Gekoppelte Diskrete Elemente und Mehrkörpersimulation am Beispiel von Becherförderern

Abstract

Der Schöpfwiderstand ist bei der Schüttgutförderung mit Becherwerken neben dem Hubwiderstand des Schüttguts eine für den Energiebedarf der Gesamtanlage entscheidende Größe. Der Schöpfwiderstand wird von der Becherform und Becherteilung, der Beschickungsart, der Zugmittelgeschwindigkeit sowie der Kohäsivität des Schüttguts beeinflusst. Eine Ursache für die Abhängigkeit des Schöpfwiderstandes von der Zugmittelgeschwindigkeit und der Kohäsivität des Schüttgutes liegt im Effekt des sogenannten Bechernickens. Als Bechernicken wird die Drehbewegung der Becher um ihren Befestigungspunkt am Zugmittel definiert. Das Bechernicken tritt beim Übergang der Becher von der kreisförmigen in die geradlinige Bewegung aufgrund der ruckartigen Verringerung der Becheraußenkantengeschwindigkeit auf. Bei hohen Becherfüllungsgraden kann aufgrund dessen bereits gefördertes Gut aus dem Becher geschleudert werden. Zum Erreichen des notwendigen Massenstroms muss mehr Gut geschöpft und gehoben werden. Dies hat einen schlechteren Wirkungsgrad der Förderanlage zur Folge. Eine weitere Einflussgröße auf die Effektivität des Fördervorgangs schnelllaufender Becherwerke ist das laterale Schwingen der Becher im freien Becherstrang. Beim Auflaufen der Becher auf die Umlenktrommeln erfahren die Becher und das Schüttgut aufgrund dynamischer Kräfte eine theoretisch unendlich große Beschleunigung auf die Bahnkurve der Antriebs- bzw. Spanntrommel. Dies ist jedoch physikalisch unmöglich. Der Becher führt daher zunächst eine Drehbewegung entgegen der Bahnkurve durch, um anschließend auf den Umlenkradius der Trommel einzuschwenken. Dieses Pendeln der Becher überträgt sich im nachfolgenden Becherstrang in Form einer gedämpften Schwingung. Bereits gefördertes Gut kann bei hohen Becherfüllungsgraden aus den Bechern in Richtung des Becherwerkfußes zurückfallen. Dieses Gut muss anschließend erneut geschöpft und gehoben werden. Weiterhin wird die Becher- Gurt-Verbindung, der Becherrücken und der Gurt durch die Biegewechsel belastet. Zur Analyse des Bewegungsverhaltens schnelllaufender Becherwerke wird in dieser Arbeit eine Simulationsmethode zur Berechnung des Bewegungsverhaltens von Maschinenmodellen im Kontakt mit Schüttgütern implementiert. Dabei werden die bekannten Methoden der Diskrete Elemente (DEM) Simulation und der Mehrkörpersimulation (MKS) auf Programmebene gekoppelt. Die Simulationsergebnisse der gekoppelten DEM-MK-Simulation werden anhand eines analytisch lösbaren Beispiels verifiziert. Zum Nachweis, dass die entwickelte Methode geeignet ist, das Bewegungsverhalten realer Förderanlagen und Maschinen im Kontakt mit Schüttgut abzubilden, wird ein vereinfachtes Mehrkörpersimulationsmodell des Versuchsbecherwerkes verwendet. Die Simulationsergebnisse des vereinfachten Versuchsstandes werden mit den experimentell ermittelten Ergebnissen verglichen. Die gekoppelte DEM-MK-Simulationsmethode wird in dieser Arbeit zur Ermittlung des Schöpfwiderstandes und der Schöpfarbeit eines Senkrechtbecherwerkes angewendet. Es wird der Einfluss der Beschickungsrichtung und der Kohäsivität des Schüttguts analysiert. Der Einfluss der Bechernickens auf das Entleerungsverhalten des Versuchsbecherwerkes wird für unterschiedliche Vorspannungen experimentell untersucht und den Simulationsergebnissen gekoppelter DEM-MK-Simulationen gegenüber gestellt. Abschließend wird die Methode der gekoppelten DEM-MK-Simulation für die Entwicklung einer neuen Umlenkgeometrie am Becherwerkfuß angewendet, welche den negativen Einfluss des Bechernickens auf den Schöpfwiderstand reduzieren kann.