Name der Forschungsstellen IGF-Vorhaben-Nr. Bewilligungszeitraum. TU Bergakademie Freiberg BR 10/ / ZUSAMMENFASSUNG...

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2 Inhalt 1 ZUSAMMENFASSUNG FORSCHUNGSTHEMA WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHE UND WIRTSCHAFTLICHE PROBLEMSTELLUNG SILOVIBRATIONEN BEI DER ENTLEERUNG VON DÜNNWANDIGEN METALLSILOS Einteilung von Silovibrationen... 5 Silohupen... 5 Silobeben Ursachen für Silovibrationen... 6 Stick-Slip bei der Wandreibung (kurz: Wand-Stick-Slip)... 6 Interpartikulärer/- innerer Stick-Slip Schlagartig bewegte Schüttgutmasse Andere Einflüsse WIRTSCHAFTLICHE PROBLEMSTELLUNG Vermeidung von Silovibrationen Verändern der Silowände Verändern der Spannungszustände FORSCHUNGSZIEL UND ABLAUF ZIEL DES PROJEKTES ABLAUF DES PROJEKTES ZUSAMMENARBEIT MIT ANDEREN STELLEN ERGEBNISSE VERSUCHSMATERIALIEN Polyethylenterephthalat (PET) Polyethylen (PE) VORUNTERSUCHUNGEN Bestimmung der Fließeigenschaften Verwendete Schergeräte Untersuchungen mit dem Jenike-Großschergerät Untersuchungen mit dem Ringschergerät Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen Tribologische Untersuchungen KONSTRUKTIVER UND MESSTECHNISCHER UMBAU DES LAMBDAMETERS ZUM MODELLSILO Zwischenversuchstand zur betriebsnahen Messung der Wandreibung Konstruktion des Zwischenversuchstandes Versuchsergebnisse im Zwischenversuchstand Konstruktiver Lambdameterumbau Integration eines Zellenboden- Absenkmechanismus die Lambdameterstruktur Untersuchungen zur Systemsteifigkeit Messtechnik Konstruktion der erhöhten Messzylinder Übersicht der Messkanäle Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 1

3 6.3.4 Steuerungs- und Regelungstechnik Testergebnisse mit dem Modellsilo KALIBRIERUNG DER MESSZYLINDER Vorgehen bei der Kalibrierung Rekalibrierung des Lambdameter-Messzylinders Kalibrierung der Modellsilomesszylinder VIRTUAL BASIC SKRIPT BASIERTE AUSWERTEROUTINE ZUR ERMITTLUNG DER HORIZONTALSPANNUNGEN IM MESSZYLINDER 58 Struktur der Rohdaten ERGEBNISSE DER MESSUNGEN IM MODELLSILO AUF LAMBDAMETERBASIS Untersuchungen zum Stick-Slip-Effektes Parameterstudien GEGENÜBERSTELLUNG VON ZIELSETZUNGEN UND ERGEBNISSEN VERWENDUNG DER ZUWENDUNGEN Wissenschaftlich-technisches Personal Technisches Personal Studentische Hilfskräfte WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHER NUTZEN WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN FÜR KMU INNOVATIVER BEITRAG DER ERGEBNISSE ZU INDUSTRIELLEN ANWENDUNGSGEBIETEN PLAN ZUM ERGEBNISTRANSFER IN DIE WIRTSCHAFT VERÖFFENTLICHUNGEN IM RAHMEN DES VORHABENS DURCHFÜHRENDE FORSCHUNGSSTELLEN SYMBOLE ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS LITERATURVERZEICHNIS ANHANG Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 2

4 1 Zusammenfassung Im Rahmen des Forschungsprojektes "Einfluss des Stick-Slip-Effektes bei der Wandreibung von Schüttgütern auf Silovibrationen" wurde versucht, ein Verfahren zur besseren Vorhersage von Silovibrationen zu entwickeln. Da davon ausgegangen wird, dass der Anregungsmechanismus von Silovibrationen im Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung zu finden ist, wurden zunächst die Haupeinflussgrößen des Stick-Slip in konventionellen Schergeräten untersucht. Wichtigster Einflussfaktor auf das entstehen von Stick-Slip-Reibung ist die aufgebrachte Normalspannung N. Es konnte gezeigt werden, dass die in Schergeräten maximal erzeugbaren Normalspannungen nicht immer für die Erzeugung eines stabilen Stick-Slip-Effektes bei der Wandreibung genügen. Wichtigster, und auch zeitintensivster, Punkt im Vorhaben war die umfangreichen mechanischen sowie mess- und regelungstechnischen Modifizierungen des an der Forschungsstelle vorhandenen Lambdameters. In einem Lambdameter wird eine Schüttgutprobe in einem Messzylinder mit festem Zellenboden einaxial verdichtet. Über die direkte Messung der Horizontal- bzw. Vertikalspannungen kann das Horizonalspannungsverhältnis berechnet werden. Das Lambdameter wurde mit einem, über ein Schubkurbelgetriebe, absenkbaren Zellenboden ausgestattet es wurden erhöhte Messringe gefertigt und aufwendige Mess- und Regelelektronik appliziert. Somit können in dem Modellsilo auf Lambdameterbasis hochaufgelöste Messungen stattfinden, während ein definiert verpresstes Schüttgut-Scheibenelement durch den Messzylinder gleitet. Im Nachgang an eine Versuchsreihe kann eine Virtual- Basic-Skript-basierte vollautomatische Ergebnisauswertung mit DIAdem erfolgen. Die Versuchsergebnisse im Modellsilo zeigen, dass der durch die vertikale Bewegung initiierte Stick-Slip-Effekt, phasengleich, horizontale Impulse in die Messzylinderinnenwand einleitet. Diese normal zur Messzylinderinnenwand auftretenden Impulse können als Anregungsmechanismus für Silovibrationen gesehen werden. Aufgrund der Möglichkeit im Modellsilo auf Lambdameterbasis vielfach höhere, dem Spannungsniveau im Silo entsprechende, Normalspannungen aufzubringen als in konventionellen Schergeräten, konnten für eine Auswahl an, bzgl. der Neigung zu Silovibrationen kritischen und unkritischen, monodispersen Kunststoffgranulaten die Erfahrungen aus der Wirtschaft ausnahmslos bestätigt werden. Ist der Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung von Schüttgütern die Anregungsursache von Silovibrationen, kann mit dem Modellsilo auf Lambdameterbasis eine gezielte Vorhersage von Silovibrationen und die Erfassung schüttgutspezifischer Kenngrößen erfolgen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 3

5 2 Forschungsthema Beim Entleeren von dünnwandigen Metallsilos entstehen bei einigen Schüttgütern Silovibrationen (Silobeben, Silohupen). Die Silovibrationen gefährden die Sicherheit des Silobauwerkes oder stören durch Lärmemissionen den Produktionsablauf bzw. Anwohner. Die Antragsteller gehen davon aus, dass das Stick-Slip-Verhalten einiger Schüttgüter bei der Wandreibung, d.h. eine periodisch erfolgende, ruckweise Bewegung des Schüttgutes, ursächlich für die Silovibrationen ist. Im Vorhaben sollen zunächst mit Scherversuchen in konventionellen Schergeräten an ausgewählten Schüttgut-Wand- Kombinationen die Gesetzmäßigkeiten des Stick-Slip-Verhaltens untersucht werden. Dabei werden während der Scherversuche die Normalspannung N, die Schergeschwindigkeit v s und der Scherweg s s sowie die Rauheit Ra des Wandmaterials variiert werden. Der Nachweis, ob die Stick-Slip-Schwingungen ursächlich für Vibrationen im Silo sind, soll durch Versuche mit einem Lambdameter geführt werden. Im Lambdameter wird die Schüttgutprobe einaxial belastet und die resultierende Horizontalspannung, der Bodendruck und die vertikale Wandreibungskraft gemessen. Zur Nachweisführung muss das Lambdameter so umgestaltet werden, dass eine Schüttgutprobe während der Bewegung in einem Messzylinder untersucht werden kann. Entsteht während der Abwärtsbewegung im Messzylinder Stick-Slip müsste dieser die Messzylinderwand durch pulsierende Horizontalspannungen anregen. Wenn nachgewiesen werden kann, dass der Slip-Stick-Effekt bei der Wandreibung ursächlich für Silovibrationen ist, ergäbe sich erstmals und zwar auf Basis einer relativ einfachen Prüfmethode im Lamdameter, die Möglichkeit der Vorhersage und damit der prophylaktischen Vermeidung von Silovibrationen sowie die Voraussetzung für zielgerichtete Problemlösungen bei vibrierenden Silos. Die Ergebnisse sind damit unmittelbar nutzbar für Hersteller und Betreiber von Silos, wozu viele kmu in den unterschiedlichsten Wirtschaftszweigen gehören. Darüber hinaus schafft das umgestaltete Lambdameter erstmalig die Möglichkeit das Verhältnis von Horizontal- zu Vertikalspannung unter betriebsrelevanten Bewegungs- und Lastbedingungen zu messen. Dies kann die Sicherheit der statischen Silodimensionierung verbessern. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen durch Vorträge und Veröffentlichen bekannt gemacht und in die Lehre übernommen werden. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 4

6 3 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 3.1 Silovibrationen bei der Entleerung von dünnwandigen Metallsilos Einteilung von Silovibrationen Viele Kunststoffe werden aus einer zähflüssigen Schmelze hergestellt. Die Schmelze wird in dünne Stränge extrudiert, die zu Granulat geschnitten werden. Produktspezifisch folgen Veredlungsschritte und es entsteht ein Kunststoff-Granulat, dass bis zur Weiterverwendung in großen Aluminiumsilos gelagert wird [1]. Monodisperse Pulver und Schüttgüter kommen in nahezu allen Industriezweigen vor und müssen zwischen einzelnen Produktionsschritten gelagert und/oder transportiert werden. Während des Entleerens dieser Schüttgüter aus dünnwandigen Metallsilos können Vibrationen entstehen. Um die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Siloanlagen zu gewährleisten sind die Anregungsmechanismen der sogenannten Silovibrationen zu erforschen und Maßnahmen zu finden, diese zu vermeiden oder zumindest zu dämpfen. Die Schwingungsphänomene in Siloanlagen lassen sich in Silohupen und Silobeben einteilen. Beide werden im Folgenden kurz erläutert. Silohupen Silovibrationen mit Frequenzen ab ca. 100 Hz sind hörbar und werden Silohupen genannt. Während des Abziehens von Schüttgut führen einzelne, periodische auftretende Erschütterungen zum Aufschwingen des Silos. Mit Lautstärken über 110 Dezibel stören diese Lärmemission in erheblichem Maße den laufenden Produktionsbetrieb sowie angrenzende Anwohner [2-4]. Wenn die Frequenzen der selbst erregten Schwingungen und die Eigenfrequenz des Silos zusammentreffen, können Resonanzen auftreten, welche das Silohupen zusätzlich verstärken [5]. Silovibrationen treten vermehrt bei hohen Füllständen, d.h. hohen, normal zur Silowand wirkenden Horizontalspannungen (σ h > 20 kpa) auf. Meist neigen schlanke, zylindrische Massenflusssilos mit dünnen Metallwänden und hohen Auslaufraten zum Silohupen [6-9]. Silobeben Niederfrequente Silovibrationen (bis ca. 10 Hz) werden als Silobeben oder auch Siloschlagen bezeichnet und wirken als kritische mechanische Beanspruchung auf das Bauwerk und dessen unmittelbare Umgebung ein [2, 10]. Das Silobeben kann in periodischen Abständen von Minuten bis Stunden auftreten [5]. Dadurch wirken Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 5

7 unzulässige, zyklische Stoßbeanspruchungen auf das Silofundament und die Silostruktur, wodurch diese beschädigt und geschwächt werden. Schlimmstenfalls kann dies zum Silokollaps führen. Silobeben tritt meist in hohen Massenflusssilos oder in gedrungenen Kernflusssilos und dort zumeist bei niedrigeren Austragsraten auf. Hier äußert sich das Silobeben zumeist durch einen pulsierenden Schüttgutfluss, welcher durch das schlagartige Fließen und Abbremsen des Schüttgutes zustande kommt [11, 12]. Eine hohe Neigung zu Silobeben haben daher spröde, kohäsionslose Schüttgüter, die auf Grund dieser Eigenschaften ein schlagartiges Abbremsen während des Ausfließens ermöglichen. Solche Schüttgüter sind u.a. Mais, Korn, Kohle, Eisenerz, spröde Plastikpellets, Rapssaat und Roggen [5] Ursachen für Silovibrationen Als Ursache für Silovibrationen werden dynamische Effekte angesehen, die durch den Schüttgutfluss im Silo angeregt werden und in Wechselwirkung mit der Silostruktur stehen. Bei Kernflusssilos werden Ungleichmäßigkeiten im Fließprofil als Ursache vermutet, hingegen bei Masseflusssilos innere Spannungspulsationen [9, 13, 14] und/oder das Oszillieren der Scherkraft zwischen den Reibpartnern Schüttgut/Schüttgut (innerer Stick-Slip) bzw. Schüttgut/Silowand (Wand-Stick-Slip) [3, 6, 7, 10, 15-17]. Die verschiedenen Anregungsmechanismen werden im Folgenden detailliert behandelt. Da granulare Medien teils die mechanischen Eigenschaften von Fluiden und teils die von Feststoffen besitzen, ist deren Verhalten bzw. die Neigung zu Schwingungsphänomenen nur schwer voraussagbar. Während die Geräuschentwicklungen durch konstruktive Eingriffe in die Silostruktur bereits weitestgehend unterdrückt werden können [18], sind die Ursachen des Silobebens bisher nicht bekannt. Stick-Slip bei der Wandreibung (kurz: Wand-Stick-Slip) Zur Bestimmung der Wandreibung bzw. des Wandreibungswinkels w in Schergeräten wird eine Schüttgutprobe, belastet von verschiedenen Wandnormalspannungen N bzw. Normalkräften F N, über eine Wandprobe geschoben (Abbildung 1). Die dafür notwendige Wandschubspannung bzw. Scherkraft F S wird gemessen. Forschungsarbeiten zur speziellen Problematik von Wandreibungseffekten werden u.a. in [19-28] vorgestellt. Wesentliche Einflussgrößen auf die Wandreibung, charakterisiert durch den Wandreibungswinkel w, sind hiernach: Oberflächenqualität der Festkörperwand (Rauheit, Richtungsstruktur, Oberflächenprofil, Benetzungseigenschaften) Oberflächenhärte und Materialart der Festkörperwand und des Schüttguts Fließfähigkeit des Schüttguts Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 6

8 Abbildung 1: Messung der Wandreibung von Schüttgütern im Jenike-Schergerät [5] Als Erklärungsansatz für die Entstehung von Silovibrationen ist in den letzten Jahren der Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung (kurz: Wand-Stick-Slip), dem sägezahnartigem Oszillieren der Scherspannung, in den Vordergrund gerückt. Die Stick-Slip-Schwingung kann durch die Amplitude und Anhand der Frequenz f charakterisiert werden (vgl. Abbildung 2). Abbildung 2: Sägezahnartiger Verlauf der Scherspannung bei der Wandreibung [4] Es gibt Annahmen, dass sowohl das Silobeben als auch das Silohupen durch den Stick-Slip-Effekt zwischen Silowand und Schüttgut hervorgerufen werden [2, 10, 12]. Nach Schulze müssen für das Auftreten von Stick-Slip zwei Bedingungen erfüllt sein: 1. Die Reibung nimmt mit zunehmender Relativgeschwindigkeit ab (d.h. Gleitreibung ist kleiner als Haftreibung) 2. Das System muss Schwingungen, für z.b. kleine Dämpfungen zulassen und elastische Energie speichern können. [5, 16] Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 7

9 VERWIJS et al. [29] entlehnen aus der Tribologie drei Mechanismen, die das Stick- Slip-Gleiten zwischen zwei relativ zueinander bewegten Festkörperoberflächen bewirken können: 1. Rauheitsbedingter Stick-Slip: Die Rauheitserhebungen zweier Oberflächen verhaken sich ineinander (Stick), nach überschreiten einer kritischen Spannung klinken sie sich aus, es kommt zur ruckartigen Entlastung (Slip) 2. Adhäsion der Rauheitserhebungen: Die Rauheitserhebungen zweier Oberflächen gehen einen adhäsiven Kontakt ein (Stick). Bevor die Adhäsionsstellen der Kontakte während des Scherens aufbrechen (Slip) müssen die Oberflächen zunächst eine gewisse Distanz kriechen 3. Geschwindigkeitsbedingter Stick-Slip: s.u. Schulze Ergänzend zur Tribologie werden die Ursachen und Mechanismen des Stick-Slip- Effektes bei der Scherbeanspruchung von Schüttgütern in der Fachliteratur z.t. unterschiedlich interpretiert: SCHWEDES [30] geht von einer alternierenden Haft- und Gleitreibung aus, womit unterstellt wird, dass die Gleitgeschwindigkeit in der Stick-Phase gleich Null wird. TOMAS [31] sieht den Wechsel zwischen Gleit- und Rollreibung als wesentlichen Mechanismus an. BUDNY [32] begründet den Stick-Slip-Effekt als einen Wechsel im elastisch plastischen Verhalten der Schüttgüter. SCHULZE [4, 5] betrachtet eine Abnahme des Reibungskoeffizienten mit der Relativgeschwindigkeit als Voraussetzung für das Eintreten von Stick-Slip, was sowohl durch einen mit der Haftzeit zunehmenden Haftreibungsbeiwert als auch einen mit der Gleitgeschwindigkeit abnehmenden Gleitreibungsbeiwert unterstützt wird. Dabei nehmen die Stick-Slip-Amplituden der Scherspannung mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab und verschwinden häufig oberhalb bestimmter Schergeschwindigkeiten. ŠMID [33] führt das Auftreten von Stick-Slip-Schwingungen eines Schüttguts gegenüber einer Wand auf die Speicherung der Deformationsenergie infolge von Adhäsion zurück. In diesem Zusammenhang wird nicht ausgeschlossen, dass sich die Schergeschwindigkeit eines Schertests auf den Wand-Stick-Slip hinsichtlich Frequenz und Amplituden auswirken kann. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 8

10 CHAVEZ-SAGARNAGA et al. [7] untersuchten die Partikel-Partikel und Partikel-Wand- Wechselwirkungen um das Silohupen mit einfachen Testmethoden vorherzusagen. Im Fokus stand hierbei ein möglicher Zusammenhang zwischen Silohupen und Stick-Slip- Reibung. Für die Versuche wurde ein Jenike-Schergerät benutzt. Die verwendeten Materialien rufen in Siloanlagen Silohupen hervor (Polyethylenterephthalat: PET) bzw. sind diesbezüglich unkritisch (Polypropylen: PP). Neben dem Silohupen verursachen die PET-Pellets auch Stick-Slip im Jenike-Schergerät, die PP-Pellets jedoch beides nicht. Auch SCHNEIDER [15] erkannte, dass für Produkte die einen Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung zeigen (z. B. Kunststoffgranulate, Kohle, Zementklinker), bei bestimmten Spannungsbedingungen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für Silohupen besteht. Demnach treten die Hupgeräusche während des Ausfließens von Kunststoffgranulaten dann auf, wenn das Spannungsniveau im Silo die Vertikalspannung von v = 50 kpa bzw. Horizontalspannung h = 21 kpa überschreitet. Entsprechend zeigen seine Wandreibungsmessungen mit PET-Pellets gegen AlMg3 eine Stick-Slip-Charakteristik, wobei sich die Amplitude tendenziell bei Zunahme der Wandnormalspannung vergrößert. Bei eigenen Untersuchungen [34] zum Wandreibungsverhalten von Salzgrus gegenüber einer glatten Wandfläche hing das Stick-Slip-Verhalten von der Feuchteabsorption aus der Atmosphäre ab. Dabei zeigten frisch getrocknete Proben keinen Stick-Slip-Effekt. Weiterhin beeinflusst im Fall von PET-Granulat die Mikrorauheit einer Metalloberfläche die Neigung des Schüttguts zum Wand-Stick-Slip: So tritt bei glatten Edelstahloberflächen der Stick-Slip-Effekt unmittelbar auf, bei rauen Oberfläche erst nach längeren Scherwegen oder gar nicht [35]. Die Messung des Stick-Slip-Verhaltens in Schergeräten wird jedoch in jedem Falle auch von den Eigenschaften des Messgerätes beeinflusst (Systemverhalten) [5]. Dies betrifft neben der Elastizität der Kraftmesseinrichtung auch z.b. die Gleichförmigkeit der durch das Gerät aufgeprägten Schergeschwindigkeit. In den bisher zitierten Arbeiten werden folgende Einflussgrößen auf den Wand-Stick- Slip von Schüttgütern genannt: Spannungszustand Schergeschwindigkeit Oberflächenzustand des Wandmaterials Schüttgutvorgeschichte (Zeitverfestigung) Schüttguteigenschaften (KGV, Form, Partikelrauheit, Fließeigenschaften) Umgebung (Sonneneinstrahlung / Temperatur und Luftfeuchte) Steifigkeit der Messapparatur Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 9

11 Eine konkrete Vorhersage von Silovibrationen mit konventionellen Schergeräten ist nur im eingeschränkten Maße möglich. SCHULZE [5] postulierte in diesem Zusammenhang: Stellt sich im Schergerät [... ] keine Slip-Stick-Reibung ein, kann man Slip-Stick im Silo nicht ausschließen, denn es besteht die Möglichkeit, dass das System Schüttgut im Schergerät keine Schwingungen erlaubt [... ], das System Schüttgut im Silo dagegen doch. Hinzu kommt, dass die Systemeigenschaften bei Wandreibungsversuchen im Vergleich zum Silo stark voneinander abweichen. So sind bei Wandreibungsversuchen unter Laborbedingungen die o.a. Haupteinflussgrößen weitestgehend konstant, während in einem Silo Spannungen, Gleitgeschwindigkeiten und Umgebungseinflüsse örtlichen und zeitlichen Schwankungen unterliegen. Eine andere, gängige Methodik zur Erforschung von Schwingungsphänomenen in Silos ist daher die Prüfung kritischer Schüttguter auf Stick-Slip-Reibung unter Verwendung von Modellsilos. WENSRICH erforschte dazu die Ursachen des Silobebens mit trockenem Sand in einem Plexiglas-Modellsilo [12]. Während des Silobebens wurde ein Pulsieren des Schüttgutes gemessen welche durch den Wand-Stick-Slip initiiert werden. Dem gegenüber stehen die Untersuchungen von MUITE et al. [20]. Hier konnte mit einem ähnlichen Versuchsaufbau Pulsationen unabhängig vom Wand-Stick-Slip gemessen werden. Die Messergebnisse zeigen, dass die Frequenz der Pulsationen eher von dem Fließen des Gutes während Stick-Phase bestimmt wird. Über die Veränderung der Steifigkeit des Versuchsaufbaues konnte erkannt auch werden, dass eine Wechselwirkung zwischen der Modellsilowand und dem Schüttgut nicht gegeben sein muss um Silobeben hervorzurufen. Seinen Beobachtungen nach ist die Stick- Slip-Frequenz ist abhängig von der Partikelform, der Rauheit und der chemischen Zusammensetzung des Schüttgutes, aber unabhängig von der Auslaufgeschwindigkeit des Schüttgutes aus dem Silo. Ebenfalls konnte MUITE, den Stick-Slip-Effekt zwischen Schüttgut und Silowand sowohl beim Silobeben als auch während des Silohupens nachweisen. Auch WILDE et al. [14] untersuchten die Neigung zu Silohupen von trockenem, rauem Sand beim Ausfließen aus einem zylindrischem Modellsilo. Hierbei wurden die Auslenkungen der Silowände während des Füllens und des Entleerens mit Sand mit Beschleunigungssensoren gemessen. Ein Zusammenhang zwischen Stick-Slip- Reibung und Silohupen war zwar nicht zu erkennen, wird aber auch nicht explizit ausgeschlossen. Den Untersuchungen von CHANIECKI et al. [36] zufolge entsteht das Silohupen durch eine vom Schüttgut initiierte, vertikale Stauchung der Silowand. Wird Schüttgut abgezogen, d.h. die Haftreibung an der Silowand überschritten, wird die Vertikalspannung auf die Wand schlagartig verringert und die Stauchung nimmt ab, wodurch die Silowand nach oben in vertikaler Richtung beschleunigt wird. Gleichzeitig Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 10

12 findet eine Beschleunigung in horizontaler Richtung statt, wodurch die Silowand zum Schwingen angeregt wird. Dieses Schwingen der Silowand in horizontaler Richtung kann im hörbaren Frequenzspektrum liegen. In einigen Untersuchungen [10, 37, 38] trat das Hupen im Modellsilo erst bei einer bestimmten Füllhöhe auf (ab ca. dem zweifachen des Schaftdurchmessers), welche als kritische Höhe h c bezeichnet wird. Die kritische Höhe ist dabei von den Eigenschaften und der Geschwindigkeit des bewegten Schüttgutes abhängig. Mit zunehmender Abzugsgeschwindigkeit verringert sich die kritische Höhe. Ist die Gesamthöhe des Silos kleiner als die kritische Höhe, tritt kein Silohupen auf [37]. Dieses Phänomen ist auch aus industriell genutzten Siloanlagen bekannt [3]. Interpartikulärer/- innerer Stick-Slip Bereits JENIKE [39] beobachtete bei Messungen zur Scherfestigkeit einiger Schüttgüter ein Oszillieren der Scherkraft F S (innerer Stick-Slip). Abbildung 3: Prinzip der Scherzelle des Jenike-Schergeräts [5] Nach Ergebnissen von SCHULZE [4, 5] sind die Scherspannungsschwankungen beim inneren Stick-Slip mit Schwankungen der Schüttgutdichte in der gleichen Frequenz verbunden. Beim Anstieg der Scherspannung F S in der Stick-Phase dehnt sich das Schüttgut aus, mit Beginn des Gleitens (Slip-Phase) erfolgt schlagartig Verdichtung. Wenn diese periodischen Dichteänderungen auch beim Wand-Stick-Slip auftreten, resultieren daraus Pulsationen der Schüttgutspannungen. Diese Pulsationen nimmt TEJCHMANN [18] als eine Ursache der Silovibrationen an. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 11

13 Schlagartig bewegte Schüttgutmasse Plötzliche Bewegungen des Schüttgutes gefolgt von dessen schlagartigem Abbremsen führen ebenfalls zum Silobeben. Hierbei wirken Trägheitskraft der Schüttgutmasse beim Abbremsen und die Stärke der negativen Beschleunigung auf die Silostruktur. Nach WENSRICH [38] ist das Silobeben stark von der Höhe des Silos abhängig, wobei die Intensität mit steigender Höhe exponentiell zunimmt. In einem hohen Silo rufen zwei Wellen das Beben hervor. Die so genannte Verdünnungswelle, welche das Schüttgut herabrutschen lässt und eine Kompressionswelle, welche aus dem Abbremsen des bewegten Schüttgutes resultiert. Die Verdünnungswelle entsteht meist im Trichter und breitet sich nach oben hin aus. Die wirkenden Trägheitskräfte im Silo hängen u.a. von der Art des Schüttgutes ab. Je steifer ein Schüttgut ist (harte Schüttgüter), desto schneller wird es abgebremst und desto größer sind die auftretenden, nach unten gerichteten Trägheitskräfte. Bei feinkörnigeren und verdichtbaren Gütern (weiche Schüttgüter) ist zwar mit geringeren Trägheitskräften aber auch mit einer zunehmenden Verdichtung durch zunehmende Spannungen zu rechnen. Deswegen kann es bei feinkörnigem Schüttgut in großen Silos, in denen große Spannungen herrschen, zu Erschütterungen kommen, während dasselbe Gut in kleinen Silos ohne Erschütterungen fließt [5]. Auch tote Zonen im Kernflusssilo neigen zu schlagartigen Bewegungen. Dies passiert, wenn sich der Spannungszustand ändert, z.b. durch den Anstieg der Vertikal- oder den Abfall der Horizontalspannung [3]. Bei Untersuchungen mit Modellsilos konnte beobachtet werden, dass durch das plötzliche Absinken der obersten Schüttgutlage die Luft über dem Schüttgut zum Schwingen angeregt wird. Die Frequenz des Silohupens entsprach hierbei der Resonanzfrequenz der Luftsäule. MUITE et al. [10] sehen darin eine Ursache für Silohupen, wobei die Höhe der Luftsäule über dem Schüttgut ausschlaggebend ist für das Entstehen von Silohupen ist. Fällt die Schüttguthöhe unter die kritischer Höhe, hören das Pulsieren, sowie das Silohupen abrupt auf. BUICK et al. konnte dagegen keine Abhängigkeiten der Frequenz des Silohupens von der Höhe der Luftsäule über dem Schüttgut feststellen [6]. Andere Einflüsse Eine Ursache für Silovibrationen sieht MUITE et al. [10] unter anderem in dem Phänomen der dynamischen Brückenbildung. Eine Brücke überträgt Vertikalspannungen, die aus der Schüttgutmasse über der Brücke resultieren, horizontal auf die Silowand. Erfolgt die Bildung und das Zusammenbrechen einer Schüttgutbrücke zyklisch, wird das Pulsieren des Schüttgutes auf die Silostruktur übertragen. Diese daraus resultierende, periodische Anregung der Silowand kann Silovibrationen initiieren. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 12

14 Die Auslauföffnung eines Silos sollte daher eine genügende Größe haben, um Brückenbildung zu vermeiden. Dilatanz, bzw. das zyklische Ausbilden und Zerfallen von Kraftketten im Schüttgut, wird in einigen Literaturstellen als Ursache für das Entstehen Silovibrationen aufgeführt [38, 40, 41]. Beispielsweise nehmen kohäsionslose Schüttgüter, wie Sand, bereits beim lockeren Einfüllen eine verhältnismäßig dichte Packung ein, die Partikel sind aufgrund geringer Haftkräfte gut beweglich. Wird dem Partikelkollektiv eine Scherbeanspruchung auferlegt, werden die Sandkörner anfänglich verdichtet. Es kommt zur Ausbildung sogenannter Kraftketten. Nimmt die Belastung weiter zu, schieben sich einzelne Körner zwischen andere, was eine vertikale Ausdehnung zur Folge haben kann. Je größer die Partikel sind, umso stärker ist die vertikale Ausdehnung. Kommt es zum Abgleiten zwischen einzelnen Partikeln versagt die Kraftlinie. Dies geht mit einer Volumenverminderung einher. Nach Muite et al. [10] zeigt die Volumenausdehnung des Schüttgutes in einem Modellsilo allerdings keinen Einfluss auf Silovibrationen. Auch äußere Umwelteinflüsse, wie hohe Sonneneinstrahlung und Luftfeuchte beeinflussen das Silohupen [5, 42]. Erhöhte Temperaturen führen zu veränderten Festigkeiten (z.b. durch Anbacken) des Schüttgutes, welche die natürlichen und die selbst erzeugten Frequenzen des Silos beeinflussen. Ebenso unterliegt das Silomaterial aufgrund der Sonneneinstrahlung Eigenschaftsveränderungen. Durch die dadurch veränderte Kohäsion können Spannungen an der Silowand abfallen, was veränderte Fließprofile zur Folge hat. 3.2 Wirtschaftliche Problemstellung Vermeidung von Silovibrationen Wie im Kapitel gezeigt wurde, ist es derzeit nicht möglich, Silovibrationen anhand normierter Labortests vorherzusagen, da der kausale Zusammenhang zwischen Einflussgrößen und Vibration derzeit nicht abschließend geklärt ist. Dies hat zur Folge, dass diese Fließstörungen bei der Auslegung von Siloanlagen nur in unzureichendem Maße mittels Abschätzungen und Sicherheitsfaktoren berücksichtigt werden kann. Werden die Silovibrationen erst im Betrieb einer Anlage bemerkt, sind die damit verbundenen Folgekosten hoch. Da die Silovibrationen teils erst durch eine Kombination von Einflussfaktoren hervorgerufen werden, sind Gegenmaßnahmen entsprechend schwierig abzuschätzen. Im Folgenden sind einige Maßnahmen zur Vermeidung von Silovibrationen aufgeführt. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 13

15 Verändern der Silowände Nach TEJCHMANN [42] sind die Eigenschaften des Schüttgutes, die Beschaffenheit der Silowand und deren dynamische Interaktion ausschlaggebend für das Zustandekommen von Silohupen. Bei zunehmender Wandrauheit ist mit geringeren Amplituden der Silovibrationen zu rechnen. Dies gilt für kohäsive und kohäsionslose Schüttgüter [36]. Zum Dämpfen des Silohupens werden daher in der Praxis u.a. bestimmte Innenwandsegmente eines Silos aus Waffelblech eingebaut [15, 18, 43, 44]. Die dadurch geschaffene Erhöhung der Wandrauheit (Makrorauheit) ergibt einen größeren Wandreibungswinkel w, der zu einer Ausdehnung der Wandscherzone in das Schüttgut hinein führt und die direkte Schüttgut-Silowand Interaktion verringert oder ganz unterbindet. Gleichfalls werden die Vertikalspannung sowie der Horizontaldruck kleiner. Die Waffelbleche müssen auf das Schüttgut abgestimmt und dort angebracht werden, wo die größten Spannungspulsationen auftreten. Durch das Aufrauen der Siloinnenwände mit Waffelblechen ändert sich auch das Fließprofil im Silo. Im Falle von Kernfluss und rauen Wänden, dämpfen dann die toten Zonen sowie die Wandscherzonen die Spannungsübertragung zur Silowand und unterbinden so das Silohupen [36]. Dem entgegen stehen Erfahrungen der Antragssteller aus der Befahrung einer großtechnischen PET-Siloanlage, deren Zylinderinnenwand überwiegend aus Waffelblech besteht [43]. Hier wurde zwar während des Entleerungsprozesses kein Silohupen festgestellt. Vielmehr traten jedoch starke niederfrequente Schwingungen an der Siloanlage auf (Silobeben). Verändern der Spannungszustände Die Intensität von Silovibrationen hängt meist direkt von den im Silo wirkenden Spannungen ab. Durch die Verringerung der Schüttgutmasse, die ins Rutschen geraten könnte, z.b. durch die Verringerung der Füllhöhe, werden auch die Trägheitskräfte und Spannungen im Silo kleiner und somit Silovibrationen unwahrscheinlicher. Der Nachteil dieser Vorgehensweise besteht in einer geringeren Nutzungskapazität der Silos. Andere Möglichkeiten zur Verringerung von Spannungen bieten auch sogenannte verdrängende Einbauten in Kegel- oder Trichterform [5]. Sie dienen zur Beeinflussung des Fließprofils, indem sie die Fließzone erweitern. Kegel und Trichter sind im Siloinneren in der Nähe der Ausflussöffnung angelegt, wo das Schüttgut zwangsläufig um sie herum fließen muss und sich somit die Fließzone erweitert [43]. Darüber hinaus kann eine größere Auslauföffnung im Silo geschaffen, die dem Massenstrom angepasst ist, und/oder ein gleichmäßig abziehendes Austraggerät verwendet werden [5]. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 14

16 Eine letztgenannte Methode, Spannungen im Schüttgut zu verringern, ist das Hervorrufen von gewollten Erschütterungen. Die kann z.b. durch eine Luftkanone im Trichter oder Vibratoren geschehen. Diese erzwungenen Erschütterungen fallen meist geringer aus als beim Silobeben und belasten die Silostruktur entsprechend weniger [5]. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 15

17 4 Forschungsziel und Ablauf 4.1 Ziel des Projektes Die Untersuchungen sollen einen Beitrag zur Klärung der Fragestellung leisten, inwieweit das Wand-Slip-Stick-Verhalten eines Schüttgutes Silovibrationen hervorrufen kann. Es ist vorgesehen für ausgewählte Schüttgut/Wand-Kombinationen zunächst mit Scherversuchen die Gesetzmäßigkeiten des Slip-Stick-Verhaltens bei der Wandreibung, d.h. die Auswirkungen wesentlicher Einflussgrößen (Normalspannung, Schergeschwindigkeit, Wandrauheit) auf die Parameter des Slip- Stick-Mechanismus (Amplitude, Frequenz) zu untersuchen. Zur Absicherung der Arbeitshypothese, dass nur das Wand-Slip-Stick für Silovibrationen ursächlich ist, soll für die untersuchten Schüttgüter durch Scherversuche mit deutlich weiter variierten Schergeschwindigkeiten überprüft werden, ob wirklich keine Slip-Stick-Schwingungen bei der inneren Reibung auftreten. Der Nachweis, ob die Wand-Slip-Stick-Schwingungen ursächlich für Vibrationen in parallelwandigen Siloteilen sein können, soll durch Versuche mit einem speziell modifizierten Lambdameter geführt werden. Im Lambdameter wird eine Schüttgutprobe einer einaxialen, vertikalen Belastung in einem zylindrischen Gefäß ausgesetzt und die resultierende Horizontalspannung sowie der Bodendruck und die vertikale Reibungskraft auf die Wand gemessen. Für die o.a. Nachweisführung muss dieses Gerät so umgebaut werden, dass die Schüttgutprobe während der Messung unter den für das Auftreten von Wand-Slip-Stick erforderlichen Spannungen und Geschwindigkeiten, die zuvor in den Scherversuchen ermittelt wurden, durch den Messzylinder gleitet. Man simuliert auf diese Weise ein Schüttgut-Scheibenelement im zylindrischen Schaft eines Silos. Führt Wand-Slip-Stick bei der Gleitbewegung zu Silovibrationen, muss dies durch zuordenbare Schwankungen der o.a. Messgrößen nachweisbar sein. Ausgehend vom gegenwärtigen Kenntnisstand wird erwartet, dass das Forschungsvorhaben die kausalen Zusammenhänge ermittelt, die zwischen den makroskopischen Einflussgrößen auf das Slip-Stick-Verhalten, wie Wandrauheit, Spannungszustand oder Gleitgeschwindigkeit, den daraus resultierenden Slip-Stick- Parametern bei der Wandreibung (Amplitude und Frequenz) und letztlich der Art und Intensität der Vibrationsanregungen, die das mit Slip-Stick an der Silowand gleitende Schüttgut auf die Wand ausübt, bestehen. Die materialwissenschaftliche Erklärung des Slip-Stick-Phänomens als solches ist nicht Gegenstand des Vorhabens. Die Überprüfung der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Siloanlagen ist, wie o.a., nicht trivial, da äußerlich feststellbare Schwingungserscheinungen an Silos außer von der auslösenden Erregung in starkem Maße von den Schwingungseigenschaften der Siloanlage beeinflusst werden. Eine aus heutiger Sicht als aussichtsreich Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 16

18 erscheinende Möglichkeit wäre die Messung der Wandnormal- und Wandscherspannungen des Schüttgutes auf die Siloinnenwand im zylindrischen Siloteil mit Hilfe mehrkomponentiger Spannungsmesszellen /56/, /57/. Damit könnte bei ausreichend genauer Kenntnis der Rauheit der Siloinnenwand und hochpräzisem Einbau der Messzelle geprüft werden, ob analoge Schwankungen der Normal- und Scherspannung auftreten, wie sie nach den Spannungs- und Geschwindigkeitszuständen aus den Lambdameterversuchen zu erwarten wären. Derartige Messungen können wegen des beträchtlichen Aufwandes nicht durchgeführt werden. 4.2 Ablauf des Projektes Der Ablauf des Projektes gliedert sich in folgende Arbeitspunkte: A. Literaturrecherche B. Voruntersuchungen im Ringschergerät C. Voruntersuchungen im Großschergerät D. Oberflächenanalytik E. Beschaffung Messgeräte, Bauteile, etc. F. Umbau des Großschergerätes G. Adaption / Einarbeitung in die Messtechnik H. Lambdameterumbau (mit Konstruktion und Fertigung) I. Kalibrieren Lambdameter J. Lambdameterversuche K. Auswertung, Dokumentation, Berichte Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 17

19 5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Das Projekt ist eine Arbeit des Institutes für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik der TU Bergakademie Freiberg. Neben dieser Forschungsstelle haben folgende Firmen die Projektbearbeitung durch die Bereitstellung von Know How und Materialen unterstützt. BASF Aktiengesellschaft, Carl-Bosch-Str. 38, Ludwigshafen Di Matteo Förderanlagen GmbH & Co KG, Römerstr. 6-16, Beckum DOW Deutschland GmbH & Co KG, Bützflether Sand 9, Stade IWB Werkstofftechnologie GmbH, Carl-von-Bach-Str. 5, Chemnitz Schwedes & Schulze Schüttguttechnik GmbH, Pezvalstr. 56, Braunschweig Zeppelin Silos & Systems GmbH, Leutholdstr. 108, Friedrichshafen An dieser Stelle möchte sich der Autor, Stefan Jäckel, bei allen Bedanken, die bei der Bearbeitung des Projektes mitgewirkt haben. Insbesondere den Teilnehmer der Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses Dr. Johannes Härtl (BASF) Dr. Luigi Di Matteo (Di Matteo) Dr. Josef Weber (Dow) Thilo Süß (IWB) Harald Heinrici (Schwedes und Schulze Schüttguttechnik) Hans Schneider (Zeppelin) sei an dieser Stelle für die zahlreichen, wichtigen Anregungen gedankt. Dank gilt ebenso den Mitarbeitern, technischen Personal und Laboranten des Institutes für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik der TU Bergakademie Freiberg: Prof. Dr. Urs A. Peuker Dr. Thomas Mütze Ralf Schünemann Steffen Scholz Thomas Hantusch Kevin Bauer Elisabeth Schmidt Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 18

20 6 Ergebnisse Im Folgenden werden die Ergebnisse der einzelnen Arbeitspunkte inhaltlich zusammengefasst. Um die Themen geschlossen zu betrachten, weicht die folgende Gliederung etwas vom Arbeitsplan ab. 6.1 Versuchsmaterialien Die Materialauswahl erfolgte anhand von Erfahrungsberichten aus der Wirtschaft. In der Broschüre "Unerhört leise - das patentierte Antihupsystem von Zeppelin " der Firma Zeppelin [44] sind verschiedene Schüttgüter, haupsächlich jedoch Kunststoffgranulate, hinsichtlich Ihrer Neigung zu Silovibrationen aufgeführt. Als Versuchsmaterialien wurde ein amorphes Polyethylenterephthalat-Granulat (PET), vorliegend in Kugel- und Cylpepsform, sowie ein Polyethylen-Granulat (PE), vorliegend in Kugelform, ausgewählt. PET-Granulat ist bekannt dafür, dass es zur Anregung Silovibrationen neigt [5-7, 44]. PE-Granulat zeigt bezüglich Slilovibrationen keine Auffälligkeiten. Tabelle 1: Foto bzw. REM-Aufnahme der verwendeten Kunststoffgranulate Die Oberfläche der im Projekt hinsichtlich ihrer Slip-Stick-Neigung charakterisierten Schüttgüter (PE, PET-Kugelform, PET-Cylpepsform) wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Das PE Granulat hat eine von Tälern durchfurchte Oberfläche. Diese Täler sind vereinzelt von feinen PE-Brücken abgedeckt. PET- Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 19

21 Kugelgranulat zeigt eine schuppige Oberfläche. Diese lässt sich auch auf der Grundfläche von PET-Cylpepsgranulat finden, während deren Mantelfläche herstellungsbedingt (extrudieren) glattgezogen ist. Im Folgenden soll näher auf die Eigenschaften verwendeten Versuchsmaterialien eingegangen werden. Polyethylenterephthalat (PET) Polyethylenterephthalat (PET) ist ein weltweit wichtiges Zwischenprodukt, das z.b. zur Herstellung von Fasern und Verpackungen, insbesondere Flaschen und Folien, eingesetzt wird. Im Jahr 2008 betrug der weltweite Verbrauch an PET etwa 40 Mio. Tonnen[1]. PET gehört zur Gruppe der Polyester und wird aus den Monomeren Terephthalsäure und Glykol synthetisiert. Der Aufbau der Polymerketten wird gezielt verändert, um die Eigenschaften der späteren Produkte zu bestimmen. PET ist polar, wodurch starke zwischenmolekulare Kräfte existieren, und ein Thermoplast, dass sich unter Hitze (ca. 250 C) verformen lässt. PET kann sowohl eine amorphe oder auch halbkristalline Struktur aufweisen. Das halbkristalline PET erscheint opak weiß, besitzt eine hohe Festigkeit und ist trotzdem gut dehnbar. Amorphes PET erscheint meist transparent und. hat eine geringere Steifheit und Härte [1]. Die beiden im Forschungsprojekt verwendeten PET-Granulate sind durchscheinend, wobei das PET-Kugelgranulat einen grünlichen Schimmer aufweist. In eigenen Untersuchungen (Abbildung 47) wurde mittels Infrarotspektroskopie nachgewiesen, dass die PET-Kugeln und PET- Cylpeps trotz unterschiedlicher Färbung chemisch identisch aufgebaut sind. Die PET-Kugeln haben einen Durchmesser von etwa 2 mm und weisen mitunter Grate auf. Die Cylpeps haben eine zylindrische Form und sind transparent. Sie haben einen Durchmesser und eine Höhe von etwa 3 mm. Die beiden in den Untersuchungen verwendeten Kunststoffgranulate wurden von der Firma DOW zur Verfügung gestellt. Die Feststoffdichte liegt laut Hersteller bei 1,33 g/cm³ und die Schüttdichte bei 0,88 g/cm³. Das PET in Kugelform wird im Folgenden als PET_k und das PET in Cylpepsform als PET_c bezeichnet. Polyethylen (PE) Als im Bezug auf Silovibrationen unkritisches Schüttgut gilt laut [44] Polyethylen (PE). Polyethylen ist mit einem Anteil von ca. 29 Prozent der weltweit am meisten produzierte Kunststoff. Im Jahr 2001 wurden 52 Millionen Tonnen hergestellt. Polyethylen (auch Polyethen) ist ein teilkristalliner thermoplastischer Kunststoff mit wachsartiger Oberfläche. Er gehört zur Gruppe der Polyolefine. PE wird für die Herstellung von Behältern, Plastiktüten, Getränkekisten, Mülltonnen, Rohre etc. verwendet. Hergestellt wird PE durch Polymerisation des Monomers Ethen. Bei Zimmertemperatur ist der Kunststoff weich, die Zähigkeit und Chemikalienfestigkeit Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 20

22 des Stoffes sind gut. PE ist ohne zugesetzte Farbpigmente durchscheinend aber nicht durchsichtig. Je nach Herstellungsverfahren variiert seine Feststoffdichte zwischen 0,90...0,965 g/cm³, wodurch die physikalischen Eigenschaften beeinflusst werden können. Vorteile bietet der Kunststoff in seiner Geruchs- und Geschmacksneutralität sowie Lebensmittelechtheit, hohe Transparenz, leichte Verarbeitung, hohe Verschweißbarkeit, lange Lebensdauer, hohe Belastbarkeit und gute Recyclebarkeit [24] [25]. Das für Versuche verwendete PE-Granulat ist zylindrisch mit einer Höhe von etwa 2 mm, einem Durchmesser von etwa 4 mm und einer milchig weißen bis transparenten Farbe. 6.2 Voruntersuchungen In den Voruntersuchungen wurden für die in Tabelle 1 aufgeführten Kunststoffgranulate Fließorte und Wandfließorte bestimmt. Währendessen lag der Fokus auch auf dem gezielten Herbeiführen von interpartikulärer Stick-Slip-Reibung oder Stick-Slip als Partikel-Wand-Interaktion sowie auf der Ermittlung der dafür notwendigen Parameter und Umgebungsbedingungen. Im Anschluss daran folgten Parameterstudien zum Einfluss von Normalspannung, Schergeschwindigkeit und Oberflächenrauheit auf die maximale Scherspannung, Amplitude und Frequenz des Stick-Slip-Effektes. Da sich bereits in Testversuchen zeigte, dass das PE-Granulat weder zu interpartikulären noch zu Wand-Stick-Slip neigt, wurde ein Großteil dieser Versuche mit den beiden in der Kornform unterschiedlichen PET-Granulaten durchgeführt. Abschließend wurden im Rahmen der Vorversuche alle Versuchsmaterialien Lambdameter untersucht Bestimmung der Fließeigenschaften Verwendete Schergeräte Zur Bestimmung der Fließeigenschaften der Versuchsmaterialien nach DIN [45] wurden die zwei der am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik vorhandenen Schergeräte verwendet (Abbildung 4): Ringschergerät RST01.01 (Fa. Schulze, kurz: RSG), Zellenvolumen V RSG = 0,55 l Jenike-Großschergerät (Eigenbau, kurz: GSG), Zellenvolumen V GSG = 5,6 l. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 21

23 Abbildung 4: Verwendete Schergeräte, links: Ringschergerät, rechts: Jenike- Großschergerät (vor der Modernisierung). Im Rahmen des Projektes ist das Jenike-Großschergerät bezüglich Aufbau und Messwerterfassung grundlegend modernisiert worden, da es als Basis des Zwischenversuchsstandes diente: Einbau einer neuen Biegestabwägezelle HBM Z6GC3/500 kg Montage eines neuen Messverstärkers HBM MVD 2555 im abgeschirmten Schaltschrank USB-6215 Messkarte (A/D-Wandler) National Instruments im abgeschirmten Schaltschrank mit Anbindung zum Messrechner Montage von Endschaltern zur Begrenzung des Scherweges Modernisierung und Anpassung der Steuerung im abgeschirmten Schaltschrank Beidseitige Montage von Not-Aus-Schaltern Programmierung einer Messwerterfassung mit LAB-View Die Aufnahme und Auswertung von Scherkraftverläufen am Jenike-Großschergerät erfolgt nun rechnergestützt. Untersuchungen mit dem Jenike-Großschergerät Für alle zur Verfügung stehenden Kunststoffgranulate wurden im Jenike- Großschergerät die Fließorte bestimmt. Ein Stick-Slip-Effekt, hervorgerufen durch Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 22

24 interpartikuläre Wechselwirkungen in der Scherzone, konnte weder bei PE noch bei PET-Granulat gemessen werden. Jedoch konnte der Einfluss der Kornform des PET- Granulates auf den inneren Reibungswinkel e nachgewiesen werden (Abbildung 5). Die PET-Kugeln zeigten einen kleineren inneren Reibungswinkel ( e = 32 ) als die PET- Cylpeps ( e = 34,5 ). Die kantigere Form der Cylpeps ermöglicht durch Verhaken der einzelnen Partikel untereinander die Ausbildung eines festeren Kontinuums während die runden Kugeln leichter aufeinander abrollen. Abbildung 5: Einfluss der Partikelform auf die Fließorte im Jenike-Großschergerät In Wandreibungsversuchen wurde der Wandreibungswinkel w in Anhängigkeit der Wandrauheit für alle Versuchsmaterialien bestimmt. Eine in der Industrie für Silovibrationen bekannte Schüttgut-Wand-Paarung ist monodisperses PET-Granulat in Siloanlagen aus AlMg3. Für die Wandreibungsversuche im Großschergerät wurden daher als Wandproben AlMg3-Platten (d = 1,2 mm) benutzt. Mit einem handelsüblichen Schwingschleifer und Schleifpapier verschiedener Körnung wurden auf AlMg3-Wandproben unterschiedliche Rauhigkeiten erzeugt ( Tabelle 2). Der auf den Platten anhaftende Schleifstaub wurde im Anschluss mit Wasser und einer Bürste entfernt. Die Oberflächenrauheit der für den Silobau üblicherweise verwendeten AlMg3-Platten liegt im Lieferzustand bei Ra = 0,3 µm. Die gleiche Wandrauheit wurde für die in den Wandscherversuchen verwendeten AlMg3- Wandproben gemessen. Die Messung der Wandrauheit erfolgte nach DIN EN ISO 4287 mit dem Tastschrittverfahren. Dafür wurde das für das Projekt angeschaffte HOMMEL T1000 Rauhigkeitsmessgerät verwendet. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 23

25 Tabelle 2: Erzeugte Wandrauhigkeiten für Wandreibungsversuche im Großschergerät Die Ergebnisse der Wandreibungsversuche mit PET-Cylpeps (Abbildung 6, links) und PET-Kugelgranulat (Abbildung 6, rechts) im Jenike-Großschergerät sind in? dargestellt. Der Wand-Stick-Slip konnte nur für die Kombination PET-Cylpeps/AlMg3- Platte der Rauhigkeit Ra = 0,6 µm, nach ca. 2 cm Anscheren beobachtet werden. Die Fehlerbalken in Abbildung 6 links, geben die Amplitude der Scherspannungsschwankungen (Stick-Slip-Reibung) an. Die PET-Kugeln zeigten in den Wandreibungsversuchen keinen Slip-Stick-Effekt (vgl. Abbildung 6, rechts), obwohl auch dieses Material in AlMg3-Silos laut Industrie zu Silovibrationen neigt. Für glattere Wandproben (Ra = 0,3 µm) bzw. rauere Wandproben (Ra = 1,8 µm) wurde kein Stick-Slip-Effekt gemessen. Abbildung 6: Ermittlung der Wandfließorte in Abhängigkeit der Wandrauigkeit mit dem Großschergerät (Links: PET-Cylpepsform, Rechts: PET-Kugelform) Die ermittelten Wandreibungswinkel w steigen für beide PET-Granulatformen mit zunehmender Oberflächenrauheit Ra an. Für die Oberflächenrauheit Ra = 0,3 µm liegt Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 24

26 der Wandreibungswinkel des PET-Kugelgranulates mit w = 7,3 unter dem Wandreibungswinkel von PET-Cylpepsgranulat ( w = 9,5 ). In den anschliessend durchgeführten Versuchsreihen wurden der Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Stick-Slip-Frequenz f (s. Abbildung 7, links) und der Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Amplitude des Stick-Slip- Effektes (s. Abbildung 7, rechts) untersucht. Die Versuche wurden ausschließlich mit PET-Cylpepsgranulat auf AlMg3- Wandproben der Rauheit Ra = 0,6 µm durchgeführt, da hier ein stabiler Stick-Slip-Effekt zu erwarten war. Es wurden die Literaturangaben [4] bestätigt, wonach sich mit steigender Schergeschwindigkeit die Stick-Slip-Frequenz erhöht. Die Stick-Slip-Frequenzen selbst sind mit Werten von f < 1 Hz bei einer Schergeschwindigkeit von v S = 16 mm/min gering im Vergleich zu den Frequenzen von Silovibrationen (f 100 Hz). Zudem zeigt sich ein zunehmender Einfluss der Normalspannung auf die Frequenz des Wand-Stick-Slip mit steigenden Schergeschwindigkeiten. Bei Schergeschwindigkeiten von v S = 16 mm/min nimmt die Frequenz der Stick-Slip- Schwingung mit steigender Normalspannung ab (vgl. Abbildung 7, links). Bei einer Schergeschwindigkeit von v S = 1,3 mm/min ist die Stick-Slip-Frequenz nahezu unabhängig von der Normalspannung. Die Stick-Slip-Frequenz liegt hier bei etwa f = 0,05 Hz. Während der Scherversuche äußerte sich dies in einem leisen Knacken alle 20 s, verursacht durch ein schlagartiges Abfallen der Scherspannung durch einen Slip-Event. Abbildung 7: Parametervariationen im Jenike-Großschergerät (Links: Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Stick-Slip-Frequenz, Rechts: Einfluss der Normalspannung auf die Amplitude des Stick-Slip-Effektes) Proportional mit ansteigender Normalspannung steigt die Amplitude des Stick-Slip- Effektes (vgl. Abbildung 7, rechts), wobei auch hier die Schergeschwindigkeit einen Einfluss hat. Bei Normalspannungen um N = 20 kpa ist die Stick-Slip-Amplitude bei Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 25

27 einer Schergeschwindigkeit von 1,3 mm/min ca. 30 % höher im Vergleich zur höchsten untersuchten Schergeschwindigkeit von 16 mm/min ist ) um ca. 1/3. Bei höheren Normalspannungen verliert die Schergeschwindigkeit an Einfluss auf die Stick-Slip- Amplitude. Untersuchungen mit dem Ringschergerät Die im Ringschergerät ermittelten effektiven Reibungswinkel für PET-Cylpeps ( e = 32,3 ) und PET-Kugeln ( e = 27,9 ) liegen im Größenbereich der im Großschergerät ermittelten Werte (s. Abbildung 8). Da das Scherzellenvolumen der Ringscherzelle geringer ist als das des Großschergerätes tritt hier die Abhängigkeit der Fließorte von der Kornform deutlicher zu Tage. Abbildung 8: Fließortmessungen im Ringschergerät mit PET-Granulat, Einfluss der Partikelform Wie im Großschergerät konnte auch während der Bestimmung der Fließorte im Ringschergerät für alle Versuchmaterialien kein interpartikulärer Stick-Slip-Effekt gemessen werden. Die ringförmigen AlMg3-Wandproben für das Ringschergerät wurden von der Fa. Seidel Werkzeugbau gefertigt. Aufbauend auf die Ergebnisse zum Einfluss der Oberflächenrauheit im Großschergerät wurden neben dem Lieferzustand der Wandproben (Ra = 0,3 µm) zwei Abstufungen der Oberflächenrauheit (Ra = 0,6 µm und 1,8 µm) sowie eine weitere Wandprobe mit Ra = 1,2 µm hergestellt. Die Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 26

28 Oberfläche der Wandproben wurde mittels Korundstrahlen bei dem Mitglied des Projektbegleitenden Ausschusses IWB Werkstofftechnologie GmbH aufgeraut. Die Wandscherversuche im Ringschergerät wurden nach DIN abhängig von Wandrauhigkeit und Normalspannung für alle Versuchsmaterialien durchgeführt. Dabei trat für keines der Kunststoffgranulate ein Stick-Slip-Effekt auf. Beim Ringschergerät RST01.01 ist das maximale Auflagegewicht auf 25 kg beschränkt. Mit mittlerer Schüttgutmasse und Masse des Wegsensors entspricht dies einer Normalspannung von N = 11 kpa. In Anlehnung an [46] wurde maximale Normalspannung auf N = 40 kpa erhöht, wodurch bei den PET-Cylpeps eine Stick- Slip-Reibung hervorgerufen werden konnte. Während dieser Stick-Slip-Effekt im Großschergerät bereits bei Normalspannungen von ca. N = 4 kpa auftritt, tritt er im Ringschergerät bei gleicher Rauheit der Wandprobe (Ra = 0,6 µm) erst ab ca. N = 15 kpa auf. In Abbildung 9 ist auch zu sehen, dass auch hier die Stick-Slip-Amplitude der Scherspannung mit steigender Normalspannung größer wird. Ein stationäres Oszillieren der Scherspannung konnte aber erst nach einer Anscherprozedur von ca. t = 5 min und nur für die Wandproben mit der Oberflächenrauheit von Ra = 0,6 µm gemessen werden. Für die Messung der Wandreibungswinkel w der beiden PET- Granulate wurde daher entschieden, vor den Wandscherversuchen jeweils eine verlängerte Anscherphase (t = 50 min) durchzuführen (Abbildung 10). Hier zeigte sich, dass nach einer genügend langen Anscherzeit (t > 20min) auch auf der Wandprobe der Rauheit Ra = 1,2 µm ein stabiler Wand-Stick-Slip auftritt. Abbildung 9: Stick-Slip-Effekt in Abhängigkeit der Normalspannung Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 27

29 Ein stationäres Fließen mit einem sägezahnartigen Verlauf der Scherspannung konnte aber erst nach einer Anscherprozedur von ca. t = 5 min und nur für die Wandproben mit der Oberflächenrauheit von Ra = 0,6 µm gemessen werden. Für die Messung der Wandreibungswinkel w der beiden PET-Granulate wurde daher entschieden, vor den Wandscherversuchen jeweils eine verlängerte Anscherprozedur (t = 50 min) durchzuführen (Abbildung 10). Hier zeigte sich, dass nach einer genügend langen Anscherzeit (t > 20min) auch auf der Wandprobe der Rauheit Ra = 1,2 µm ein stabiler Wand-Stick-Slip auftritt. Abbildung 10: Einfluss der Wandrauheit auf den Stick-Slip-Effekt während einer verlängerten Anscherprozedur Es wird vermutet, das Wand-Stick-Slip eine stabile Scherzone zwischen Schüttgut und Wandprobe vorraussetzt. Mit steigender Wandrauheit kann die stabile Scherzone durch Umordung einzelner Granulatkörner gestört werden bzw. sich in das Schüttgut hinein ausdehnen. Bei der rauesten Wandprobe (Ra = 1,8 µm) wird davon ausgegangen, dass sich die Scherzone wesentlich ins Schüttgut verlagert hat, es dominieren Platzwechselvorgänge. Ein stabiler, sägezahnartiger Verlauf der Scherspannung kommt nicht zu stande, vielmehr kommt es hier zu einem plötzlichen, nicht periodischem Abfallen der Scherspannung. Die Mechanismen, die diesen Übergang bedingen, konnten im vorliegenden Forschungsprojekt nicht untersucht und geklärt werden und bilden damit einen Ansatz weiterer Untersuchungen. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 28

30 Abbildung 11: Ermittlung der Wandfließorte in Abhängigkeit der Wandrauigkeit mit dem Ringschergerät (Links: PET-Cylpepsform, Rechts: PET-Kugelform) Die Ermittlung der Wandreibungswinkel w mit dem Ringschergerät ergaben mit den Versuchen im Großschergerät vergleichbare Ergebnisse (s. Abbildung 11, Links). Mit steigender Wandrauigkeit steigt auch der im Ringschergerät gemessene Wandreibungswinkel. Der Einfluss der Kornform auf die Wandreibungswinkel ist im Ringschergerät mit w = 11,2 für PET-Cylpeps und w = 4,3 für PET-Kugeln bei Ra = 0,3 µm auf Grund des kleineren Scherzellenvolumens deutlicher ausgeprägt als im Jenike- Großschergerät. Das Auftreten des Slip-Stick-Effekts für PET-Cylpeps beschränkt sich bei Versuchen mit einer AlMg3-Wandprobe auf einen Rauhigkeitsbereich von 0,6 µm < Ra < 1,2 µm (siehe Fehlerbalken Abbildung 11, Links). Für die Messungen mit der Wandprobe Ra = 1,7 µm wird, bedingt duch eine automatisierte Auswertung, die Scherspannungsamplitude des instabilen Stick-Slip als Fehlerbalken angegeben. Für PET-Kugeln und PE-Granulat konnte im Ringschergerät auch bei verlängerter Anscherprozedur kein stabiler Stick-Slip gemessen werden (s. Abbildung 11, Rechts). Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 29

31 6.2.2 Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen Stick-Slip-Schwingungen können für die vorliegenden Schüttgüter im Rahmen von Wandreibungsversuchen in konventionellen Schergeräten nur für das PET- Cylpepsgranulat hervorgerufen werden. Der Einfluss der Oberflächenrauheit Ra, der Normalspannung N und der Schergeschwindigkeit v S ist in Tabelle 3 schematisch dargestellt. Tabelle 3: Übersicht der Einflussgrößen auf den Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung Um Stick-Slip-Erscheinungen während Wandreibungsversuchen erzeugen zu können, muss den Ergebnissen zufolge zunächst eine bestimmte Oberflächenrauheit vorliegen. Bei zu glatten bzw. zu rauen Oberflächen tritt kein Wand-Stick-Slip auf. Treten Stick-Slip-Schwingungen auf, lassen sie sich in der Frequenz f und in der Amplitude variieren. So steigt mit steigender Normalspannung die Amplitude bei gleichzeitiger Verminderung der Stick-Slip-Frequenz an. Es wird daher vermutet, dass sich durch sehr hohe Normalspannungen auch bei niedrigeren Rauheiten Slip-Stick einstellen lässt. Die Erhöhung der Schergeschwindigkeit v S verringert die Stick-Slip- Amplitude bei gleichzeitiger Zunahme der Frequenz f. Um eine hörbare Stick-Slip-Schwingung z.b. im Großschergerät erzeugen zu können (f 100 Hz) müsste demnach die Schergeschwindigkeit mindestens um den Faktor 100 erhöht werden. Gleichzeitig müssten extreme Normalspannungen aufgebracht werden, da die Erhöhung der Schergeschwindigkeit mit einer Absenkung der Stick- Slip-Amplitude einher geht. Beides ist mit konventionellen sowie den im Rahmen der Voruntersuchungen leicht modifizierten Schergeräten technisch nicht umsetzbar, da diese für exakte Messungen bei deutlich geringeren Belastungen konzipiert sind Tribologische Untersuchungen Ein wichtiger Einflussfaktor für das Auftreten von Stick-Slip ist die Beschaffenheit, insbesondere die Rauigkeit der Oberfläche der Wandprobe. Wird die Oberfläche einer Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 30

32 Scherbeanspruchung ausgesetzt, finden im Kontaktpunkt durch Abrassion und / oder Adhäsion über die Beanspruchungszeit Veränderungen an der Wandprobenoberfläche statt. Mit einem Tribometer (Abbildung 12) wurden diese Veränderungen der Oberfläche von AlMg3 Wandproben bei langen Scherwegen in Stift-Scheibe Versuchen betrachtet. Während des Tribometerversuches wird ein PET-Kunststoff- Zylinder, der auf einem Sensorpaket befestigt ist, mit einer definierten Kraft auf eine rotierende Wandprobe gepresst. Eine rotierende AlMg3 Wandprobe führt dabei die Relativbewegung aus. Abbildung 12: Stift-Scheibe-Versuche Tribometer Versuchsaufbau Um konstante Materialeigenschaften während der Versuche zu gewährleisten, wurde durch eine Infrarot-Kamera überprüft, dass die an der PET-Probe entstehende Reibungswärme nicht die Glasübergangstemperatur von PET (T G = 80 C) überschreitet [47-49]. Die Analyse beanspruchter Oberflächen und Versuchsmaterialien erfolgte mit dem Rasterelektronenmikroskop und der FTIR Spektroskopie (Fourier-Transform-Infrarot- Spektrometer) [6-7]. Der verwendete PET-Klotz wurde mittels FTIR-Spektroskopie untersucht, wobei die gleiche chemische Zusammensetzung wie das in Scherversuchen verwendete PET-Granulat nachgewiesen wurde (Abbildung 47, Anhang). In Abbildung 13 ist der Verlauf der Gleitreibungszahl µ G zwischen PET und AlMg3 über die Beanspruchungsdauer aufgetragen. Während der ersten Umdrehung der Wandprobe (t = 15 s) fällt die Gleitreibungszahl auf einen konstanten Wert von etwa µ G = 0,15. Dies ist begründet durch den Einschleifvorgang, bei dem Probe und Wandmaterial durch tribologische Beanspruchung geglättet werden. Der Anstieg der Gleitreibungszahl (v = 8 U/min ab ca. 130 s) ist im Überschreiten der Glasübergangstemperatur durch Reibungswärme begründet. Die Rotationsgeschwindigkeit während der Versuche wurde mittels Laserdrehzahlmesser ermittelt. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 31

33 Abbildung 13: Reibwert für PET auf AlMg3, ermittelt im Tribometer Durch REM-Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass auf der beanspruchten AlMg3- Wandoberfläche nichtleitende Rückstände in Oberflächenvertiefungen eingelagert sind (Abbildung 14, links). Mittels Infrarotspektroskopie wurden diese Einlagerungen als PET identifiziert (Abbildung 14, rechts). Abbildung 14: links: REM Bild von PET-Ablagerungen auf AlMg3, rechts: FTIR- Spektrum von Spuren von PET auf AlMg3 (blaue Kurve) Auf Grund der PET-Einlagerungen verringert sich somit die Rauheit der Wandproben nach der Beanspruchung. Ein signifikanter Unterschied der Oberflächenrauhigkeit zwischen blanken Wandproben und beanspruchten Wandproben konnte jedoch mit Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 32

34 dem Tastschrittverfahren im Hommel Tester nicht festgestellt werden. Grund dafür könnte die zu hohe mechanische Beanspruchung der Ablagerungen während der Rauhigkeitsmessung mit dem Rauhigkeitsmessgerät HOMMEL T1000 sein. Ein weiteres Resultat der Untersuchungen mit dem Tribometer ist, dass sich akute Oberflächenveränderungen erst über sehr lange Zeiträume, d.h. sehr lange Scherwege bemerkbar machen. Während der Versuche mit dem Tribometer konnte kein Stick-Slip-Effekt beobachtet werden. Vermutlich ist die Rotationsgeschwindigkeit der AlMg3 Wandprobe zu hoch, welche mangels Getriebeuntersetzung am Tribometer nicht weiter reduziert werden konnte. 6.3 Konstruktiver und messtechnischer Umbau des Lambdameters zum Modellsilo Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojektes sollte das am Institut für Mechanische Verfahrentechik und Aufbereitungstechnik vorhandene Lambdameter mechanisch und automatisierungstechnisch so weiterentwickelt werden, dass eine vertikal belastete Schüttgutprobe durch einen verlängerten Messzylinder gleitet. Diese Bewegung sollte unter den für das Auftreten von Wand-Stick-Slip in Siloanlagen erforderlichen Spannungen und Geschwindigkeiten erfolgen. Klein- oder halbtechnische Versuchssilos waren für eine experimentelle Untersuchung der Stick- Slip-Erscheinungen aufgrund zu niedriger Spannungsniveaus nicht geeignet. Abbildung 15: Links: Funktionsprinzip Lambdameter ( s u = 0), Rechts: Funktionsprinzip modifiziertes Lambdameter ( s u > 0) Im Lambdameter wird eine Schüttgutprobe einer vertikalen Belastung durch die Last (F N,max = 1000 kg) in einem Messring mit festem Zellenboden (D MR = 300 mm, h MR = 80 mm) ausgesetzt. Der Zellenboden ist dabei nicht mit dem Messring Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 33

35 verbunden. Während der stufenweise erfolgenden Kompaktierung des Schüttgutes erfolgt über eine voll automatisierte Messprozedur die Aufnahme der resultierenden Horizontalspannung σ h, des Bodendrucks F B und der vertikale Reibungskraft F MR (s. Abbildung 15, Links, bzw. [50, 51]). Im Unterschied dazu soll bei einem Versuch im Modellsilo auf Lambdameterbasis das verpresste Schüttgut über einen absenkbaren Zellenboden durch den Messzylinder bewegt weden (s. Abbildung 15, rechts). Die Auflast F N zum Verpressen des Schüttgutes wird auch hier durch einen Pneumatikzylinder aufgegeben. In beiden Fällen werden die Horizontalspannungen direkt über an der Außenwand des Messzylinders angebrachten Dehnungsmessstreifen (DMS) gemessen. Im Messring des Lambdameters erfolgt dies auf einer Messebene mit 3 DMS-Vollbrücken. Im erhöhten Messring des Modellsilos soll die Messung der Horizontalspannungen während des Ansenkens auf 2 Messebenen mit jeweils 3 DMS-Vollbrücken erfolgen. Zum Aufstellen einer Kräftebilanz werden zusätzlich die Vertikalspannungen auf Zellenboden und -deckel sowie die Stützkräfte auf den Messring über Kraftmessdosen gemessen. Die durch Verpressung auftretenden Volumenverluste des Schüttgutes und Dilatation während des Abfahrens werden durch laseroptische Wegmessung aufgezeichnet. Der Fokus der Untersuchungen mit dem Modellsilo auf Lambdameterbasis liegt in der Bewertung horizontaler Schüttgut-Wand-Interaktionen, die in der Literatur als eine der Hauptursachen für die Anregung von Silovibrationen gelten. Dafür ist eine hochaufgelöste Messung der im Messzylinder auftretenden Horizontalspannungen σ h notwendig, aus denen Ansätze zu den Ursachen der Stick-Slip-Schwingungen und Modelle für deren Einleitung in die Silostruktur gewonnen werden können. Sind die kausalen Zusammenhänge bekannt, kann mit Hilfe des Modellsilos eine labortechnischen Vorhersage von Silovibrationen entwickelt werden. Die Messungen im Modellsilo auf Lambdameterbasis entsprechen keiner Norm und weisen im Vergleich zu planaren Messungen in Jenike- und Ringschergeräten bezüglich der aufzubringenden und zu messenden Spannungen gänzlich andere Randbedingungen auf. Da das vorhandene Lambdameter ein fein abgestimmter, in seiner Art weltweit einzigartiger und vor allem voll betriebsbereiter Versuchsaufbau war, standen vor größeren strukturellen Eingriffen die folgenden, wesentlichen Fragen im Raum: 1. In welchen Größenbereichen müssen die Parameter Rauheit Ra, Normalspannung N und Schergeschwindigkeit v S liegen, um bei diesen veränderten Randbedingungen überhaupt Wand-Stick-Slip zu initiieren? 2. Welche Kräfte treten beim Abziehen des hochverdichteten Scheibenelementes auf bzw. sind notwendig, um dieses abzusenken? Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 34

36 3. Welcher Antrieb ist notwendig, um ein hochverdichtetes Schüttgut- Scheibenelement definiert in einem Messzylinder abzusenken? In Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde entschieden, zunächst einen autonomen Zwischenversuchstand zur betriebsnahen Messung von Scherkräften in einem Modellsilo zu entwickeln und diesen nach Klärung der oben aufgeführten Fragen in das Lambdameter zu integrieren Zwischenversuchstand zur betriebsnahen Messung der Wandreibung Da das im Punkt beschriebene Großschergerät über einen ruck- und nahezu spielfreien Spindeltrieb zum Aufbringen der Scherkraft F S verfügt und im Rahmen des Projektes bezüglich Messwerterfassung grundlegend modernisiert wurde, wurde auch der Zwischenversuchstand als modularer Aufbau auf das Großschergerät geplant. Im Zwischenversuchstand soll ein mit einer definierten Normalkraft F N verpresstes Schüttgut-Scheibenelement der Höhe h SG = 80 mm unter Messung der Scherkraft F S in einem fest eingespannten AlMg3-Rohr (D MR = 300 mm) abgesenkt werden (s. Abbildung 16). Damit der Zwischenversuchstand schnell und günstig gebaut werden konnte, wurde er zum Großteil aus dem Angebot der Fa. MISUMI (mechanischen Komponenten für den Sondermaschinenbau und Montageautomation) konstruiert. Die wenigen Anpassungsarbeiten wurden in der institutseigenen Werkstatt durchgeführt. Abbildung 16: Funktionsprinzip Zwischenversuchstand Konstruktion des Zwischenversuchstandes Das Großschergerät verfügt über einen Linearantrieb, der über 2x7 Getriebestufen verfügt. Somit ist ein horizontaler Vorschub in Schergeschwindigkeiten von Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 35

37 v S = 1,6 30 mm/min möglich. Die maximal erreichbare Scherkraft F S ist durch den Messbereich der Wägezelle auf F smax = 500 kg begrenzt. Abbildung 17: Kinematisches Schema eines Schubkurbelgetriebe nach [52] Für die Erzeugung einer Absenkbewegung im Zwischenversuchstand wurde ein Linearantrieb mit vertikalem Vorschub benötigt. Da sich der vorhandene, horizonal verbaute Linearantrieb auf Grund der Getriebeschmierung nicht um 90 drehen ließ, wurde der Kraftfluss des Linearantriebes verlustfrei mit einem sogenannten Schubkurbelgetriebe umgelenkt (s. Abbildung 17). Wird der Punkt B vom Antrieb des Großschergerätes in Richtung des fest gelagerten Drehgelenkpunktes M 0 geschoben, bewegt sich der Punkt A mit der gleichen Geschwindigkeit senkrecht zur Vorschubrichtung des Antriebes nach unten. Die Schubbewegung entgegen der y- Achse wird somit bei vollständigem Massen- und Momentenausgleich in eine Zugbewegung in Richtung der x-achse umgewandelt. Die gleichschenkliche Schubkurbel hat den Nachteil, dass sie durchschlagfähig ist. Aus diesem Grund wurde über die Kopplung des Punktes B an eine Welle und die vom Großschergerät vorgegebene Begrenzung des Scherweges auf s max = 80 mm in y-richtung ein Durchschlagen verhindert. Der Zwischenversuchstand wurde dreidimensional mit Solid Works konstruiert. Die kompletten Konstruktionszeichungen, Stücklisten und 3D-Bewegungsstudien des Zwischenversuchstandes sind auf einer Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 36

38 Daten-DVD beigefügt. In Abbildung 18 ist eine Schnittansicht der Konstruktion abgebildet. Abbildung 18: Schnittansicht der Solid Works-Konstruktion des Zwischenversuchstand Entgegen der y-achse wird vom Antrieb des Jenike-Schergerätes die Scherkraft F S aufgebracht. Über die Koppelstange Antrieb wird diese Kraft auf das Schubkurbelgetriebe übertragen und in eine Zugbeanspruchung auf die Koppelstange Abrieb umgewandelt. Auf der Koppelstange Abtrieb ist ein HBM Zug- Druckkraftaufnehmer U10M befestigt, darauf der Zellenboden (D = 298 mm). Auf dieser verlängerten Koppelstange Antrieb sitzt ebenso der an einem Lineargleitlager befestigte Zellendeckel (D = 298 mm). Die Koppelstange Antrieb endet mit einem durch eine Kontermutter gesicherten Gewindestab. Über den mit einer Mutter verschweissten Hebel kann eine Druckfeder vorgespannt werden, durch die das Schüttgut zwischen Deckel und Boden belastet/verpresst wird. Die Vorspannkraft der Druckfeder beträgt F v = 4695 N. Dies entspricht der maximal aufbringbaren Normalkraft F N und begrenzt die maximal in das Schüttgut einleitbare Vertikalspannung σ v auf σ v = 65 kpa. Die Abbildung 48 (Anhang) zeigt den fertig montierten, modular in das Großschergerät integrierten Zwischenversuchstand. Die Scherkraft F S, die zum Abziehen des zwischen Zellenboden und Zellendeckel vorgespannten Schüttgut-Scheibenelementes notwendig ist, wird über den HBM Zug- Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 37

39 Druckkraftaufnehmer U10M gemessen. Die Normalkraft F N kann über einen zwischen Druckfeder und Spannvorrichtung montierten Kraftmessring KMR 400 der Fa. HBM eingestellt und kontrolliert werden. Damit dieser und die Druckfeder während des Vorspannens nicht auf Torsion beansprucht werden, ist ein axiales Rillenkugellager beigelegt. Versuchsergebnisse im Zwischenversuchstand Die Konstruktion des Zwischenversuchstands erlaubt es, über Klemmschrauben verschiedene Wandmaterialien mit einem kreisförmigen Querschnitt einzuspannen. Für die Versuche zur Bestimmung der betriebsnahen Wandreibung wurden dazu zwei außen längsgeschweißte AlMg3 Rohre (D MR = 300 mm, h = 400 mm, b = 3 mm) gefertigt, wobei ein Rohr die Innenrauheit im Lieferzustand (Ra = 0,3 µm) aufwies, das andere mit Schleifpapier auf eine Innenrauheit von Ra = 1,0 µm aufgeraut wurde. Abbildung 19: Versuchsergebnisse im Zwischenversuchstand (Links: Einfluss der Kornform auf den Stick-Slip-Effekt; Rechts: Einfluss des Granulatmaterials auf den Stick-Slip-Effekt) Im Gegensatz zu den Wandreibungsversuchen in den Schergerät konnte im Zwischenversuchstand für beide PET-Granulatformen (Kugel-und. Cylpepsform) Wand-Stick-Slip gemessen werden (s. Abbildung 19). Es wird vermutet, dass das im Zwischenversuchstand verpresste Schüttgut, konstruktionsbedingt während der Scherbewegung weniger Möglichkeiten für Platzwechselvorgänge hat. Dadurch wird ein Wandern der Scherzonen vom Wandmaterial ins Schüttgutunterbunden und ein fest kompaktiertes, dilatationsfreies Kontinuum erzeugt. Die Abhängigkeit des Stick-Slip von der Wandrauhigkeit zeigt ähnliche Tendenzen wie in den konventionellen Schergeräten. Mit steigender Wandrauheit erhöht sich die zur Relativbewegung benötigte Scherspannung. Im Rohr der Innenwandrauheit Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 38

40 Ra = 0,3 µm (Lieferzustand) konnte kein Stick-Slip gemessen werden. Im Rohr der Innenwandrauheit Ra = 1,0 µm trat ab Normalspannungen von = 20 kpa ein stabiler Stick-Slip auf. Die Kornform der PET-Granulate hat offensichtlich auch im Zwischenversuchstand einen Einfluss auf den Maximalwert der Scherpannung und die Stick-Slip- Amplitude. Erwartungsgemäß liegt das PET-Kugelgranulat mit beiden Werten unter denen des PET-Cylpeps. In Abbildung 19 rechts ist der Materialeinfluss auf den Stick-Slip-Effekt dargestellt. Das PET-Granulat zeigt dabei unabhängig von der Granulatform Stick-Slip. Das PE- Granulat zeigt bei gleichen Versuchsparametern keinen Stick-Slip, womit die Erfahrungen aus der Wirtschaft bezüglich der Neigung eines Schüttgutes zur Silovibration [44] mit dem Auftreten von Schwingungen im Zwischenversuchstand übereinstimmten. Wenn ein bei der Wandreibung von Schüttgütern auftretender Stick- Slip-Effekt ein Hinweis auf die Neigung der Schüttguter zu Silovibrationen ist, könnte der Zwischenversuchstand somit zu einer einfachen labortechnischen Vorhersagbarkeit von Silovibrationen beitragen. Abbildung 20: Einfuss der bewegten Schüttguthöhe auf den Stick-Slip-Effekt Im Zuge dieser Untersuchungen wurden einige ungewollte Elastitzitäten am Versuchsaufbau entdeckt und beseitigt. Grund für den nicht-linearen Anstieg der Scherkraft während des Anscherens (s. Abbildung 19) war z.b. die unzureichend feste Verschraubung der Basisplatte des Großschergerätes mit dem Grundgerüst. Die Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 39

41 Basisplatte des Großschergerätes wurde darauf hin zusätzlich in horizontaler Richtung mit einer Schraubverbindung gesichert, wodurch die Anscherkurven (vgl. Abbildung 19 mit Abbildung 20) deutlich glatter verlaufen. In einer weiteren Versuchsreihe wurde der Einfluss der bewegten Schüttguthöhe auf den Stick-Slip-Effekt im Zwischenversuchstand und der Einfluss hoher Normalspannungen auf die Systemsteifheit untersucht (s. Abbildung 20). Dazu wurde die Druckfeder zum Aufbringen der Normalspannungen durch ein Aluminiumrohr (D = 50 mm) ersetzt und somit Normalspannungen bis zu N = 350 kpa auf das bewegte Schüttgut gegeben. Mit steigender Schüttguthöhe steigt die Fläche der an der Relativbewegung beteiligten Scherzone und damit auch die zum Abziehen des vorgespannten Schüttgut- Scheibenelementes benötigte Scherspannung. Ebenso steigt mit größer werdender Scherfläche die vom System während der Haftphase (Stick) aufgenommener Energie, welche dann während des Überganges in die Gleitphase (Slip) schlagartig freigesetzt wird. In den Versuchen mit der Schüttguthöhe h SG = 60 mm äußerte sich dies in lautem Schlagen. Die hier auftretenden Imulse um = 30 kpa waren so stark, dass sie mit dem Drucksensor zur Überwachung der Normalspannung messbar waren. Der Versuch mit einer Schüttguthöhe von h SG = 80 mm musste, um eine Beschädigung der im Großschergerät verbauten Z6-500 Wägezelle zu verhindern ( max = 90 kpa), abgebrochen werden. Durch Analyse der Anscherkurven unter diesen extremen Belastungen konnten weitere Elastitzitäten im Versuchsaufbau ausfindig gemacht werden. So erfolgte die Verminderung des Spiels im Schubkurbelgetriebe durch das Überarbeiten der Bohrungspassungen und das Nachziehen aller Schrauben und Muttern mit erhöhten Anzugsmomenten. Ebenso wurden die Gabelköpfe zur Aufnahme des Schubkurbelarmes 4 im Drehgelenkpunkt M 0 (s. Abbildung 17) horizontal verbreitert, um der Nachgiebigkeit auf Grund von Torsionsmomenten entgegen zu wirken. Im Zwischenversuchsstand konnte auch beim Aufwärtsfahren des verpressten Schüttgutscheibenelementes Stick-Slip-Reibung gemessen werden. Daraufhin wurde die Steuerung des Großschergerätes (Vor- bzw. Rücklauf) um den Modus Automatik erweitert, womit der maximal zurückgelegte Scherweg von s max = 80 mm durch kontinuierliches Auf-und-Abfahren verlängert und so den Einfluss von PET-Abrieb auf der Wandprobe auf den Slip-Stick-Effekt untersucht werden konnte. Da jedoch nach ca. 6 Pendelbewegungen die Rohreinspannung versagte, wurde von weiteren Versuchen dieser Art abgesehen. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 40

42 6.3.2 Konstruktiver Lambdameterumbau Integration eines Zellenboden- Absenkmechanismus die Lambdameterstruktur Nach Absprache mit dem Projektbegleitenden Ausschuss sollte in das Lambdameter der im Zwischenversuchstand bewährte und optimierte, Absenkmechanismus auf Basis eines Schubkurbelgetriebes integriert werden. Um die Planung der für den Umbau des Lambdameters zum Modellsilo nötigen Konstruktionen zu erleichtern, wurde für das Lambdameter ein 3D CAD Modell mit Solid Works erstellt. In Abbildung 21 ist der der Ausgangszustand (Lambdameteraufbau) gezeigt. Abbildung 21: Versuchsaufbau Lambdameter als Solid Works Modell Für den Umbau erfolgt zunächst einerseits virtuell in Solid Works als andererseits auch real im Technikum eine teilweise Demontage des Lambdameteraufbaus. Dabei wurden der untere Zellenboden samt Trägerbalken sowie die Schüttgutrutschen zur Entleerung des Lambdameters entfernt. Ebenso wurde die empfindliche Messtechnik (Messring, Kraftaufnehmer) abgebaut und eingelagert. In Abbildung 22 ist eine Schnittansicht des fertig geplanten Umbaus gezeigt. Der Antrieb zum Absenken des Zellenbodens wurde samt Unterbau einem zweiten Großschergerät entnommen. Der Unterbau wurde weiterhin von der Fa. Seidel Werkzeugbau auf die erforderliche Höhe gekürzt. Der Antrieb erfolgt über einen Asyncronmotor (n = 1350 U/min) dessen Drehbewegung über ein schaltbares Getriebe (26 Stufen) und ein Schneckengetriebe untersetzt wird. Mit einem Trapezgewinde, welches an einen Schlitten gekoppelt ist (Spindeltrieb), erfolgt die Umwandlung dieser Drehbewegung in eine horizontale Linearbewegung. Um zu Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 41

43 vermeiden, dass der Spindeltrieb mit unzulässigen Biegemonenten belastet wird, wurde zwischen Antrieb und Spindeltrieb ein doppeltes Kardangelenk eingefügt. Die Beugung der beiden Kreuzgelenke ist minimal. Es kann also von einer gleichförmigen Drehzahlübertragung ausgegangen werden. Der Spindeltrieb wurde auf einer Unterbaukonstruktion, bestehend aus zwei Längsträgern und zwei Querträgern, in den bestehenden Aufbau integriert (s. Abbildung 22). Abbildung 22: Schnittansicht des geplanten Lambdameterumbaus Das an den Spindeltrieb gekoppelte Schubkurbelgetriebe lenkt dessen Linearbewegung auf der y-achse um 90 um. Die Kräfte und zurückgelegten Wege werden dabei im Verhältnis 1:1 (Antrieb:Abtrieb) übertragen. Erfolgt eine horizontale Schubbewegung über den Antrieb, wird somit die auf dem Abtrieb des Schubkurbelgetriebes montierte, durch ein Linearkugellager geführte, Koppelstange mitsamt Zellenboden abgesenkt. Das Schubkurbelgetriebe ist unter einer Grundplatte montiert, die fest mit den Längsträgern des Lambdametergestelles verschraubt ist. Untersuchungen zur Systemsteifigkeit Die Steifigkeit der mechanischen Komponenten des Modellsilos auf Lambdameterbasis hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Qualität der Längenmessungen (Dilatation). Gleichzeitig können durch mangelnde Systemsteifigkeit, d.h. erhöhte Elastizität des Versuchsaufbaus, Slip-Stick- Erscheinungen, die nicht vom Schüttgut initiiert sind, erzeugt bzw. verstärkt werden. In der ersten Versuchsreihe nach dem Lambdameterumbau wurde daher der Einfluss der neu montierten Komponenten auf die Nachgiebigkeit der Lambdameterstruktur Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 42

44 untersucht. Um den Kraftschluss zwischen dem oberen und unteren Zellendeckel zu gewährleisten wurde ein Stahlzylinder beigelegt. Die Belastung des Systems erfolgte durch den Pneumatikzylinder mit einer maximalen Auflast von F N,max = N, was einer Vertikalspannung von v = 140 kpa entspricht. Entlang des Kraftflusses wurden horizontal und vertikal zur Beanspruchungsrichtung Messpunkte gesetzt und deren Wegabweichung unter schrittweiser Erhöhung der Auflast mit einer Messuhr dokumentiert. Die Messungen an der tragenden Struktur (geschweißtes Gerüst aus U-Stahl-Profilen) ergaben kaum messbare Verformungen im µm-bereich. Als Schwachstelle erwies sich der auf dem Schubkurbelgetriebe montierte Zellenboden mit l = 4,5 mm elastische Stauchung in vertikaler Richtung bei maximaler Auflast. In Abbildung 23 sind die Ergebnisse dieser Versuchsreihe aufgezeigt. Abbildung 23: Elastisches Stauchverhalten des Lambdameterbodens Daraufhin erfolgte eine Analyse der angreifenden und abgehenden Kräfte des Schubkurbelgetriebes. Um im Modellsilo auf Lambdameterbasis vergleichbar zum Zwischenversuchstand den Einfluss der bewegten Schüttguthöhe auf den Stick-Slip- Effekt untersuchen zu können, wurde das Schubkurbelgetriebe anfangs so montiert, dass ein maximaler Scherweg von s max = 200 mm möglich war. Dies entspricht der Höhe des erhöhten Messringes abzüglich Zellendeckel- und Zellenbodenhöhe. Wird das Schubkurbelgetriebe in dieser Stellung (s. Abbildung 24, links) durch die maximale Auflast F N = F v = N belastet, ergeben sich mindestens doppelt so hohe Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 43

45 Horizontalkräfte, die als Biegemoment auf die Grundplatte des Schubkurbelgetriebes wirken. Da die Versteifung der Grundplatte deren Neukonstruktion und -fertigung erfordert hätte, wurden die angreifenden Horizontalkräfte durch eine veränderte Schubkurbelstellung um mehr als das Vierfache vermindert (s. Abbildung 24, rechts). Dazu wurde das Schubkurbelgetriebe mit samt Spindeltrieb um s = 120 mm entgegen der y-achse verschoben. Gleichzeitig musste die Koppelstange zum Zellenboden um s = 120 mm verlängert werden. Durch diese konstruktive Veränderungen des Schubkurbelgetriebes konnte diese Stauchung ohne nennenswerten Fertigungsaufwand auf l = 0,65 mm reduziert werden (s. Abbildung 23). Abbildung 24: Auftretende Kräfte in Abhängigkeit der Schubkurbelgetriebestellung Messtechnik Konstruktion der erhöhten Messzylinder Neben der konstruktiven Anpassung des Absenkmechanismus an das Lambdameter- Grundgestell, war der vorhandene Messzylinder aufgrund seiner zu geringen Höhe zu für dynamische Messungen ungeeignet. Ziel war ein verpresstes Schüttgut- Scheibenelement hinreichend weit abzusenken, dass die Wandreibung aktiviert wird. Der bereits vorhandene Messzylinder im Lambdameter besteht aus V2A-Stahl und setzt sich aus einem äußeren Stützring und einem inneren, dünnen Messring (D MR = 300 mm, h MR = 100 mm, B = 2 mm) zusammen. Die neuen Messzylinder sollten einen ähnlichen Aufbau haben und dazu den folgenden Anforderungen genügen: 1. Vollständige Kompatibilität mit dem bisherigen Lambdameter Der vorhandene Messzylinder ist auf drei HBM Z6-200 Wägezellen gelagert. Der neue Messring muss über die Aufnahmen dieser drei Lagerpunkte verfügen und auch bezüglich seiner Abmaße in das vorhandene Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 44

46 Lambdametergrundgerüst integrierbar sein. Zusätzlich wurde die volle Kompatibilität mit dem Einspannsystem des Zwischenversuchstand angestrebt. 2. Wandmaterial Aluminium Messringe aus V2A-Stahl besitzen ein verleichsweise hohes E-Modul, was selbst bei der maximalen Auflast (F N = N) nur relativ kleine Dehnungen in horizontaler Richtung hervorruft und entsprechend hohe relative Messfehler nach sich ziehen kann. Um die Horizontalkomponenten des Stick-Slip-Effekt während des Absenkens eines verpressten Schüttgut-Scheibenelementes messen zu können, soll daher der erhöhte Messring aus Aluminium gefertigt werden. Neben den Vorteilen bzgl. der spanenden Bearbeitung während der Fertigung ermöglicht das um den Faktor 3 geringere E-Modul von Aluminium bei gleicher Auflast dreifach höhere Dehnungen. Domit wird der optimale Arbeitsbereich der Dehnmesstreifen besser ausgenutzt. Die daraus resultierend niedrigeren Fehleranteile am Messsignal ermöglichen weiterhin deutlich hochauflösendere Messungen. 3. Erhöhung der Messringe auf h MR = 220 mm Die mindeste Gesamthöhe des erhöhten Messringes h MR ergibt sich aus: (1) Mit: h SG Schüttguthöhe (70 mm) s max gewünschter maximaler Scherweg (80 mm ) h D... Zellendeckelhöhe (10 mm) 4. Fertigung von zwei Messringen unterschiedlicher Innenrauheit Ein wichtiger Parameter für das Auftreten von Stick-Slip währen der Wandreibung ist die Rauheit der Wandprobe. In Voruntersuchungen wurde versucht, die Oberflächenrauheit der Innenseite der Messringe durch z.b. Aufspritzen von Schichten und beilegen dünner Bleche zu variieren. Dies hatte jedoch das Versagen der Kalibierung des Lambdameters zur Folge, wodurch keine belastbaren Messwerte ermittelt werden konnten. Die einzige Möglichkeit, die Innenrauheit der erhöhten Messringe zu variieren, ist somit die Fertigung von zwei Messringen mit unterschiedlicher Innenrauheit. 5. Applizieren von Dehnmessstreifen auf einer zweiten Messebene Im vorhandene Messzylinder des Lambdameters sind zur Messung der Horizontalspannungen auf halber Höhe sechs Dehnmesstreifen (DMS) an der Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 45

47 Außenseite des Messringes appliziert. Je zwei DMS sind mit zwei weiteren DMS am Stützring für die Temperaturkompensation zu einer Vollbrücke verschaltet. Das heißt, im Messzylinder des Lambdameters werden die Horizontalspannungen von drei Vollbrücken auf einer Messebene gemessen. Um Horizontalspannungsänderungen in Abhängigkeit der Position des verpressten Schüttgut-Scheibenelementes im erhöhten Messylinder messen zu können, sollen zwei Messebenen genutzt werden, die auf einem Drittel bzw. zwei Drittel der Messringhöhe liegen. Dazu waren je Messebene je drei Vollbrücken zu applizieren. Abbildung 25 zeigt den mit Solid Works erstellten Entwurf eines erhöhten Messzylinders, der den oben genannten Anforgerungen entspricht. Wie der vorhandene Messzylinder besteht der erhöhte Messzylinder aus einem dünnen Messring. Dieser wird von nun zwei den Messring umschließenden Stützringen getragen. Der Messring ist dazu mit Madenschrauben in die Stützringe gehangen. Um die Beanspruchung des Messringes auf vertikalen Zug bzw. Druck zu minimieren, wurde er zusätzlich mit umlaufenden Entlastungsschlitzen versehen. Abbildung 25: Schnittansicht erhhöhter Messzylinder Es wurden insgesamt zwei verlängerte Messzylinder aus Aluminium (AlMg4,5Mn) bei der Fa. Seidel Werkzeugbau gefertigt. Die besondere Herausforderung für den Fertiger bestand in der Aufgabe die zwei nahtlosen, eigenspannungsfreien und zugleich sehr dünnen Messringe herzustellen, damit eine Messung mit DMS überhaupt sinnvoll durchgeführt werden konnte. Die beiden Messringe wurden daher aus dem Vollen gedreht, besitzen hohe Rundlaufgenauigkeit (< 0,1 mm Abweichung) Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 46

48 und unterscheiden sich im wesentlichen einzig durch die mittlere Rauigkeit der Innenwand des Messringes (Messring 1: Ra = 0,3 µm und Messring 2: Ra = 1,2 µm). Die zur Messung der Horizontalspannungen des Schüttgutes auf die Messzylinderwand benötigten DMS-Vollbrücken wurden von der Fa. HBM auf die Außenwand der Messzylinder appliziert. Die Temperaturkompensation erfolgt auf der Innenseite des oberen Stützringes durch die Applikation weiterer DMS (s. Anforderung 5 oben sowie Abbildung 26). Abbildung 26: Einzelkomponenten des fertigen erhöhten Messzylinder Es wurden eine Reihe von Kleinteilen für Umbaumaßnahmen am Lambdameter beschafft, die jeweils im Wert unter lagen. Dazu gehören ebenso Normteile zur mechanischen Umsetzung des absenkbaren Zellenbodens sowie die Fertigung des Stützgerüstes zur Lagerung Absenkmechanismus im Lambdameter (s. Abbildung 22). Übersicht der Messkanäle Die um sechs erhöhte Anzahl der DMS-Vollbrücken am Messring sowie die laseroptische Erfassung der Zellendeckel- bzw. der Zellenbodenposition erforderte die Erweiterung der bisherigen Messtechnik um entsprechende Messkanäle. Dafür wurde ein MGCplus Messverstärkersystem mit 8 Einzelkanalkarten (Typ ML55B) angeschafft. Die Messdaten der Einzelkanäle werden in einer NI-CompactDAQ-9188 Chassis digitalisiert und über Ethernet dem Messrechner zugeführt. Aufgrund der zu erwartenden hohen Datenmengen findet keine lokale Speicherung der Messdaten statt, vielmerh streamt der Messrechner die Messwerte direkt auf einen im Universitätsrechenzentrum befindlichen Server. Die maximale Samplerate der Messungen wird dadurch einzig durch die Leistungsfähigkeit des Analog- Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 47

49 Digitalwandlers begrenzt (250 khz). Insgesamt können die 13 Messkanälen somit simultan bei einer maximalen Samplerate von 19 khz arbeiten, was auch die Messung hochfrequente Schwingungen ermöglicht. Pro Minute Messzeit fallen bei dieser Abtastrate ca. 25 MB Daten an. Abbildung 27 zeigt die Anordung der Messensorik am erhöhten Messring schematisch. Tabelle 4 fasst die Messkanäle und deren Eigenschaften zusammen. Die Messwerte werden in genau dieser Reihenfolge als Rohdaten gespeichert. Tabelle 4: Übersicht der Messkanäle Kanalname Messgröße Sensorart Hersteller Messbereich U3_oben Auflast Druckzylinder U3 Drucksensor HBM kn Weg_oben Abstand Deckel Laserwegsensor µ-epsilon mm Weg_unten Abstand Boden Laserwegsensor µ-epsilon mm U3_unten Auflast Boden U3 Drucksensor HBM kn Z6-200_1 Stützlast Messring Z6-200 Wägezelle HBM kg Z6-200_2 Stützlast Messring Z6-200 Wägezelle HBM kg Z6-200_3 Stützlast Messring Z6-200 Wägezelle HBM kg DMS_1 Dehnung Messebene 1 DMS-Vollbrücke HBM µm/m DMS_2 Dehnung Messebene 1 DMS-Vollbrücke HBM µm/m DMS_3 Dehnung Messebene 1 DMS-Vollbrücke HBM µm/m DMS_4 Dehnung Messebene 2 DMS-Vollbrücke HBM µm/m DMS_5 Dehnung Messebene 2 DMS-Vollbrücke HBM µm/m DMS_6 Dehnung Messebene 2 DMS-Vollbrücke HBM µm/m Abbildung 27: Messkanäle Modellsilo Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 48

50 6.3.4 Steuerungs- und Regelungstechnik Dem bestehenden Mess- und Regelsystem des Lambdameters wurde modular das Mess- und Regelsystem des Modellsilos auf Lambdameterbasis zugefügt. Damit konnte das zu Projektbeginn vorhandene Lambdameter komplett erhalten und für Vergleichsmessungen genutzt werden. Die Steuerung beider Anlagen (Lambdameter sowie Modellsilo) erfolgt über Lab-View (Fa. National Instruments). Ein Blockschaltbild des Mess- und Regelsystems zeigt Abbildung 28. Abbildung 28: Bockschaltbild der Steuerung- und Reglungstechnik des Modelsilo Lambdameterversuche können so weiterhin mit der bewährten Messroutine durchgeführt werden. Im Blockschaltbild (Abbildung 28) sind die Komponenten des Messsystems Lambdameter grün dargestellt. Sollen Versuche im Modellsilo auf Lambdameterbasis gefahren werden, übernimmt der Messrechner Modellsilo die Regelung der Auflast und des Absenkmechanismus. Gleichzeitig werden auch die Messwertsignale der Kraftmessdosen des Messsystems Lambdameter abgegriffen. Um während der Modellsiloversuche Volumenschwankungen im Schüttgut erfassen zu können, wurden zwei Laserwegsensoren der Fa. µ- Epsilon an Zellenboden und Zellendeckel verbaut. Die Versuche im Modellsilo können dadurch nicht nur wie bisher Kraft- sondern auch Weg-gesteuert erfolgen. Dabei liefern die beiden Laserwegsensoren im Weg-gesteuert Modus (z.b. für Versuche mit konstantem Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 49

51 Schüttgutvolumen) Regelgrößen für den Absenkmechanismus des Zellenbodens und den Pneumatikzylinder des Zellendeckels. In der Regel werden die Versuche im Modellsilo jedoch kraftgeregelt gefahren. D.h. der U3-Drucksensor auf dem Zellendeckel liefert den Ist-Wert für die Auflast. Es erfolgt ein Sollwert-Istwert-Abgleich. Fällt bzw. steigt der Istwert gegenüber dem Sollwert wird die Auflast dementsprechend über einen PID-Regler hochfrequent nachgeregelt. Die Modifizierung des Lambdameter zum Modellsilo wurde im November 2011 abgeschlossen. Abbildung 29 zeigt das Lambdameter nach dem Umbau. Abbildung 29: Fertig zum Modellsilo modifiziertes Lambdameter Testergebnisse mit dem Modellsilo In den ersten Versuchsreihen mit dem Modellsilo auf Lambdameterbasis wurden die mechanischen und mess- und regelungstechnischen Modifikationen getestet. Dabei wurden PET-Cylpeps (h SG = 70 mm, x = 1,5 mm) mit einer Vertikalspannung von v,soll = 96 kpa beaufschlagt und nach kurzer Haltezeit mit einer konstanten Geschwindigkeit von v = 4,5 mm/min im Messzylinder 1 (Ra = 0,3 µm) komplett abgesenkt. Die Versuche erfolgten kraftgeregelt, d.h. die aufgebrachte Vertikalspannung (U3_oben_kPa) wurde durch einen geschlossenen Regelkreis während des Absenkens konstant auf vo = 96 kpa gehalten (Abbildung 31). Die Testversuche wurden mit einer Abtastrate von 2 khz durchgeführt und ergaben bereits ein Oszillieren der Vertikalspannungen (s. Abbildung 31) sowie in Phase dazu eine Spannungsantwort in Horizontalrichtung (s. Abbildung 32). Wie im Rahmen der Vorversuche beschrieben, trat in konventionellen Schergeräten und PET-Cylpeps dieser Stick-Slip-Effekt erst bei höheren Rauheiten des Wandmaterials auf. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 50

52 Die Messwerte beider Laserwegsensoren zeigen das Absenken mit konstanter Wegänderung, woraus auf eine konstante Schütthöhe des bewegten Schüttgut- Scheibenelementes geschlossen werden kann. Der in Abbildung 30 gezeigte, am Zellendeckel gemessene Weg wird größer, da es sich hier um unskalierte Rohdaten handelt und der obere Laserwegsensor von oben auf den Zellendeckel gerichtet ist. Der Zellendeckel enfernt sich somit während des Absenkens vom Laserwegsensor. Der am Zellenboden gemessene Weg wird entsprechend kleiner, da der untere Laserwegsensor von unten auf den Zellenboden gerichtet ist. Während des Absenkens beweht sich der Zellenboden dem unteren Laserwegsensor entgegen. Die gemessenen Wege sind weiterhin noch nicht mit den Korrekturfaktoren der Laserwegsensoren verrechnet und daher rein qualitativ zu werten. Ein Oszillieren des Zellenbodens während des Stick-Slip konnte über diese Wegmessungen nicht nachgewiesen werden, was neben den oben gezeigten Überlegungen ein Beweis der hohen Systemsteifheit des Absenkmechanismus ist. Abbildung 30: Ergebnisse Wegmessung im modifizierten Lambdameter Am Zellenboden wird während des Absenkens des Schüttgutes eine periodisch schwankenden Vertikalspannung (U3_unten_kPa) gemessen. Die aufsummierten Messwerte der Z6-Wägezellen, auf denen der Messzylinder gelagert ist, ergibt in der späteren Versuchsauswertung die Scherkraft F s. Diese zeigt ebenso einen stabilen Stick-Slip-Effekt. Der Slip-Event der oszillierenden Scherkraft F S und der Slip-Event der Vertikalspannung liegen in Phase. Die Stick-Events treten dazu entgegengesetzt auf. Die Kraftverläufe zwischen den Slip-Events sind mit dem konstruktiven Aufbau des Versuchstandes zu erklären. Die Auflager des Messringes werden während des Absenkens des Schüttgutes auf Druck beansprucht, die Kraftmessdose unterhalb des Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 51

53 Zellenbodens auf Zug. Die Frequenz der gemessenen Stick-Slip-Schwingung beträgt ca. 1,6 Hz. Abbildung 31: Oszillierende Vertikalspannung (Stick-Slip) Die Stick-Slip-Schwingungen in vertikaler Richtung erzeugen eine Dehnungsantwort auf dem Messring in horizontaler Richtung (Abbildung 32). Ein Rückschluss auf die tatächlich anliegenden Horizontalspannungen wird erst durch eine Kalibrierung der Messzylinder möglich (s. Kapitel 6.4). Abbildung 32: Antwortimpuls auf Vertikalspannung in Horizontaler Richtung Weiterhin erklärt sich die fallende Dehnung von Dehnmessstreifen 3 bei gleichzeitig zunehmender Dehnung von Dehnmessstreifen 6 durch die Abwärtsbewegung des Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 52

54 Schüttgutscheibenelementes im Messring. Am Schnittpunkt beider Zeit-Dehnungs- Kurven befindet sich das Schüttgutscheibenelement in der Mitte des Messringes, d.h. beide, vertikal übereinander liegenden DMS werden in etwa gleich belastet. 6.4 Kalibrierung der Messzylinder Nach einer Kalibrierung der Messzylinder kann eine direkte Berechnung der Horizontalspannungen aus den gemessenen elastischen Dehnungen erfolgen. Die Vorgehensweise bei der Kalibrierung wir im Folgenden erklärt. Vorgehen bei der Kalibrierung Die Kalibrierung der Messzylinder erfolgt über Luftdruck, indem der zu kalibrierende Messzylinder mit umlaufenden Dichtlippen sowie Deckeln an der Ober- und Unterseite des Messringes luftdicht verschlossen wurde (s. Abbildung 33). Die beiden Deckel wurden weiterhin mit einem Gewindestab auf einen konstanten Abstand von h SG = 70 mm fixiert. Über einen Druckluftanschluss am oberen Deckel wird der Messring beim Kalibrieren selbst mit Druckluft gefüllt. Der Maximaldruck beträgt p max = 2,0 bar, wobei der Ist-Wert des Gasdruckes mittels Drucksensor (HBM P11/2bar) überprüft wird. Dieser Drucksensor wurde vorab von der Fa. HBM in Anlehnung an die DIN EN ISO kalibriert, um eine hohe Genauigkeit der Kalibrierug des Messrings zu gewährleisten. Abbildung 33: Kalibriervorrichtungen (Links: Lambdametermesszylinder; Rechts: Modellsilomesszylinder) Rekalibrierung des Lambdameter-Messzylinders Die Kalibrierung des Lambdameter-Messzylinders erfolgte voll automatisch. Die Abbildung 34 zeigt die Eingabemaske der in Lab-View programmierten Kalibriersoftware. Die Aufnahme einer Kalibrierkurve erfolgt durch die stufenweise Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 53

55 Anhebung des Luftdruckes in zehn Stufen, wobei ein Druckniveau über zwei Minuten gehalten wird. Während der homogenen Belastung der Messringinnenwand durch den Gasdruck erfolgt eine Aufweitung des Umfanges des Messringes. Abbildung 34: Kalibriersoftware des Modellsilos basierend auf Lab-View Die daraus resultierenden elastischen Dehnungen el werden mit den an der Außenseite des Messringes applizierten Dehnmessstreifen (DMS) gemessen. Die Dehnungen in Zellendeckel und Zellenboden können vernachlässigt werden. Da der innere Gasdruck an jedem Punkt gleich ist, werden die Werte aller drei DMS- Vollbrücken eines Druckniveaus gemittelt. Nach dem Erreichen des maximalen Kalibrierdruckes p Kalmax = 0,5 bar = 50 kpa erfolgt die stufenweise Absenkung des Luftdruckes. Abbildung 35: Rekalibrierung des Lambdametermessrings (Links: Vergleich der Kalibrierung von 02/2000 und 02/2012; Rechts: Nullpunktdrift über 24 h) Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 54

56 Die Kalibrierkurve stellt einen Ausschnitt der Hook schen Gerade dar und muss daher linear ansteigen bzw. abfallen. Dieser Messablauf wird über einen Zeitraum von 24 Stunden jeweils alle zwei Stunden wiederholt. Das Ergebnis der Kalibrierung ist schließlich ein Mittelwert aus 12 Druck-Dehnungs-Hysteresen. Die Streuung um den Mittelwert wird in Abbildung 35 links mit Fehlerbalken angegeben. Anschließend erfolgt die lineare Regression zur Bestimmung der Funktionsgleichung der Kalibrierkurve. In Abbildung 35 links sind Kalibrierkurven aus den Jahren 2000 (Inbetriebnahme des Lambdameters) und 2012 (Lambdameterumbau) gegenübergestellt. Beide Kurven unterscheiden sich nur in geringem Maße. Der Nullpunktdrift bei der Kalibrierung (s. Abbildung 35 rechts) zeigt übliche Schwankungen, weshalb von einer intakten Temperaturkompensation der Dehnmessstreifen ausgegangen werden kann. Werden nun Versuche mit Schüttgut gefahren, lässt sich anhand der der Regressionsgeraden aus der Kalibrierung eine gemessenen Dehnung in µm/m direkt in eine Horizontalspannung in kpa umrechnen. Im Anschluss wurden ein Lambdameterversuch mit dem rekalibrierten Messzylinder durchgeführt (s. Abbildung 36). Dafür wurde auch das alte Messerfassungssystem verwendet. In dem Versuche sollte der Einfluss der strukturellen Eingriffe während des Lambdameterumbaus auf die Messergebnisse überprüft werden. Abbildung 36: Einfluss der strukturellen Eingriffe und Rekalibrierung auf die direkte Messung von Lambda Wie in Abbildung 36 gezeigt, hat der Lambdameterumbau einen geringen Einfluss auf die Ermittlung des Horizontallastverhältnisses. Die aufgenommenen Kurven zeigen in hohen Lastbereichen eine sehr gute Übereinstimmung. In niedrigen Lastbereichen tritt Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 55

57 eine leicht erhöhte Messwertstreuung auf, was z.b. auf Alterungserscheinungen bei der Verklebung der Dehnmessstreifen zurückgeführt wird. Kalibrierung der Modellsilomesszylinder Im März 2012 erfolgt in ähnlicher Art und Weise wie oben beschrieben die Kalibrierung der erhöhten Messzylinder des Modellsilos. Im Modellsilo auf Lambdameterbasis soll ein verpresstes Schuttgut-Scheibenelement unter Messung der Horizontalspannungen abgesenkt werden. Daher erweitert sich die Kalibrierprozedur, neben den Dimensionen Druck und Horizontalspannung um die Dimension Höhe. Aus einer Schar von jeweils auf unterschiedlichen Höhenniveaus gemessenen Karibrierkurven wird damit ein Kalibrierfeld. Für die Kalibrierung der Messzylinder des Modellsilos wurde die Kalibriervorrichtung mit einer Spindel erweitert (s. Abbildung 33, rechts). Damit können der Zellendeckel und Zellenboden bei gleichbleibendem Abstand schrittweise im Messzylinder abgesenkt werden. Eine Kalibrierkurve wird automatisiert wie bei der Kalibrierung des Lambdametermesszylinders innerhalb von 24 Stunden aufgenommen. Nach der Messung eines Höhenniveaus wurden Zellendeckel und boden (h SG = 70 mm) um 5 mm abgesenkt. An den Wendepunkten des Kalibrierfeldes wurden die Schrittweite auf 2,5 mm veringert (s. Abbildung 37, Links). Bei insgesamt 22 Absenkschritten dauerte die Aufnahme der Kalibrierfeldes für Messring 1 (Ra = 0,3 µm) 22 Tage. Diese ausgesprochen lange Kalibirierprozedur basierte auf den Erfahrungen der Kalibrierungen beim Bau des Lambdameters, da sich dort zeigte, dass kürzere Messzeiten zu deutlichen Verlusten der Messgenauigkeit führen. Abbildung 37: Links: Kalibrierkennfeld für die DMS Vollbrücke 1, Rechts: Approximation des Kalibrierkennfeldes mit Origin Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 56

58 Befindet sich das vertikal belastete Schüttgut-Scheibeenelement in oberster Stellung wird die Obere Messebene des Messrings (DMS1, DMS2, DMS3) maximal auf Dehnung belastet. Dabei wird die untere Messebene (DMS4, DMS5, DMS6) auf Stauchung beansprucht, d.h. es werden negative Dehnungen gemessen. Um auch diese Werte durch das Kalibrierfeld zu beschreiben, wurden die Kalibrierkurven in Richtung Stauchung lineare extrapoliert. Weiterhin wurde von einer Mittelung der Kalibrierkurven abgesehen, um die Spannungsverteilung auf dem Messring zu erfassen,. Jede der 6 Vollbrücken besitzt somit ein eigenes charakteristisches Kalibrierfeld. Zur mathematischen Approximation des Kalibrierfelds von Horizontalspannungen Dehnung des Messrings und Position des Schüttgut-Scheibenelementes wurde eine Extremwertfunktion der Form {{ } { } } {{ } { } } (2) genutzt (s. Abbildung 37, Rechts). Die Approximation des Kalibrierfeldes erfolgte iterativ mit Origin. Da jede DMS- Vollbrücke ein eigenes Kennfeld besitzt, variieren folglich die Konstanten der Funktionsgleichung für jede Vollbrücke leicht. Die Konstanten der sechs Kalibrierfelder sind im Anhang (VBS-Script) zu finden. Durch umstellen der Gleichung (2) berechnet sich die Horizontalspannungen nach: { { ( ) ( ) } ( ) ( ) } (3) Die somit aufgenommenen Kalibrierkennfeld gelten nur für Versuche mit einer Schüttguthöhe von h SG = 70 mm. Für weiterführende Untersuchungen mit einer veränderten Schütthöhe müssten die DMS neu kalibriert werden. Aus Zeitgründen wurde vorerst darauf sowie von einer Kalibrierung des Messzylinders 2 (Ra = 1,2 µm) abgesehen. Der Messzylinder 2 wurde jedoch in einer Testserie auf seine Einsatzfähigkeit geprüft. Alle DMS-Vollbrücken funktionieren ordnungsgemäß. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 57

59 6.5 Virtual Basic Skript basierte Auswerteroutine zur Ermittlung der Horizontalspannungen im Messzylinder Struktur der Rohdaten Die Berechnung der Horizontalspannungen und anderer Schüttguteigenschaften erfolgt durch die automatische Bearbeitung der Rohdaten über ein Virtual-Basic-Skript in der Software DIAdem (Fa. National Instruments). Die Struktur der Rohdaten ist in Abbildung 38 links abgebildet. Eine Messreihe besteht einer frei wählbaren Anzahl von Messpunkten. Nach Eingabe eines Wertes für die maximale Auflast werden die einzelnen Lasteniveaus für jeden Messpunkt von der Steuerungssoftware berechnet. Während einer Messreihe werden diese unterschiedlichen Lastniveaus aufsteigend und absteigend abgefahren (Hysterese). Eine Messreihe beginnt und endet immer mit dem Messung MP 0, hier wird der Zellendeckel mit einer minimalen Auflast (F N = 200 N) auf das Schüttgut aufgelegt bzw. wieder abgehoben. Abbildung 38: Links: Struktur der Rohdaten; Rechts: Gefilterte Daten im Datenportal Während der Aufnahme eines Messpunkts wird die Auflast vom Pneumatikzylinder durch einen PID-Regler für eine frei wählbare Haltezeit konstant gehalten. Die Daten der dabei aufgezeicneten 13 Messkanäle dieses Messpunkts werden in der Gruppe Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 58

60 Messung MP # abgelegt. Nach Ablauf der Haltezeit erfolgt der Übergang zur nächsthöheren und nach Erreichen der maximalen Auflast zum nächstniedrigen Lastniveau. Die Messdaten, welche während des Anhebens / Senkens der Auflast werden in der Gruppe Anstieg bzw Abstieg abgelegt. Auch die Zeit für die lineare Erhöhung der Auflast kann frei gewählt werden. Für die Ermittlung der Horizontalspannungen sind die Messungen bei konstanter Auflast Messung MP # ausschlaggebend. Über die Datenbankfunktion in DIAdem werden somit einzig die Messpunkte in ein Datenportal geladen (s. Abbildung 38 rechts) und einer weiteren automatisch-skriptbasierten Auswertung unterzogen. Der komplette VBS-Code ist im Anhang abgedruckt. Das Virtual-Basic-Skript unterteilt sich im wesentlichen in (siehe auch Tabelle 4): 1. Deklaration der globalen Variablen Messzylinderabmaße, Skalierungsfaktoren für die Laserwegmessung, Formeln für die Implementierung der Kalibrierung 2. Auszählen der Messpunkte im Datenportal Die Auswertung der Messpunkte erfolgt nacheinander über eine for-schleife 3. Berechnung der aktuellen Schütthöhe Die Messkanäle Weg_oben und Weg_unten werden mittels Tiefpassfilter zufällige Schwankungen des Messsingals ausgeglichen. Über die Verrechnung der beiden Kanäle mit den Korrekturfaktoren der Laserwegmessung werden dann die Schütthöhe im Messzylinder und die Schergeschwindigkeit ermittelt. 4. Berechnung der Vertikalspannungen Aus den Messkanälen U3_oben und U3_unten können mit der Auflagefläche des Zellendeckels oder -bodens die Vertikalspannungen an der Unterseite und Oberseite des Schüttgut-Scheibenelements berechnet werden. Ebenso werden die Scherspannungen an der Messringinnenwand berechnet. Dafür werden die Kanäle Z6-200_1, Z6-200_2 und Z6-200_3 summiert und mit der Messringfläche verrechnet. Abschließend erfolgt eine Anpassung der Demensionen (kn bzw. kg -> kpa) in den Kanaleigenschaften. 5. Abändern des Datentyp der Messkanäle Die Messkanäle sind bei der Messwerterfassung vom Typ als wave-kanäle angelegt, welche jedem Messwert automatisch einen Zeitwert zuordnen. Für z.b. die Darstellung der Scherspannung über dem Scherweg müssen diese Kanäle in Messwert und Zeitsignal zerlegt werden. Dazu wird das Zeitsignal Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 59

61 gelöscht und die Messwerte mit dem Wegsignal (Kanal Weg_unten ) zu einem wave-kanal zusammengefügt. 6. Impementierung der Kalibrierung Aus der approximierten Kalibrierfelder (s.o.), den Dehnungen der jeweiligen DMS-Vollbrücke (Kanal DMS_# ) und der Position des Zellendeckels (Kanal Weg_oben ) werden die Horizontalspannungen berechnet. Dieser Schritt nimmt im Skript aufgrund der komplexen Funktionsgleichung je nach Samplerate der Messpunkte die meiste Zeit in Anspruch. Die komplette Berechnung der in Abbildung 38 rechts gezeigten Messreihe mit 9 Messpunkten dauerte beispielsweise etwa 20 Minuten. 7. Darstellung der Horizontalspannungen über dem Scherweg Es erfolgt die Umwandlung von Spannungs-Zeit-Wavekanälen in Spannungs- Weg-Wavekanäle analog zu Punkt 4. Im Anschluss an die skriptbasierte Berechnung der Horizontalspannungen erfolgt in DIAdem eine automatisierte Erstellung eines Messprotokolls. 6.6 Ergebnisse der Messungen im Modellsilo auf Lambdameterbasis Untersuchungen zum Stick-Slip-Effektes In der ersten Versuchsreihe wurde PET_Kugelgranulat mit der maximal möglichen Vertikalspannung v,max = 115 kpa beaufschlagt und mit der niedrigsten Schergeschwindigkeit v S = 1,3 mm/min im kalibrierten Messring 1 (Ra = 0,3 µm) abgesenkt. Für die korrekte Befüllung des Messzylinders mit der Füllhöhe h SG = 70 mm wurde eine Lehre aus Plexiglas genutzt. Die Auswertung der Messwerte erfolgte über das im Kapitel 6.5 vorgestellte VBS-Skript mit implementierter Kalibrierung. Der über die Wegmessung gelegte Tiefpassfilter zeigt, dass der Stick-Slip-Effekt einen Einfluss auf die Wegmessung ausübt (s. Abbildung 39), welcher in den Testversuchen durch das Rauschen der Messsignale (vgl. Abbildung 30) nicht ersichtlich war. Während des Slip-Events findet also eine geringe, aber messtechnisch signifikant erfassbare Erhöhung der Schütthöhe h SG von ca. 0,05 mm statt. Damit geht folglich auch die pulsartige Erhöhung der Schüttgutvolumens V SG während eines Slip-Events einher. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 60

62 Abbildung 39: Wegmessung mit Tiefpassfilter Die Unterscheidung, ob der bereits im Zwischenversuchsstand gemessene Stick-Slip- Effekt durch Partikel-Wand-Interaktion ausgelöst wird oder vom Versuchsaufbau initiiert wurde, ist für die Messungen im Modellsilo von fundamentaler Bedeutung. Daher wurde die Interaktion des Stick-Slip-Effektes mit den Wegverläufen näher untersucht. Die Absenkbewegung wird vom unteren Zellendeckel veranlasst, der Zellendeckel wird kraftgeregelt nachgeführt. In Abbildung 40 oben ist die Wegänderung des Zellenbodens über die Zeit aufgetragen. Der Tiefpassfilter macht sichtbar, dass die Wegänderung unter maximaler Auflast ( v,max = 115 kpa) terrassenförmig verläuft. Vergleicht man das im gleichen Zeitbereich gemessene Oszillieren der Scherkraft F S (s. Abbildung 40 unten) mit der Wegänderung, geht die Wegänderung häufig mit dem Slip-Event des Schüttgutes einher. Dazu kommen noch Phasen der Wegänderung während der Haftphase des Schüttgutes (Stick), welche aufgrund der geringen Verfahrgeschwindigkeit (v s = 1,3 mm/min) offenbar durch ein Spiel zwischen den Untersetzungsstufen des Antriebes verursacht wird. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 61

63 Abbildung 40: Einfluss des Stick-Slip-Effektes auf die Wegmessung Weiterhin wurde zur Klärung der kausalen Ursachen des Stick-Slip (Schüttgutphänomen oder Versuchsaufbau) der zeitliche Ablauf dieser Stick-Slip- Verfahrweg-Interaktion ausgewertet. Bei einer Samplerate von 5 khz 1 erfolgte die Betrachtung der dynamischen Abläufe im Modellsilo auf Lambdameterbasis im Bereich von Millisekundenbereich. Abbildung 41 zeigt dazu die zeitliche Abläufe während eines Slip-Events anhand der Verläufe der Scherkraft F S (Kanal Sum_Z6-200 ) und der beiden Wegänderungen von Zellendeckel ( Weg_oben ) sowie Zellenboden ( Weg_unten ) über einem identischen Zeitfenster (t = 0,03 s = 30 ms) aufgetragen. Die Bewegungen des Zellendeckels und des Zellenbodens erfolgen zeitversetzt nach den Slip-Event an der Messzylinderinnenwand. Damit kann ausgeschlossen werden, dass der gemessene Wand-Stick-Slip vom Versuchstand initiiert wird. 1 ein Messwert je 0,2 ms Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 62

64 Abbildung 41: Zeitliche Einordung der Vorgänge während des Slip-Events Der Slip-Event der Scherkraft F S durchläuft unter den gegebenen Versuchsparametern innerhalb von t s = 10 ms (ab t = 41,86 s bis 41,87s) drei Phasen: 1. Beschleunigung aus der Haftsphase (Stick) in t H = 0,0025 s = 2,5 ms 2. Gleiten (Slip) (t G = 0,005 s = 5 ms) 3. Abbremsen in die Haftphase (Stick) in t H = 0,0025 s = 2,5 ms Jeweils am Wendepunkt des Slip-Events, also während der Gleitphase, beginnt die Reaktion der Wegmessung. Anhand der Kurvenverläufe ist zu sehen, dass das die vom Slip-Event ausgehende Wegänderung des Zellendeckels wenige Millisekunden vor der Wegänderung des Zellenbodens statt findet. Die könnte zweierlei Gründe haben: 1. Die Wegänderung ist mit einer Entlastung des Schüttgutes verbunden. Über den Zellendeckel wird diese Entlastung im Millisekundenbereich durch den PID-Regler ausgeglichen. 2. Das Losreisen aus der Haftphase beginnt im oberen Bereich des Messzylinders und setzt sich als eine Art Schockwelle nach unten fort. Darauf folgt die Reaktion in der Wegmessung des Zellenbodens. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 63

65 Um die Laufzeit der unter 2. genannten Schockwelle erfassen zu können, sind Messungen maximal möglicher Auflösung (19 khz) notwendig. In Abbildung 42 sind die berechneten Vertikalspannungen an Zellendeckel ( vo ) und Zellenboden ( vu ) sowie die über die Auflagerkräfte des Messzylinders gemessene Scherspannung ( ) aufgetragen. Im Modellsilo auf Lambdameterbasis tritt im Gegensatz zu den konventionellen Schergeräten ein Stick-Slip-Effekt während der Wandreibung von PET-Cylpepsgranulat auf. Dies geschieht hier bereits in Wandrauheitsbereichen die der Lieferqualität von gewalztem Aluminiumblech entsprechen. Abbildung 42: Gemessenen Vertikalspannungen in Abhängigkeit des Scherweges Die Stick-Slip-Amplitude ist für Scherspannung und Vertikalspannung am Zellenboden in etwa gleich, jedoch unterscheiden sich die Spannungsniveaus erheblich. Über 90 % der durch die Auflast aufgebrachten Vertikalspannung werden direkt auf den Zellenboden übertragen, der Rest über die Wandreibung auf den Messzylinder. Die gemessenen Vertikalspannungen erfüllen eine Kräftebilanz, wobei die Summe der eingeleiteten Spannungen ( vo ) der Summe der abgeleiteten Spannungen ( vu + ) entspricht. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 64

66 Die Abbildung 43 zeigt das Pulsieren der Horizontalspannung während des Absenkens des verpressten Schuttgut-Scheibenelementes bei der maximalen Auflast (Vertikalspannung v,max = 115 kpa). Abbildung 43: Pulsieren der Horizontalspannungen während des Absenkens In der Vergrößerung in Abbildung 43 rechts unten ist ein Slip-Event der Scherspannung s abgebildet, im gleichen Wegabschnitt darüber ein Puls der Horizontalspannung normal zur Messzylinderwand. Daraus abgeleitet ergibt sich der Scherweg, welcher während eines Slip-Events zurückgelegt wird zu s s = 1 µm. Mit der Laufzeit eines Slip-Events vom t s = 10 ms aus Abbildung 41 lässt sich nach (4) die durchschnittliche Geschwindigkeit v s des Slip-Events berechnen. Das Maximum des Horizontalspannungspulses ist beim Abschluss der Beschleunigung aus der Haftphase erreicht, wonach die Scherspannung linear abfällt. Da sich der Horizontalspannungspuls vor dem Losreißen der Scherspannung aufbaut, ließe sich durch die beiden gezeigten Verläufe unterstellen, dass ein Slip-Event durch Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 65

67 ein punktuelles Nachgeben der Messzylinderinnenwand initiiert wird. Diese These muss jedoch durch weitere Vergleichsmessungen gestützt werden. Parameterstudien Wie auch in den Scherversuchen mit den konventionellen Schergeräten wurde der Einfluss der Parameter Normalsspannung N (hier Vertikalspannung Zellendeckel vo ) Schergeschwindigkeit v s Schüttgut (Material und Kornform) im Modellsilo auf Lambdameterbasis untersucht. Von einer Variation der Wandrauheit Ra musste auf Grund der noch nicht erfolgten Kalibrierung des Messringes 2 abgesehen werden. Die Abbildung 44 zeigt den Einfluss der, über den Zellendeckel aufgebrachten, Vertikalspannung vo auf die Scherspannung s. Mit steigender Vertikalspannung steigt auch die zum Absenken des Schüttgut-Scheibenelementes zu überwindende Scherspannung. Abbildung 44: Abhängigkeit der Scherspannung von der Vertikalspannung vo Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 66

68 Gleichzeitig lässt sich in Abbildung 44 der Einfluss einer steigenden Vertikalspannung auf die Amplitude und Frequenz einer Stick-Slip-Schwingung aufzeigen. Bei geringen Vertikalspannungen ( vo = 2,8 kpa) tritt kein Stick-Slip auf. Wird ein Vertikalspannungsniveau von vo > 32 kpa überschritten, kommt es zur Ausbildung eines instabilen, d.h. in Frequenz und Amplitude spontan variierenden, Stick-Slip. Ab einem Spannungsniveau von vo > 60 kpa kann ein stabiler, in Frequenz und Amplitude konstanter, Stick-Slip-gemessen werden. Steigt die Vertikalspannung weiter, verringert sich die Frequenz des Stick-Slip-Effektes unter gleichzeitiger Vergößerung der Amplitude. Diese Abhängigkeiten entsprechen den Ergebnissen aud den Voruntersuchungen mit konventionellen Schergeräten (s. Tabelle 3). Instabiler Stick-Slip bei der Wandreibung von PET-Kugelgranulat konnte im Ringschergerät gemessen werden. (s. Abbildung 10). Die Spannungsniveaus zur Initiierung von stabilem Stick-Slip ( vo > 60 kpa) sind jedoch in konventionellen Schergeräten nicht realisierbar. Die Abbildung 45 zeigt den Einfluss der Schergeschwindigkeit auf den Stick-Slip- Effekt. Abbildung 45: Einfluss der Schergeschwindigkeit v s auf die Stick-Slip-Frequenz bzw. Stick-Slip-Amplitude Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 67

69 Dafür wurde das PET-Kugelgranulat, belastet bei maximaler Vertikalspannung ( vo > 120 kpa) mit der geringstmöglichen Schergeschwindigkeit (v s = 1,3 mm/min) und mit v s = 18 mm/min im Messzylinder abgesenkt. Es zeigt sich, dass zur Verdopplung der Stick-Slip-Frequenz eine Erhöhung der Schergeschwindigkeit um das 14-fache notwendig ist. Mit der Erhöhung der Stick-Slip-Frequenz durch die Schergeschwindigkeit geht eine Verringerung der Stick-Slip-Amplitude einher. Auch dieses im Modellsilo auf Lambdameterbasis erzielte Ergebnis zeigt tendenziell die selben Ergebnisse wie die der Voruntersuchungen mit konventionellen Schergeräten (s. Tabelle 3). Alle vorhandenen Kunststoffgranulate (s. Tabelle 1) wurden auf die Neigung zu Stick- Slip-Schwingungen mit dem Modellsilo auf Lambdameterbasis untersucht. Hinzu kommt noch ein monodisperses PA6-Cylpepsgranulat mit einer Korngröße von ca. x = 1 mm. Das Polyamid-Granulat ist eine Probe aus einem hupenden Silo und wurde vom Projektpartner Fa. Zeppelin zur Verfügung gestellt. Die Versuche wurden mit maximaler Auflast ( vo = 120 kpa) bei einer Schergeschwindigkeit von v s = 1,3 mm/min gefahren. Abbildung 46: Einfluss des Schüttgutmaterials und der Kornform auf den Stick-Slip- Effekt Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 68

70 Die Abbildung 46 zeigt, dass für beide PET-Granulate, unahängig von der Kornform, Stick-Slip gemessen werden konnte. Ebenso kann der Einfluss der Kornform abgeschätzt werden. Das PET-Kugelgranulat benötigt eine geringere Scherspannung für eine Abwärtsbewegung im Messzylinder bei gleichzeitig verminderter Stick-Slip- Amplitude. Das PA6-Cylpepsgranulat zeigt einen mit dem PET-Cylpepsgranulat vergleichbaren Verlauf der oszillierenden Scherspannungen. Beide Materialien sind laut [44] als kritisch bezüglich Silovibrationen eingestuft. PE-Granulat zeigt im Versuch keinen Stick-Slip. Auch in [44] wird PE-Granulat aus unkritisch bzgl. Der Neigung zu Silovibrationen aufgeführt. Wenn das Auftreten von Silovibrationen sich auf die Neigung einiger Schüttgüter zu Wand-Stick-Slip in Schergeräten zurückführen liesse, könnten Vorhersagen von Silovibrationen erfolgen, und damit im Vorfeld Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Mit dem Modellsilo auf Lambdameterbasis lassen sich die Erfahrungen aus der Wirtschaft [44] bestätigen. Mit konventionellen Schergeräten war dies nicht möglich. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 69

71 6.7 Gegenüberstellung von Zielsetzungen und Ergebnissen Arbeitspunkt Zielsetzung Ergebnis A Literaturrecherche Stand der Technik /Forschung B C D E F G H I J Beschaffung Messgeräte Bauteile, etc. Umbau des Großschergerätes Adaption / Einarbeitung Messtechnik Oberflächenanalytik Lambdameterumbau mit Konstruktion und Fertigung Voruntersuchungen Ringschergerät Voruntersuchungen Grossschergerät Kalibrieren Lambdameter Lambdameterversuche Anschaffung Hommel T1000 Rauheitsmessgerät zur definierten Einstellung bzw. Kontrolle von Oberflächenrauheiten für Wandreibungsversuche Test eines Absenkmechanismus auf Basis eines Schubkurbelgetriebes Erhöhung der Steifigkeit des Schubkurbelgetriebes Betriebsnahe Messung von Stick-Slip Grundlagen in LabView, DIAdem, Virtual Basic Überprüfung der Oberflächenveränderung nach tribologischer Beanspruchung Messung der Horizontalspannung währen des Absenkens eines verpressten Schüttgut-Scheibenelementes Einfluss der Parameter Normalspannung, Wandrauheit und Schergeschwindigkeit auf den Stick-Slip-Effekt Direkte Berechnung von Horizontalspannungen aus Dehnungen Anregungsmechanismen Stick- Slip, Betrachtungen zur Systemsteifheit Horizontalkomponente des Stick- Slip im Messzylinder messen Vergleich verschiedener Herangehensweisen um Stick-Slip in Schergeräten zu Erzeugen, Abwägung der Vor- und Nachteile verschiedener Versuchsaufbauten, Übersicht über den Stand der Technik im Bezug auf Messtechnik Wandreibungsproben der Rauheiten Ra = 0,3; 0,8; 1,2 und 1,8 µm Schubkurbelgetirbe eignet sich für die definierte Absenkung eines Schüttgut-Scheibenelementes Eliminierung von Elastitzitäten in den Messergebnissen Parametervariationen im Zwischenversuchstand zeigen ähnliche Zusammenhänge mit den Messungen in konventionellen Schergeräten, Stick-Slip auch bei PET-Kugelgranulat Messoftware, Steuerungssoftware für Lambdameter erstellt, Skript für Automatisierte Auswertung der Messdaten geschieben. FTIR- und REM-Analysen zeigen PET feste Rückstände auf AlMg3 Oberfläche Lambdameter komplett dreidimensional mit Solid Works konstruiert, Planung und Inplementierung des Absenkmechanismus, Hochauflösende Messtechnik appliziert Steigende Normalspannung vergrößert Stick- Slip- Amplitude bei Herabsetzung der S-S- Frequenz, Steigende Wandrauheit hat Einfluss auf S-S- Amplitude, Steigende Schergeschwindigkeit erhöht S-S-Frequenz bei Herabsetzung der S-S- Amplitude Kalibrierkennfeld aufgenommen, Funktionsgleichung des Kalibierkennfeldes über Approximation ermittelt, Direkte Berechnung der Horizontalspannungen über umgestellte Funktionsgleichung mittels VBS-Skript möglich Zeitliche Abfolge von Schwingungen durch hochaufgelöste Messungen geklärt, Einfluss des Versuchsaufbaus auf das zustandekommen von Stick-Slip minimal, Horizontalkomponente des Stick-Slip nachgewiesen, Möglichkeit der Vorhersage von Silovibrationen mit dem modifizierten Lambdameter gegeben Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 70

72 7 Verwendung der Zuwendungen Wissenschaftlich-technisches Personal Die wissenschaftlichen Mitarbeiter wurden benötigt, um das Forschungsvorhaben wissenschaftlich zu bearbeiten. Dazu gehört die grundsätzliche Konzipierung des Projektes einschließlich der erforderlichen Geräteumrüstungen und der Mess- Steuer- und Auswertesoftware ebenso wie die Planung, Überwachung und Auswertung der experimentellen Arbeiten an den Schergeräten und am Lambdameter. Das erfordert auch die Anleitung der zugeordneten Mitarbeiter. Darüber hinaus soll der wissenschaftliche Mitarbeiter auf Basis der Ergebnisse Ansätze für eine modellmäßige Betrachtung des Problems der Slip-Stick- Schwingungen bei der Wandreibung sowie der Silovibrationen erarbeiten. Der Mitarbeiter, bzw. die Mitarbeiterin ist während der Projektlaufzeit von 27 Monaten auch 27 Monate Vollzeit mit diesem Projekt beschäftigt. Seine Aufgabe ist weiterhin die konstruktive Vorbereitung der erforderlichen Geräteumbauten, die Anleitung der mechanischen und elektrotechnischen Arbeiten am Lambdameter und den Schergeräten, die Kalibrierung der neuen Lambdameter- Messringe. Für die Softwareerarbeitung für das Messdatenerfassungs- und Automatisierungs- System auf PXI-Basis (PXI-System) am Lambdameter, die Implementierung des resultierenden Kennfeldes in das Programm sowie die Erprobung des Lambdameters bis zur Nutzbarkeit durch den Laboranten hat der wissenschaftliche Mitarbeiter die grundsätzliche Linie zu erarbeiten. Letztlich ist der wissenschaftliche Mitarbeiter für die Versuchsauswertung und die Erarbeitung des Berichtes zuständig. Technisches Personal Der Techniker ist für die konstruktive und automatisierungstechnische Umgestaltung des Lambdameters und die elektrotechnischen Installationsarbeiten sowie die darüber hinaus anfallenden Konzeptumsetzungen an den vorgesehenen Geräten und Anlagenteilen unter Anleitung des wissenschaftlichen Mitarbeiters erforderlich. Der Techniker ist ebenfalls unter Anleitung des wissenschaftlichen Mitarbeiters für die Adaption und Einarbeitung der Messtechnik sowie für die Kalibrierung des Lambdameters zuständig. Weiterhin ist er für die weitgehend eigenständige Durchführung und Erstauswertung der Scherversuche sowie später der Lambdameterversuche vorgesehen (Da mehrere Schergeräte und das Lambdameter als hochkomplizierte Einrichtung bedient werden müssen, ist ein mit schüttguttechnischen Untersuchungen erfahrener Techniker erforderlich). Auf Grund des umfangreichen Arbeitspensums des Technikers wird dieser mit einem Umfang Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 71

73 von insgesamt 20 Mannmonaten im Vorhaben beschäftigt, damit sich der wissenschaftliche Mitarbeiter für eine effektive Projektabwicklung auf seine Kernaufgaben konzentrieren kann. Studentische Hilfskräfte Der zu erwartende große experimentelle Umfang der Arbeiten erfordert den Einsatz von studentischen Hilfskräften zur Durchführung von standardisierten Experimenten bei den geplanten Versuchsreihen mit den vorgesehenen Versuchsgeräten und -anlagen. Nur so kann die benötigte Datenbasis in diesem noch nicht vollständig erfassten Feld erstellt werden. Zusätzlich fallen Aufgaben in den Bereichen Literaturrecherche, Datenaufarbeitung und Erstellung von Diagrammen an, für die ebenfalls studentische Hilfskräfte benötigt werden. Die studentische Hilfskraft wird im Projekt je nach Arbeitsanfall in den einzelnen Teilschritten insgesamt 21 Mannmonate zu 86 h im Monat beschäftigt. Die Fördermittel und das Personal wurden zielorientiert und adäquat, den Aufgaben angemessen eingesetzt. Die von uns durchgeführten Arbeiten waren notwendig und angemessen. Gewerbliche Schutzrechte wurden nicht erworben und sind nicht beabsichtigt. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 72

74 8 Wissenschaftlich-technischer Nutzen Es ist bis heute nicht möglich, das Auftreten von Silovibrationen vorherzusagen. Wenn nachgewiesen werden kann, dass der Slip-Stick-Effekt bei der Wandreibung ursächlich für Silovibrationen ist, ergäbe sich erstmals, und zwar auf Basis einer relativ einfachen Prüfmethode, die Möglichkeit der Vorhersage und damit der prophylaktischen Vermeidung von Silovibrationen sowie die Voraussetzung für zielgerichtete Problemlösungen bei vibrierenden Silos. Darüber hinaus schafft das umgestaltete Lambdameter erstmalig die Möglichkeit, den Seitendruckbeiwert, das Verhältnis von Horizontal- zu Vertikalspannung, unter betriebsrelevanten Bewegungs- und Lastbedingungen zu messen, was die Sicherheit der statischen Silodimensionierungen verbessern kann. Um den Nachweis zu führen, dass der Slip-Stick Effekt bei der Wandreibung von Schüttgütern ein Anregungsmechanismus von Silovibrationen ist, sind Messungen der Horizontal- und Vertikalspannungen während der Schüttgutbewegung notwendig. Dies soll in einem modifizierten Lambdameter erfolgen. Um damit ausschließlich vom Schüttgut erzeugte Schwingungseffekte zu messen sind Kenntnisse bzgl. der Steifigkeit des Versuchsaufbaues, das Wissen über die Auswirkung tribologischer Effekte im Bereich des Partikel-Wand-Kontaktes und eine hochauflösende Messtechnik bzw. ein statistisch abgesichertes Messverfahren von Nöten. Der Lambdameterumbau erfolgte unter Einbeziehung dieser Vorgaben. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 73

75 9 Wirtschaftlicher Nutzen für KMU Viele Planer, Hersteller und Betreiber von Silos und ähnlichen schüttguttechnischen Anlagen, sind heute zu den KMU zu rechnen. Aus den erwarteten Ergebnissen des Forschungsvorhabens können Schlussfolgerungen zur Vermeidung von Silovibrationen durch Verhinderung von Slip-Stick abgeleitet werden. Die Forschungsergebnisse können so zur Verbesserung der statischen Sicherheit und Funktionssicherheit von Förder- und Siloanlagen führen. Sie sind damit unmittelbar nutzbar für viele KMU und stärken so ihre Wettbewerbsfähigkeit. Darüber hinaus bietet das umgestaltete Lambdameter erstmalig die Möglichkeit, den Seitendruckbeiwert, das Verhältnis von Horizontal- zu Vertikalspannung, unter betriebsrelevanten Bewegungs- und Lastbedingungen zu messen, was zusätzlich zum o.a. Effekt die Sicherheit der statischen Silodimensionierungen verbessert. Auswahl geeigneter Materialkombinationen zur Vermeidung von Silovibrationen. Das hätte Bedeutung für die nachstehenden Fachgebiete bzw. Wirtschaftszweige: Rohstoffe, Werkstoffe/Materialien Chemie, Verfahrenstechnik, Lebensmitteltechnik, Konstruktion und Produktion (10) Kohlebergbau, (15) Ernährungsgewerbe, (24) Chemische Industrie, insbesondere Kunststoffindustrie, (26) Verarbeitung von Steinen und Erden und (45) Baugewerbe Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 74

76 10 Innovativer Beitrag der Ergebnisse zu industriellen Anwendungsgebieten Aus den erzielten Ergebnissen können Schlussfolgerungen zur Vermeidung von Silovibrationen durch Verhinderung von Slip-Stick abgeleitet werden. Sie sind damit unmittelbar nutzbar für die Hersteller und Betreiber von Silos und ähnlichen schüttguttechnischen Anlagen. Von Bedeutung sind die Ergebnisse auch für die Produzenten von Verschleißschutzmaterialien, die evtl. im o.a. Sinne zur zweckmäßigen Auskleidung derartiger Betriebsanlagen verwendet werden können. Die Forschungsergebnisse können so zur Verbesserung der statischen Sicherheit und Funktionssicherheit von Förder- und Siloanlagen durch Optimierung der Oberflächenrauheit des Wandwerkstoffes in bezug auf das Schüttgut führen. Werden Silovibrationen vermieden, ist z.b. auch die Verwiegung des Massestroms beim Siloaustrag wesentlich besser und genauer möglich, als bei vibrierenden Silos. Darüber hinaus bietet das neuartige Lambdameter die Möglichkeit, den für statische Silodimensionierungen wichtigen Seitendruckbeiwert auch unter betriebsrelevanten Bewegungsbedingungen zu messen, was die Sicherheit der Silodimensionierung erhöht. Da in kleinen und mittleren Betrieben eine Vielzahl von Silos eingesetzt wird, könnten die aufgeführten Verbesserungen bei Auslegung und Betrieb dieser Anlagen zu erheblichen Steigerungen der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmu beitragen. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 75

77 11 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft Ziel Maßnahme Rahmen Datum Ergebnistransfer in die Wirtschaft projektbegleitender Ausschuss 1. Treffen 2. Treffen 3. Treffen 4. Treffen 5. Treffen 6. Treffen 1.: : : : : : Ergebnistransfer in die Wirtschaft Beitrag nationale Fachkonferenz Jahrestreffen der FA "Agglomerations- und Schüttguttechnik, Fulda Ergebnistransfer in die Wirtschaft Beitrag internationale Fachkonferenz WCPT6, Nürnberg Ergebnistransfer in die Wirtschaft Beitrag nationale Fachkonferenz Jahrestreffen der FA "Agglomerations- und Schüttguttechnik, Hamburg Ergebnistransfer in die Wirtschaft Beitrag nationale Fachkonferenz Jahrestreffen der ProcessNet- Fachgruppen Agglomerations- und Schüttguttechnik & Kristallisation, Wittenberg Ergebnistransfer in die Wirtschaft Beitrag internationale Fachkonferenz CHoPS th International Conference for Conveying and Handling of Particulate, Ludwigshafen Ergebnistransfer in die Wissenschaft Kolloquium Verfahrenstechnisches Kolloquium TU Magdeburg Ergebnistransfer in die Wirtschaft / Wissenschaft Kolloquium GVT AK4-Sitzung TU Magdeburg, Ergebnistransfer in die Wirtschaft / Wissenschaft Kolloquium GVT AK4-Sitzung TU Freiberg Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 76

78 noch geplanter Ergebnistransfer: Ziel Maßnahme Rahmen Datum Ergebnistransfer in die Wirtschaft Wissenschaftlicher Transfer wissenschaftlicher Transfer Beitrag internationale / nationale Fachzeitschrift Einbau der Ergebnisse in studentische Ausbildung Dissertation tbd 03/13 Vorlesungen und Praktika Ab 2013 Nutzung der Ergebnisse für die Dissertation von Hrn. Dipl.-Ing.Stefan Jäckel 2014 noch zu bestätigen: Wissenschaftlicher Transfer Beitrag internationale Fachkonferenz ICBMH 2013, 11 th International Congress on Bulk Materials Storage, Handling and Transportation, Newcastle Wissenschaftlicher Transfer Wissenschaftlicher Transfer Beitrag internationale Fachkonferenz Beitrag internationale Fachkonferenz Powders & Grains 2013, Sydney Powder & Bulk Solids India, Mumbai Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 77

79 12 Veröffentlichungen im Rahmen des Vorhabens 1. S. Jäckel, T. Mütze, and U. A. Peuker, "Entwicklung und Validierung einer Versuchseinrichtung zur betriebsnahen Bestimmung der Wandreibung von Schüttgütern in Silos," in Jahrestreffen des ProcessNet-Fachausschusses Agglomerations- und Schüttguttechnik, Hamburg, S. Jäckel, T. Mütze, and U. A. Peuker, "Einfluss des Slip-Stick-Effektes bei der Wandreibung von Schüttgütern auf Silovibrationen," in Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen Agglomerations- und Schüttguttechnik & Kristallisation 2012, Wittenberg, Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 78

80 13 Durchführende Forschungsstellen Nr. 1 Forschungsstelle: TU Bergakademie Freiberg Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik Adresse: Agricolastraße Freiberg Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr. Urs A. Peuker Projektleiter: Prof. Dr. Urs A. Peuker Datum Prof. Dr.-Ing. Urs A. Peuker Projektleiter Forschungsstelle 1 Das IGF-Vorhaben (16244BR) der Forschungsvereinigung (Dechema e.v.) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 79

81 14 Symbole Scherspannung / Wandschubspannung Stick-Slip Amplitude Winkelgeschwindigkeit Horizonatlspannungsverhältnis e innerer Reibungswinkel w Wandreibungswinkel h Horizontalspannung N Normalspannung v Vertikalspannung vo Vertikalspannung Zellendeckel vu Vertikalspannung Zellenboden µ G Gleitreibungszahl B Wandstärke D Durchmesser D MR Durchmesser Messring (innen) F Frequenz F B Kraft auf den Zellenboden (Lambdameter) F MR Auflagerkraft Messring F N Normalkraft F N Normalkräften F R Reibkraft F S Scherkraft F v Vorspannkraft Druckfeder h d Zellendechelhöhe h MR Höhe Messring h SG Füllhöhe Schüttgut l Stauchung n Drehzahl p Kalmax maximaler Luftdruck beim Kalibrieren p max maximaler Luftdruck Ra Rauheit s Weg s o Weg oben s s Scherweg s s Scherweg s u Weg unten t Zeit Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 80

82 t G T G t H t s v v s v s V SG Dauer der Gleitphase Glasübergangstemperatur Dauer der Haftphase Dauer eines Slip-Events Geschwindigkeit Geschwindigkeit der Slip-Bewegung Schergeschwindigkeit Schüttvolumen Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 81

83 15 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Messung der Wandreibung von Schüttgütern im Jenike-Schergerät [5]... 7 Abbildung 2: Sägezahnartiger Verlauf der Scherspannung bei der Wandreibung [4]... 7 Abbildung 3: Prinzip der Scherzelle des Jenike-Schergeräts [5] Abbildung 4: Verwendete Schergeräte, links: Ringschergerät, rechts: Jenike- Großschergerät (vor der Modernisierung) Abbildung 5: Einfluss der Partikelform auf die Fließorte im Jenike-Großschergerät Abbildung 6: Ermittlung der Wandfließorte in Abhängigkeit der Wandrauigkeit mit dem Großschergerät (Links: PET-Cylpepsform, Rechts: PET-Kugelform) Abbildung 7: Parametervariationen im Jenike-Großschergerät (Links: Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Stick-Slip-Frequenz, Rechts: Einfluss der Normalspannung auf die Amplitude des Stick-Slip-Effektes) Abbildung 8: Fließortmessungen im Ringschergerät mit PET-Granulat, Einfluss der Partikelform Abbildung 9: Stick-Slip-Effekt in Abhängigkeit der Normalspannung Abbildung 10: Einfluss der Wandrauheit auf den Stick-Slip-Effekt während einer verlängerten Anscherprozedur Abbildung 11: Ermittlung der Wandfließorte in Abhängigkeit der Wandrauigkeit mit dem Ringschergerät (Links: PET-Cylpepsform, Rechts: PET-Kugelform) Abbildung 12: Stift-Scheibe-Versuche Tribometer Versuchsaufbau Abbildung 13: Reibwert für PET auf AlMg3, ermittelt im Tribometer (s = zurückgelegter Reibweg in m) Abbildung 14: links: REM Bild von PET-Ablagerungen auf AlMg3, rechts: FTIR- Spektrum von Spuren von PET auf AlMg3 (blaue Kurve) Abbildung 15: Links: Funktionsprinzip Lambdameter ( s u = 0), Rechts: Funktionsprinzip modifiziertes Lambdameter ( s u > 0) Abbildung 16: Funktionsprinzip Zwischenversuchstand Abbildung 17: Kinematisches Schema eines Schubkurbelgetriebe nach [52] Abbildung 18: Schnittansicht der Solid Works-Konstruktion des Zwischenversuchstand Abbildung 19: Zwischenversuchstand als modularer Aufbau für ein Jenike- Großschergerät Abbildung 20: Versuchsergebnisse im Zwischenversuchstand (Links: Einfluss der Kornform auf den Stick-Slip-Effekt; Rechts: Einfluss des Granulatmaterials auf den Stick-Slip-Effekt) Abbildung 21: Einfuss der bewegten Schüttguthöhe auf den Stick-Slip-Effekt Abbildung 22: Versuchsaufbau Lambdameter als Solid Works Modell Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 82

84 Abbildung 23: Schnittansicht des geplanten Lambdameterumbaus Abbildung 24: Elastisches Stauchverhalten des Lambdameterbodens Abbildung 25: Auftretende Kräfte in Abhängigkeit der Schubkurbelgetriebestellung.. 44 Abbildung 26: Schnittansicht erhhöhter Messzylinder Abbildung 27: Einzelkomponenten des fertigen erhöhten Messzylinder Abbildung 28: Messkanäle Modellsilo Abbildung 29: Bockschaltbild der Steuerung- und Reglungstechnik des Modelsilo Abbildung 30: Fertig zum Modellsilo modifiziertes Lambdameter Abbildung 31: Ergebnisse Wegmessung im modifizierten Lambdameter Abbildung 32: Oszillierende Vertikalspannung (Stick-Slip) Abbildung 33: Antwortimpuls auf Vertikalspannung in Horizontaler Richtung Abbildung 34: Kalibriervorrichtungen (Links: Lambdametermesszylinder; Rechts: Modellsilomesszylinder) Abbildung 35: Kalibriersoftware des Modellsilos basierend auf Lab-View Abbildung 36: Rekalibrierung des Lambdametermessrings (Links: Vergleich der Kalibrierung von 02/2000 und 02/2012; Rechts: Nullpunktdrift über 24 h) Abbildung 37: Einfluss der strukturellen Eingriffe und Rekalibrierung auf die direkte Messung von Lambda Abbildung 38: Links: Kalibrierkennfeld für die DMS Vollbrücke 1, Rechts: Approximation des Kalibrierkennfeldes mit Origin Abbildung 39: Links: Struktur der Rohdaten; Rechts: Gefilterte Daten im Datenportal 58 Abbildung 40: Wegmessung mit Tiefpassfilter Abbildung 41: Einfluss des Stick-Slip-Effektes auf die Wegmessung Abbildung 42: Zeitliche Einordung der Vorgänge während des Slip-Events Abbildung 43: Gemessenen Vertikalspannungen in Abhängigkeit des Scherweges Abbildung 44: Pulsieren der Horizontalspannungen während des Absenkens Abbildung 45: Abhängigkeit der Scherspannung von der Vertikalspannung vo Abbildung 46: Einfluss der Schergeschwindigkeit v s auf die Stick-Slip-Frequenz bzw. Stick-Slip-Amplitude Abbildung 47: Einfluss des Schüttgutmaterials und der Kornform auf den Stick-Slip- Effekt Abbildung 48: Infrarotspektroskopie PET Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 83

85 16 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Foto bzw. REM-Aufnahme der verwendeten Kunststoffgranulate Tabelle 2: Erzeugte Wandrauhigkeiten für Wandreibungsversuche im Großschergerät Tabelle 3: Übersicht der Einflussgrößen auf den Stick-Slip-Effekt bei der Wandreibung Tabelle 4: Übersicht der Messkanäle Tabelle 5: Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen (Ringschergerät, Ra = 0,3 µm) Tabelle 6: Vergleich der gemessenen Wandreibungswinkel für PET-Cylpepsgranulat (PET_C) und PET-Kugelgranulat (PET_K) in Jenike Großschergerät (GSG) und Ringschergerät (RSG) Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 84

86 17 Literaturverzeichnis [1] Forum-PET. (2012, ). Forum PET [Brochure]. Available: [2] A. W. Roberts and C. M. Wensrich, "Flow dynamics or 'quaking' in gravity discharge from silos," Chemical Engineering Science, vol. 57, pp , [3] D. Schulze, "Silo quaking," in Silos - Fundamentals of theory, behaviour and design, ed London and New York: E & FN Spon, 1998, pp [4] D. Schulze, "Zeit- und geschwindigkeitsabhängiges Verhalten von Schüttgütern als Bedingung für Slip-Stick," Chemie Ingenieur Technik, vol. 75, pp , [5] D. Schulze, Pulver und Schüttgüter. Berlin: Springer-Verlag, [6] J. M. Buick, J. Chavez-Sagarnaga, Z. Zhong, J. Y. Ooi, A. Pankaj, D. M. Campbell, et al., "Investigation of Silo honking: Slip-stick excitation and wall vibration," Journal of Engineering Mechanics, vol. 131, pp , [7] J. Chavez-Sagarnaga, J. M. Buick, J. Y. Ooi, Pankaj, C. D. M., and G. C. A., "Frictional properties of pellets and silo wall materials for the investigation of silo honking," presented at the PARTEC, Nürnberg [8] D. Schulze, Pulver und Schuttguter vol. %6: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, [9] J. Tejchman and M. Niedostatkiewicz, "Dynamic pulsations during silo flow - model experiments and a numerical approach," in RELPOWFLO III, Porsgrunn, 1999, pp [10] B. K. Muite, S. F. Quinn, S. Sundaresan, and K. K. Rao, "Silo music and silo quake: Granular flow-induced vibration," Powder Technology, vol. 145, pp , [11] J. Schwedes, "Fließverhalten von Schüttgütern in Bunkern," Chemie Ingenieur Technik, vol. 48, pp , [12] C. Wensrich, "Experimental behaviour of quaking in tall silos," Powder Technology, vol. 127, pp , [13] M. Niedostatkiewicz and J. Tejchman, "Experimental and theoretical studies of resonance effect during silo flow," presented at the 4. Internat. Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Budapest [14] K. Wilde, J. Tejchman, M. Rucka, and M. Niedostatkiewicz, "Experimental and theoretical investigations of silo music," Powder Technology, vol. 198, pp , [15] H. Schneider, "Erschütterungen und Geräusche beim Entleeren von Silos - Ursachen und Maßnahmen zur Verhinderung," presented at the GVC- Fachausschusstagung Agglomerations- und Schüttguttechnik, Baden-Baden, [16] H. Wilms, " Silo-Hupen - Slip-Stick-Effekt bei der Wandreibung," Schüttgut vol. 10, p. 200, [17] J. M. Buick, J. Chavez-Sagarnaga, J. Y. Ooi, Pankaj, C. D. M., and G. C. A., "Intermittend particle motion on the wall of a model silo during discharge," presented at the PARTEC, Nürnberg Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 85

87 [18] J. Tejchman and G. Gudehus, "Dynamic effects in silos -experiments, polar constitutive model and a way for their suppression," presented at the Tagung des SFB 219, Karlsruhe [19] J. Schwedes, "Einfluß der Wandreibung auf die Dimensionierung von Bunkern Verfahrenstechnische und statische Gesichtspunkte," Chemie Ingenieur Technik, vol. 56, pp , [20] B. Egerer, "Kritische Auslaufdurchmesser bei Massenflussbunkern für kohäsive Schüttgüter," Dissertation, Univ. Erlangen-Nürnberg, [21] G. Dau, "Messung des Wandreibungswinkels zu verschiedenen Wandmaterialien," Aufbereitungstechnik, vol. 24 pp , [22] W. J. B. Van den Bergh, A. G. Van Dalen, and B. Scarlett, "The influence of particle attrition on the wall friction coefficient of a free flowing particulate solid," Particle Characterisation, vol. 2, pp , [23] M. Ooms and A. W. Roberts, "Interaction between surface friction and roughness in the gravity flow of bulk solids," in 8th CHISA Congress, Praha, [24] E. Fanghänel, D. Höhne, and U. Schünemann, "Charakterisierung der Wandreibungsvorgänge bei Schüttgütern und Einflussgrößen auf die Wandreibung," Aufbereitungstechnik, vol. 30, pp , [25] G. E. Blight, "Silo wall friction and wall roughness," Powder Handling & Processing, vol. 2, pp , [26] D. Höhne, E. Fanghänel, and U. Schünemann, "Einflußgrößen auf Wandreibungsvorgänge von Schüttgütern," Chemie Ingenieur Technik, vol. 63, pp , [27] E. W. Hollinderbäumer and H. Hoberg, "Anbackungen feuchter Schüttgüter - Haftkraftmechanismen und Lösungsmöglichkeiten für praktische Probleme," Aufbereitungstechnik, vol. 35 pp , [28] G. Haaker, "Wall friction measurements on bulk solids - results of comparative measurements on 9 bulk solid/wall combinations from13 laboratories using the Jenike shear tester," Powder Handling & Processing, vol. 11, pp , [29] M. Verwijs, S. Svoronos, and K. Johanson, "Stick-slip mechanism in powder flow," in 5th World Congress on Particle Technology, Orlando, [30] J. u. a. Schwedes, in Hochschulkurs Lagern und Fließen von Schüttgütern, TU Braunschweig, [31] J. Tomas, "Untersuchungen zum Fließverhalten von feuchten und leichtlöslichen mineralischen Schüttgütern," Dissertation Bergakademie Freiberg, [32] T. J. Budny, "Stick-slip friction as a method of powder flow characterization," Powder Technology, vol. 23, pp , [33] J. Šmid, D. Höhne, and U. Schünemann, "Slip-stick Effekt bei der Messung der Scherfestigkeit pulverförmiger chemischer Produkte," Freiberger Forschungsheft, vol. 703, [34] D. Höhne, U. Schünemann, and K. Husemann, "Schüttgutmechanische Eigenschaften von Salzgrus," Berichte des Forschungszentrum Jülich, vol. Jül- 3492, [35] S. Jäckel, T. Mütze, and U. A. Peuker, "Einfluss des Slip-Stick-Effektes bei der Wandreibung von Schüttgütern auf Silovibrationen," in Jahrestreffen der Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 86

88 ProcessNet-Fachgruppen Agglomerations- und Schüttguttechnik & Kristallisation 2012, Wittenberg, [36] Z. Chaniecki, T. Dyakowski, M. Niedostatkiewicz, and D. Sankowski, "Application of Electrical Capacitance Tomography for Bulk Solids Flow Analysis in Silos," Particle & Particle Systems Charakterization vol. 23, pp. S , [37] M. L. Dhoriyani, K. K. Jonnalagadda, R. K. Kandikatla, and K. K. Rao, "Silo music: Sound emission during the flow of granular materials through tubes " Powder Technology, vol. 167, pp , [38] C. M. Wensrich, "Numerical modelling of quaking in tall silos," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 45, pp , [39] A. W. Jenike, "Storage and flow of solids," University of Utah, vol. Bul. No. 123, [40] K. N. Elkoly and M. M. Khonsari, "Experimental Investigation on the Stick-Slip- Phenomen in Granular Collision Lubrication," Journal of Tribology, vol. 130, [41] S. Nasuo, A. Kudrolli, A. Bak, and J. P. Gollub, "Time-resolved studies of stickslip friction in sheared granular layers," The American Physical Society, vol. 58, pp , [42] J. Tejchman, "Technical concept to prevent the silo honking," Powder Technology, vol. 106, pp. 7-22, [43] E. A. Gladbach and J. Tejchman, "Verfahren und Vorrichtung zur Vermeidung von geräuschverursachenden Schwingungen bei der Entleerung von Silos," [44] Zeppelin, "Unerhört leise - das patentierte Antihupsystem von Zeppelin ", Zeppelin, Ed., ed: Zeppelin Silos Systems GmbH, [45] D , Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 6: Einwirkungen auf Silos und Flüssigkeitsbehälter: Beuth, [46] K. Voidel, "Der Einfluss langer Scherwege auf das Auftreten von Slip-Stick- Erscheinungen bei der Wandreibung," Diplomarbeit, Institut für mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik, Technische Universität Bergakademie Freiberg, [47] R. Gohar and H. Rahnejat, Fundamentals of tribology. London: Imperial College Press, [48] H. Czichos, Tribology : a systems approach to the science and technology of friction, lubrication, and wear. Amsterdam ; New York New York: Elsevier Scientific Pub. Co. ; distributors for the U.S. and Canada, Elsevier North Holland, [49] B. Bhushan, Modern tribology handbook. Boca Raton, FL: CRC Press, [50] D. Höhne, U. Schünemann, and K. Husemann, "Direct measurement of the lateral stress ratio," CHISA Prague, vol. Proc.No. P1, [51] D. Höhne, U. Schünemann, K. Husemann, and J. Klein, "Device for direct measurement of the lateral stress ratio " Europ. Symp. RELPOWFLOW III Porsgrunn, pp. proc , [52] G. Dittrich and M. Schmeik, "Rechtwinkliger Doppelschieber mit Ersatzgetrieben," Der Konstrukteur vol. 25, pp , Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 87

89 18 Anhang Abbildung 47: Infrarotspektroskopie PET Tabelle 5: Zusammenfassung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen (Ringschergerät, Ra = 0,3 µm) Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 88

90 Tabelle 6: Vergleich der gemessenen Wandreibungswinkel für PET-Cylpepsgranulat (PET_C) und PET-Kugelgranulat (PET_K) in Jenike Großschergerät (GSG) und Ringschergerät (RSG) Abbildung 48: Zwischenversuchstand als modularer Aufbau für ein Jenike- Großschergerät Abschlussbericht Einfluss der Wandreibung auf Silovibrationen Seite 89