1、引言
    粉碎作業（包括破碎和磨碎）是當代飛速發展的工業技術中必不可少的一個環節。在各種金屬、非金屬、化工礦物原料及建筑材料等的加工過程中，粉碎作業要消耗大量的能源，特別是隨著低品位礦石開采量的增加和環保需要處理廢棄物再生量的增加，能源消耗還會逐漸增大。預計21世紀初，用于粉碎過程的能源消耗可達到15%。在使用碎磨流程的廠礦中，破碎和磨碎的設備費、維修費和能源消耗費占總費用的50%以上。據不完全統計，我國黑色礦山、有色礦山、貴金屬礦山、化工、建材等行業，每年破碎礦石和各種物料約為18億噸；用電量250-300億kW-h，占全國總用電量的8% - 10%；鋼耗約占2 500 kt。物料粉碎過程中，由于在作業中產生發聲、發熱、振動和摩擦等作用，使能源大量消耗。因而多年來界內人士一直在研究如何達到節能、高效地完成破碎和磨碎過程。從理論研究到創新設備（包括改造舊有的設備）直至改變生產工藝流程。
    目前，破碎理論、工藝和設備的研究主要著重于：①研究在破碎中節能、高效的理論，也力求找出新理論，突破人們已熟知的破碎三大理論；②研究新的非機械力高能或多力場聯合作用的破碎設備，目前還未見有工業化的設備供應市場，只是處于研究階段；③改進現有設備，這方面經常是用戶根據自己的需要來進行，而不見市場上大規模生產或研制新設備。
    對于上述諸問題，由于國外礦山自20世紀80年代以來發展緩慢，使得這方面進展不大，新設備較少。國內由于國營大型礦山投入極少，也沒有什么發展，而中、小礦山由于各地對礦物原料的需求不同，近幾年卻得到了一定的發展。
2、破碎理論
    盡管破碎作業在礦山及其他工業中廣泛存在，但是關于破碎過程的理論知之甚少，許多破碎設備的設計完全基于實踐經驗。因為描述破碎過程中所有重要的工藝參數，從能量輸入破碎機到從破碎機輸出，包括設備特性都還是相當復雜的。相關參數很多，從統計學的觀點看，需要大量的試驗數據，以便提供精確的單個參數影響的信息。
    物料破碎是一個歷史悠久的話題。早在20世紀50年代，艾利斯一查爾默斯公司就開始大規模研究破碎機理，60年代得出具有重大意義的結論。隨著研究的深入，人們熟知了高功率的破碎作業(1]，可以用來改善能源效率和降低生產成本。B．H．Bergstrom在研究單顆粒破碎時發現，在空氣中一次破碎的碎片撞擊金屬板時明顯地產生二次破碎，一次破碎的碎片具有的動能占全部破碎能量的45%。如能充分利用二次破碎能量，則可提高破碎效率。也有人指出，較小的持續負荷比短時間的強大沖擊，更有希望破碎物料。
    20世紀80年代，有人對沖擊力與擠壓力對顆粒層的破碎效果進行研究后指出：在擠壓力和沖擊力兩種情況下得出的破碎結果比較表明，就能量利用率而言，擠壓力破碎是比較高的，其原因是在沖擊破碎情況下，由于沖擊力能轉化為破碎產品的動能，從而損失了很大一部分應力能。對于輕輕受力的顆粒層上的擠壓應力有微小增加的情況，當具有最小斷裂強度的顆粒被壓碎后，作用在未破碎的顆粒上的力就顯著增加，在顆粒層內尚未出現保護作用之前，各顆粒隨著它們所受到的力的增加，依它們的強度大小而相繼破碎。
    對于這種受壓的顆粒層，不應該再繼續施力。因為所供給的能量很大部分不是由于顆粒和碎裂產品之間的摩擦，就是由于碎裂產品間的摩擦而消耗掉的。因此只有不再繼續施力，才能達到顆粒層較好的重復受力，并在各次施力間使顆粒層能夠松散。
    能量的供給、顆粒的簇集條件和顆粒間的配比數，是決定破碎顆粒百分率的主要因素。不僅摩擦所耗的能量，而且所得到的碎裂產品的動能也是來自外面所提供的剩余能量。這樣的能量損失是無法減少的。
    我國胡景昆和徐小荷教授研究顆粒的粉碎時得出結論，靜壓粉碎效率為100%，單次沖擊效率在35%-40%。為了節約能量，提高粉碎效率，應多用靜壓粉碎，少用沖擊粉碎。Schonert的研究表明，如果使大批脆性物料顆粒受到50 MPa以上的壓力，就能夠由“料層粉碎”節約出可觀的能量。目前“料層粉碎”理論已為粉碎界所公認，根據料層粉碎理論研制的新設備有美國諾得伯格公司的旋盤圓錐破碎機，俄羅斯的慣性圓錐破碎機等。
    用多碎少磨的原則指導研制以料層粉碎原理的新型破碎機是當前的主要方向。1996年第四屆全國粉碎工程學術會議上鄧躍紅、張智鐵教授發表了《物料粉碎分形行為的研究》一文，作者認為破碎理論的研究應歸結為三個大的方面：①強度理論的研究；②破碎效果的評價；③破碎功耗的研究。長期以來，粉碎理論的研究主要停留在經驗應用和統計推測上，人們了解粉碎的規律尚不明確、不系統。因而人們期待新理論的出現會給破碎領域帶來一次變革。
    1982年B．Mandelrot提出分形理論應用在巖石理論研究方面，而張智鐵教授把它應用在破碎理論上。經過研究，成功地運用了分形理論推導了強度與缺陷分布分維數之間的關系，建立了粉碎顆粒粒度分布模型，找到了分維數、分布指數與破碎概率之間的關系，用顆粒表面分維數D，將3個功耗理論統一起來。
    為了優化顎式破碎機工作，馬少健和陳炳辰教授利用實驗室小型復擺顎式破碎機，分別進行單顆粒給料、窄粒級給料和混合粒級給料的破碎試驗。研究結果是：①影響顎式破碎機產物粒度特性的因素除物料自身硬度外，還與給料粒度大小、組成、排礦口尺寸以及破碎腔內物料的松散狀態有關；②在顎式破碎機破碎物料時，無論是料層破碎還是單顆粒破碎，給料粒度增大，產物粒度變小，因此生產中應根據給料粒度選擇規格適宜的顎式破碎機和調節排料口尺寸；③料層破碎較單顆粒破碎更能降低破碎產物粒度。因此生產中應盡量維持破碎機破碎腔內適宜的料層，以減小破碎產物的粒度。
3、破碎機械
3.1顎式破碎機
    19世紀40年代，北美的采金熱潮對顎式破碎機發展有重大的促進作用。19世紀中葉，多種類型的顎式破碎機被研制出來，并獲得了廣泛的應用。上個世紀末，全世界已有70多種不同結構的顎式破碎機取得了專利權。
    1858年，埃里·布雷克(EI．Blake)取得了制造雙肘板顎式破碎機的專利權。現在最常用的顎式破碎機是布雷克的顎式破碎機和更近代制造的單肘板顎式破碎機。顎式破碎機最大的弱點之一是它們在一個工作循環內只有一半時間進行工作。
    20世紀80年代中期，國外一些廠家已能生產各種大型顎式破碎機，例如美國Fuller Traylor公司生產的重型顎式破碎機，規格為1 676 mm×2 134 mm，生產能力達1 200 t/h；德國PWH公司生產的最大雙肘板顎式破碎機的給料口為2 600 mm×1800 mm，生產能力達2 000 t/h；英國Babbitless公司生產的BCS系列顎式破碎機，其生產能力可達6 000 t/h。
    20世紀80年代以來，我國顎式破碎機的研制工作與改進工作取得了一定的成果。北京礦冶研究總院的破碎機專家王宏勛教授和他的學生丁培洪碩士引用了“動態嚙角”的概念，開發出GXPE系列深腔顎式破碎機，當時在國內引起了一定程度的轟動。該機與同種規格的破碎機相比，在相同工況條件下，處理能力可提高2006 -3006，齒板壽命可提高1-2倍。該機采用負支撐零懸掛，具有雙曲面腔型。
    第二代GXPE250×400破碎機在第一代的基礎上進行了全面改進，增大了破碎比，降低了產品粒度。最大給料粒度為220 mm，生產能力為5-16t／h，排料口調整范圍為10-40 mm，給料抗壓強度小于300 MPa。
    PEY4060液壓保險顎式破碎機，以液壓缸為過載保護裝置，正支撐、正懸掛、深破碎腔。該機最大給料粒度為340 mm，排料口調整范圍為30 – 100mm，生產能力為10-40 t/h。
    多靈一沃森機械有限公司的戌吉華高級工程師集多年實踐經驗，設計了目前國內最大的1 200×1 500復擺顎式破碎機。表1是上海多靈一沃森公司的PEX系列顎式破碎機技術參數表。
3.2低矮型顎式破碎機
    20世紀80年代美國Eagle破碎機股份有限公司為井下采礦使用設計了一種低矮型顎式破碎機，此機也可用于露天采石場或采礦場。最大破碎功率為260- 300 kW，破碎機的生產能力為1400 t/h。
    北京礦冶研究總院林運亮等人與上海多靈一沃森機械設備有限公司合作開發了PED低矮可拆式顎式破碎機。該機是一種適于井下作業特殊條件下的新型顎式破碎機。其特點是機械本身高度低，動顎位置低，固定顎位于動顎和偏心軸之間。
3.3外動顎勻擺顎式破碎機
    北京礦冶研究總院饒綺麟教授于1999年研究成功了一種外動顎勻擺顎式破碎機。該機最大特點是將傳統的復擺顎式破碎機中的四連桿機構作為動顎的傳統設計，改為連桿作邊板，而動顎僅是連桿上一點的延伸（圖1）。圖2為傳統復擺顎式破碎機，圖3為外動顎勻擺顎式破碎機。外動顎勻擺顎式破碎機在結構上有以下幾個特點：①這種新破碎機不像傳統的復擺顎式破碎機那樣有偏心連桿套環裝置，將偏心運動直接傳遞到動顎上，而是通過邊板將偏心軸的運動傳到外側的動顎上；②動顎、定顎的位置與傳統的復擺顎式破碎機正好相反，動顎和偏心軸位于破碎腔及定顎兩側，動顎的往復運動為破碎機提供了可靠的進料保障；③定顎由懸掛軸懸掛在機架上，其下部通過襯板與機架相連，調整襯板的位置，定顎繞懸掛軸旋轉以改變排料口大小，從而控制排料粒度；④破碎腔呈傾斜狀態；⑤負懸掛機構，皮帶輪及飛輪不在設備的上部，而在設備的中部。
    據上所述可以總結出外動顎勻擺顎式破碎機有以下三大特點：具有理想的動顎運動軌跡，外形低矮，偏心距小。
3.4新型顎式破碎機
    圖4為一種新型顎式破碎機的結構示意。其工作原理為：物料由進料斗落入機內，經分離機構將物料分散到四周下料。電動機經三角帶帶動偏心軸，使動顎上下運動而壓碎物料，達到一定粒度后進入回轉腔。物料在回轉腔內受到轉子及定顎的研磨而破碎，破碎物料從下料斗排出。該機通過松緊螺栓和加、減墊片，可調整進出料粒度。采用圓周給料方式，給料范圍比顎式破碎機大，下料速度快且不會堵塞。與同等規格的顎式破碎機相比，其生產能力大、產品粒度小、破碎比大。該機已正式生產。
3.5顎輥破碎機
    將高效節能的顎式破碎機和對輥破碎機有機地結合在一起，研制出了顎輥破碎機，破碎原理示意如圖5所示。該機采用單電動機或柴（汽）油機軀動。當整機放在拖車上被牽引拖動時，便成為移動式顎輥破碎機。該機的工作原理是：電動機或柴（汽）油機驅動下部對輥破碎機的主動輥，主動輥經過齒輪帶動被動輥反向運轉。同時，主動輥另一端經三角帶傳動，帶動上部顎式破碎機工作。通過調整對輥破碎機的安全調整裝置，調整兩輥間的間隙，可得到最終要求的粒度。PEG150×250×4400及PEG250×400×+600顎輥破碎機的規格及技術性能如表2所示。顎輥破碎機具有破碎比大(i=15-16)、高效節能、體積小、質量輕、驅動方式多樣、移動靈活、整機也可分開單獨使用等特點。特別適于深山區中小型礦山和建筑工地材料的破碎，也可作為“移動式選廠”的配套破碎系統。
3.6大傳動角顎輥破碎機
    大傳動角顎輥破碎機(機構示意見圖6)克服了復擺顎輥破碎機的抬礦、機體高、主軸承受力大等缺點，具有如下優點：用較小的偏心距能得到較大的水平行程，因而可降低能耗，動顎與給料口方向一致，從而排除復擺顎輥破碎機的抬礦作用。肘板置于動顎給料口后部，使機器高度降低，適用于井下移動式破碎機上。
    原上海建材工業學院利用“固定容積”原理，推導出有獨特見解的修正高斯曲線方程，利用該方程設計出新一代PEX150×750 -A型細碎顎式破碎機，其破碎腔為“直線一外旋輪線一修正高斯曲線”型高深式破碎腔，如圖7所示。該機與國內同類產品相比，具有運轉平穩、破碎比大、產量高（提高20%左右）、噪音小、運行費用低等優點。該產品已獲得國家專利，主要用于水泥、選礦、冶金、陶瓷、化工等行業各種磨機的預粉碎(細碎)
3.7雙動顎顎式破碎機
    沈陽黃金學院與遼寧紅透山機械廠聯合研制的SEP - 25型雙動顎顎式破碎機，其破碎比可達12，與同規格舊型顎式破碎機相比，生產能力提高60% -100%，電耗降低30% -50%。北京礦冶研究總院也生產這種雙動顎顎式破碎機。
3.8雙腔顎式破碎機
    一種具有兩個破碎腔的雙腔顎式破碎機早已問世。該機是在雙工作行程狀態下運行，不存在空行程的能量消耗，因而大大提高了處理礦量，單位功率大幅度降低，金屬消耗也明顯下降。該機的結構示意見圖8。
3.9振動顎式破碎機
    振動顎式破碎機是俄羅斯MexaH06p研制的。該機利用不平衡振動器產生的離心慣性力和高頻振動實現破碎。該機具有雙動顎結構，兩個振動器分別作用在兩動顎上，轉向相反并可實現自同步，使兩動顎繞扭力軸同步振動。通過扭力軸可以調整振幅來控制產品粒度。該機適用于破碎鐵合金、金屬屑、砂輪和冶金爐渣等難碎物料，可破碎的物料抗壓強度高達500 MPa。設備規格為80×300、100×300、100×1 400、200×1400和440×1200等。動顎振動頻率為13-24 Hz，功率為15 - 74 kW，破碎比可達4-20，現有數十臺設備已用于生產(11)。
4、圓錐破碎機
    圓錐破碎機的運動學概念早在1856年被提出。第一臺圓錐破碎機是在1880年由艾利斯——查爾默斯公司制造的，由發明人蓋茨(F. Gates)設計。該機用來破碎金礦石，其生產能力為4t/h，用3 kW電動機驅動。圓錐破碎機的工作原理至今保持不變，但其結構卻多被改進，目前對圓錐破碎機的改進已達到了極限。
    用以下三種方法可以提高圓錐破碎機的性能：①機器的動平衡；②均勻給料；③改變破碎腔的形狀。目前圓錐破碎機的破碎比普遍可以達到7，實踐證明，改變腔型可以使破碎比達到12。因為改變腔型可以使被破碎物料的裂紋主要發生在應力集中處，故破碎機的能耗和磨損將大大降低，其壽命得到了延長。
4.1細碎偏心圓錐破碎機
    細碎偏心圓錐破碎機是在20世紀初發展起來，至今也沒有多大改變、最常用的破碎機。同其他破碎設備相比，它占用空間小、使用簡便、能耗低、運轉效率高（可達90%）。物料在細碎偏心圓錐破碎機破碎腔的平行帶中，受到兩次或三次撞擊后被破碎。
    中碎圓錐破碎機破碎腔的平行帶長度是動錐直徑，而細碎偏心圓錐破碎機破碎腔中的平行帶長度是動錐直徑的1/6。
    動錐與定錐之間的最短距離決定了破碎機產品的最小尺寸。圓錐破碎機的主要技術條件是嚙角、旋轉速度和產量。嚙角必須小于摩擦角的1/2，并且多數破碎機為18°。
    細碎偏心圓錐破碎機對于給礦量或者給料粒度組成的不均勻性非常敏感。物料在破碎腔內均勻分布，非常重要。
    研究者們早就指出，在厚料中使物料自碎是所要得到的最有希望的過程。這個過程在旋盤破碎機中很容易實現。與常規圓錐破碎機不同，在這種破碎機中物料的破碎是發生在擠壓層中，顆粒在料層中受擠壓時互相移動，這種運動迅速地使顆粒的邊角破碎，并且最終使晶體破裂。應該注意到破碎的應變是難以確定的，因為它與被破碎物料的強度、破碎機破碎腔的充填程度及其他一些因素有關。圖9給出了圓錐破碎機與旋盤破碎機腔型設計上的不同之處。旋盤破碎機襯板短且傾角小，當頂角小于物料安息角時，在重力作用下物料流動受阻，依靠動錐運動將物料推出。產生高百分比細粒級產品應歸結為旋盤破碎機采用的“料層粉碎”機理的腔型設計。
4.2慣性圓錐破碎機
    慣性圓錐破碎機是我國與俄羅斯米哈諾布爾(MexaH06p)的合作產品，1992年國內試制并推廣，國內有關這方面的文章很多。該機屬高效、細碎破碎機，具有破碎比大、單位能耗低、襯板磨損小等特點。國內有色礦山已開始應用。中型礦山選礦廠一般采用KPI/I-1750慣性圓錐破碎機。
4.3    PZ - 450振動圓錐破碎機
    洛陽礦山機械工程設計院從20世紀90年代開始研制PZ - 450型振動圓錐破碎機，該機采用全新結構。它除了具有慣性圓錐破碎機的優點外，還有以下特點：①采用干油潤滑，系統簡單可靠；②動錐擺動頻率較高，提高了產量和破碎比。
    現代生產對圓錐破碎機的要求是：①單位時間內固定流量要高；②較大的破碎比；③最終產品粒度的品質易于調節；④能耗低；⑤維修、潤滑簡單、方便。按這五個方面而生產的滾柱軸承圓錐破碎機，采用傾斜安裝滾柱軸承，不承受太大的力矩。
4.4圓錐破碎機腔型改造問題
    北京礦冶研究總院研制了新的φ900液壓圓錐破碎機(20)。該破碎機改進了腔形，因而產品粒度減小（排礦口5-15 mm時，產品粒度10 mm左右）；采用改進的液壓調節系統，操作調整都較方便；由于給料口大，入料粒度可達60 mm，故中、小型選礦廠可用來代替中、細碎破碎機，從而簡化了破碎流程。
    北京冶金設備研究院在分析國外各種不同圓錐破碎機的基礎上研制了新腔型的破碎機。據報道，新腔型破碎機產品粒度組成大大改善。圖10為美國Allis公司H系列圓錐破碎機的腔型。
    烏拉爾機械研究院和圣彼得堡米哈諾布爾研究院研究出新型圓錐破碎機的腔型，它包括兩種破碎機模式：單顆粒粉碎和料層粉碎。這些模式各有優點，將其結合在一個破碎腔中，可獲得更好的性能。改進設計(圖11)的主要目的是生產更細的物料及減少襯板質量，新腔型可替代細碎偏心圓錐破碎機的普通襯板。
    這種新破碎腔也由動錐襯板1和定錐襯板2構成，破碎腔包括均勻給料的預備區和破碎平行區。平行區表面上的小破碎室3形成空腔，這些空腔沿錐面呈多環狀分布，形成蜂窩狀結構。這些空腔可制成截棱錐，也可制成截圓錐或截六角形。用大量的經驗試驗方法對蜂窩狀結構進行最佳設計。空腔的總面積應為平行帶面積的25% - 40%，若面積小于25%，則空腔不起作用；若超過40%，則襯板壽命會縮短（空腔之間的襯板破裂）。空腔的深度為平行帶襯板厚度的50% - 70%。就襯板磨損而言，若空腔深度小于50%，則空腔不起作用（除襯板使用初期）；若空腔深度超過截面厚度70%，則襯板強度減弱，壽命縮短。
    當圓錐破碎機工作時，有襯動錐在有襯定錐內回轉。物料的破碎是靠動錐將它壓向定錐完成的。被破碎的物料在上面物料的壓力和重力作用下排出。破碎過程分為兩個階段：第一階段物料進入預備區，礦石在上部礦石的壓力和重力作用下均勻地移動到平行帶；第二階段即在平行帶中完成破碎。這里，物料破碎是一個復雜的過程，發生在空腔內的破碎是由空腔內部的壓力產生的壓縮過程引起的。緩慢壓縮過程比沖擊或其他單塊破碎方法效益高（單位能耗獲得更大的破碎比）。由于能量緩慢施加，作者認為，在物料破碎之前，極限應變能量不可能超過沖擊破碎所需的能量。也可在研磨和剪切作用下，物料在空腔和襯板上表面之間的地帶被破碎。
    在這種腔型設計中，能量利用更充分，細粒產品產量提高5%- 10%。此外，空腔中被破碎的物料相當于一個保護層，可減少襯板費用20%。
5、單齒輥破碎機
    針對用于粉碎煤的單齒輪破碎機存在效率低、結構復雜、受力不均勻等缺點，華北工學院開發了新一代聲915單齒輥破碎機。這種破碎機有兩種結構形式：第一種結構形式如圖12所示，是將原來的拉力彈簧改為推力彈簧，彈簧彈力為490 kN；拉桿鉸接在顎板上，兩端帶有M100×4螺紋，分別裝有兩個旋緊螺母；左端螺母用于調整顎板位置，即出料口間隙，右端螺母用于調整彈簧彈力。拉桿插在裝于機體的支座上，支座孔為上下可調的長方形，用以調整成品的出料粒度。這種結構降低了機體高度，縮短了拉桿長度，使結構更為緊湊。第二種結構如圖13，這種結構形式是利用顎式破碎機的楔形調整機構和雙輥破碎機的主動輥軸相結合，吸收了兩者的優點，如：進料口大，輥子表面可裝有不同尺寸的破碎齒板，顎板上鑲有可更換的耐磨襯板，出料口大小可通過推力板上的長方形螺孔調整。與同規格的顎式破碎機或雙輥破碎機相比，這類設備的破碎能力可增大幾倍，效率可提高30%。現已調試出F915×1 000單齒輥破碎機，生產能力達140 t/h，最大進料口尺寸為500 mm，出料粒度為50-100mm，產品粒度比較均勻。同時，由于這種結構的破碎機有預碎和破碎兩個區域，破碎后的物料受齒輥撥動而被強制排出機體外，所以更適用于處理較粘的潮濕物料。
6、振動式破碎機
    隨著振動理論和實踐的發展，各種利用振動力進行工作的機構設備得到普遍應用。近年來有人研究利用慣性振動力對礦物進行破碎或粉磨的設備，這類設備的優點如下：
    1、破碎力為非剛性力，運動件的止點由力的大小和破碎物料的性質決定，是可變的，因此易損件的磨損對出料粒度影響很小。且重要的是當鐵塊等難破碎物混入破碎機時，不會對機器造成損壞，若尺寸不是很大時，不用停車，難破碎物可隨機器的運轉自動排出機外：
    2、由于可以通過調整慣性力的大小，使設備獲得足夠的破碎力對物料實施破碎，而基本不提高物料與易損件的切向速度，因而特別適合對水泥熟料、金礦石等磨琢性強和中硬以上物料的破碎；
    3、破碎機在共振點工作，裝機功率僅相當予同等產量其他機型，可大幅度降低運轉費用。該機的工作原理如下：擺輥由擺桿通過底部鉸支軸支撐，并和4條一頭固定在機架上的彈簧組成振動系統。電動機通過V型帶帶動主軸上的偏心塊轉動，從而給予系統慣性激振力使其產生振動。物料從進料斗進入機內，受到振動的擺輥沖擊擠壓而破碎。該機可適用于110-200 MPa或普氏硬度f=16 - 20的硬礦石或燒結礦的中細碎礦。


相關破碎機產品：
1、顎式破碎機
2、圓錐破碎機
3、雷蒙磨粉機