Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2007.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die elektrischen und nicht-elektrischen Einstellparameter der Bohrerosion untersucht. Ein neuer Ansatz zur geregelten Zwangsspülung wird vorgestellt und die Mechanismen diskutiert, die zu veränderten Prozessrandbedingungen führen. Abhängig von der Entladeenergie kann eine optimale Durchflussmenge ermittelt werden, die eine direkte Abtragwirkung zur Folge hat, wodurch der Abtragmechanismus in der Funkenerosion erweitert werden muss. Längliche Einzelentladungskrater bestätigen eine erhöhte Mobilität des Entladekanals während einer Entladung infolge der starken Spülung. Wasserbasiertes Dielektrikum führt bei einer kathodischen Elektrodenpolung zu einem verschleißreduzierenden Elektrolyseeffekt, der die Energieumsetzung an der Elektrode direkt beeinflusst. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Einzelentladungen auf den Folgeprozess kann durch die hier vorgestellte problemangepasste Spüleinrichtung nachgewiesen werden.

In der vorliegenden Arbeit werden die elektrischen und nicht-elektrischen Einstellparameter der Bohrerosion untersucht. Ein neuer Ansatz zur geregelten Zwangsspülung wird vorgestellt und die Mechanismen diskutiert, die zu veränderten Prozessrandbedingungen führen. Abhängig von der Entladeenergie kann eine optimale Durchflussmenge ermittelt werden, die eine direkte Abtragwirkung zur Folge hat, wodurch der Abtragmechanismus in der Funkenerosion erweitert werden muss. Längliche Einzelentladungskrater bestätigen eine erhöhte Mobilität des Entladekanals während einer Entladung infolge der starken Spülung. Wasserbasiertes Dielektrikum führt bei einer kathodischen Elektrodenpolung zu einem verschleißreduzierenden Elektrolyseeffekt, der die Energieumsetzung an der Elektrode direkt beeinflusst. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Einzelentladungen auf den Folgeprozess kann durch die hier vorgestellte problemangepasste Spüleinrichtung nachgewiesen werden.

Es wird gezeigt, dass die angestrebte Steuerung der Lastverteilung auf Pilotmeißel und Erweiterungswerkzeug durch den Einsatz eines hydraulischen Thrusters im Pilotstrang erreicht werden kann. Das zur Steuerung bestehende operative Fenster einer solchen Bohrgarnitur ist jedoch im Allgemeinen klein und bedarf für jeden Einsatzfall einer detaillierten Vorausplanung. Ein entsprechender Berechnungsansatz zur Simulation der Vorgänge in einer komplexen Bohrgarnitur mit schaltbarem Erweiterungswerkzeug wurde entwickelt und getestet. Er stützt sich auf die Bingham-Gleichung für die Bohrgeschwindigkeit, die für die speziellen Belange der vorliegenden Untersuchung modifiziert wurde. Die Einflüsse individueller operativer und konstruktiver Parameter auf das Steuerverhalten der komplexen Bohrgarnitur wurden eingehend untersucht. Die Auswertung der Ergebnisse führte zu allgemeinen Planungs- und Einsatzempfehlungen.

Zugl.: Dortmund, University, Diss., 2006.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187

Im Rahmen einer Literaturauswertung wurde erkannt, dass die in Bohrformeln genutzten Gesteinsparameter mit der Gesteinsdruckfestigkeit und mit der spezifischen Energie für die Gesteinszerstörung korreliert. Numerische Untersuchungen ergaben, dass die spezifische Energie für die Gesteinszerstörung mit einem Bohrzahn in der Größenordnung der Druckfestigkeit liegt. In einem Autoklaven wurden Einzelzahneindringversuche mit zwei Zahnformen in einem durchlässigen Sandstein und in einem dichten Granit bei verschiedenen Drücken durchgeführt. Die spezifische Energie ist für den Sandstein gleich der effektiven Druckfestigkeit. Bei Versuchen im Granit konnte festgestellt werden, dass die Korngröße zusammen mit der Zahngeometrie einen Einfluss auf die benötigte spezifische Energie zur Gesteinszerstörung hat. Die Eindringfestigkeit kann mit einer aus Literaturdaten ermittelten Korrelation mit der Gesteinsdruckfestigkeit berechnet werden. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurde für Rollenbohrwerkzeuge eine charakteristische Gleichung aufgestellt, die die Fähigkeit des Werkzeuges beschreibt, Gesteine durch eine mechanische Belastung zu zerstören. Mit dieser charakteristischen Gleichung und der Gesteinsdruckfestigkeit kann somit eine erreichbare Bohrgeschwindigkeit berechnet werden.

Mineralischen Rohstoffe werden in vielen Industriezweigen verarbeitet. Hierbei ist der notwendige Energieeinsatz zur Zerkleinerung von Gestein von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurden die Mechanismen der spanenden Gesteinszerstörung sowie grundlegende Ansätze der schlagenden Zerstörung von Hartgestein untersucht. Dazu wurde ein Kleinkaliberbohrversuchsstand entwickelt und genutzt, um unterschiedliche Schneidstoffe im Kontakt mit Festgestein zu beproben. Die Beanspruchung der zum Einsatz kommenden Schneidmaterialien orientiert sich an realen spanenden Gesteinsbohrvorgängen und liefert eine hochaufgelöste Datenbasis für grobspanende Bohrverfahren. Weiterhin fanden Tests an einem Fallwerk statt, die zur Untersuchung dynamischer Belastungen auf Bohrmeißelinserts genutzt wurden. Die Experimente wurden durch Aufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera begleitet und veranschaulichen die Zerstörungsvorgänge in unterschiedlichen Gesteinen. Die Zerspanbarkeiten der Gesteine wurden hinsichtlich der spezifischen Energie, der Flächenpressungen auf die Schneiden und des Verschleißes der Schneidmaterialien bewertet. Vergleichende Bohrversuche mit einem neuen Schneidstoff wurden durchgeführt. Aus der Arbeit konnten Entwicklungstendenzen für den Einsatz neuer Materialien bei der Hartgesteinszerstörung herausgearbeitet werden. Die Untersuchung der Mechanismen bei der spanenden Zerstörung von Festgestein unter atmosphärischen Bedingungen stellt in Zusammenhang mit den Beurteilungskriterien für die Effizienz des Bohrvorganges eine Basis für die praktische Übertragbarkeit auf Anwendung in der Tiefbohrtechnik dar.

Es wird gezeigt, dass die angestrebte Steuerung der Lastverteilung auf Pilotmeißel und Erweiterungswerkzeug durch den Einsatz eines hydraulischen Thrusters im Pilotstrang erreicht werden kann. Das zur Steuerung bestehende operative Fenster einer solchen Bohrgarnitur ist jedoch im Allgemeinen klein und bedarf für jeden Einsatzfall einer detaillierten Vorausplanung. Ein entsprechender Berechnungsansatz zur Simulation der Vorgänge in einer komplexen Bohrgarnitur mit schaltbarem Erweiterungswerkzeug wurde entwickelt und getestet. Er stützt sich auf die Bingham-Gleichung für die Bohrgeschwindigkeit, die für die speziellen Belange der vorliegenden Untersuchung modifiziert wurde. Die Einflüsse individueller operativer und konstruktiver Parameter auf das Steuerverhalten der komplexen Bohrgarnitur wurden eingehend untersucht. Die Auswertung der Ergebnisse führte zu allgemeinen Planungs- und Einsatzempfehlungen.