Forschungsprojekt „VerA“

Prof. Dr. Danka Katrakova-Krüger, Prof. Dr. Peter Erdmann, Prof. Dr. Christoph Budach, (von li. nach re.) (Bild: Costa Belibasakis, TH Köln)

Das Kooperationsprojekt Verschleißreduzierung an Werkzeugen von mobilen Arbeitsmaschinen, kurz: VerA, beschäftigt sich mit der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Werkstoffen der Abbauwerkzeuge und Boden und dem damit verbundenen Ziel der Optimierung der Beschreibung der Abrasivität von Lockergestein. Hierfür wird die entsprechende Methodik in Bezug auf Versuchstechnik, Modellierung und numerische Simulation entwickelt. Anschließend erfolgt die Anwendung der Methodik auf ein Praxisbeispiel und die Validierung.

Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der Abrasivität von Böden im Lockergestein. Hierfür wird die entsprechende Methodik in Bezug auf Versuchstechnik, Modellierung und numerische Simulation entwickelt und an Beispielen angewandt und validiert. Das Forschungsvorhaben der TH Köln konzentriert sich darauf, den Werkzeugverschleiß zu ermitteln. Im Vordergrund steht dabei die Abhängigkeit des Verschleißes von unterschiedlichen Bodenarten, Werkzeugen und insbesondere Werkstoffen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine beispielhafte Methodik zu entwickeln und zu validieren, die in den Bereichen Versuchstechnik, Modellbildung, numerische Simulation und Werkstoffcharakterisierung Anwendung findet. Ziel ist auch die Erstellung und Optimierung von Modellen, mit denen eine Vorhersage des Verschleißes und der Leistungsfähigkeit von Abbauwerkzeugen möglich ist. Diese Modelle ermöglichen ein besseres Verständnis des Verhaltens der Werkzeuge unter verschiedenen Bedingungen und damit eine Anpassung der Werkzeuge.

Standardisierte Labor-Verfahren zur Quantifizierung der Abrasivität von Lockergestein: LCPC-Versuch (links) und TU Wien – Abrasimeter (rechts). (Bild: Naima von Taschitzki, TH Köln)

Abrasivität von Böden im Lockergestein

Die Untersuchung der Abrasivität von Böden im Lockergestein erfolgt in der Regel gemäß der französischen Norm NF P18-579 anhand des LCPC-Versuchs. Bei diesem Versuch rotiert ein Stahlflügel mit spezifizierten Eigenschaften und Abmessungen in einer Bodenprobe definierter Masse und Korngröße. Der resultierende Masseverlust des Stahlflügels dient der Berechnung des Abriebwertes A_BR.

An der TU Wien wurde eine weitere Versuchsapparatur namens Abrasimeter entwickelt. Diese Apparatur erlaubt eine Anpassung der Lagerungsdichte und verlangsamt die Rotationsgeschwindigkeit des Prüfflügels, wodurch die Ergebnisse realitätsnäher sind. Beide Versuche kommen im Forschungsprojekt zum Einsatz.

Beispiel einer Simulation des LCPC-Tests (Bild: Peter Erdmann, TH Köln)

Numerische Simulation

Durch verbesserte Versuchstechniken können realitätsnahe Bedingungen simuliert und aussagekräftige Daten zur Abrasivität gewonnen werden. Um die numerische Simulation spezifizieren zu können wird mithilfe der Diskreten Elemente Methode (DEM) zur sinnvollen Abbildung der Vorgänge und Phänomene bei der Wechselwirkung zwischen dem Prüfflügel und der Bodenprobe, ein Berechnungsmodell aufgebaut, um den LCPC-Test nachzubilden.

Der LCPC-Versuch soll so unter Berücksichtigung der Versuchseinrichtung, der Geometrie und der geräteseitigen Randbedingungen sowie des Bodenmaterials einschließlich Partikelform und -verteilung und des Materialverhaltens abgebildet werden. Der Einsatz von numerischer Simulation soll ermöglichen, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Böden und Werkzeugmaterialien detailliert zu analysieren und vorherzusagen. Dadurch können Simulationsergebnisse genutzt werden, um reale Bedingungen nachzubilden und Optimierungspotenziale aufzuzeigen.

Prüfflügel vor der Versuchsdurchführung (Bild: Christoph Budach, TH Köln)

Werkstoffe 

Eine umfassende Analyse der eingesetzten Werkstoffe steht ebenfalls im Mittelpunkt des Projekts. Dabei werden die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit der Materialien untersucht, um die geeignetsten Werkstoffe für den Einsatz in abrasiven Böden zu identifizieren.

Die Wechselwirkung der genutzten Werkzeugen mit den Böden bzw. Gesteinen wird in der Forschung weitgehend ausgeklammert. Die bisher genutzten Tests werden meist auch nur mit einem Standardstahl als Modellwerkstoff durchgeführt.

Bisherige Erkenntnisse betrachten die Ermüdungsbeständigkeit der eingesetzten Werkstoffe in unterschiedlichen Lockergesteinen nicht explizit. Daher sind, basierend auf den bisherigen Erkenntnissen, diese auf Erdbauarbeiten im Lockergestein unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Körnung und bei Durchführung weiterer Untersuchungen zu übertragen.

Durch die integrative Betrachtung dieser Themenbereiche sollen neue Erkenntnisse gewonnen und zielführende Entwicklungen initiiert werden. Das Projekt strebt danach, praxisrelevante Lösungen zu erarbeiten, die sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer von Abbauwerkzeugen in lockeren Bodenstrukturen verbessern.

Fördermittelgeber