1、引言
粉碎作业（包括破碎和磨碎）是当代飞速发展的工业技术中必不可少的一个环节。在各种金属、非金属、化工矿物原料及建筑材料等的加工过程中，粉碎作业要消耗大量的能源，特别是随着低品位矿石开采量的增加和环保需要处理废弃物再生量的增加，能源消耗还会逐渐增大。预计21世纪初，用于粉碎过程的能源消耗可达到15%。在使用碎磨流程的厂矿中，破碎和磨碎的设备费、维修费和能源消耗费占总费用的50%以上。据不完全统计，我国黑色矿山、有色矿山、贵金属矿山、化工、建材等行业，每年破碎矿石和各种物料约为18亿吨；用电量250-300亿kW-h，占全国总用电量的8% - 10%；钢耗约占2 500 kt。物料粉碎过程中，由于在作业中产生发声、发热、振动和摩擦等作用，使能源大量消耗。因而多年来界内人士一直在研究如何达到节能、高效地完成破碎和磨碎过程。从理论研究到创新设备（包括改造旧有的设备）直至改变生产工艺流程。
目前，破碎理论、工艺和设备的研究主要着重于：①研究在破碎中节能、高效的理论，也力求找出新理论，突破人们已熟知的破碎三大理论；②研究新的非机械力高能或多力场联合作用的破碎设备，目前还未见有工业化的设备供应市场，只是处于研究阶段；③改进现有设备，这方面经常是用户根据自己的需要来进行，而不见市场上大规模生产或研制新设备。
对于上述诸问题，由于国外矿山自20世纪80年代以来发展缓慢，使得这方面进展不大，新设备较少。国内由于国营大型矿山投入极少，也没有什么发展，而中、小矿山由于各地对矿物原料的需求不同，近几年却得到了一定的发展。
2、破碎理论
尽管破碎作业在矿山及其他工业中广泛存在，但是关于破碎过程的理论知之甚少，许多破碎设备的设计完全基于实践经验。因为描述破碎过程中所有重要的工艺参数，从能量输入破碎机到从
破碎机输出，包括设备特性都还是相当复杂的。相关参数很多，从统计学的观点看，需要大量的试验数据，以便提供精确的单个参数影响的信息。
物料破碎是一个历史悠久的话题。早在20世纪50年代，艾利斯一查尔默斯公司就开始大规模研究破碎机理，60年代得出具有重大意义的结论。随着研究的深入，人们熟知了高功率的破碎作业(1]，可以用来改善能源效率和降低生产成本。B．H．Bergstrom在研究单颗粒破碎时发现，在空气中一次破碎的碎片撞击金属板时明显地产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的动能占全部破碎能量的45%。如能充分利用二次破碎能量，则可提高破碎效率。也有人指出，较小的持续负荷比短时间的强大冲击，更有希望破碎物料。
20世纪80年代，有人对冲击力与挤压力对颗粒层的破碎效果进行研究后指出：在挤压力和冲击力两种情况下得出的破碎结果比较表明，就能量利用率而言，挤压力破碎是比较高的，其原因是在冲击破碎情况下，由于冲击力能转化为破碎产品的动能，从而损失了很大一部分应力能。对于轻轻受力的颗粒层上的挤压应力有微小增加的情况，当具有最小断裂强度的颗粒被压碎后，作用在未破碎的颗粒上的力就显著增加，在颗粒层内尚未出现�；ぷ饔弥�，各颗粒随着它们所受到的力的增加，依它们的强度大小而相继破碎。
对于这种受压的颗粒层，不应该再继续施力。因为所供给的能量很大部分不是由于颗粒和碎裂产品之间的摩擦，就是由于碎裂产品间的摩擦而消耗掉的。因此只有不再继续施力，才能达到颗粒层较好的重复受力，并在各次施力间使颗粒层能够松散。
能量的供给、颗粒的簇集条件和颗粒间的配比数，是决定破碎颗粒百分率的主要因素。不仅摩擦所耗的能量，而且所得到的碎裂产品的动能也是来自外面所提供的剩余能量。这样的能量损失是无法减少的。
我国胡景昆和徐小荷教授研究颗粒的粉碎时得出结论，静压粉碎效率为100%，单次冲击效率在35%-40%。为了节约能量，提高粉碎效率，应多用静压粉碎，少用冲击粉碎。Schonert的研究表明，如果使大批脆性物料颗粒受到50 MPa以上的压力，就能够由“料层粉碎”节约出可观的能量。目前“料层粉碎”理论已为粉碎界所公认，根据料层粉碎理论研制的新设备有美国诺得伯格公司的旋盘圆锥破碎机，俄罗斯的惯性圆锥破碎机等。
用多碎少磨的原则指导研制以料层粉碎原理的新型破碎机是当前的主要方向。1996年第四届全国粉碎工程学术会议上邓跃红、张智铁教授发表了《物料粉碎分形行为的研究》一文，作者认为破碎理论的研究应归结为三个大的方面：①强度理论的研究；②破碎效果的评价；③破碎功耗的研究。长期以来，粉碎理论的研究主要停留在经验应用和统计推测上，人们了解粉碎的规律尚不明确、不系统。因而人们期待新理论的出现会给破碎领域带来一次变革。
1982年B．Mandelrot提出分形理论应用在岩石理论研究方面，而张智铁教授把它应用在破碎理论上。经过研究，成功地运用了分形理论推导了强度与缺陷分布分维数之间的关系，建立了粉碎颗粒粒度分布模型，找到了分维数、分布指数与破碎概率之间的关系，用颗粒表面分维数D，将3个功耗理论统一起来。
为了优化颚式破碎机工作，马少健和陈炳辰教授利用实验室小型复摆颚式破碎机，分别进行单颗粒给料、窄粒级给料和混合粒级给料的破碎试验。研究结果是：①影响颚式破碎机产物粒度特性的因素除物料自身硬度外，还与给料粒度大小、组成、排矿口尺寸以及破碎腔内物料的松散状态有关；②在颚式破碎机破碎物料时，无论是料层破碎还是单颗粒破碎，给料粒度增大，产物粒度变小，因此生产中应根据给料粒度选择规格适宜的颚式破碎机和调节排料口尺寸；③料层破碎较单颗粒破碎更能降低破碎产物粒度。因此生产中应尽量维持破碎机破碎腔内适宜的料层，以减小破碎产物的粒度。
3、破碎机械
3.1颚式破碎机
19世纪40年代，北美的采金热潮对颚式破碎机发展有重大的促进作用。19世纪中叶，多种类型的颚式破碎机被研制出来，并获得了广泛的应用。上个世纪末，全世界已有70多种不同结构的颚式破碎机取得了专利权。
1858年，埃里·布雷克(EI．Blake)取得了制造双肘板颚式破碎机的专利权。现在最常用的颚式破碎机是布雷克的颚式破碎机和更近代制造的单肘板颚式破碎机。颚式破碎机最大的弱点之一是它们在一个工作循环内只有一半时间进行工作。
20世纪80年代中期，国外一些厂家已能生产各种大型颚式破碎机，例如美国Fuller Traylor公司生产的重型颚式破碎机，规格为1 676 mm×2 134 mm，生产能力达1 200 t/h；德国PWH公司生产的最大双肘板颚式破碎机的给料口为2 600 mm×1800 mm，生产能力达2 000 t/h；英国Babbitless公司生产的BCS系列颚式破碎机，其生产能力可达6 000 t/h。
20世纪80年代以来，我国颚式破碎机的研制工作与改进工作取得了一定的成果。北京矿冶研究总院的破碎机专家王宏勋教授和他的学生丁培洪硕士引用了“动态啮角”的概念，开发出GXPE系列深腔颚式破碎机，当时在国内引起了一定程度的轰动。该机与同种规格的破碎机相比，在相同工况条件下，处理能力可提高2006 -3006，齿板寿命可提高1-2倍。该机采用负支撑零悬挂，具有双曲面腔型。
第二代GXPE250×400破碎机在第一代的基础上进行了全面改进，增大了破碎比，降低了产品粒度。最大给料粒度为220 mm，生产能力为5-16t／h，排料口调整范围为10-40 mm，给料抗压强度小于300 MPa。
PEY4060液压保险颚式破碎机，以液压缸为过载�；ぷ爸茫С�、正悬挂、深破碎腔。该机最大给料粒度为340 mm，排料口调整范围为30 – 100mm，生产能力为10-40 t/h。
多灵一沃森机械有限公司的戌吉华高级工程师集多年实践经验，设计了目前国内最大的1 200×1 500复摆颚式破碎机。表1是上海多灵一沃森公司的PEX系列颚式破碎机技术参数表。
3.2低矮型颚式破碎机
20世纪80年代美国Eagle破碎机股份有限公司为井下采矿使用设计了一种低矮型颚式破碎机，此机也可用于露天采石场或采矿场。最大破碎功率为260- 300 kW，破碎机的生产能力为1400 t/h。
北京矿冶研究总院林运亮等人与上海多灵一沃森机械设备有限公司合作开发了PED低矮可拆式颚式破碎机。该机是一种适于井下作业特殊条件下的新型颚式破碎机。其特点是机械本身高度低，动颚位置低，固定颚位于动颚和偏心轴之间。
3.3外动颚匀摆颚式破碎机
北京矿冶研究总院饶绮麟教授于1999年研究成功了一种外动颚匀摆颚式破碎机。该机最大特点是将传统的复摆颚式破碎机中的四连杆机构作为动颚的传统设计，改为连杆作边板，而动颚仅是连杆上一点的延伸（图1）。图2为传统复摆颚式破碎机，图3为外动颚匀摆颚式破碎机。外动颚匀摆颚式破碎机在结构上有以下几个特点：①这种新破碎机不像传统的复摆颚式破碎机那样有偏心连杆套环装置，将偏心运动直接传递到动颚上，而是通过边板将偏心轴的运动传到外侧的动颚上；②动颚、定颚的位置与传统的复摆颚式破碎机正好相反，动颚和偏心轴位于破碎腔及定颚两侧，动颚的往复运动为破碎机提供了可靠的进料保障；③定颚由悬挂轴悬挂在机架上，其下部通过衬板与机架相连，调整衬板的位置，定颚绕悬挂轴旋转以改变排料口大小，从而控制排料粒度；④破碎腔呈倾斜状态；⑤负悬挂机构，皮带轮及飞轮不在设备的上部，而在设备的中部。
据上所述可以总结出外动颚匀摆颚式破碎机有以下三大特点：具有理想的动颚运动轨迹，外形低矮，偏心距小。
3.4新型颚式破碎机
图4为一种新型颚式破碎机的结构示意。其工作原理为：物料由进料斗落入机内，经分离机构将物料分散到四周下料。电动机经三角带带动偏心轴，使动颚上下运动而压碎物料，达到一定粒度后进入回转腔。物料在回转腔内受到转子及定颚的研磨而破碎，破碎物料从下料斗排出。该机通过松紧螺栓和加、减垫片，可调整进出料粒度。采用圆周给料方式，给料范围比颚式破碎机大，下料速度快且不会堵塞。与同等规格的颚式破碎机相比，其生产能力大、产品粒度小、破碎比大。该机已正式生产。
3.5颚辊破碎机
将高效节能的颚式破碎机和对辊破碎机有机地结合在一起，研制出了颚辊破碎机，破碎原理示意如图5所示。该机采用单电动机或柴（汽）油机躯动。当整机放在拖车上被牵引拖动时，便成为移动式颚辊破碎机。该机的工作原理是：电动机或柴（汽）油机驱动下部对辊破碎机的主动辊，主动辊经过齿轮带动被动辊反向运转。同时，主动辊另一端经三角带传动，带动上部颚式破碎机工作。通过调整对辊破碎机的安全调整装置，调整两辊间的间隙，可得到最终要求的粒度。PEG150×250×4400及PEG250×400×+600颚辊破碎机的规格及技术性能如表2所示。颚辊破碎机具有破碎比大(i=15-16)、高效节能、体积小、质量轻、驱动方式多样、移动灵活、整机也可分开单独使用等特点。特别适于深山区中小型矿山和建筑工地材料的破碎，也可作为“移动式选厂”的配套破碎系统。
3.6大传动角颚辊破碎机
大传动角颚辊破碎机(机构示意见图6)克服了复摆颚辊破碎机的抬矿、机体高、主轴承受力大等缺点，具有如下优点：用较小的偏心距能得到较大的水平行程，因而可降低能耗，动颚与给料口方向一致，从而排除复摆颚辊破碎机的抬矿作用。肘板置于动颚给料口后部，使机器高度降低，适用于井下移动式破碎机上。
原上海建材工业学院利用“固定容积”原理，推导出有独特见解的修正高斯曲线方程，利用该方程设计出新一代PEX150×750 -A型细碎颚式破碎机，其破碎腔为“直线一外旋轮线一修正高斯曲线”型高深式破碎腔，如图7所示。该机与国内同类产品相比，具有运转平稳、破碎比大、产量高（提高20%左右）、噪音小、运行费用低等优点。该产品已获得国家专利，主要用于水泥、选矿、冶金、陶瓷、化工等行业各种磨机的预粉碎(细碎)
3.7双动颚颚式破碎机
沈阳黄金学院与辽宁红透山机械厂联合研制的SEP - 25型双动颚颚式破碎机，其破碎比可达12，与同规格旧型颚式破碎机相比，生产能力提高60% -100%，电耗降低30% -50%。北京矿冶研究总院也生产这种双动颚颚式破碎机。
3.8双腔颚式破碎机
一种具有两个破碎腔的双腔颚式破碎机早已问世。该机是在双工作行程状态下运行，不存在空行程的能量消耗，因而大大提高了处理矿量，单位功率大幅度降低，金属消耗也明显下降。该机的结构示意见图8。
3.9振动颚式破碎机
振动颚式破碎机是俄罗斯MexaH06p研制的。该机利用不平衡振动器产生的离心惯性力和高频振动实现破碎。该机具有双动颚结构，两个振动器分别作用在两动颚上，转向相反并可实现自同步，使两动颚绕扭力轴同步振动。通过扭力轴可以调整振幅来控制产品粒度。该机适用于破碎铁合金、金属屑、砂轮和冶金炉渣等难碎物料，可破碎的物料抗压强度高达500 MPa。设备规格为80×300、100×300、100×1 400、200×1400和440×1200等。动颚振动频率为13-24 Hz，功率为15 - 74 kW，破碎比可达4-20，现有数十台设备已用于生产(11)。
4、圆锥破碎机
圆锥破碎机的运动学概念早在1856年被提出。第一台圆锥破碎机是在1880年由艾利斯——查尔默斯公司制造的，由发明人盖茨(F. Gates)设计。该机用来破碎金矿石，其生产能力为4t/h，用3 kW电动机驱动。圆锥破碎机的工作原理至今保持不变，但其结构却多被改进，目前对圆锥破碎机的改进已达到了极限。
用以下三种方法可以提高圆锥破碎机的性能：①机器的动平衡；②均匀给料；③改变破碎腔的形状。目前圆锥破碎机的破碎比普遍可以达到7，实践证明，改变腔型可以使破碎比达到12。因为改变腔型可以使被破碎物料的裂纹主要发生在应力集中处，故破碎机的能耗和磨损将大大降低，其寿命得到了延长。
4.1细碎偏心圆锥破碎机
细碎偏心圆锥破碎机是在20世纪初发展起来，至今也没有多大改变、最常用的破碎机。同其他破碎设备相比，它占用空间小、使用简便、能耗低、运转效率高（可达90%）。物料在细碎偏心圆锥破碎机破碎腔的平行带中，受到两次或三次撞击后被破碎。
中碎圆锥破碎机破碎腔的平行带长度是动锥直径，而细碎偏心圆锥破碎机破碎腔中的平行带长度是动锥直径的1/6。
动锥与定锥之间的最短距离决定了破碎机产品的最小尺寸。圆锥破碎机的主要技术条件是啮角、旋转速度和产量。啮角必须小于摩擦角的1/2，并且多数破碎机为18°。
细碎偏心圆锥破碎机对于给矿量或者给料粒度组成的不均匀性非常敏感。物料在破碎腔内均匀分布，非常重要。
研究者们早就指出，在厚料中使物料自碎是所要得到的最有希望的过程。这个过程在旋盘破碎机中很容易实现。与常规圆锥破碎机不同，在这种破碎机中物料的破碎是发生在挤压层中，颗粒在料层中受挤压时互相移动，这种运动迅速地使颗粒的边角破碎，并且最终使晶体破裂。应该注意到破碎的应变是难以确定的，因为它与被破碎物料的强度、破碎机破碎腔的充填程度及其他一些因素有关。图9给出了圆锥破碎机与旋盘破碎机腔型设计上的不同之处。旋盘破碎机衬板短且倾角小，当顶角小于物料安息角时，在重力作用下物料流动受阻，依靠动锥运动将物料推出。产生高百分比细粒级产品应归结为旋盘破碎机采用的“料层粉碎”机理的腔型设计。
4.2惯性圆锥破碎机
惯性圆锥破碎机是我国与俄罗斯米哈诺布尔(MexaH06p)的合作产品，1992年国内试制并推广，国内有关这方面的文章很多。该机属高效、细碎破碎机，具有破碎比大、单位能耗低、衬板磨损小等特点。国内有色矿山已开始应用。中型矿山选矿厂一般采用KPI/I-1750惯性圆锥破碎机。
4.3 PZ - 450振动圆锥破碎机
洛阳矿山机械工程设计院从20世纪90年代开始研制PZ - 450型振动圆锥破碎机，该机采用全新结构。它除了具有惯性圆锥破碎机的优点外，还有以下特点：①采用干油润滑，系统简单可靠；②动锥摆动频率较高，提高了产量和破碎比。
现代生产对圆锥破碎机的要求是：①单位时间内固定流量要高；②较大的破碎比；③最终产品粒度的品质易于调节；④能耗低；⑤维修、润滑简单、方便。按这五个方面而生产的滚柱轴承圆锥破碎机，采用倾斜安装滚柱轴承，不承受太大的力矩。
4.4圆锥破碎机腔型改造问题
北京矿冶研究总院研制了新的φ900液压圆锥破碎机(20)。该破碎机改进了腔形，因而产品粒度减�。ㄅ趴罂�5-15 mm时，产品粒度10 mm左右）；采用改进的液压调节系统，操作调整都较方便；由于给料口大，入料粒度可达60 mm，故中、小型选矿厂可用来代替中、细碎破碎机，从而简化了破碎流程。
北京冶金设备研究院在分析国外各种不同圆锥破碎机的基础上研制了新腔型的破碎机。据报道，新腔型破碎机产品粒度组成大大改善。图10为美国Allis公司H系列圆锥破碎机的腔型。
乌拉尔机械研究院和圣彼得堡米哈诺布尔研究院研究出新型圆锥破碎机的腔型，它包括两种破碎机模式：单颗粒粉碎和料层粉碎。这些模式各有优点，将其结合在一个破碎腔中，可获得更好的性能。改进设计(图11)的主要目的是生产更细的物料及减少衬板质量，新腔型可替代细碎偏心圆锥破碎机的普通衬板。
这种新破碎腔也由动锥衬板1和定锥衬板2构成，破碎腔包括均匀给料的预备区和破碎平行区。平行区表面上的小破碎室3形成空腔，这些空腔沿锥面呈多环状分布，形成蜂窝状结构。这些空腔可制成截棱锥，也可制成截圆锥或截六角形。用大量的经验试验方法对蜂窝状结构进行最佳设计�？涨坏淖苊婊ξ叫写婊�25% - 40%，若面积小于25%，则空腔不起作用；若超过40%，则衬板寿命会缩短（空腔之间的衬板破裂）�？涨坏纳疃任叫写陌搴穸鹊�50% - 70%。就衬板磨损而言，若空腔深度小于50%，则空腔不起作用（除衬板使用初期）；若空腔深度超过截面厚度70%，则衬板强度减弱，寿命缩短。
当圆锥破碎机工作时，有衬动锥在有衬定锥内回转。物料的破碎是靠动锥将它压向定锥完成的。被破碎的物料在上面物料的压力和重力作用下排出。破碎过程分为两个阶段：第一阶段物料进入预备区，矿石在上部矿石的压力和重力作用下均匀地移动到平行带；第二阶段即在平行带中完成破碎。这里，物料破碎是一个复杂的过程，发生在空腔内的破碎是由空腔内部的压力产生的压缩过程引起的。缓慢压缩过程比冲击或其他单块破碎方法效益高（单位能耗获得更大的破碎比）。由于能量缓慢施加，作者认为，在物料破碎之前，极限应变能量不可能超过冲击破碎所需的能量。也可在研磨和剪切作用下，物料在空腔和衬板上表面之间的地带被破碎。
在这种腔型设计中，能量利用更充分，细粒产品产量提高5%- 10%。此外，空腔中被破碎的物料相当于一个保护层，可减少衬板费用20%。
5、单齿辊破碎机
针对用于粉碎煤的单齿轮破碎机存在效率低、结构复杂、受力不均匀等缺点，华北工学院开发了新一代声915单齿辊破碎机。这种破碎机有两种结构形式：第一种结构形式如图12所示，是将原来的拉力弹簧改为推力弹簧，弹簧弹力为490 kN；拉杆铰接在颚板上，两端带有M100×4螺纹，分别装有两个旋紧螺母；左端螺母用于调整颚板位置，即出料口间隙，右端螺母用于调整弹簧弹力。拉杆插在装于机体的支座上，支座孔为上下可调的长方形，用以调整成品的出料粒度。这种结构降低了机体高度，缩短了拉杆长度，使结构更为紧凑。第二种结构如图13，这种结构形式是利用颚式破碎机的楔形调整机构和双辊破碎机的主动辊轴相结合，吸收了两者的优点，如：进料口大，辊子表面可装有不同尺寸的破碎齿板，颚板上镶有可更换的耐磨衬板，出料口大小可通过推力板上的长方形螺孔调整。与同规格的颚式破碎机或双辊破碎机相比，这类设备的破碎能力可增大几倍，效率可提高30%。现已调试出F915×1 000单齿辊破碎机，生产能力达140 t/h，最大进料口尺寸为500 mm，出料粒度为50-100mm，产品粒度比较均匀。同时，由于这种结构的破碎机有预碎和破碎两个区域，破碎后的物料受齿辊拨动而被强制排出机体外，所以更适用于处理较粘的潮湿物料。
6、振动式破碎机
随着振动理论和实践的发展，各种利用振动力进行工作的机构设备得到普遍应用。近年来有人研究利用惯性振动力对矿物进行破碎或粉磨的设备，这类设备的优点如下：
1、破碎力为非刚性力，运动件的止点由力的大小和破碎物料的性质决定，是可变的，因此易损件的磨损对出料粒度影响很小。且重要的是当铁块等难破碎物混入破碎机时，不会对机器造成损坏，若尺寸不是很大时，不用停车，难破碎物可随机器的运转自动排出机外：
2、由于可以通过调整惯性力的大小，使设备获得足够的破碎力对物料实施破碎，而基本不提高物料与易损件的切向速度，因而特别适合对水泥熟料、金矿石等磨琢性强和中硬以上物料的破碎；
3、破碎机在共振点工作，装机功率仅相当予同等产量其他机型，可大幅度降低运转费用。该机的工作原理如下：摆辊由摆杆通过底部铰支轴支撑，并和4条一头固定在机架上的弹簧组成振动系统。电动机通过V型带带动主轴上的偏心块转动，从而给予系统惯性激振力使其产生振动。物料从进料斗进入机内，受到振动的摆辊冲击挤压而破碎。该机可适用于110-200 MPa或普氏硬度f=16 - 20的硬矿石或烧结矿的中细碎矿。
相关破碎机产品：
1、
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2、
圆锥破碎机
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雷蒙磨粉机
