Modelování procesů partikulárních hmot v aplikaci na vibrační dopravu

David Žurovec

Doctoral thesis

Modelling processes of bulk materials in application to vibrating transport

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá využitím modelování sypkých materiálů pomocí metody Discrete Element Method (DEM) pro aplikace v oblasti vibračních technologií. Oblast je zúžena na vibrační procesy využívající vibrační pohyb ve tvaru šroubovice nebo vyprazdňování skladovacích zařízení při působení externí energie ve formě šroubových vibrací. Cílem práce je rozšíření využití modelování vibračního pohybu ve tvaru šroubovice do stavebního průmyslu, zemědělství nebo zpracování odpadních surovin. V rámci těchto vybraných oblastí použití byly zvoleny reprezentativní vzorky, kterými jsou písek, kukuřice a pelety z dřevěných pilin. U zvolených materiálů byly naměřeny mechanicko-fyzikální vlastnosti a interakční parametry, které patří do skupiny základních vstupních parametrů do simulačního prostředí EDEM. Další část je věnována kalibraci zvolených materiálů s následnou validací simulačních experimentů pomocí programu EDEM. Pro validaci vibračního pohybu ve tvaru šroubovice byl vyroben prototyp vertikálního vibračního dopravníku, který je požit pro dopravu sypkých a kusových materiálů. Mezi hlavní výhody tohoto typu dopravníku patří např. velká dopravní výška, velká dopravní vzdálenost, malé prostorové rozměry, snadná regulace dopravního výkonu, apod. Vertikální vibrační dopravník byl podroben provozním zkouškám. Pomocí vysokorychlostní kamery Olympus I-SPEED 2 se podařilo zjistit skutečné tvary a parametry kmitavého pohybu pro různé provozní nastavení. Získané informace byly následně použity jako vstupní parametry vibračního pohybu ve tvaru šroubovice do simulačního prostředí EDEM. Závěrečná část této práce je zaměřena na aplikační experimenty s využitím modelování procesů pomocí metody DEM. První aplikace se týká dopravy kukuřice na vertikálním vibračním dopravníku při různém provozním nastavení. Proces dopravy kukuřice byl validován pomocí DEM simulací. Druhá aplikace je zaměřena na chlazení pelet z dřevěných pilin při dopravě na vertikálním vibračním dopravníku. Další aplikace se týká optimalizace vyprazdňování písku z dávkovacího zásobníku. Na základě získaných informací o písku, který byl zařazen do kategorie kohezivních, byl navržen dávkovací zásobník. Pomocí DEM simulace bylo zjištěno, že písek se ze skladovacího prostoru zásobníku nedokáže samovolně uvolnit. Na konstrukci dávkovacího zásobníku byla aplikována externí energie ve formě šroubových vibrací. Toto řešení bylo aplikováno s pozitivním účinkem v reálném provozu. Posledním aplikačním experimentem je optimalizace sítového třídiče s využitím metody DEM. Modelování dopravních a skladovacích procesů pomocí metody DEM se ukázalo jako velice účinný nástroj pro navrhování nových nebo optimalizace stávajících zařízení využívající vibrační technologie. Pomocí DEM simulací lze ověřit chování sypkých materiálu na nově navrženém dopravním nebo skladovacím zařízení. Z ověřených simulací lze získat parametry optimálního vibračního pohybu, kterými jsou, tvar a rozsah kmitání, frekvence kmitání nebo velikost amplitudy kmitání.

Abstract:

This dissertation thesis deals with the use of bulk material modeling using the Discrete Element Method (DEM) for applications in the field of vibration technology. The area is narrowed to vibration processes using a helical vibration motion or emptying storage devices under the action of external energy in the form of screw vibrations. The aim of the work is to extend the use of helical vibration motion modeling to the construction industry, agriculture or waste materials processing. Within these selected areas of application, representative samples were selected, which are sand, maize and pellets made from wooden sawdust. Mechanical and physical properties and interaction parameters were measured for selected materials, which belong to the group of basic input parameters in the EDEM simulation environment. The next part is devoted to calibration of selected materials with subsequent validation of simulation experiments using the EDEM program. To validate the vibration motion in the shape of a spiral, a prototype of a vertical vibratory conveyor was designed, which is used for the transport of bulk and piece materials. The main advantages of this type of conveyor include, for example, high headroom, high transport distance, small space dimensions, easy regulation of transport performance, etc. The vertical vibrating conveyor was subjected to operational tests. Using the Olympus I-SPEED 2 high-speed camera, true waveforms and oscillation parameters have been detected for different operating settings. The obtained information was subsequently used as input parameters of the spiral vibration motion into the EDEM simulation environment. The final part of this work is focused on application experiments using modeling of processes using the DEM method. The first application concerns the transport of maize on a vertical vibratory conveyor at different operating settings. The maize transport process was validated using DEM simulations. The second application is focused on the cooling of wood sawdust pellets during transport on a vertical vibrating conveyor. Another application relates to optimizing the discharge of sand from the dosing tank. On the basis of the information obtained about sand, which was categorized as cohesive, a dosing tank was designed. Using the DEM simulation it was found that the sand could not arbitrarily loosen from the storage space of the container. External energy in the form of screw vibrations was applied to the dosing tank structure. This solution was applied with a positive effect in real operation. The last application experiment is the optimization of the sieve separator using the DEM method. DEM modeling of transport and storage processes has proven to be a very effective tool for designing new or optimizing existing vibration technology devices. DEM simulations can be used to verify the behavior of bulk materials on a newly designed transport or storage facility. Parameters of optimal vibration motion can be obtained from verified simulations, which are the shape and extent of oscillation, frequency of oscillation or magnitude of oscillation amplitude.

Keywords

Vibrační doprava, šroubové vibrace, DEM simulace

Keywords

Vibration transport, screw vibration, DEM simulation

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 30. 5. 2019
• Supervisor: Jan Nečas
• Reader: Vieroslav Molnár, Marian Marschalko, Petr Dospiva

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Dopravní a manipulační technika