Grenzen und Möglichkeiten der Simulation in der Siebklassierung am Beispiel des Active Grid®

Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von Simulationsprogrammen zur Erhöhung des Systemverständnisses verschiedenster Komponenten sowie zum Ausloten von Grenzen und dem Aufzeigen von Möglichkeiten dieser modernen Werkzeuge bei der Optimierung und Weiterentwicklung von Aufbereitungsaggregaten am Beispiel von Siebmaschinen. Der Schwerpunkt der experimentellen sowie insbesondere der durch die Werkzeuge der Simulation vorangetriebenen Untersuchungen lag dabei auf dem patentierten Vorsieb mit dem Markennamen Active Grid® der in Linz ansässigen Firma RUBBLE MASTER HMH GmbH. Das Active Grid®, das vollständig in eine Vibrorinne eines mobilen Prallbrechers integriert ist, tritt an die Stelle des üblicherweise zum Einsatz gelangenden Spaltrostes und klassiert mit hoher Siebgüte und Trenngüte auch kohäsive Rohmaterialien, die schwierig zu sieben sind. Die innovative Idee: Benachbarte Stäbe eines Stangenrostes, eingebettet in eine Vibrorinne, führen eine Relativbewegung zueinander aus. Durch die dabei erreichte Scherwirkung werden zum einen eine bessere Reinigungswirkung des Stangenrostes sowie zum anderen eine bessere Trennwirkung erreicht. Da durch die kompakte Bauweise kein Platz für einen eigenen Antrieb zur Verfügung steht, muss das Vorsieb durch die Vibrorinne fremderregt werden. Das Active Grid® dient der Absiebung der Feinfraktion, welche an der Brechkammer eines mobilen Prallbrechers vorbeigeführt wird. Damit kann der Prallbrecher kleiner dimensioniert werden, was Investitionskosten verringert, aber auch zur Reduktion des Verschleißes innerhalb der Brechkammer sowie zur Senkung der Betriebskosten beiträgt. Die Parameter der Feder-/Dämpfer-Elemente zwischen Maschinengrundrahmen und Vibrorinne sowie zwischen Vibrorinne und Active Grid® waren nicht ausreichend bekannt, um weitere Entwicklungen durchführen zu können. Aus diesem Grund wurde das Gesamtsystem Vibrorinne mit Active Grid® zunächst auf das Schwingungsverhalten messtechnisch analysiert, um den IST-Zustand zu erheben. Danach wurden die Systemparameter der Feder-/Dämpfer-Elemente mithilfe einer Mehrkörpersimulation (MKS) in Matlab/Simulink bestimmt (zu diesem Zeitpunkt noch ohne Partikel-Einflüsse auf die Systemkomponenten). Hierfür wurde ein Simulationsmodell entwickelt, welches über die von der Schwingungsanalyse ermittelten Auslenkungen belastbare Rückschlüsse auf die Federsteifigkeiten und Dämpfungen der Schwingungselemente zuließ. Diese Parameter dienten als Basis für die Entwicklung von partikelbeaufschlagten Simulationsmodellen in ThreeParticle und ROCKY, welche auf der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) aufbauten, um die Wechselwirkungen verschiedener Schüttgüter mit den mechanischen Komponenten des Gesamtsystems zu berücksichtigen. Die entstandenen numerischen Modelle wurden letztendlich dazu benutzt, das Active Grid® maschinenbaulich wie auch prozesstechnisch zu optimieren. Für diesen Zweck wurde eine DEM-MKS Co-Simulation durchgeführt. Diese ermöglichte es, Interaktionen zwischen den Schüttgütern (den Partikeln) und dem angetriebenen Feder-/Dämpfer-System (den bewegten Systemkomponenten) zu berücksichtigen. Dieser virtuelle Active Grid®-Prototyp diente der Analyse von Leistungsvorteilen und -eigenschaften im Hinblick auf die Siebgüte bei verschiedenen Rohmaterialien und Antriebsgeschwindigkeiten. Das übergeordnete Ziel, ein skalierbares DEM-MKS-Modell zu entwickeln, welches virtuelles Prototyping ermöglicht und damit die Basis für apparative Weiterentwicklungen legt, wie auch das Auffinden optimierter Prozessbedingungen gestattet, wurde somit erreicht.