Characterization of gear grinding burns by multiparameter Barkhausen noise measurements

Abstract

Due to the demands to produce energy via renewable energy sources and the booming wind power markets, the production of wind turbine is increasing. The requirements for long-lasting and reliable operation life of tens of years, the manufacturing process control and quality control of wind turbine components is essential. The wind turbine has many ground gears. If the grinding operation fails, grinding burns may occur. These grinding burns weaken the material properties. Hence, the damaged gear does not have same kind of endurance and can fail prematurely in use. The thesis concentrated on the non-destructive grinding burn detection method called the Barkhausen noise measurement. The main objective of the study was to create a better understanding of the relative multiparameter Barkhausen noise features measured and to compare these values to the absolute value findings obtained with other research methods. Firstly, a laboratory series of load test specimens was made of casehardening steel material used to manufacture gears. The hardness values of the test bars were modified by different tempering procedures. Finally step-wise loading was done to the test bars simultaneously with multiparameter Barkhausen noise measurements.Secondly, a planet gear wheel from a wind turbine with grinding burns was examined with multiparameter Barkhausen noise measurements. The obtained features were compared to the results of the hardness values, residual stress measurements and microstructural observations. The results from the multiparameter Barkhausen noise measurements were consistent with earlier published results. The correlations of the laboratory series load test specimens were clear. The interpretation of the results of the planet gear wheel samples was much more complicated. The difficulty of the method is that many different features influence simultaneously to the obtained Barkhausen noise.

AB3:Tiivistelmä suomeksi: Fossiilisten polttoaineiden varastojen loppumisen uhka sekä kysyntä vaihtoehtoisista energianlähteistä ovat luoneet kysyntää uusiutuville energialähteille. Tänä päivänä uusiutumattomia energianlähteitä korvataan kiihtyvällä vauhdilla esimerkiksi tuulienergialla. Tuulivoimaloiden kysyntä, niiden voimakkaasti kasvanut rakentamisvauhti ja tuuliturbiinien tuotannon kasvu ovat luoneet tuulivoimaloiden valmistajille suuria paineita luotettavan ja pitkäikäisen tuuliturbiinin valmistamiseksi. Tuuliturbiinin tulisi kestää käytössä ja toimia vuosikymmeniä luotettavasti. Tuulivoimaloiden valmistuksen ja tuuliturbiinien komponenttien laatuvaatimukset ovat korkeat ja laaduntarkkailu erityisen tärkeää. Diplomityön aiheena oli tutkia tuuliturbiinin hammaspyörien laaduntarkkailussa käytettävän Barkhausen kohinamittauksen uusia mahdollisuuksia. Diplomityö oli osa Suomen Akatemian rahoittamaa Implementing Intelligent Systems on Multiparameter Barkhausen Noise Measurements (INTELBARK) -projektia. Hammaspyörien valmistusprosessissa voi hionnan aikana muodostua hammaspyörään sekä mikrorakennemuutoksia että jäännösjännityksiä, jotka heikentävät hammaspyörän kestävyyttä. Laadunvalvonnassa näitä muutoksia pyritään tutkimaan ainetta rikkomattomilla menetelmillä. Nykyisin käytössä olevalla Barkhausen kohinamenetelmällä ei saada absoluuttisia arvoja, vaan ainoastaan raja-arvot komponentin hylkäämiselle. Diplomityön tarkoituksena oli tutkia Barkhausen multiparametri kohinamittausten käyttämistä hiontavikojen määrittämisessä ja verrata menetelmällä saatuja tuloksia muilla menetelmillä saatuihin tietoihin materiaalin mikrorakennemuutoksista ja jäännösjännityksistä. Työn kokeellinen osa jaettiin kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa hammaspyörämateriaalista valmistettiin hiiletyskarkaistu vetosauvasarja. Vetosauvojen kovuusarvoja modifioitiin muuttamalla hiiletyskarkaisun jälkeen tehtävän päästön päästölämpötilaa ja päästön kestoa. Työn toisessa osassa tutkittiin hiontaviallisen hammaspyörän rakennetta tekemällä Barkhausen multiparametri kohinamittauksia, jäännösjännitysmittauksia, kovuusmittauksia sekä mikrorakennetarkasteluita.