粉碎(包括破碎和磨碎)是當代飛速發(fā)展的經(jīng)濟社會必不可少的一個工業(yè)環(huán)節(jié)。在各種金屬、非金屬、化工礦物原料及建筑材 料的加工過程中，粉碎作業(yè)要消耗巨大的能 量，而且又是個低效作業(yè)。物料粉碎過程中，由于作業(yè)中產(chǎn)生發(fā)聲、發(fā)熱、振動和摩擦等作 用，使能源大量消耗。因而多年來界內(nèi)人士一直在研究如何達到節(jié)能、高效地完成破碎和磨碎過程。從理論研究到創(chuàng)新設備(包括改造舊有的設備)直至改變生產(chǎn)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(jié)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)研究新的非機械力的高能或多力場聯(lián)合作用的破 碎設備，目前還沒見有工業(yè)化的設備，只是研究階段；(3)改進現(xiàn)有設備，這方面經(jīng)常是根 據(jù)用戶自己需要來進行，而不見市場上大規(guī)模生產(chǎn)或研制新設備。
對于上述諸問題，由于國外礦山自80年代以來發(fā)展緩慢使得這方面進展不大。國外新設備較少，國內(nèi)由于國營大型礦山投入極少，也沒有什么發(fā)展，而中小礦山由于各地原料的需求不等，近幾年得到一定的發(fā)展。
1 破碎理論
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－查爾默斯公司就開始大規(guī)模研究破碎工作，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(yè)，可以用來改善能源效率和降低生產(chǎn)成本。B.H.Bergstrom在研究單顆粒破碎時發(fā)現(xiàn)，在空氣中一次破碎的碎片撞擊金屬板時 明顯地產(chǎn)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(xù)負荷比短時間的強大沖擊更有希望 破碎物料。我國胡景昆和徐小荷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%左右。為了節(jié)約能量，提高粉碎效率，應多用靜壓粉碎，少用沖擊粉碎。Schonert研究表明，如果使大批脆性物料顆粒受到50MPa以上的壓力，就能夠由“料層粉碎”節(jié)約出可觀的能量。目前“料層粉碎的理論”已為粉碎界 的公認，根據(jù)料層粉碎理論研制的新設備有美國諾德伯格公司的旋盤圓錐破碎機、俄羅斯的慣性圓錐破碎機等。
多碎少磨的原則指導研制以料層粉碎原理的新型 破碎機是當前主要方向。1996年第四屆全國粉體工程學術會議上鄧躍紅、張智鐵發(fā)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3個大的方面：強度理論的研究、破碎效果的評價、破碎功耗的研究。長期以來，粉碎理論的研究主要停留在經(jīng)驗應用和統(tǒng)計推測上，人們了解粉碎的規(guī)律尚不明確、不系統(tǒng)。人們期待新理論的 出現(xiàn)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，而作者把它應用在破碎理論上。經(jīng)過研究，作者成功地運用了分形理論推導了強度與缺陷分布分維數(shù)之間關系，建立了粉碎顆粒粒度分布模型，找到了分維數(shù)、分布指數(shù)與破碎概率之間的關系，用顆粒表面分維數(shù)Ds將3個功耗理論統(tǒng)一起來。
為了優(yōu)化顎式破碎機工作，馬少健和陳炳辰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(chǎn)物粒度特性的因素除物料自身硬度以外，還與包括給料粒度大小、組成、排礦口尺寸以及破碎腔內(nèi)物料的松散狀態(tài)有關；(2)在顎破機破碎物料時，無論是料層破碎還是單顆粒破 碎，給料粒度增大，產(chǎn)物粒度變小。因此，生產(chǎn)中應根據(jù)給料粒度選擇適宜規(guī)格的顎式破碎 機和調節(jié)排料礦口尺寸；(3)料層破碎較單顆粒破碎更能降低破碎產(chǎn)物粒度。因此生產(chǎn)中應盡量維持破碎機的破碎腔內(nèi)適宜的料層，以減小破碎產(chǎn)物粒度。
2 破碎機械
2.1 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(fā)展有很大的 促進作用。19世紀中葉，多種類型的顎式破碎機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(El.Blake)取得專利權，制造雙肘板顎式破碎機，現(xiàn)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(huán)內(nèi)只有一半時間進行工作。
80年代以來，我國顎式破碎機的研制與改進取得了一定成果。如我國破碎專家王宏勛教授和 他的學生丁培洪碩士引用了“動態(tài)嚙角”的概念，開發(fā)GXPE系列深腔顎式破碎機，當時在國內(nèi)引起一定的轟動。該機與同種規(guī)格破碎機相比，在相同工況條件下，處理能力可提高20%~25%，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負支撐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(chǎn)品粒度，最大給料粒度為220mm，小時產(chǎn)量為5~16t，排料口調整范圍為10~40mm，給料抗壓強度小于300MPa。
PEY4060液壓保險顎式破碎機，以液缸為過載保護裝置，正支撐、正懸掛、深破碎腔。該機最大給料粒度為340mm，排料調整在30~100mm之間，生產(chǎn)能力為10~40t/h。
北京礦冶研究總院林運亮等 人與上海多靈－沃森機械設備有限公司合作開發(fā)了PED低矮可拆式顎式破碎機。該機是一 種適于井下作業(yè)特殊條件下的新型顎式破碎機。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。
多靈－沃森機械設備有限公司的戎吉華高級工程師集多年實踐經(jīng)驗，設計了目前國內(nèi)最大的1200×1500復擺顎式破碎機。
2.2 新型顎式破碎機
其工作原理是：物料由進料斗落入機內(nèi)，經(jīng)分離機構將物料分散到四 周下料。電動機經(jīng)三角皮帶帶動偏心軸，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(nèi)受到轉子及定顎的研磨而破碎，破碎的物料從下料斗排出。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，給料范圍比顎破機大，下料速度 快而不堵塞。與同等規(guī)格的顎破機相比，其生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品粒度小、破碎比大，該機已正式生產(chǎn)。
2.3 顎輥破碎機
將高效節(jié)能的鄂式破碎機和對輥破碎機有機的結合在一起，研制出了顎輥破碎機。該設備采用單電機或柴(汽)油機驅動。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。顎輥破 碎機的工作原理是：電機或柴(汽)油機驅動下部對輥破碎機主動輥部，主動輥部經(jīng)過橋式齒 輪帶動被動輥部反向運轉。同時，主動輥部另一端經(jīng)膠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。PEG150×250×400及PEG250×400×600顎輥破碎機的規(guī)格及技術性能如表1所示。顎輥 破碎機具有破碎比大(i＝15~16）、高效節(jié)能、體積小、重量輕、驅動方式多樣 和移動靈活、可整機也可分開單獨使用等特點。特別適于深山區(qū)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(tǒng)。
2.4 大傳動角顎輥破碎機
一種大傳動角顎輥破碎機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，它具有如下優(yōu)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，從而排出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，適于井下移動式破碎機上。
原上海建材工業(yè)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的PEX-150×750-A型細碎顎式破碎機，該設備的破碎腔 為“直線-外旋輪線-修正高斯曲線”型高深式破碎腔，。該機與國內(nèi)同類產(chǎn)品 相比，具有運轉平穩(wěn)、破碎比大、產(chǎn)量高(提高20%左右)、噪音小、運行費用低等特點。該 產(chǎn)品已獲得的國家專利，主要用于水泥、選礦、冶金、陶瓷、化工等行業(yè)各種磨機的預粉碎 (細碎)。
2.5 雙動顎式破碎機
沈陽黃金學院與 遼寧紅透山機械廠聯(lián)合研制的SEP－25型雙動顎式破碎機，其破碎比可達12，與同規(guī)格舊 型顎式破碎機對比，生產(chǎn)能力提高60%~100%，電耗降低30%~50%。北京礦冶研究總 院也生產(chǎn)雙動顎式破碎機。
2.6 雙腔顎式破碎機
另一種雙腔顎式破碎機具有兩個破碎腔，可在雙工作行程狀態(tài)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。
2.7 振動顎式破碎機
振動顎式破碎機是俄羅斯MexaHoδρ研制的。該機利用不平衡振動器產(chǎn)生的離心慣性力和高頻振動實現(xiàn)破碎。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(xiàn)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從而控制產(chǎn)品粒度。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500MPa。設備規(guī)格為80×300、100×300 、100×1400、200×1400、和440×1200等。動顎擺頻率為13~24Hz，功率15~74kW，破碎比可達4~20，現(xiàn)已有數(shù)十臺設備用于生產(chǎn)。
3 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、受力不均勻等特點，華北工學院開發(fā)了新一代915單齒輥破碎機。這種破碎機有兩種結構型式：第一種結構型式所示，這種結構型式是將原來的拉力彈簧改為推力彈簧，彈簧彈力為490kN；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 在裝于機體上的支座上，支座孔為上下可調的長方形，用以調整產(chǎn)品的粒度。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。這種結構型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(yōu)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(guī)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(xiàn)已調試出F915×1000單齒輥破碎機，生產(chǎn)能力達140t/h，最大進料口尺寸為500mm，出料粒度為50~100mm，產(chǎn)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(qū)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。
4 振動式破碎機
隨著振動理論和實踐的發(fā)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(yōu)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，因而，易損件的磨損對出 料粒度影響很小。更重要的是，當鐵塊等難破碎物入機時，不會對機器造成損壞，若尺寸不 是很大，不用停車，難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)機器在共振 點工作，裝機功率僅相當同等產(chǎn)量其他機型的1/2~1/5，可大幅度降低運轉費用。
其工作原理如下：輥子2由擺桿通過底部鉸支軸支撐，并和4條一頭固定在機架6上的彈簧5組成振動系統(tǒng)。電機1通過V型皮帶帶動主軸上的偏心塊轉動，從而給予系統(tǒng)慣性激振力使其產(chǎn)生振動。物料從進料斗4進入機內(nèi)，受到振動的 輥子2的沖擊擠壓而破碎。
該機可適用于110~200MPa或普式硬度f＝16~20的硬礦石或燒結礦的中細碎。
5 立軸式破碎機
立軸式破碎機由于構造簡單、耗能少、維修方便、出料粒度又能滿足一定的需求，故有一定的需求市場。立軸式破碎機可分為立軸錘式破碎機、立軸反擊式破碎機、立軸復合式破碎機和立軸沖擊式破碎機，立軸破碎機的發(fā)明最初是受錘式破碎機的啟示，把主軸豎起來安裝，這樣筒體就可以制成圓形 ，四周安裝襯板以保護筒體，而筒體制作簡單，因是圓形，其受力情況很好，故先問世的是 立軸錘式破碎機，后來其他幾種都是在立軸錘式破碎機基礎上的衍生物。
立軸錘式破碎機的工作原理是利用高速回轉轉子上錘頭(板錘)的沖擊、擠壓等的產(chǎn)生的沖擊動能被迅速轉變 為變形功，瞬間在物料內(nèi)部產(chǎn)生應力波，并飛快地向四周傳播，使物料在其內(nèi)部的缺陷、裂 紋和晶粒界面處產(chǎn)生很大的應力集中，促使物料沿這些脆弱面裂開而破碎。
主軸通過向心調正滾動軸承安裝在機體上，其軸向力由球面滾珠推力軸承承受，主軸上一般用鍵聯(lián)接 若干排錘架，錘架上裝有錘頭。立軸反擊式一般只有兩排錘，中間有隔盤，把破碎機分成上下兩個破碎腔，即破碎腔和擠壓破碎腔。筒體內(nèi)壁裝有斜形齒的反擊板。塊狀物料由進料口 進入第一破碎腔落到錘架上，被高速旋轉的轉子加速，使物料獲得足夠的動能，在離心力的作用下，飛向周邊，撞擊在筒體的反擊板上，被沖擊破碎及反彈，又被高速旋轉的板錘撞擊粉碎。部分物料與高速旋轉的轉子一起作回轉運動，在回轉運動中，物料相互碰撞，擠壓后 而被進一步粉碎后自然下落到隔盤上，在落到第二排錘架上，再次發(fā)生上述沖擊、撞擊、擠 壓，作者認為該機是屬通過式粉碎。
6 回轉式破碎機
6.1 回轉式破碎機
回轉式破碎機最初見于60年代的聯(lián)邦德國，由于國外大型礦山要求大型機械，而剛剛問世的回轉破碎機沒有得到發(fā)展。80年代初期，由于中小型礦山的迅速發(fā)展，我國有些研究工 作者開始對回轉破碎機進行進一步的研制。
眾所周知，破碎設備的好壞主要是取決于破碎 腔的設計，破碎腔能夠體現(xiàn)設備的生產(chǎn)能力、功耗、鋼耗及破碎產(chǎn)品質量等重要性能指標。 回轉式破碎機主要由回轉輥、懸掛裝置、保險裝置、調整機構、拉緊裝置、轉動系統(tǒng)及機架 組成，其破碎腔由固定凹面破碎板和破碎回轉輥組成。物料的破碎是通過回轉輥的偏心運轉 來完成的，其破碎腔嚙角具有靜態(tài)和動態(tài)變化功能。該機破碎腔的嚙角是自上而下逐漸減小 的，這可有效地防止排料口堵塞，使排料順暢，并可實現(xiàn)高頻破碎，且破碎過程又是漸進的 ，因此，破碎功率高、能量集中、磨損小。
PH型回轉式破碎機的破碎作用發(fā)生于 破碎回轉輥偏心位置附近，偏心軸的偏心轉到破腔一側時，破碎腔中的物料由上至下依次被 破碎。物料的破碎主要靠擠壓、劈裂、彎曲、磨削等作用。當偏心轉離破碎腔時，已被破碎 的合格物料由排料口排出。排料過程，一是靠重力自然排料，二是靠“強制排料”。
破碎輥可相對于偏心軸自由回轉，根據(jù)作用力矩的大小和方向，輥筒有正轉(與偏心軸旋轉相同)、不轉和反轉3種狀態(tài)，轉速也有快慢之分，這樣可有效地使破碎輥面磨損 均勻。回轉式破碎機具有變嚙角、高密度破碎、依次漸進破碎、高頻破碎和強制排料等特點。
6.2 雙腔回轉式破碎機
為更好地發(fā)揮回轉破碎機的作用，將PH破碎機 的輔助破碎 腔改成與主破碎腔對稱形式，這就是雙腔回轉破碎機。中南工業(yè)大學張智鐵教授的回轉破碎機自稱為變嚙角回轉顎式破碎機，認為是復擺顎式破碎機的變形，以代替復擺顎式破碎機。
正式提出雙腔回轉式是北京市京海鷹礦山工程設備公司徐正一等人，是對偏心回轉輥式破碎機進一步發(fā)展，可用來取代現(xiàn)行的細碎或超細碎顎式破碎機或中小規(guī)格圓錐破碎機。
雙腔回轉式破碎機有以下優(yōu)點：(1)破碎回轉輥筒呈正 反擺轉，使物料的破碎更加有效；(2)對稱副腔的增設，使破碎過程的空行程縮短，產(chǎn)量約增加30%~40%，PSH系列雙腔回轉破碎機由于破碎輥采用了高強度耐磨焊層，可以破碎抗壓強度為600MPa以上的物料，對Al2O3含量為87．5%的耐火材料，可以很容易破碎。
PSH雙腔回轉破碎機的E型機是組合機型。最大的特點是入料100mm的情況下，產(chǎn)品可根據(jù)用戶需要在5mm至100目，甚至更細的粒度中調整。該機投放市場5年來， 不但在國內(nèi)創(chuàng)下了良好的市場信譽，并已開始向東南亞、非洲出口。
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