麦智强 张辉 黄植生 廖佛生 陈福 刘烨 赖志彬

摘 要 粒度筛分在矿石的加工利用中具有重要意义。本研究设计了一种变频往复式矿石粒度筛分仪，该设备主要由不锈钢支架、变频齿轮减速电机总成、变频器、滑动底座总成、不锈钢粒度筛等系统构成。为验证该筛分仪的性能，运用F检验、t检验与国家标准中手工筛分法测定的结果进行比较，得出F值在1.12～3.80之间、t值在0.27～1.31之间，当置信度P = 95%时，F＜F_0.05,6 = 4.28、t＜t_0.05,6 = 2.45。实验结果表明，变频往复式矿石粒度筛分仪与手工筛分的精密度和准确度不存在显著性差异。该设备可操作性强，能大幅度减少人力投入，降低劳动强度，提高检验效率，满足矿石筛分的检测需求。

关键词 矿石；粒度；筛分仪

Design and Comparative Analysis of a Frequency- Converted Reciprocating Ore Size Sieve

MAI Zhi-Qiang^1,2 ZHANG Hui^1,2 HUANG Zhi-Sheng^1,2

LIAO Fo-Sheng³ CHEN Fu^1,2 LIU Ye^1,2 LAI Zhi-Bin^1,2*

Abstract Particle size sieving is of great significance in the processing and utilization of ores. This study designs a frequency-converted reciprocating ore particle size sieve, which mainly consists of a stainless steel bracket, a frequency-converted gear reduction motor assembly, a frequency converter, a sliding base assembly, and a stainless steel particle size sieve. To verify the performance of the sieve, F-test, t-test, and the results of manual sieving according to national standards were compared. The F-values were found to be between 1.12-3.80, and the t-values were between 0.27-1.31. At a confidence level of P = 95%, F＜F_0.05,6 = 4.28 and t＜t_0.05,6 = 2.45. The experimental results show that there is no significant difference in precision and accuracy between the frequency-converted reciprocating ore particle size sieving and manual sieving. This instrument is easy to operate, can effectively reduce labor input and intensity, and meet the detection needs of ore sieving.

Keywords ore; granularity; sieve

基金项目：广东省口岸安全智能化检测重点实验室资助（2023B1212010011）；湛江市非资助科技攻关计划项目（2024B01093）

第一作者：麦智强（1977—），男，汉族，广东南海人，硕士，工程师，主要从事宝玉石、岩矿产品鉴定，E-mail: 42344266@qq.com

通信作者：赖志彬（1988—），男，汉族，广东梅州人，本科，高级工程师，主要从事煤炭矿产品检验工作；E-mail: laizhibin1988@163.com

1. 广东省口岸安全智能化检测重点实验室 广州 510700

2. 黄埔海关技术中心 广州 510632

3. 中国检验认证集团广东有限公司 广州 510623

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Port Security Inspection, Guangzhou 510700

2. Huangpu Customs District Technology Center, Guangzhou 510632

3. China Certification & Inspection Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 510623

矿石作为大宗资源，对各领域的发展都有着重要意义。矿石中的煤炭、铁矿石、铜矿石等在国民经济发展中充当着重要的角色，还有锂辉石、电气石等其他矿石资源也对国民经济发展意义重大，共同支撑着国民经济各个领域的发展。我国作为工业大国，每年需消费大量的各品类矿石，如矿石中的煤炭在能源供应、化工原料制备领域发挥着重要作用，在工业制造及居民生活中的应用也必不可少。因此，随着对矿石性质的深入研究，尤其是粒度特性的分析，对于优化矿石的利用，提高能源效率具有重要的意义^[1-3]。

粒度筛分是指获得一批矿石粒度分布的方法。粒度筛分能够揭示矿石的物理性质，如比表面积、流动性等，从而影响其开采、运输、加工等环节。火力发电厂使用的煤炭粒度越小，在燃烧炉中流动性越好，燃料分布更均匀，有利于燃烧完全，减少热损失，但将煤炭破碎的粒度越小，其消耗的电能越多，破碎机内磨煤部件磨损程度增大，增加维护成本，因此准确测定其粒度是设计最佳破碎方案的有效依据。矿石中其他资源类矿物同样具有相同破碎要求，因此准确快速筛分矿石粒度具有重要意义^[4-9]。现有矿石粒度筛分的方法种类较多，有手工筛分法、仪器筛分法、激光粒度分析法^[10]等，这些方法在操作便捷性、适用范围等方面存在一定的局限性。手工筛分法往往存在劳动强度大、效率较低等不足；仪器筛分法部分设备结构复杂，购置及维护成本较高；激光粒度筛分仪法操作简单快捷，但该仪器购置成本高。为解决现有筛分方法的局限性，本研究通过设计一种变频往复式粒度筛分仪来改进矿石粒度筛分问题，并对该仪器的准确性进行验证。

1 设备结构与原理

1.1 设备结构概述

为降低检验人员劳动强度，提高工作效率，本研究结合实际工作情况，设计一种变频往复式粒度筛分仪，如图1所示。仪器主要由不锈钢支架、变频齿轮减速电机总成、变频器、滑动底座总成、不锈钢粒度筛等系统组成。

图1 变频往复式粒度筛分仪结构图

Fig.1 Structure diagram of frequency-converted reciprocating particle size sieve

（1）不锈钢支架：采用高强度的304不锈钢管材和板材焊接而成，确保支架的坚固耐用。并采用三角形或梯形的支撑结构，提高稳定性。

（2）变频齿轮减速电机总成：电机安装在支架的合适位置，固定。采用高精度变频齿轮，保证传动的准确性和稳定性。高精度变频齿轮与电机的连接，能够有效传递扭矩，并减少振动和噪音。

（3）变频器：用于调节控制面板系统和变频器参数设置。安装在平面上，方便操作和维护。

（4）滑动底座总成：底座采用钢板制作，确保设备在运行时顺畅和平稳。配备调节装置，可根据需要调整设备的水平度和位置。

（5）不锈钢样品筛：不同种类的矿石对粒度级别筛分要求不同，需配备不同孔径的筛网。为保证粒度筛耐磨、耐用，筛网孔径可根据需求定制，边框采用不锈钢板焊接，安装在支架上，便于拆卸和更换筛网。

1.2 设备工作原理

设备工作时，电机驱动连接杆带动滑轮底座进行往复摆动，产生了一种特定频率和幅度的机械振动，筛网上放有待筛分的样品。当滑轮底座往复摆动时，筛网上的样品受到不断变化的机械力作用，较大颗粒的样品由于无法通过筛网的孔隙被保存在筛上，较小颗粒的样品则穿过筛网孔隙向下掉落，从而实现了样品不同粒度的分离。

设备参数详见表1，适用于煤炭、铁矿石、铜矿石等矿石资源的粒度筛分。

表1 设备参数

Table 1 Equipment parameters

1.3 设备的主要特点

1.3.1 减少人力物力投入

传统的手工筛分方法需要投入大量人力物力，劳动强度大，工作效率较低。变频往复式粒度筛分仪极大地改变了这一情况。它通过机械运作，替代了繁琐且重复的人工筛分动作，大大减轻了劳动力的消耗，减少了粒度筛分试验所需的试验人员数量，不仅降低了人力成本，还避免了因人员疲劳或操作不规范导致的筛分误差。

1.3.2 筛分力度平稳

设备在运行过程中能提供稳定且均匀的筛分力度，使每一次的筛分动作都具有高度的一致性和重复性。平稳的筛分力度确保了样品在筛网上受到持续且均匀的摇动作用，使得粒度分离更加精确和可靠，能保证良好的粒度筛分效果。

1.3.3 结构简单牢固

设备结构设计简单牢固，无复杂的零部件及繁琐的连接方式。坚固的构造使得设备在较恶劣的工作环境下依然能够保持稳定运行，不仅降低了制造和维护成本，还减少了故障发生的可能性。

2 实验部分

2.1 方法提要

称取一定量混合均匀的矿石于粒度筛上，利用手工或筛分仪往复摇动粒度筛，保持速度均匀合适，达到筛分终点为止。筛上、筛下物的质量占比，即为该孔径的粒度含量。

2.2 实验设备

变频往复式粒度筛分仪：可调节往复频率，伸缩固定粒度筛；粒度筛：孔径50 mm、孔径22 mm、孔径13 mm、孔径6 mm、孔径3 mm等。台秤：感量0.05 kg；分析天平：感量0.1 g。

2.3 试样

每年消耗的矿石类资源种类繁多，总量巨大，尤其是煤炭和铁矿石。为保证所选取的试验样品具有代表性，随机选取25个不同种类的矿石作为试验样品，其中煤炭样品10个，其他矿产品15个，包含不同国家的烟煤、褐煤、铁矿石及其他矿石资源，可保障分析结果具有可靠性，为验证变频往复式粒度筛分仪的有效性提供依据。

我国南方地区近年来进口的大部分大宗散装矿石类资源，在贸易双方签订合同时，都将粒度作为其中一项指标写进合同。如煤炭贸易合同中，以粒度50 mm为主，约占90%，加之煤炭水分测定粒度要求为13 mm或者6 mm，存查样粒度为3 mm，故煤炭样品以50 mm、13 mm、6 mm、3 mm为试验粒度。GB/T 2007.6—1987《散装矿产品取样、制样通则 水分测定方法-热干燥法》^[11]关于其他矿石水分测定的粒度规定为22.4 mm或者10 mm，贸易合同则以6.3 mm为主，故其他矿石样品以22.4 mm、10 mm、6.3 mm粒度级为试验粒度。

2.4 实验方法

2.4.1 手工筛分法

称取一定量的矿石样品置于试验筛上（煤炭样品的试验筛为50 mm、13 mm、6 mm、3 mm，其他矿石样品的试验筛为22.4 mm、10 mm、6.3 mm），由两位检验人员按标准规定进行筛分，直至达到筛分终点^[12-15]。必要时手动检查小于相应粒度筛的样品是否全部过筛。称取留在粒度筛的筛上物质量。

2.4.2 变频往复式矿石粒度筛分仪法

将相应粒度的试验筛固定在变频往复式矿石粒度筛分仪支架上，称取一定量的矿石样品置于试验筛上（煤炭样品的试验筛为50 mm、13 mm、6 mm、3 mm，其他矿石样品的试验筛为22.4 mm、10 mm、6.3 mm），开启电源，通过调节电动机转速和往复频率，使样品在试验筛上保持均匀摇动，达到筛分终点为止。称取留在粒度筛的筛上物质量。

矿石的粒度计算见公式（1）：

(1)

式（1）中，为矿石在孔径为的筛子上筛分后，筛下物占试验样总量的百分数，即矿石小于该粒度级的含量（%）；为筛上物质量（kg）；为矿石试验样品的质量（kg）。

3 结果与分析

3.1 数据比对

为了验证变频往复式矿石粒度筛分仪的性能，分别采用手工筛分法和变频往复式矿石粒度筛分仪法（表2中简称“筛分仪法”），按步骤2.4.1、2.4.2对选取的25个矿石样品进行粒度分析。实验结果见表2、表3。

表3 手工筛分法与筛分仪法测定粒度的结果（其他矿石样品）

Table 3 Results of particle size determination by manual sieving method and sieving instrument method (other ore samples)

通过表2、表3数据得出，筛分仪法与手工筛分法测定结果的正负偏差相当，未发现系统性的正偏差或负偏差，筛分仪测定矿石粒度的可靠性强。

3.2 统计分析

按2.4 的试验步骤对同一试验样品平行测定7 次。试验数据见表4、表5所示。

表4 手工筛分法测定粒度的精密度试验结果（n = 7）

Table 4 Precision test results of manual sieving method for determining particle size（n = 7）

表5 筛分仪法测定粒度的精密度试验结果（n = 7）

Table 5 Precision test results of particle size determination by sieving instrument method（n = 7）

3.2.1 精密度试验

为验证变频往复式矿石粒度筛分仪的精密度，对同一矿石类样品进行7次平行测定试验。采用F检验法对试验结果进行方差分析，计算见公式（2）。

(2)

式（2）中，、为手工筛分法、变频往复式矿石粒度筛分仪法其中一种方法测定结果的标准偏差。

通过F检验法统计分析得出，变频往复式矿石粒度筛分仪法与手工筛分法的F值在1.12～3.80之间。当置信度P = 95%时，F＜F_0.05,6 = 4.28，因此变频往复式矿石粒度筛分仪法与手工分析法精密度不存在显著性差异，精密度良好，符合分析要求。

3.2.2 显著性分析

为比较手工筛分法和变频往复式矿石粒度筛分仪法测定结果是否存在差异，采用t检验法对两种方法得到的结果进行了分析，计算见公式（3）和（4）。

(3)

(4)

式（3）中，S_P为标准偏差；为手工筛分法测定的平均值；为变频往复式矿石粒度筛分仪法测定的平均值；n₁为手工筛分法测定次数；n₂为变频往复式矿石粒度筛分仪法测定次数；S₁为手工筛分法测定结果的标准偏差；S₂为变频往复式矿石粒度筛分仪法测定结果的标准偏差。

通过t检验法统计分析得出，变频往复式矿石粒度筛分仪法与手工筛分法的S_p在0.08～0.23之间，t值在0.27～1.31之间。当置信度P = 95%时，t＜t_0.05,6 = 2.45，因此手工筛分方法与变频往复式矿石粒度筛分仪法不存在显著性差异。即采用变频往复式矿石粒度筛分仪法测定矿石中粒度含量，没有引起系统误差，方法是可靠的。

4 结语

变频往复式矿石粒度筛分仪的设计与应用为矿石粒度筛分提供了一种新的解决方案。变频往复式粒度筛分仪通过自动化的机械运作，替代了繁琐且重复的人工筛分动作，大大降低了人力物力投入。通过变频往复式粒度筛分仪对矿石粒度进行测定，运用F检验与t检验与手工筛分法测定的实验结果相比，无显著性差异，能够达到相关检测标准重复性限要求^[16]。未来，还需要对该设备在自动化程度方面进行进一步改进和完善，不断优化机械结构，提高设备的稳定性和耐用性，降低故障率；加强对不同类型矿石的适应性研究，开发智能控制系统，实现参数的自动调整，以适应各种矿石的粒度筛分要求。

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表2 手工筛分法与筛分仪法测定粒度的结果（煤炭样品）

Table 2 Results of particle size determination by manual sieving method and sieving