CN109759316B - 一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪及筛分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪及筛分方法。所述筛分仪包括基座板，装在基座板上的弹性振动模块、立柱和框架梁，装在弹性振动模块上的振动台，以及设置在振动台上的筛箱；所述框架梁上部固定安装有进料箱，该进料箱的出口伸入所述筛箱内；所述立柱上装有承载平台，该承载平台上设置有多个储料箱，所述筛箱的出料口对准储料箱的进料口；所述筛箱自下而上由多块水平布置的筛孔板分为多格，其中上一层的筛孔板的筛孔孔径大于下一层的筛孔板的筛孔孔径，每格的出料口处对应设置有一个储料箱；所述振动台单侧倾斜设置，其中进料箱位于振动台较高的一侧，储料箱位于振动台较低的一侧。本发明的筛分仪使用快捷方便、精度可靠。

Description

一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪及筛分方法

技术领域

本发明涉及一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪及筛分方法，尤其涉及一种可实现智能化跟踪分析颗粒材料样本粒度及其分布特性可靠度的筛分仪。

背景技术

颗粒材料在自然界、日常生活及生产和技术领域中广泛存在，例如：自然界中的砂石、土壤、日常生活中的谷物粮食、糖、盐、药物，以及生产和技术领域的各种矿石、煤炭、石灰、粉煤灰等建筑材料均属于颗粒物质。

颗粒材料的体相性质主要包括颗粒的大小、形状、表面积以及颗粒的磁性、电性、光学性等。而颗粒的大小是对颗粒材料进行分类的重要依据，同时对颗粒材料的各种物理力学及化学反应特性也存在显著影响。衡量、分析颗粒大小的主要参数是其粒度与其分布特性。对于某一种颗粒材料而言，粒度与其颗粒级配特性在很大程度上决定着颗粒加工工艺的性质和效率的高低，是选择和评价制备方法、工艺和进行过程控制的基本依据。以土木工程专业中遇到的各种土颗粒材料为例，颗粒级配特性是对砂、碎石、块石等各种土进行分类的主要指标，决定了土的物理力学与工程性质，在房屋建筑、铁路、大型土石坝及机场等施工活动中，首先需明确现场土体的颗粒级配情况，然后根据级配特性及其他相关指标对土体进行分类，以进一步研究土的强度、变形和承载能力等力学与工程特性。因此，当面对数目巨大、粒径分布范围广而又无规律的颗粒材料时，如何精确、快捷高效地获得颗粒总体的粒度与其颗粒级配分布特性，成为摆在每一位科研与工程技术人员面前的一个重要问题和技术难题。

目前，确定颗粒材料粒度及其分布特性的常规做法是从颗粒总体中随机抽取若干质量的样本，通过筛分试验获得其粒度及颗粒级配特性，并进一步通过取平均化法，利用样本的粒度及其分布特性来代表颗粒材料总体的粒径级配特性。而在这一过程中，则必须保证所选取的样本具有足够的代表性，因此，样本的取样量、取样方法等将对试验结果的可靠度存在重要影响。例如，当颗粒总体数量巨大、粒径分布范围又广时，若取样量不足，则其通过筛分试验后所确定的粒度及其分布特性则无法代表颗粒总体的颗粒级配特性；而当取样量过多时，则意味着工程量也逐渐越大，这样不仅会造成筛箱内物料过多，降低筛分效率，而且造成筛分试验过程中人力、物力等资源的大量浪费，同时相关研究也表明，当样本量达到一定限度后，继续提高样本量对提高试验结果的精度收效甚微。

综上所述，为了确定颗粒材料总体的颗粒级配分布情况，需要取多少质量的样本开展筛分试验才能客观、准确地反映总体的颗粒级配分布特性，国家规范及行业规范对此尚无明确说明，相关的科学研究也鲜有报告。

发明内容

本发明旨在提供一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪及筛分方法，该筛分仪使用快捷方便、精度可靠，特别是面对诸如化工、采矿、土木和制药等相关学科专业领域所经常涉及的颗粒材料往往尺寸分布范围广、级配复杂程度高、颗粒总体数目巨大，该智能筛分仪及筛分方法具有更加广泛的应用前景和重要的创新意义。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪，其结构特点是，包括基座板，装在基座板上的弹性振动模块、立柱和框架梁，装在弹性振动模块上的振动台，以及设置在振动台上的筛箱；

所述框架梁上部固定安装有进料箱，该进料箱的出口伸入所述筛箱内；所述立柱上装有承载平台，该承载平台上设置有多个储料箱，所述筛箱的出料口对准储料箱的进料口；

所述筛箱自下而上由多块水平布置的筛孔板分为多格，其中上一层的筛孔板的筛孔孔径大于下一层的筛孔板的筛孔孔径，每格的出料口处对应设置有一个储料箱；

所述振动台单侧倾斜设置，其中进料箱位于振动台较高的一侧，储料箱位于振动台较低的一侧。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述弹性振动模块包括设置在基座板上的多个墩柱，装在墩柱顶端与振动台之间的压缩弹簧，以及装在振动台上的振动电机；优选所述振动电机为离心式振动电机；优选所述压缩弹簧与振动台之间、压缩弹簧与墩柱之间均设有橡胶垫层。

为了便于控制振动频率和振动幅度，所述振动电机与变频器电连接。

优选地，所述筛箱的相邻两格通过固定锁锁固在一起，最下层的一格通过紧固夹具固定在振动台上；优选每格的侧壁上开设有观察窗口；优选所述筛箱顶部装有防尘盖。

优选地，所述振动台的倾斜角度为相对水平面0°-5°。

进一步地，本发明还包括计算机、可编程逻辑控制器、操作控制器和数据采集仪；所述承载平台与储料箱之间设有承重传感器；所述计算机与操作控制器通信，所述操作控制器与可编程逻辑控制器通信，所述可编程逻辑控制器与数据采集仪，所述数据采集仪与承重传感器电连接。

为了方便调整框架梁和/或立柱的高度，优选地，所述框架梁为高度可调节的伸缩梁，和/或所述立柱为高度可调节的伸缩柱。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪对颗粒材料进行筛分的方法，其包括如下步骤：

S1、确定待测颗粒材料总体的平均密度，将筛箱固定在振动台上；

S2、称取样本材料并放置于进料箱内，启动弹性振动模块，使样本材料在自重作用下流入筛箱内，并向出料口方向移动，直至流入储料箱内；

S3、待所有样本材料均流入对应的储料箱内后，停止弹性振动模块，称取储料箱内采集的颗粒重量。

进一步地，本发明还包括步骤S4:将步骤S3采集的颗粒的密度、各层颗粒质量和孔径尺寸信号由可编程逻辑控制器输入端口输入，经过计算获得各粒组区间内的颗粒数量n_j，样本的中值粒径

和颗粒级配特征PSD₁；

由可编程逻辑控制器计算该次筛分试验获得的中值粒径

与

进行比较，如果

则表明所称取的样本质量符合精度要求，即此时所测试获得的颗粒级配特性可以代表颗粒总体的颗粒分布情况，如果

则表明所称取的样本质量不足，其筛分试验获得的颗粒级配特性不能代表颗粒总体的颗粒分布情况，超出了设定的精度范围。

根据上次筛分试验所确定的该次需称取的样本质量，重复上述步骤S1-S4，直至经可编程逻辑控制器运算后的第k+1次筛分试验的颗粒样本中值粒径满足

在-0.5mm-0.5mm范围内时(其中

表示第k次样本的中值粒径，

表示第k+1次样本的中值粒径，k表示第k次试验，

是指第k次与k+1次筛分试验所获得的颗粒样本中值粒径差值，即计算的下一次称取的颗粒样本质量开始小于该次试验的颗粒样本质量或者下一次称取的颗粒样本质量开始收敛于该次试验的颗粒样本质量时，表明本次筛分试验所获得的样本颗粒级配特性已能够代表总体的颗粒级配特性，且误差符合要求，结束试验。

本发明中，实际筛分中可根据颗粒特征做具体定义，这里以-0.5mm-0.5mm为例，一般而言，该定义值愈小，意味着试验结果愈精确，试验的循环次数可能愈多。

本发明的检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪逻辑分析步骤与设计思路如下：

一、样本数量的确定

从概率的角度出发，若颗粒总体中选取一定数量的颗粒材料作为样本开展筛分试验，其总体中每个颗粒被选中的概率相等，这实际上是一种简单随机抽样过程。假设颗粒总体的数量为N(趋向于无穷大)，为了获得颗粒总体的级配分布特性，可以将总体中被测试的颗粒按是否在规定的粒组区间内而划分为两类，对每个考察的颗粒做如下定义：

式中，Y_i为总体中第i个颗粒的赋值，若第i个颗粒的粒径属于该规定粒组内，则赋值为1，否则赋值为0。

基于以上颗粒的赋值定义，在颗粒总体中，若颗粒材料的粒径属于第j粒组(j＝1,2,3,…,w；w为总粒组数量)内的数量有N_j个，则属于第j粒组的颗粒数量百分比为：

式中，P_j为颗粒总体中属于第j粒组颗粒的百分比，

为颗粒总体中属于第j粒组颗粒累积数量的平均值。

于是，在颗粒材料的筛分试验中，对于待测颗粒数量为n_all的样本，若其中属于第j粒组(j＝1,2,3,…,w；w为总粒组数量)的颗粒数量有n_j个，则颗粒样本中属于所规定的第j粒组的颗粒数量百分比为：

式中，p_j为颗粒样本中属于第j粒组颗粒的百分比，

为材料样本中属于第j粒组颗粒累积数量的平均值。

对于从材料总体中随机地抽取一定数量的样本开展筛分试验，属于数学上的简单随机抽样方法。因此，由样本所获得的属于第j粒组颗粒的百分比p_j是总体中属于第j粒组颗粒的百分比P_j的无偏估计，经过数学计算，可获得其方差为：

式中，V(p_j)、

均为颗粒样本中属于第j粒组的统计方差，S²为颗粒总体粒径分布的方差，其计算式如下：

结合概率统计的数学知识可知，在简单随机抽样中，由样本所得的参数估计值p与总体的实际值P之间的误差可以控制在规定限度内，并通过置信度1-α和绝对误差限度d两个指标来进行定量判别，即：

进一步，根据概率统计中双侧分位数u_α/2的定义可知：

式中，

均为颗粒样本中属于第j粒组的统计方差。

进一步，结合公式(4)、公式(6)、公式(7)，可得：

由公式(8)可以看到，样本中第j粒组内的颗粒数量取决于3个指标：颗粒材料总体的数量N，精度控制指标u_α/2、d和颗粒总体粒径分布的方差S²。即当材料总体的数量N越大，筛分结果要求的精度越高，颗粒总体的粒径分布越广，则要求的参与筛分试验的样本数量就越多。而在工程实践活动中，颗粒总体的数量N往往趋向于无穷大，因此，结合公式(5)，公式(8)可进一步简化为：

至此，获得确定第j粒组所应需要的样本数量。进一步，为了确定筛分试验中所有w个粒组的颗粒分布范围，则所需要的颗粒样本总数量n_all计算式如下：

因0≤P_j≤1，由基本不等式可知：

此时，获得公式(10)中用于筛分试验的颗粒样本总数量的极值，如下：

由经验可知，当一定条件下，参与筛分试验的样本数量越多，其试验结果愈接近颗粒总体的真实颗粒级配特性。因此，保守的n_all可以取公式(12)中所确定的极大值，即：

由此，从公式(13)可以看出，一次筛分试验所选取的颗粒样本总数量可以由筛分试验的精度控制指标(置信度1-α、绝对误差限度d)来共同确定。例如，在一次筛分试验中，如果初始设计试验结果的置信度1-α为95％，即绝对误差限度d是7.07％(或d²为0.005)，则计算所需的最少颗粒样本数量为768个，即当一次筛分试验只要随机地从总体中取出768个颗粒作为筛分样本时，可以保证筛分试验后获得的粒径及其颗粒级配特征与颗粒材料总体级配特征间的误差控制在±7.07％以内。

二、样本质量的确定

进一步，由于在筛分试验过程中，往往不采用颗粒数量作为控制指标，而是以颗粒样本的质量作为控制标准。因此，在开展颗粒筛分试验前，通过密度试验获得该颗粒材料的平均密度ρ，则需要的样本质量计算式如下：

式中，m为样本的质量，

为该颗粒材料的中值粒径，根据筛分试验设计的w个粒组和各粒组区间内的颗粒数量n_j，中值粒径的定义为颗粒样本整体的质量等效粒径，计算式如下：

式中，D_j为第j粒组的中值尺寸，即第j粒组上、下界限粒径的平均值；ρ为颗粒材料的平均密度。

在工程实践中，评价颗粒材料粒径及其分布特性的颗粒级配特性曲线的中值粒径

与该颗粒的最大粒径D_max、最小粒径D_min和的一半

之间仅存在3种关系，下面对这3种关系展开讨论，以确定参加筛分试验所需的样本质量。

当

时，结合计算样本质量的公式(14)，可得所需的分析颗粒级配特性的样本质量为：

同时，若对于某些颗粒材料而言，其最大粒径D_max远大于最小粒径D_min，则公式(16)中最小粒径D_min的影响基本可以忽略不计，此时计算样本质量的公式(16)可进一步简化为：

当

时，表明颗粒材料中以细颗粒含量占绝大多数，粗颗粒含量相对较少，颗粒总体的中值粒径偏小。然而在相同情况下，从公式(14)可以看到，当颗粒总体的中值粒径越大，所需的样本质量越多，同时颗粒样本的筛分结果也会越接近颗粒总体的级配特性，说明在该情况下，按公式(14)所计算的样本质量是偏于保守的，筛分后的样本级配特性已能够保证与颗粒总体级配特性间的误差控制在精度范围内。

当

时，即表明颗粒材料中细颗粒含量相对较少，粗颗粒含量占绝大多数，此时颗粒总体的中值粒径偏大，若继续直接采用公式(14)来确定试验所需的样本质量，则可能产生较大的试验误差。因此，对于该情况，可采用循环迭代的方法确定所需的样本质量，来确保样本测试结果的可靠度。方法是首先量取一定质量的样本，通过第一次筛分试验获得该样本的颗粒级配PSD₁，假设此时该颗粒级配PSD₁不满足可靠度要求，结合公式(15)可由颗粒级配PSD₁计算出样本的中值粒径

然后将

代入公式(14)，从而获得进行第二次筛分试验应称量的样本质量，并进一步获得第二次筛分试验的PSD₂和

如此循环迭代，直至

在-0.5mm-0.5mm范围内(其中

表示第k次样本的中值粒径，

表示第k+1次样本的中值粒径，k表示第k次试验，

是指第k次与k+1次筛分试验所获得的颗粒样本中值粒径差值，实际筛分中可根据颗粒特征做具体定义，这里以-0.5mm-0.5mm为例，一般而言，该定义值愈小，意味着试验结果愈精确，试验的循环次数可能愈多)，即计算的下一次称取的颗粒样本质量开始小于该次试验的颗粒样本质量或者下一次称取的颗粒样本质量开始收敛于该次试验的颗粒样本质量时，结束循环，表明本次筛分试验所获得的样本颗粒级配特性已能够代表颗粒总体的颗粒级配特性，且精度符合要求。

与现有技术相比，本发明的有益成果是：

1、利用本发明装置可以开展多种颗粒材料的筛分试验，获得颗粒材料的粒度及其颗粒级配特性，为进一步对该颗粒材料进行分类，研究其相关物理力学及化学特性奠定基础。本发明专利的振动筛分***采用了倾斜式矩形筛箱，由最顶层较高一侧的筛箱装入待测颗粒，实现颗粒能够沿筛箱的最长路径自由跳动筛分，提高筛分效率。同时矩形筛箱设计了观察窗口，有利于直接观察颗粒在各层筛箱内的筛分状况。

2、本发明的振动筛分***的振动能量实现连续可控。根据颗粒在各层筛箱内的流动、跳动状况，通过变频器实现灵活调节振动电机的激振力强度、频率和幅值，实现准确、快捷高效地完成筛分试验，达到最佳的筛分效率。

3、本发明的振动筛分***与全自动收集***高效结合，实现快速回收各筛箱内的颗粒材料，并通过储料箱下部的称重传感器完成各粒组区间内颗粒质量的测量。

4、基于概率统计中的随机抽样可靠度理论，本发明总体上实现智能化跟踪分析颗粒样本的级配特性可靠度的设计需求。通过将基于可靠度理论建立起来的确定样本数量和质量、以及判断样本颗粒级配特性与总体颗粒级配特性间的误差大小的数学模型通过编程的办法存储于可编程逻辑控制器内，并进一步将传感器、采集仪、计算机和可编程逻辑控制器等硬件设施共同组成该智能化分筛仪的“神经中枢”，实现对颗粒样本的筛分结果进行定量跟踪分析，并最终获得最佳的取样质量和符合控制精度要求的材料颗粒级配特征。

本发明基于抽样分析可靠性理论，研究发现颗粒材料总体含量、粒度分布范围大小和精度控制指标是决定筛分试验所选取样本量的3个重要影响因素，并进一步基于可靠度理论设计出一种能够实现智能化跟踪分析颗粒样本粒径及其分布特性的筛分仪，通过试验前在计算机控制界面内输入指定的精度指标，获得能够满足颗粒总体粒度及其分布特性控制精度要求所需的最佳样本量。因此，该智能化筛分仪不仅实现了准确、快捷高效地获取颗粒材料总体的颗粒级配分布特性，彰显了绿色、节能环保的设计理念，而且其设计理论对指导相关科研与工程实践的展开也具有重要的方法论意义。

此外，本发明的智能化筛分仪结构简洁、安装方便、试验操作灵活，符合绿色、节能环保的设计理念，同时具备满足多种不同的颗粒材料开展筛分试验的需求。

附图说明

图1是本发明一个实施例的智能化筛分仪的结构示意图；

图2是本发明的筛分仪跟踪分析样本试验结果的程序流程图；

图3是典型的3种颗粒级配特征曲线。

在图中

1-基座板，2-框架梁，3-振动台，4-墩柱，5-压缩弹簧，6-离心式振动电机，7-变频器，8-加速度传感器，9-可伸缩立柱，10-进料箱，11-钢箍，12-水平阻拦隔板，13-防尘盖，14-矩形筛箱，15-固定锁，16-筛孔板，17-出料竖向隔板，18-出料管及其尖嘴，19-储料箱，20-储料箱出口，21-称重传感器，22-承载平台，23-数据采集仪，24-可编程逻辑控制器，25-操作控制器，26-计算机，27-紧固夹具，28-观察窗口，29-橡胶垫层。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种智能化检测颗粒材料级配特性可靠度筛分仪，如图1所示，包括振动筛分***、全自动收集***、数据采集模块、可编程逻辑控制器及计算机26等硬件设施。

本实施例中，所述的振动筛分***包括支撑框架结构、弹性振动模块、矩形筛箱14、进、出料装置等共同组成。支撑框架结构包括了基座板1、可伸缩框架梁2和福马轮等。基座板1材料可选用钢材，应严格控制其加工厚度，因设备在使用过程需经历长期的动荷载作用，因此基座板1应具备足够的刚度、强度、稳定性和耐久性要求。基座板1底面四角安装福马轮，实现灵活移动该振动筛分***。基座板1上部安装弹性振动模块。

本实施例中，弹性振动模块主要包括了倾斜式振动台3、压缩弹簧5和振动电机6等构件。倾斜式振动台3设计为单侧倾斜式，一般应控制倾斜角度约0-5o，其主要功能是实现在筛分试验过程中，颗粒材料能够在矩形筛箱14内沿长边方向边筛分边跳动，保障颗粒的最大筛分路径，且有利于实现各层筛箱14内颗粒材料的自动收集，减小筛分过程中的颗粒损失。同时，倾斜式振动台3上部安装用于固定最下层矩形筛箱14的紧固夹具27，其作用是防止筛箱14在振动筛分过程中发生结构自振，并且最大程度地实现振动能量向上传递至各层矩形筛箱14内。

本实施例中，弹性振动模块的加载源为离心式振动电机6。采用螺栓固定在倾斜式振动台3底面的中心位置，其作用是利用弹性振动模块的结构自重，最大程度地减弱振动电机6加载过程中所产生的水平方向振动力分量，必要时可在倾斜式振动台3底面固定配重。进一步，离心式振动电机6与输入电源间安装变频器7，其作用是通过调节振动电机6的输入频率改变其振动强度。同时，在倾斜式振动台3底面靠近振动电机6的适宜位置，安装加速度传感器8，加速度传感器8的输出端口与数据采集仪23、计算机26等硬件设施连接，实现实时监测筛分试验过程中振动电机6的输出振动强度。

进一步，所述的倾斜式振动台3固定在4组压缩弹簧5顶部，共计8个压缩弹簧5。在本发明中，8个压缩弹簧5固定在4个刚性墩柱4顶部，压缩弹簧5与倾斜式振动台3、刚性墩柱4间应安装厚度约10-20mm的橡胶垫层，其作用是降低噪声。进一步，应选用同一出厂批次、相同规格的8个压缩弹簧5，最大程度上保证了其尺寸、刚度系数等基本指标的一致性，有利于维护上部振动体系在试验过程中整体的稳定性与协调性。

在本实施例中，所述的可伸缩框架梁2固定在基座板1一侧，并与振动模块保持适宜距离。框架梁2上部利用钢箍固定进料箱10，根据颗粒材料测试所需的筛箱14数量，灵活调节框架梁2到适宜高度，便于从进料口装入待筛分的颗粒材料样本。在进料箱10的漏斗状结构下部，安装水平阻拦隔板，其作用是实现灵活调节进入筛箱14内的颗粒数量，防止过量的颗粒样本一次性流入最顶层筛箱14内，并导致各层筛箱14内颗粒数目过多而降低了筛分试验的精度和质量。

所述的矩形筛箱14其沿长边方向在适宜位置安装固定锁15，实现筛分试验过程中把所需的各层筛箱14在竖直方向上两两紧密固定，防止筛分过程中颗粒材料从上下两层筛箱14的接缝处跳出，保证筛分效率。在本实施例中，在矩形筛箱14的长边适宜位置处，制作矩形观察窗口28，用于观察筛分过程中各筛箱14内的颗粒流动状况，同时，矩形观察窗口28应用透明的有机玻璃从内侧密封。进一步，在最顶层矩形筛箱14(即孔径最大)的上部安装防尘盖，四边严格密封。同时，应把每个已在侧边加工出料管的矩形筛箱14统一放置在倾斜式振动台3位置较低一侧，其出料管根部同时设计一个出料竖向隔板，用于防止筛箱14内的颗粒材料在筛分过程中过早由出料管流出，从而难以保障设定的筛分时间，降低筛分精度。

在本实施例中，创新性地采用全自动收集***实现及时跟踪采集各粒组范围内的颗粒质量。全自动收集***由储料箱、称重传感器8和可伸缩立柱9等共同组成。根据选用的矩形筛箱14个数，将每个筛箱14的出料管尖嘴对准储料箱的进料口，打开出料竖向隔板，实现自动收集各层筛箱14内的颗粒材料样本。每个储料箱下部水平安装称重传感器8，称重传感器8进一步固定在承载平台上，每个承载平台均通过钢箍水平又固定在可伸缩立柱9上，从而实现灵活调节筛箱14的出料管尖嘴与储料箱进料口的相对位置，最大程度上实现各层筛箱14内残留颗粒材料的全部收集。称重传感器8实现自动化采集不同粒组内的颗粒质量，并经数据采集仪23输入至可编程逻辑控制器内，进一步实现智能化跟踪分析判断颗粒样本的粒径与其分布状况与材料总体的颗粒级配特性间的可靠度。

上述内容是研制智能化分析材料颗粒级配特性可靠度筛分仪的理论基础，该筛分仪具有自动化程度高、应用范围广泛等优点，例如各种级配特性的砂石、土壤、粮食、糖、盐、药物、以及各种矿石、煤炭、石灰、粉煤灰等颗粒材料均可以利用该筛分仪开展智能化筛分试验。

下面将进一步结合仪器的装置特点与使用方法，当面对某一未知的颗粒材料时，阐述如何实现智能化跟踪分析颗粒样本级配特性可靠度的方法，如图2所示，其具体步骤如下：

1)首先应确定待测颗粒材料总体的平均密度。通过密度试验获取材料的密度并在计算机26控制界面输入后并确定，同时在计算机26控制界面中输入筛分试验的控制精度指标值，即确定计算智能化分析样本质量理论里的置信度1-α和绝对误差限度d的值。

2)根据筛分试验需要，选取若干孔径适宜的矩形筛箱14，并将孔径值输入计算机26分析界面上并确定。同时将筛箱14按孔径从小到大，由下往上整齐放置在振动筛分***上，其中最下层筛箱14侧壁应利用倾斜式振动台3面上的紧固夹具27锁紧，各层筛箱14并依次利用侧壁上的固定锁15实现两两固定，最后顶层矩形筛箱14用防尘盖密封，同时分别调整各层储料箱进料口与筛箱14出料管尖嘴的相对位置，确保筛分后的颗粒可以由出料管顺利进入储料箱内。

3)从材料总体中通过简易方法量测较大颗粒的粒径，例如目测、刻度尺量测等。然后在计算机26控制界面中输入该较大粒径值的一半作为第一次取样基准的初始平均粒径

此时基于公式(14)经编程计算获得了开展第一次筛分试验所应称取的颗粒样本质量，另外，在称取时应尽可能保证颗粒样本从尺寸上大致吻合材料总体的粒径分布范围。然后将称量好的样本材料放置于进料箱10内，检查无误后启动振动电机6，打开进料隔板，使材料在自重作用下流入最顶层筛箱14内。

4)在筛分过程中，通过矩形筛箱14侧壁上的观察窗口28，观察颗粒在各层筛箱14内的流动形态，为了达到最佳的筛分效果，可以通过调节振动电机6的变频器7，改变振动筛分***的振动强度、频率和幅值，使颗粒在各层筛箱14内能够保持稳定、缓慢地流向出料管一侧，打开出料口竖向隔板，使颗粒穿过出口管由储料箱实现自动化收集。

5)当各层筛箱14内的颗粒已全部流入各层的储料箱后，关闭振动电机6。此时通过称重传感器8采集到各储物箱内的颗粒质量，进一步将密度、各层颗粒质量和孔径尺寸信号由可编程逻辑控制器输入端口输入，经过上述智能化筛分程序的计算，获得各粒组区间内的颗粒数量n_j，样本的中值粒径

和颗粒级配特征PSD₁并在计算机26控制界面上显示。

6)基于判断样本质量的智能化筛分试验分析方法，经由可编程逻辑控制器设计好的算法计算该次筛分试验获得的中值粒径

与

进行比较，另外，若相对于最大粒径D_max而言，最小粒径D_min的影响可以忽略不计，则编写算法时也可用中值粒径

与

进行比较。如果经计算该次试验样本的中值粒径

时，表明该次筛分试验所称取的样本质量符合精度要求，即此时所测试获得的颗粒级配特性可以代表颗粒总体的颗粒分布情况；而当

时，表明该次筛分试验所称取的样本质量不足，其筛分试验获得的颗粒级配特性不能代表颗粒总体的颗粒分布情况，超出了设定的精度范围。下一步，计算机26程序将该次试验获得中值粒径

代入基于公式(14)编写好的语言后计算下次试验应称取的样本质量，同时回收储料箱内的材料，清理干净各层矩形筛箱14，待做下一组试验。

7)根据上次筛分试验所确定的该次需称取的样本质量，重复上述2)-6)步骤，直至经可编程逻辑控制器程序运算后的第k+1次筛分试验的颗粒样本中值粒径满足

即

在-0.5mm-0.5mm范围内(其中

表示第k次样本的中值粒径，

表示第k+1次样本的中值粒径，k表示第k次试验，

是指第k次与k+1次筛分试验所获得的颗粒样本中值粒径差值，实际筛分中可根据颗粒特征做具体定义，这里以-0.5mm-0.5mm为例，一般而言，该定义值愈小，意味着试验结果愈精确，试验的循环次数可能愈多)，即计算的下一次称取的颗粒样本质量开始小于该次试验的颗粒样本质量或者下一次称取的颗粒样本质量开始收敛于该次试验的颗粒样本质量时，表明本次筛分试验所获得的样本颗粒级配特性已能够代表总体的颗粒级配特性，且误差符合要求，结束试验。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (11)

1.一种利用检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述检测颗粒材料级配特性可靠度的筛分仪包括基座板(1)，装在基座板(1)上的弹性振动模块、立柱(9)和框架梁(2)，装在弹性振动模块上的振动台(3)，以及设置在振动台(3)上的筛箱(14)；所述框架梁(2)上部固定安装有进料箱(10)，该进料箱(10)的出口伸入所述筛箱(14)内；所述立柱(9)上装有承载平台(22)，该承载平台(22)上设置有多个储料箱(19)，所述筛箱(14)的出料口对准储料箱(19)的进料口；

所述筛箱(14)自下而上由多块水平布置的筛孔板(16)分为多格，其中上一层的筛孔板的筛孔孔径大于下一层的筛孔板的筛孔孔径，每格的出料口处对应设置有一个储料箱(19)；

所述振动台(3)单侧倾斜设置，其中进料箱(10)位于振动台(3)较高的一侧，储料箱(19)位于振动台(3)较低的一侧；

所述对颗粒材料进行筛分的方法包括如下步骤：

S1、确定待测颗粒材料总体的平均密度，将筛箱(14)固定在振动台(3)上；

S2、称取样本材料并放置于进料箱(10)内，启动弹性振动模块，使样本材料在自重作用下流入筛箱(14)内，并向出料口方向移动，直至流入储料箱(19)内；

S3、待所有样本材料均流入对应的储料箱(19)内后，停止弹性振动模块，称取储料箱(19)内采集的颗粒重量；

S4：将步骤S3采集的颗粒的密度、各层颗粒质量和孔径尺寸信号由可编程逻辑控制器输入端口输入，经过计算获得各粒组区间内的颗粒数量n_j，样本的中值粒径

和颗粒级配特征PSD₁；由可编程逻辑控制器计算该次筛分试验获得的中值粒径

与

进行比较，如果

则表明所称取的样本质量符合精度要求，即此时所测试获得的颗粒级配特性可以代表颗粒总体的颗粒分布情况，如果

则表明所称取的样本质量不足，其筛分试验获得的颗粒级配特性不能代表颗粒总体的颗粒分布情况，超出了设定的精度范围；

根据上次筛分试验所确定的该次需称取的样本质量，重复上述步骤S1-S4，直至经可编程逻辑控制器运算后的第k+1次筛分试验的颗粒样本中值粒径满足

在-0.5mm-0.5mm范围内时(其中

表示第k次样本的中值粒径，

表示第k+1次样本的中值粒径，k表示第k次试验，

是指第k次与k+1次筛分试验所获得的颗粒样本中值粒径差值，即计算的下一次称取的颗粒样本质量开始小于该次试验的颗粒样本质量或者下一次称取的颗粒样本质量开始收敛于该次试验的颗粒样本质量时，表明本次筛分试验所获得的样本颗粒级配特性已能够代表总体的颗粒级配特性，且误差符合要求，结束试验。

2.根据权利要求1所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述弹性振动模块包括设置在基座板(1)上的多个墩柱(4)，装在墩柱(4)顶端与振动台(3)之间的压缩弹簧(5)，以及装在振动台(3)上的振动电机(6)。

3.根据权利要求2所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述振动电机(6)与变频器(7)电连接。

4.根据权利要求1所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述筛箱(14)的相邻两格通过固定锁(15)锁固在一起，最下层的一格通过紧固夹具(27)固定在振动台(3)上。

5.根据权利要求1所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述振动台(3)的倾斜角度为相对水平面0°-5°。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，还包括计算机(26)、可编程逻辑控制器(24)、操作控制器(25)和数据采集仪(23)；所述承载平台(22)与储料箱(19)之间设有承重传感器(21)；所述计算机(26)与操作控制器(25)通信，所述操作控制器(25)与可编程逻辑控制器(24)通信，所述可编程逻辑控制器(24)与数据采集仪(23)，所述数据采集仪(23)与承重传感器(21)电连接。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述框架梁(2)为高度可调节的伸缩梁，和/或所述立柱(9)为高度可调节的伸缩柱。

8.根据权利要求2所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述振动电机(6)为离心式振动电机。

9.根据权利要求2所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述压缩弹簧(5)与振动台(3)之间、压缩弹簧(5)与墩柱(4)之间均设有橡胶垫层(29)。

10.根据权利要求4所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，所述筛箱(14)顶部装有防尘盖(13)。

11.根据权利要求4所述的对颗粒材料进行筛分的方法，其特征在于，每格的侧壁上开设有观察窗口(28)。

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