que la planteada por la NREL para el cálculo del par de fricción. Asimismo, se puede ir más allá en el estudio del contacto, analizando las tensiones subsuperficiales existentes mientras el rodamiento gira y evaluar el efecto de la capa templada. Además, el procedimiento desarrollado para el cálculo de la rigidez en rodamientos de cuatro puntos de contacto puede replicarse para otros tipos de rodamiento de vuelco. Igualmente, se pueden realizar simulaciones adicionales mediante Elementos Finitos de uniones reales de pala-buje o torre-góndola para evaluar las ventajas y limitaciones de sustituir los rodamientos de vuelco por matrices de rigidez calculadas mediante la formulación simplificada propuesta. Finalmente, queda realizar más ensayos experimentales con diferentes precargas y grasas para una validación definitiva de los modelos. Del mismo modo, falta por comprobar la relevancia de otros fenómenos como la viscosidad de la grasa, la interacción entre bolas o entre bolas y espaciadores, o la contribución de los retenes al par de fricción.