Fabricación de un banco de ensayos para el análisis de un modelo DEM-MBD.

Abstract

La interacción que se desarrolla entre partículas y harneros vibratorios es de vital interés para las industrias de procesamiento de materiales a granel. El comportamiento cinemático de la estructura de estos equipos se puede evaluar a través de un modelo dinámico multicuerpo (MBD), mientras que la influencia del material sobre el equipo se puede modelar mediante un modelo de elementos discretos (DEM). Pero solo un modelo acoplado DEM-MBD puede modelar la compleja interacción que se desarrolla entre las partículas del material y el equipo. En este trabajo se desarrolla un modelo acoplado DEM-MBD de un grado de libertad, enfocado en harneros vibratorios que permite modelar la fuerza de interacción que se genera con las partículas, se construye un modelo dinámico del sistema bajo la teoría de la modelación MBD, y posteriormente este modelo se acopla a un modelo DEM mediante la interfaz de maqueta funcional (FMI). Se realiza una completa calibración experimental de los parámetros físicos del modelo dinámico y de los parámetros principales de material y de contacto del modelo DEM, con el fin de mejorar la precisión numérica del modelo propuesto. Se diseña y fabrica un banco de ensayos que consta de un contenedor de partículas que se mueve solamente en la dirección vertical, y se mide la fuerza de interacción entre partículas y el contenedor, aceleración del sistema y se monitorea el movimiento de las partículas. Estos datos experimentales se comparan con los simulados para la evaluación de la precisión del modelo numérico. Se obtiene una buena modelación del movimiento vibratorio del sistema, con errores menores al 6.4% cuando la amplitud vibratoria peak del conjunto fijo no supera los 2.5 mm y la del conjunto móvil los 2 mm. Para mayores amplitudes vibratorias se identificó que el banco de ensayos presento problemas en su comportamiento dinámico, ocasionados por un roce variable entre los elementos rodantes de los rodamientos y los ejes guía, roce que se tradujo en un elemento adicional de disipación de energía, además de un desgaste prematuro de los ejes, esto provoco amplitudes vibratorias experimentales menores a las simuladas en los casos de evaluación a 17 y 20 Hz. En relación con la fuerza de impacto generada por las partículas, se pudo medir experimentalmente, pero la variación en el amortiguamiento también afectó en sus amplitudes y en la estimación de la fuerza de inercia, necesaria para su evaluación.

The interaction that occurs between particles and vibrating screens is of vital interest to bulk material processing industries. The kinematic behavior of the structure of these equipment’s can be evaluated through a multibody dynamic model (MBD), while the influence of the material on the equipment can be modeled using a discrete element model (DEM). However, only a coupled DEM-MBD model can capture the complex interaction that occurs between the material particles and the equipment. This work develops a one-degree-of-freedom coupled DEM-MBD model focused on vibrating screens that allows modeling the interaction force generated with the particles. A dynamic model of the system is built under the MBD modeling theory, and subsequently, this model is coupled to a DEM model using the Functional Mock-up Interface (FMI). A comprehensive experimental calibration of the physical parameters of the dynamic model and the main material and contact parameters of the DEM model is conducted to improve the numerical accuracy of the proposed model. A test bench is designed and manufactured consisting of a particle container that moves only in the vertical direction. The interaction force between particles and the container, system acceleration, and particle movement are measured. These experimental data are compared with simulated ones to evaluate the accuracy of the numerical model. A good modeling of the vibratory movement of the system is obtained, with errors of less than 6.4% when the peak vibratory amplitude of the fixed assembly does not exceed 0.0984 inch and that of the mobile assembly does not exceed 0.0787 inch. For larger vibratory amplitudes, it was identified that the test bench exhibited problems in its dynamic behavior caused by variable friction between the rolling elements of the bearings and the guide shafts. This friction resulted in an additional energy dissipation element, as well as premature wear of the shafts, leading to experimental vibratory amplitudes lower than those simulated in the cases evaluated at 17 and 20 Hz. Regarding the impact force generated by the particles, it could be measured experimentally, but the variation in damping also affected its amplitudes and the estimation of the inertia force necessary for its evaluation.