卿智忠，周 磊，夏順八，董世忠

(長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

目前，在煤炭的智能化制樣行業(yè)內(nèi)，智能化制樣設(shè)備通過(guò)破碎、縮分、干燥、制粉等步驟可將采集的煤樣自動(dòng)制備成能代表原來(lái)煤樣特性的0.2 mm分析用煤樣[1-5]。

為了方便及時(shí)抽查檢驗(yàn)，用以判別商品煤質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果是否真實(shí)，除按國(guó)標(biāo)留取3 mm煤樣外，也要求留取0.2 mm備查樣。此需智能化設(shè)備同時(shí)制備縮分出2份質(zhì)量相同且均具備代表性的分析用煤樣，而二分器即為1種簡(jiǎn)單而有效的縮分器。傳統(tǒng)的二分器由兩組相對(duì)交叉排列的格槽及接收器組成，縮分時(shí)應(yīng)使試樣呈柱狀沿二分器長(zhǎng)度方向來(lái)回?cái)[動(dòng)供入格槽，該種供料方式若供料不均勻或供料速度難以控制從而易使試樣集中于一端，易發(fā)生格槽阻塞；同時(shí)傳統(tǒng)二分器因受機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限，設(shè)備尺寸較大，不適用于尺寸受限的系統(tǒng)。另一方面，目前已知最小的二分器可縮分小于1mm煤樣，暫無(wú)0.2 mm的二分器，也未對(duì)此二分器開(kāi)展過(guò)試驗(yàn)研究，因此，研發(fā)1種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的0.2 mm圓錐二分器顯得十分重要[6]。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

新設(shè)計(jì)的0.2 mm圓錐二分器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該圓錐二分器主要由漏斗式進(jìn)料斗1、0.2 mm圓錐格槽縮分腔體2、振動(dòng)器3、二分下料體4組成;各部件均可拆卸，方便檢修。

圖1 新型0.2 mm圓錐二分器總體結(jié)構(gòu)

其工作原理為漏斗式進(jìn)料斗1將煤樣5收集后，經(jīng)振動(dòng)器3振動(dòng)后，緩慢落入0.2 mm圓錐格槽縮分腔體2，煤樣經(jīng)縮分腔體的分樣錐分樣后，沿分樣錐圓周面進(jìn)入縮分腔體的二分格槽內(nèi)，二分后經(jīng)二分下料體4進(jìn)入相應(yīng)的收集罐中。該0.2 mm圓錐二分器實(shí)物如圖2所示。

圖2 圓錐二分器實(shí)物

該圓錐二分器的分樣錐軸線與進(jìn)料口的對(duì)稱中心重合，分樣錐采用圓錐形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)物料下落撞擊分樣錐后能夠沿錐面均勻散落。物料在通過(guò)分樣錐后仍能在自重作用下通過(guò)二分格槽均勻縮分，形成2份精密度高的煤樣。其次，物料通過(guò)分樣錐后能夠均勻分散開(kāi)，且形成有規(guī)律的粒度分布，不會(huì)產(chǎn)生由于煤流耦合運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的離析現(xiàn)象。同時(shí)，該圓錐二分器采用分樣錐和振動(dòng)器結(jié)構(gòu)，可不受供料速度和均勻性影響，可避免人為因素造成各種誤差，提高了縮分的精密度。另外，該圓錐二分器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 數(shù)學(xué)模型

二分器二分的目的為縮分出質(zhì)量相同且均具有代表性的煤樣。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 474的要求，二分器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩側(cè)格槽數(shù)相等，每側(cè)至少8個(gè)；格槽開(kāi)口尺寸至少為試樣標(biāo)稱最大粒度的3倍，但不能小于5 mm。格槽對(duì)水平面的傾斜度至少為60°。因此，二分器格槽的數(shù)量、格槽的寬度均對(duì)縮分精度有較大的影響，而由煤粉的安息角可知，格槽與水平面的傾斜角會(huì)影響縮分下料，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使煤粉完全通過(guò)格槽而不堵塞，避免縮分混樣。另一方面，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 474的要求，縮分時(shí)供料要均勻并控制供料速度，防止格槽阻塞而混樣，傳統(tǒng)的二分器是由人工供料控制料速，以下則通過(guò)控制進(jìn)料斗與分樣錐的間隙來(lái)控制供料速度，同時(shí)增加振動(dòng)器防止格槽堵塞[6，7]。0.2 mm圓錐二分器數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)圖如圖3所示，可通過(guò)改變分樣錐的的高度h來(lái)改變進(jìn)料斗與分樣錐的供料間隙。

圖3 0.2 mm圓錐二分器數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)圖

由圖3可知，格槽縮分腔體分樣錐與水平面的傾斜角度設(shè)為β，則:

tgβ=2h/d1

(1)

其中，d1為分樣錐底部直徑，mm。進(jìn)料斗出料環(huán)與分樣錐的最小供料間隙(δ,mm)見(jiàn)式(2)。

δ=d3-d2/2sinβ

(2)

式中，d3為出料環(huán)內(nèi)徑，d2為出料環(huán)底部處分樣錐的直徑，則:

d2=2h2ctgβ

(3)

式中，h2為分樣錐頂部距進(jìn)料斗出料環(huán)底邊的高度，則:

h2=h-h1

(4)

式中，h1為出料環(huán)底部距分樣錐底部的高度，由(1)至(4)供料間隙δ與分樣錐高度h的關(guān)系為

(5)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 474的要求，則供料間隙δ和分樣錐與水平面的傾斜角度β限定條件如下:

δ≥3d,β≥60°

(6)

式中，d為縮分煤樣的最大標(biāo)稱粒度，由式(1)、(5)、(6)得分樣錐高度限定值,見(jiàn)式(7):

(7)

根據(jù)式(5)和(7)可進(jìn)行試驗(yàn)分析及驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

樣機(jī)試制并調(diào)試完成后，分別選取不同灰分的煤種，對(duì)其進(jìn)行二分質(zhì)量偏差性能分析，并依據(jù)GB 474附錄C和GB 19494.3所述方法進(jìn)行精密度和偏倚試驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性[1，8]。按自動(dòng)制粉二分試驗(yàn)，其0.2 mm煤樣制備流程如下:3 mm干燥煤樣→均勻給料→切割制粉至0.2 mm→真空上料→0.2 mm圓錐二分器→分析樣F和備查樣B。

3.1 二分質(zhì)量偏差性能分析

0.2 mm圓錐二分器結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。由表1可知，只能確定分樣錐的高度尺寸范圍，根據(jù)前述分析可知，供料間隙與分樣錐的高度有關(guān)，而供料間隙的大小決定了煤樣二分后分析樣與備查樣的質(zhì)量差值。按照上述0.2 mm煤樣制備流程，每次投取約200 g煤樣，分別完成分樣錐高度在60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、90 mm的二分質(zhì)量差值試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 0.2mm圓錐二分器結(jié)構(gòu)參數(shù)

格槽數(shù)/個(gè)格槽寬/mmd1/mmd3/mmh1/mmh/mm325.262226060～90

表2 分析樣F與備查樣B的質(zhì)量偏差

g

根據(jù)上述數(shù)據(jù)得到在不同分樣錐高度下二分質(zhì)量差值折點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4 不同分樣錐高度下二分質(zhì)量差值折點(diǎn)圖

從表2和圖4可知，0.2 mm圓錐二分器縮分后分析樣與備查樣的差值隨分樣錐高度的增大而降低，當(dāng)分樣錐高度增大至75 mm左右時(shí)，二分后質(zhì)量差值處于穩(wěn)定狀態(tài)，差值穩(wěn)定在±2 g左右，二分質(zhì)量差值偏差率控制在±2%，小于GB 474《煤樣的制備方法》中規(guī)定±5%，視為合格；此時(shí)供料間隙δ=4.5 mm，小于格槽寬度5.2 mm。另一方面，供料間隙的大小直接影響煤樣的下料速度，進(jìn)而影響二分效率，所以在二分質(zhì)量差值穩(wěn)定的情況下，選擇較大的供料間隙，提升二分效率。

3.2 精密度分析

表3 分樣錐高度75mm的精密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)總重/gF樣質(zhì)量/gF樣 Ad /%B樣質(zhì)量/gB樣 Ad /%di=F-Bdi211879435.679335.570.100.010 021879335.259335.43-0.180.032 431869434.989435.20-0.220.048 441859335.389235.330.050.002 551849135.109135.000.100.010 061789135.049034.780.260.067 671839243.989144.13-0.150.022 581537646.237645.850.380.144 491839243.219142.970.240.057 6101698541.328341.36-0.040.001 6111899528.549428.420.120.014 4121849227.689227.560.120.014 4131929528.329628.43-0.110.012 1141778926.878826.750.120.014 4151899426.179426.38-0.210.044 1161829144.959145.18-0.230.052 9171859244.079343.850.220.048 4181758842.988843.21-0.230.052 9191819143.759043.570.180.032 4201859343.959244.17-0.220.048 4

均值(d)、標(biāo)準(zhǔn)差(S)分別按下式計(jì)算，則前10組d1=0.054%，S1=0.140 9%；后10組d2=-0.024%，S2=0.129 3%。

3.3 灰分偏倚分析

完成偏倚試驗(yàn)后，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 偏倚試驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)參比值CAd/%dF=F-C/%dB=B-C/%d2Fd2B135.620.05-0.050.002 50.002 5235.34-0.090.090.008 10.008 1335.09-0.110.110.012 10.012 1435.360.02-0.030.000 60.000 6535.050.05-0.050.002 50.002 5634.910.13-0.130.016 70.017 1744.05-0.070.080.005 60.005 7846.040.19-0.190.036 10.036 1943.090.12-0.120.014 20.014 61041.34-0.020.020.000 40.000 41128.480.06-0.060.003 60.003 61227.620.06-0.060.003 60.003 61328.38-0.060.050.003 10.003 01426.810.06-0.060.003 60.003 61526.28-0.100.110.011 00.011 01645.07-0.110.120.013 20.013 21743.960.11-0.110.012 20.012 01843.10-0.120.120.013 20.013 21943.660.09-0.090.008 00.008 22044.06-0.110.110.012 00.012 2均值37.160.007 4-0.007 60.009 10.009 2

根據(jù)DL/T 747—2010[9]及全自動(dòng)制樣系統(tǒng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，確定最大允許偏倚為0.2%，并判斷0.2 mm圓錐縮分器是否為無(wú)偏倚系統(tǒng)(按干基灰分Ad，%)。其中，參比值為分析樣與備查樣的加權(quán)平均值[10]。

3.3.1離群值檢驗(yàn)

由表4所列數(shù)據(jù)可知，可疑值來(lái)自第8個(gè)樣品，∣dmax∣=0.19%，根據(jù)GB/T 19494.3所述方法:

查GB/T 19494.3表9，得C0.01,20= 0.480。因CF、CB

3.3.2差值獨(dú)立性檢驗(yàn)

查GB/T 19494.3表13，得分析樣F與備查樣B相應(yīng)的顯著性下限值L=7，顯著性上限值U=15，而兩者的運(yùn)算群數(shù)r=14。因L

將表4數(shù)據(jù)按下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，可得SdF=0.097 6%，SdB=0.097 9%。

3.3.3樣本容量核對(duì)

由表4中所列數(shù)據(jù)，計(jì)算試樣因數(shù)g，則:

由GB/T 19494.3表10查得，npR=10。此次試驗(yàn)采取20對(duì)樣品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.4偏倚分析

①分析樣與備查樣是否存在灰分顯著性偏倚。自由度:np-1=19，由GB/T 19494.3表12查得自由度為19時(shí)，單側(cè)的tβ為1.729。雙側(cè)的tα為2.093。

③計(jì)算最大灰分偏倚B′(n=20):

所以，對(duì)于該試驗(yàn)煤，分析樣F與備查樣B存在的最大灰分偏倚在95%的置信水平下分別為0.083 4%和0.083 7%，均不存在灰分偏倚。

4 結(jié) 論

以上設(shè)計(jì)了1種0.2 mm圓錐二分器，通過(guò)控制分樣錐的高度來(lái)控制供料速度。通過(guò)理論計(jì)算及二分質(zhì)量偏差性能分析確定了分樣錐的高度，并在此高度下進(jìn)行了精密度與偏倚試驗(yàn)，試驗(yàn)充分驗(yàn)證了該二分器可行。