Viele Arbeitsprozesse in der Bau- und Fördermaschinentechnik, Lebensmittelindustrie oder Verfahrenstechnik sind gekennzeichnet durch die Interaktion mit Schüttgütern. Beispiele hierfür sind die Gewinnung und der Transport von Erd- und Rohstoffen sowie die Verarbeitung von Getreide, Mais, Pellets oder Granulaten. Zur Abbildung der partikel-mechanischen Vorgänge hat sich die Diskrete Elemente Methode (DEM) als geeignetes Simulationsverfahren etabliert. Für eine prospektive Analyse der Wechselwirkungen zwischen Schüttgut und Maschine ist es notwendig diese Methodik mit einem domänen-übergreifenden Systemmodell zu verknüpfen. Es wird eine Lösung vorgestellt, welche eine geschlossene Modellierung und Simulation der DEM in der Software SimulationX ermöglicht.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Adsorptionsschichten auf die Fließfähigkeit feuchter kohäsiver Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte. Ziel ist der Nachweis einer Ver- bzw. Behinderung der Feuchteadsorption durch eine Hydrophobierung der Partikeloberfläche und die Untersuchung der Abhängigkeit des Feuchteaufnahmevermögens von Zusatzstoff, Substratmaterial und Oberflächeneigenschaften. Dazu wurden Kalksteinpulver und Mikroglaskugeln unterschiedlicher Kornform und Korngrößenverteilung mit oberflächenaktiven Substanzen beschichtet und die erfolgreiche Oberflächenmodifikation u.a über Randwinkelmessungen und Scherversuche belegt. Es konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung der Oberfläche und die daraus resultierenden veränderten Oberflächen- sowie Benetzungseigenschaften zusatzstoffspezifisch sind und somit eine gezielte Verbesserung der Fließeigenschaften erreicht werden kann. Beschichtete Schüttgüter können je nach Art des Zusatzstoffes weniger Feuchtigkeit als unbehandelte Pulver adsorbieren, bilden geringere Haftkräfte im Partikelkontakt aus und besitzen ein günstigeres Fließverhalten. Weiterhin wird ein mathematisch-physikalisches Modell zur Abschätzung der Fließfähigkeit feiner Schüttgüter in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit und einer Oberflächenmodifikation unter Verwendung charakteristischer Schüttgutparameter entwickelt.

Zur richtigen Auslegung von fördertechnischen Anlagen in verschiedenen Industriezweigen, insbesondere in Häfen, ist es notwendig, die Arbeitsparameter der Schüttgutfördermaschinen zu kennen. Da die komplexe Bewegung des Materials im Senkrechtschneckenförderer (SSF) eine analytische Auslegung des Fördersystems verhindert, werden hier (semi-)empirische Modelle verwendet. Für eine umfassende Analyse der Transportvorgänge in SSF wurde am Institut für Aufbereitungsmaschinen der TU Freiberg im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Versuchsstand mit einem industriellen SSF konzipiert und gebaut, an dem der Transport von sieben Arten von Schüttgütern mit einer Schneckendrehzahl von 50 bis 320 1/min untersucht wurden. Anhand einer Literaturrecherche wurde ebenso der Einfluss des Aufgabeorts auf die Arbeitsparameter überprüft. Die erhaltenen Ergebnisse wurden statistisch ausgewertet und mit Hilfe derer eine semi-empirische Formel zur Auslegung anderer SSF entwickelt. Darüber hinaus wurden diverse Phänomene beim Transport unterschiedlicher Schüttgüter beobachtetet und in der vorliegenden Arbeit analysiert.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen zur Förderung mit dem Senkrechtschneckenförderer 2.1 Charakterisierung der Fördermaterialien 2.1.1 Stoffarten 2.1.2 Physikalische Eigenschaften 2.1.2.1 Schüttgutdichten 2.1.2.2 Böschungswinkel 2.1.2.3 Reibungskoeffizienten 2.1.2.4 Systembedingte Schüttguteffekte 2.1.3 Granulometrie (Kornform- und Korngrößenverteilung) 2.1.4 Feuchtigkeit 2.2 Geometrie und Konstruktion des Senkrechtschneckenförderers 2.2.1 Aufgabeort mit Aufgabevorrichtung 2.2.2 Förderteil 2.2.3 Abgabeort 2.2.4 Spaltgeometrie und Spalteffekte 2.2.5 Lagerung der Welle 2.2.6 Antrieb 2.3 Einfluss des Förderprozesses auf die Fördermaterialien 2.4 Charakterisierung des Systemverhaltens von Senkrechtschneckenförderern 2.4.1 Kinematik und Dynamik der Einzelkörner in einem Senkrechtschneckenförderer 2.4.2 Modelle und Berechnungen der Betriebsparameter 2.4.2.1 Analytische Modelle 2.4.2.2 Semiempirische und empirische Modelle 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 3.1 Systemanalyse des Senkrechtschneckenförderers 3.2 Folgerungen für die experimentellen Untersuchungen 3.3 Folgerungen für die Auslegungsmodellierung von Senkrechtschneckenförderern 3.4 Erweiterung des Senkrechtschneckenförderer-Systems um die Zuführeinrichtung 4 Experimentelle Untersuchungen für Auslegungsmodelle von Senkrechtschneckenförderern 4.1 Beschreibung der Versuchsdurchführung zur Erstellung einer Datenbank 4.1.1 Versuchsprogramm 4.1.2 Bestimmung der Stoffeigenschaften der untersuchten Materialien 4.1.2.1 Korngrößenanalyse 4.1.2.2 Materialdichte 4.1.2.3 Böschungswinkel 4.1.3 Versuchsablauf zur Bestimmung der Betriebsparameter 4.2 Beschreibung des Versuchsstandes 4.2.1 Aufbau und Konstruktion der Versuchsanlage 4.2.2 Variation der Versuchsparameter 4.2.3 Messeinrichtungen 4.3 Vorstellung und Beschreibung der Versuchsergebnisse 4.3.1 Gemessene Stoffeigenschaften 4.3.2 Analyse der Ergebnisse mit einseitiger Materialzuführung 4.3.2.1 Materialdurchsatz 4.3.2.2 Leistungsbedarf 4.3.2.3 Spezifischer Leistungsbedarf 4.3.2.4 Weitere Erkenntnisse aus den Untersuchungen mit einseitiger Materialzuführung 4.3.3 Analyse der Ergebnisse mit allseitiger Materialzuführung 4.3.3.1 Materialdurchsatz 4.3.3.2 Leistungsbedarf 4.3.3.3 Spezifischer Leistungsbedarf 4.3.3.4 Weitere Erkenntnisse aus den Untersuchungen mit allseitiger Materialzuführung 5 Auslegungsmodelle von Senkrechtschneckenförderern 5.1 Analytische Betrachtungen 5.1.1 Volumendurchsatz 5.1.2 Leistungsbedarf 5.2 Vorschläge für die Modellübertragung auf reale Senkrechtschneckenförderer 5.2.1 Einfluss von Durchmesserunterschieden auf den Volumendurchsatz 5.2.2 Einfluss von Durchmesserunterschieden auf den Leistungsbedarf 5.2.3 Einfluss von Drehzahlunterschieden auf den Volumendurchsatz 5.2.4 Einfluss von Drehzahlunterschieden auf den Leistungsbedarf 5.2.5 Einfluss von Förderhöhenunterschieden auf den Leistungsbedarf 5.3 Anwendungsbeispiel des Auslegungsmodells 6 Einführung zu einer Konstruktionssystematik für Zuführgeräte von Senkrechtschneckenförderern 7 Zusammenfassung 8 Literaturverzeichnis Anlagenverzeichnis

Der Reibkontakt zwischen zwei Körpern hat entscheidende Einflüsse auf die Schwingungsselbsterregung. Da in der Literatur bisher vorwiegend ein Festkörper-Festkörper-Kontakt im Fokus steht, beschäftigt sich diese Arbeit mit einem Partikel-Festkörper-Kontakt. Dabei stehen Partikelsysteme in Form von Schüttgütern im Mittelpunkt. Ein bekanntes Beispiel solcher selbsterregten Schwingungen sind Silovibrationen. Dies sind Stick-Slip-Schwingungen beim Entleerungsvorgang von dünnwandigen Metallsilos. Untersuchungen mittels Fouriertransformation zeigen, dass die hörbaren Schwingungen sich aus einer Grundharmonischen und mehreren Oberwellen zusammensetzen. Diese Frequenzen sind allerdings weit oberhalb der numerisch untersuchten ersten Eigenfrequenzen der Silos. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in den experimentellen Untersuchungen der Stick-Slip-Frequenz eines Schüttgut-Wand-Systems in einem speziell dafür entwickelten Versuchsstand. Es werden sowohl Systemkenngrößen, wie z.B. Geschwindigkeit, Systemsteifigkeit oder Masse, als auch tribologische Kenngrößen, wie z.B. Kontaktfläche oder -pressung, Materialkombination und Wandbeschaffenheit, auf ihren Einfluss auf die Stick-Slip-Frequenz untersucht. Ergänzend dazu wird die reale Kontaktfläche im statischen Zustand und bei einer äußeren dynamischen Anregung zwischen den Randpartikeln und einem Festkörper untersucht. Des Weiteren wird der tatsächliche Reibwert über der Relativgeschwindigkeit in Form einer Reibhysterese gemessen. In den Simulationsstudien wird ein Modell eines Reibschwingers vorgestellt und untersucht. Hier zeigen sich bereits bei einer stationären Kennlinie große Unterschiede in der Stick-Slip-Neigung und der Frequenz. In einer Modellerweiterung mittels einer zeitabhängigen Reibhysterese werden weiterführende Modellstudien getätigt. Hierbei steht vor allem das zeitabhängige Reibverhalten in der Haft- und Gleitphase im Fokus der Untersuchungen. / The friction contact between two bodies has an important influence on self-excited vibrations. Often the main focus is on a solid-solid contact. Therefore, this thesis focuses on a particle-solid contact, represented as the interaction between a bulk solid and a wall. Silo vibrations are a well known example of this kind of self-excited vibrations. Stick-slip vibrations occure during the discharging of thin walled metal silo. The hearable vibrations consist of a basic harmonic and some higher harmonics. The frequencies can be detected by a Fourier transform. One main focus of this thesis is the experimental investigation of the stick-slip frequency of a bulk solid-wall system. Therefore, a special test rig is designed. The investigation concentrates on system parameters, e.g. velocity, system stiffness or mass, on tribological parameters, e.g. contact area, pressure, material combination and wall surfaces, and their influence on the stick-slip frequency. Additional, the real contact area between particles in wall proximity and the wall itself is investigated in a static situation and during an external dynamic excitation. Furthermore, the real friction coefficient over the relative velocity will be measured. A model of a single mass friction oscillator will be presented and investigated in the simulation studies. Even with stationary friction characteristics this studies show big differences in the stick-slip stability and frequency. Henceforth, an advanced model with friction characteristics dependent on time in the form of a friction hysteresis is presented. There, the main focus is on the time dependent friction behaviour during the stick and slip phase of the oscillation.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Kompaktier-Granulierung von Kalisalzen zur Herstellung von Düngemittelgranulat experimentell untersucht und ein Modellansatz zur Beschreibung von derartigen Kreisläufen abgeleitet. Bei der Kompaktier-Granulierung wird fein-disperses Kalisalz mit Hilfe von Walzenpressen zu sogenannten Schülpen verpresst. Diese werden durch nachfolgende Zerkleinerung und Klassierung zu Düngemittelgranulat (enge Partikelgrößenklasse, wie beispielsweise 2 – 4 mm) verarbeitet. Basierend auf halb-industriellen Kreisläufen werden im vorliegenden Beitrag wesentliche Prozesswechselwirkungen zwischen Kompaktierung, Zerkleinerung und Klassierung ausgearbeitet. Detailuntersuchungen zeigen, dass sich insbesondere die Schülpenfestigkeiten wie auch die schüttgutmechanischen Eigenschaften des Pressenaufgabegutes im Kreislaufbetrieb ändern. Darauf aufbauend wird ein Modellansatz abgeleitet der die Abschätzung des Kreislaufbetriebs erlaubt.