Forschung zur Optimierungseffizienz sekundärer vibrierender Siebung basierend auf EDEM-Simulation

Warum das Sortieren von Gestein für große Staudämme wichtig ist

Wenn Ingenieure massive Steinschüttdämme oder Bahndämme errichten, werfen sie die Steine nicht einfach chaotisch aufeinander. Die Korngrößenverteilung muss sorgfältig kontrolliert werden, damit die Struktur stabil, tragfähig und dicht ist. Die Überprüfung dieser Mischung im Feld erfolgt mit Maschinen, die Steine über Metallsiebe schütteln, um grobe Brocken von feineren Stücken zu trennen. Diese Arbeit untersucht, wie sich solche Vibrationssiebe effizienter gestalten lassen, damit Ingenieure ihren Messungen vertrauen können und weniger Zeit und Energie aufwenden müssen.

Wie vibrierende Siebe Haufwerke von Gestein trennen

Konventionelle Vibrationssiebe wirken einfach: eine Wanne mit einer oder mehreren Metallgittern, die von Motoren in Schwingung versetzt werden. Gestein wird an einem Ende zugeführt und läuft über die Siebe. Kleine Teile fallen durch die Öffnungen, während größere darüber hinweg transportiert werden. In Wirklichkeit ist der Vorgang ein komplexes Zusammenspiel. Partikel stoßen gegeneinander und gegen die Metalloberfläche, werden in die Luft geworfen und gleiten oder rollen, während sie nach einer Öffnung suchen. Faktoren wie die Neigung des Siebs, die Auslenkung der Schwingung und der Anstellwinkel der Vibration beeinflussen, wie lange jeder Stein auf dem Gitter verweilt und wie wahrscheinlich es ist, dass er die richtige Öffnung findet.

Virtuelle Steine statt Trial-and-Error

Da sich reales Schüttgestein wie Milliarden einzelner Körner und nicht wie eine homogene Flüssigkeit verhält, nutzten die Autoren die diskrete Elemente-Methode, implementiert in der Software EDEM. In diesem virtuellen Setup wird jedes Partikel als individuelles Objekt modelliert, das sich unter Schwerkraft und Vibration bewegen, kollidieren, abprallen und rollen kann. Die Forschenden bauten ein digitales Abbild eines vierlagigen Siebs mit Öffnungsgrößen von 100, 60, 40 und 20 Millimetern, abgestimmt auf die Anforderungen von Steinschüttdamm-Projekten. Sie speisten tausende digitale „Steine“ unterschiedlicher Größe ein und verfolgten in Hunderten von Simulationsläufen, wie viele korrekt in den vorgesehenen Auffangbehälter gelangten.

Den optimalen Schwingungsbereich finden

Das Team untersuchte zunächst, wie grundlegende Konstruktionsentscheidungen die Leistung beeinflussen. Mehr Sieblagen erwiesen sich als entscheidend: Ein einlagiges Sieb ließ viele Körnungsgrößen gemischt, mit einer Gesamteffizienz von etwa 81 %, während ein vierlagiges Design diese auf nahezu 94 % steigerte. Anschließend optimierten sie die Bewegung selbst. Sie fanden heraus, dass eine moderate Neigung von etwa 15 Grad, eine Schwingungsamplitude von 10 Millimetern und eine Frequenz um 24 Hertz die besten Ergebnisse lieferten. Zu wenig Bewegung führt zum Verklumpen und Verstopfen der Öffnungen; zu viel führt dazu, dass die Steine so heftig geschleudert werden, dass sie weniger Kontaktzeit mit dem Sieb haben oder feine Partikel wieder in den oberen Strom zurückgerüttelt werden. Eine Schwingungsrichtung, die etwa 30 Grad von der Vertikalen abweicht, erwies sich als bester Kompromiss zwischen Springen und Gleiten und erhöhte die Gesamteffizienz unter idealen Bedingungen auf etwa 96 %.

Jeder Stein bekommt eine zweite Chance

Selbst gut abgestimmte Durchlauf-Siebe lassen einige Feinanteile mit gröberem Material entweichen. Als Lösung schlugen die Autoren eine einfache, aber wirkungsvolle Änderung vor: ein kleines „Hilfssieb“ in jedem Auffangtrichter unter den Hauptlagen zu platzieren. Wenn das Material von den Hauptsieben fällt, trifft es auf eine zweite Gitterschicht mit derselben Öffnungsgröße. In den virtuellen Tests verlängerte dieser sekundäre Siebschritt die Kontaktzeit der Steine mit dem Gitter und gab eingeschlossenen Feinanteilen eine weitere Chance, durchzufallen. Für sehr kleine Partikel sowie für einige mittlere und größere Korngrößen stieg die Effizienz um 3–7 Prozentpunkte, und die Gesamtleistung verbesserte sich von 92,4 % auf 96,5 %.

Was das für reale Bauvorhaben bedeutet

Für Ingenieure, die Dämme, Bergwerke und große Erdbaumaßnahmen leiten, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass moderate konstruktive Anpassungen eine sauberere Korngrößentrennung liefern können, ohne exotische Ausrüstung. Durch eine gezielte Wahl von Siebneigung, Schwingstärke und Vibrationsrichtung – und durch das Hinzufügen eines einfachen Zusatzsiebs in den Auffangtrichtern – können Betreiber die Anzahl falsch durchgerutschter Stücke deutlich verringern. Obwohl die Studie auf detaillierten Simulationen und nicht auf großmaßstäblichen Feldversuchen beruht, weist sie einen Weg zu zuverlässigeren, effizienteren Siebsystemen, die dazu beitragen, kritische Infrastruktur sicherer und langlebiger zu machen.

Zitation: Zhu, C., Long, H., Peng, Z. et al. Research on the optimization efficiency of secondary vibrating screening based on EDEM simulation. Sci Rep 16, 6746 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37230-6

Schlüsselwörter: Vibrationssieb, Steinschüttdamm, Partikelsimulation, EDEM DEM, Sekundärsiebung