QUSIMAV – Quantitative Simulation Method for the Prediction of Abrasive Wear
Engineering Design, Machine Elements, Product Development
Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic
Final Report Abstract
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Qusimav" war die Entwicklung einer standardisierten Methode, die es erlaubt auf Basis von DEM Simulationen den abrasiven Verschleiß an typischen Anlagengeometrien der Schüttgutfördertechnik qualitativ und quantitativ hervorzusagen. Dabei sollten die Verschleißarten des Gleitverschleißes und des Prallverschleißes berücksichtig werden. Um den Verschleiß an einer beliebigen Anlage zu prognostizieren wurde die Forderung gestellt, dass der gesamte Vorgang der Kalibrierung, d.h. die Bestimmung der Simulationsparameter sowohl für die Schüttgutinteraktion als auch der Verschleißmodelle unabhängig von einem spezifischen Anwendungsfall erfolgen muss. Die Idee war es, Verschleißmodelle auf Ebene des Einzelpartikels derart in der DEM zu implementieren und zu kalibrieren, dass diese „konditionierten" Partikel in Abhängigkeit ihres Zustandes beim Kontakt mit einer Wandgeometrie immer einen realistischen Verschleiß hervorsagen. Die Grundlage bildete die Frage, wie die verschiedenen Verschleißarten auf Ebene eines Einzelpartikels in der DEM implementiert und kombiniert werden können. Zu diesem Zweck wurden Verschleißmodelle des Gleit- und Prallverschleißes implementiert, verifiziert und ihre Eignung (Robustheit) anhand von Sensitivitätsanalysen untersucht. Im Bereich der Prallmodelle wurden zwei Kategorien identifiziert, wobei sich die nicht-aufgelösten, massenbezogenen Modelle als sehr robust herausstellten und im späteren Verlauf die besten Ergebnisse lieferten. Um die Verschleißmodelle auf Ebene des Einzelpartikels zu kalibrieren, wurden zwei Versuche zur unabhängigen Untersuchung des Gleit- und Prallverschleißes entwickelt. Dabei kam es bei der ersten Variante des Gleitversuchs zu einem wissenschaftlichen Fehlschlag, da die Ergebnisse nicht den Anforderungen entsprachen, sodass eine zweite Variante entwickelt werden musste. In den Experimenten wurden die Verschleißraten für verschiedene Kombinationen aus Schüttgütern und Wandmaterialien unter variierenden Bedingungen bestimmt. In der anschließenden Kalibrierung wurden zunächst die DEM-Simulationsparameter für den Partikel-Partikel- und den Partikel-Wand-Kontakt bestimmt, um ein realistisches Fließverhalten des Schüttgutes abzubilden. Anschließend erfolgte die Kalibrierung der Verschleißkoeffizienten der Verschleißmodelle des Einzelpartikels. Durch die Simulation der zuvor durchgeführten Referenzexperimente im Maßstab 1:1 und Berücksichtigung aller Versuchsbedingungen war es möglich für die verschiedenen Verschleißmodelle Koeffizienten zu ermitteln, die die experimentellen Verschleißraten sehr gut abbilden. Mit den in der Kalibrierung festgelegten Parametern konnte in der abschließenden Validierung nachgewiesen werden, dass es mit dem vorgestellten Vorgehen möglich ist, den Verschleiß an typischen Übergabestellen hervorzusagen. Die auf Basis der DEM prognostizierten Verschleißraten und die real gemessenen Verschleißraten zeigten eine sehr gute Übereinstimmung. In den wichtigen Hauptverschleißzonen betrug die mittlere Abweichung weniger als 5,5%. Zudem gelang es auch die Verschleißraten in Zonen des überlagerten Prall- Gleitverschleißes zuverlässig hervorzusagen. Zur Verbesserung der allgemeinen Gültigkeit der entwickelten Methode wurde das vorgestellte Vorgehen inklusive der aufwendigen Validierungsversuche insgesamt für vier Kombinationen aus Schüttgütern (Granit, Porphyr) und Wandproben (AlMg3, S235) durchgeführt, wobei in allen Fällen die Qualität der Ergebnisse den vorgestellten entsprach. Damit kann das gesetzte Ziel der Entwicklung einer Methode zur quantitativen Vorhersage des abrasiven Verschleißes auf Basis der DEM in diesem Sinne als erfolgreich erreicht angesehen werden.
Publications
-
On the calibration of DEM parameters for abrasive sliding wear, In: ICBMH 2019: International Conference on Bulk Materials Storage, Handling and Transportation, Gold Coast, 2019
Rößler, Thomas; Katterfeld, André
-
Die Diskrete Elemente Methode - Vorhersage des abrasiven Verschleißes in der Schüttgutfördertechnik In: Bergbau: Zeitschrift für Rohstoffgewinnung, Energie, Umwelt, Bd. 71. 2020, 7, S. 316-321
Rößler, Thomas; Katterfeld, André; Dratt, Mathias; Otto, Hendrik; Köther, Heiko; Kerler, Moritz; Barnard, Matthew
-
Einsatz der Diskrete Elemente Methode zur Beschreibung des abrasiven Verschleißes in der Schüttgutfördertechnik, In: 9. Kolloquium Fördertechnik im Bergbau, Clausthal, 2020
Rößler, Thomas; Katterfeld, André; Dratt, Mathias; Otto, Hendrik; Köther, Heiko; Kerler, Moritz; Barnard, Matthew
-
Untersuchungen zur Vorhersage des abrasiven Prall- und Gleitverschleißes auf Basis der Diskrete Elemente Methode, In: Fachtagung Schüttgutfördertechnik 2021, Magdeburg, 2021
Rößler, Thomas; Katterfeld, André
-
Investigations of abrasive sliding and impact wear - a DEM calibration approach, In: CHoPS 2022: International Conference on Conveying and Handling of Particulate Solids, Salerno, 2022
Rößler, Thomas; Katterfeld, André
