Investigations into the behavior of grease flow in large size bearings using fluorescence imaging

Around the world energy generated by the wind is continuously con- verted in electricity. Megawatts are initially conveyed through shafts supported by bearings; encountering a first energy dissipation step. The trend towards larger size wind turbines requires an optimization of the components for a continuous improvement of reliability and per- formances, which both assume a particular importance for rotating components of difficult access. Main shaft wind bearings are grease lubricated, their status and life depends by lubricant condition and distribution; the understanding of grease flow behavior thus assumes a great significance and its achievement could lead to important design and working parameters improvements. While other bearing aspects have been deeply studied in the past, grease flow during rotation is difficult to observe, due to the lack of a targeted developed technology and the difficulty of accessing a spinning bearing. The scope of this thesis is the investigation of grease flow and conduct in large size bear- ings. This required the use of a new technology based on fluorescence imaging. Being a new research field the project demanded design of components and setup arrangement for data acquisition and technol- ogy upgrade, data analysis and hypothesis formulation. This lead to important results on how grease flows and on the ability of different cage reservoirs in participating to the lubrication. The whole research campaign took place at SKF research and tech- nology developement (RTD) in the Netherlands, located in the city of Houten; this thesis was thus the fruit of an eleven months intern- ship occurred in the Netherlands. The SKF project was lead by Dr. Mourad CHENNAOUI, Senior Researcher in SKF and external thesis supervisor and it was followed in Politecnico di Milano by the internal supervisor VERGANI and external supervisor Colombo.

Nel mondo l’energia eolica fornita dalla natura viene continuamente convertita in elettricitá, questa trasformazione richiede indispensabil- mente l’utilizzo di alberi rotanti supportati da cuscinetti. Il trend mondiale caratterizzante il settore eolico spinge per dimensioni sem- pre maggiori e richiede un’ottimizzazione dei componenti al fine di au- mentarne le prestazioni e l’affidabilitá; entrambe rivestono una grande importanza trattandosi di componenti situati in localitá e posizioni di difficile accesso. I cuscinetti degli alberi principali delle turbine eoliche, cosı́ come di applicazioni dove grande dimensioni e carichi si combi- nano, sono solitamente cuscinetti sferici a rulli (SRB) lubricati con grasso. La condizione del cuscinetto e la sua vita dipendono quindi dallo stato del grasso e da come questo si distribuisce efficacemento all’interno del cuscinetto. L’acquisizione di una buona consocenza sul comportamento distributivo del grasso all’interno del cuscinetto as- sume quindi una grande importanza, il suo raggiungimento potrebbe portare ad importanti sviluppi sia nel design dei componenti che nei parametri riguardanti la lubrificazione (p.e. tipo di grasso, quantitá, re-lubrificazione etc.). Alcuni aspetti riguardanti i cuscinetti sono stati ampiamenti studiati nel passato, tuttavia un’attenta osservazione del comportamento del grasso durante la rotazione non é mai avvenuta, tantomeno per cuscinetti di grandi dimensioni. Questa mancanza é dovuta all’assenza di una tecnologia sviluppata per tale adempimento, ed alle difficoltá incontrate nell’osservare oggetti rotanti, quale il cus- cinetto, in cui l’obbiettivo di studio é un liquido non-Newtoniano come il grasso i cui comportammenti sono di difficile previsione. Lo scopo di questa tesi é proprio lo studio del comportamento distributivo del grasso in cuscinetti di grandi dimensioni. Lo studio si é avvalso di una nuova tecnologia sviluppata per tale scopo basata su immagini facenti uso di proprietá fluorescenti dell’oggetto investigato. Essendo un campo di ricerca perlopiú inesplorato il progetto ha richiesto la pro- gettazione di componenti volti a migliorare il set-up di acquisizione, lo sviluppo di nuovi metodi investigativi per l’ottenimento dei dati e un corretto post-processing di quest’ultimi. Lo studio ha portato a risul- tati importanti, le zone di grasso ritenuto dalla gabbia con maggiore attivitá lubrificante sono stati individuate, é stata raggiunta una mag- giore conspevolezza del processo di distribuzione e dell’influenza delle proprietá dei grassi su quest’ultimo. L’intero lavoro é un progetto interno al RTD (Research and Technol- ogy Development) di SKF, il cui dipartimento é situato in Olanda nella cittá di Houten. Questa tesi é dunque il frutto di undici mesi di tirocinio avvenuti in Olanda. Leader del progetto e relatore esterno é il Dr. Mourad CHENNAOUI, Senior Researcher in SKF. Il relatore interno al Politecnico di Milano é la professoressa Maria Laura Vergani e relatore esterno la professoressa Colombo.