煤炭制樣系統中新型0.2 mm圓錐二分器的設計與分析

卿智忠，周 磊，夏順八，董世忠

(長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

目前，在煤炭的智能化制樣行業內，智能化制樣設備通過破碎、縮分、干燥、制粉等步驟可將采集的煤樣自動制備成能代表原來煤樣特性的0.2 mm分析用煤樣[1-5]。

為了方便及時抽查檢驗，用以判別商品煤質量檢驗結果是否真實，除按國標留取3 mm煤樣外，也要求留取0.2 mm備查樣。此需智能化設備同時制備縮分出2份質量相同且均具備代表性的分析用煤樣，而二分器即為1種簡單而有效的縮分器。傳統的二分器由兩組相對交叉排列的格槽及接收器組成，縮分時應使試樣呈柱狀沿二分器長度方向來回擺動供入格槽，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，易發生格槽阻塞；同時傳統二分器因受機械結構的局限，設備尺寸較大，不適用于尺寸受限的系統。另一方面，目前已知最小的二分器可縮分小于1mm煤樣，暫無0.2 mm的二分器，也未對此二分器開展過試驗研究，因此，研發1種結構簡單、穩定可靠的0.2 mm圓錐二分器顯得十分重要[6]。

1 結構與工作原理

新設計的0.2 mm圓錐二分器，其總體結構如圖1所示。該圓錐二分器主要由漏斗式進料斗1、0.2 mm圓錐格槽縮分腔體2、振動器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圓錐二分器總體結構

其工作原理為漏斗式進料斗1將煤樣5收集后，經振動器3振動后，緩慢落入0.2 mm圓錐格槽縮分腔體2，煤樣經縮分腔體的分樣錐分樣后，沿分樣錐圓周面進入縮分腔體的二分格槽內，二分后經二分下料體4進入相應的收集罐中。該0.2 mm圓錐二分器實物如圖2所示。

圖2 圓錐二分器實物

該圓錐二分器的分樣錐軸線與進料口的對稱中心重合，分樣錐采用圓錐形結構設計，當物料下落撞擊分樣錐后能夠沿錐面均勻散落。物料在通過分樣錐后仍能在自重作用下通過二分格槽均勻縮分，形成2份精密度高的煤樣。其次，物料通過分樣錐后能夠均勻分散開，且形成有規律的粒度分布，不會產生由于煤流耦合運動帶來的離析現象。同時，該圓錐二分器采用分樣錐和振動器結構，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構緊湊、體積小、質量輕、拆裝方便等優點。

2 數學模型

二分器二分的目的為縮分出質量相同且均具有代表性的煤樣。根據國標GB 474的要求，二分器設計時應使兩側格槽數相等，每側至少8個；格槽開口尺寸至少為試樣標稱最大粒度的3倍，但不能小于5 mm。格槽對水平面的傾斜度至少為60°。因此，二分器格槽的數量、格槽的寬度均對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影響縮分下料，所以在設計時應使煤粉完全通過格槽而不堵塞，避免縮分混樣。另一方面，根據國標GB 474的要求，縮分時供料要均勻并控制供料速度，防止格槽阻塞而混樣，傳統的二分器是由人工供料控制料速，以下則通過控制進料斗與分樣錐的間隙來控制供料速度，同時增加振動器防止格槽堵塞[6，7]。0.2 mm圓錐二分器數學模型簡圖如圖3所示，可通過改變分樣錐的的高度h來改變進料斗與分樣錐的供料間隙。

圖3 0.2 mm圓錐二分器數學模型簡圖

由圖3可知，格槽縮分腔體分樣錐與水平面的傾斜角度設為β，則:

tgβ=2h/d1

(1)

其中，d1為分樣錐底部直徑，mm。進料斗出料環與分樣錐的最小供料間隙(δ,mm)見式(2)。

δ=d3-d2/2sinβ

(2)

式中，d3為出料環內徑，d2為出料環底部處分樣錐的直徑，則:

d2=2h2ctgβ

(3)

式中，h2為分樣錐頂部距進料斗出料環底邊的高度，則:

h2=h-h1

(4)

式中，h1為出料環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的關系為

(5)

根據國標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稱粒度，由式(1)、(5)、(6)得分樣錐高度限定值,見式(7):

(7)

根據式(5)和(7)可進行試驗分析及驗證。

3 試驗驗證

樣機試制并調試完成后，分別選取不同灰分的煤種，對其進行二分質量偏差性能分析，并依據GB 474附錄C和GB 19494.3所述方法進行精密度和偏倚試驗，驗證其可行性[1，8]。按自動制粉二分試驗，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 二分質量偏差性能分析

0.2 mm圓錐二分器結構參數詳見表1。由表1可知，只能確定分樣錐的高度尺寸范圍，根據前述分析可知，供料間隙與分樣錐的高度有關，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的二分質量差值試驗，其試驗數據見表2。

表1 0.2mm圓錐二分器結構參數

格槽數/個格槽寬/mmd1/mmd3/mmh1/mmh/mm325.262226060～90

表2 分析樣F與備查樣B的質量偏差

g

根據上述數據得到在不同分樣錐高度下二分質量差值折點圖，如圖4所示。

圖4 不同分樣錐高度下二分質量差值折點圖

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，當分樣錐高度增大至75 mm左右時，二分后質量差值處于穩定狀態，差值穩定在±2 g左右，二分質量差值偏差率控制在±2%，小于GB 474《煤樣的制備方法》中規定±5%，視為合格；此時供料間隙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，進而影響二分效率，所以在二分質量差值穩定的情況下，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的精密度試驗數據

序號總重/gF樣質量/gF樣 Ad /%B樣質量/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)、標準差(S)分別按下式計算，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

完成偏倚試驗后，得到試驗數據見表4。

表4 偏倚試驗數據

序號參比值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DL/T 747—2010[9]及全自動制樣系統驗收標準，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偏倚系統(按干基灰分Ad，%)。其中，參比值為分析樣與備查樣的加權平均值[10]。

3.3.1離群值檢驗

由表4所列數據可知，可疑值來自第8個樣品，∣dmax∣=0.19%，根據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差值獨立性檢驗

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

將表4數據按下式計算標準差，可得SdF=0.097 6%，SdB=0.097 9%。

3.3.3樣本容量核對

由表4中所列數據，計算試樣因數g，則:

由GB/T 19494.3表10查得，npR=10。此次試驗采取20對樣品滿足標準要求。

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，單側的tβ為1.729。雙側的tα為2.093。

③計算最大灰分偏倚B′(n=20):

所以，對于該試驗煤，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 論

以上設計了1種0.2 mm圓錐二分器，通過控制分樣錐的高度來控制供料速度。通過理論計算及二分質量偏差性能分析確定了分樣錐的高度，并在此高度下進行了精密度與偏倚試驗，試驗充分驗證了該二分器可行。