圓錐破碎機，作為一種重要的破碎機械，被廣泛地應(yīng)用于冶金、礦山、煤炭、水利、建筑、環(huán)保和化工等工業(yè)部門，并在相應(yīng)的生產(chǎn)工藝中起著關(guān)鍵性的作用。破碎機械的主要工作對象為礦石物料，因而破碎機生產(chǎn)率與破碎產(chǎn)品質(zhì)量自然成為評價破碎機工作性能的主要技術(shù)指標(biāo)。破碎產(chǎn)品質(zhì)量包括產(chǎn)品粒形與產(chǎn)品粒度兩方面內(nèi)容。在混凝土骨料與瀝青混合料等建筑材料中，針片狀顆粒的增多，會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)整體強度與使用壽命嚴(yán)重下降。另一方面，廠礦企業(yè)通常希望提高破碎產(chǎn)品中細(xì)粒含量，實現(xiàn)“多碎少磨”和“以碎代磨”，降低破碎粉磨作業(yè)的能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益?？梢?，作為衡量破碎產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)，粒形與粒度都應(yīng)該在破碎機的設(shè)計優(yōu)化過程中得到充分的考慮。

在粒度研究方面，將整個擠壓破碎過程看作一系列破碎事件的總和，并由此建立了粒度分布預(yù)測模型，使得破碎過程中物料粒度變化的分析和預(yù)測成為可能。在粒形研究方面，相關(guān)專家學(xué)者多采用試驗方法，對于物料粒形的相關(guān)影響因素加以研列21。在此基礎(chǔ)上，于2006年建立了用于描述破碎產(chǎn)品針片率分布情況的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，但由于不包含任何粒度分布信息，該模型握法直接用于計算破碎產(chǎn)品中針片狀顆粒的含量。在生產(chǎn)率研究方面，EVERTSSON通過分析堵塞面上物料的運動速度，采用積分方法求取堵塞面物料的通過量，建立了生產(chǎn)率的理論計算模型，然而該模型過于復(fù)雜且難于求解，不適于直接指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，尤其是優(yōu)化設(shè)計。

綜上可見，目前該領(lǐng)域的相關(guān)研究主要集中在對于破碎產(chǎn)品的生產(chǎn)率、粒形或粒度等單一評價指標(biāo)的影響因素研究與建模方面，如何對現(xiàn)有模型加以改進(jìn)和整合，從而在確定更好的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，使得圓錐破碎機在生產(chǎn)率提高的同時，產(chǎn)品質(zhì)量也得到相應(yīng)的改善，是一個亟待解決的問題。為此，本文對傳統(tǒng)生產(chǎn)率模型加以改進(jìn)，建立針對具有曲線腔形的圓錐破碎機的生產(chǎn)率計算模型；基于對破碎產(chǎn)品的粒度分析，建立基于粒度分布機制的針片率預(yù)測模型。最終得到以生產(chǎn)率為優(yōu)化目標(biāo)，以產(chǎn)品粒度為約束條件，以產(chǎn)品粒形作為優(yōu)化結(jié)果校驗環(huán)節(jié)的圓錐破碎機優(yōu)化設(shè)計模型，并針對特定機型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究，從而為今后高效新型圓錐破碎機的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1針對曲線腔形的生產(chǎn)率計算模型

建立基于產(chǎn)品質(zhì)量控制預(yù)測機制的圓錐破碎機優(yōu)化方法，首先需要獲得較為精確的生產(chǎn)率計算模型。破碎腔，作為圓錐破碎機的工作空間及散體物料破碎的場所，其結(jié)構(gòu)形式的不同，使得生產(chǎn)率的計算方法也不同。近年來，曲線腔形成為破碎腔發(fā)展的主要趨勢，故本文針對曲線腔形建立生產(chǎn)率計算模型。

破碎腔是由破碎壁與砸臼壁構(gòu)成的工作空間。在圓錐破碎機的工作過程中，動錐軸線與破碎腔中心線呈夾角y，并相交于點D，破碎壁隨動錐圍繞中心線做回旋運動。如圖1所示，在沿中心線的剖面上，破碎壁以懸架點為中心點做單擺運動，不斷接近、遠(yuǎn)離軋臼壁。物料進(jìn)入破碎腔后，自由下落至阻塞點，而后在破碎壁作用下向軋臼壁接近，直至受到擠壓，發(fā)生破碎。此時，物料位于破碎腔閉口邊，即圖l中陰影部分所示的區(qū)域。破碎壁繼續(xù)運動，逐漸遠(yuǎn)離軋臼壁，物料開始向下滑動，直至由開口邊離開破碎腔。破碎壁隨動錐圍繞中心線旋轉(zhuǎn)一周的過程中，物料沿破碎壁自由下落的距離為越，而以陰影區(qū)域為截面，圍繞破碎腔的整個環(huán)形區(qū)域內(nèi)物料的總量即為動錐單次擺動過程中的物料產(chǎn)型。

圖1物料破碎過程分析

在壓縮層中，物料的運動周期可以劃分為擠壓上拱期、停滯期和自由下落期。自由下落期在動錐單次擺動過程中所占的時間可由相關(guān)公式求得，而根據(jù)物料自由下落過程所歷經(jīng)的時間t，可以求得自由下落的距離缸。

以PYB900型圓錐破碎機為例，主軸轉(zhuǎn)速為300 r／min時，可以求得物料層自由下落的歷經(jīng)時間為0．0985S?？紤]物料層受到擠壓作用后，存在與軋臼壁相對靜止的短暫停滯期f。，并依據(jù)相關(guān)研究成果取停滯期f=0．01S，則物料層自由下落的歷經(jīng)時間為0．0885S，下落物料層的實際厚度AL=53．94 mln。由此，物料層截面的面積△S可以通過計算求得，從而可以求得動錐單次擺動過程中，從破碎腔中排出的物料體積AV=ASDdt(1)式中n為物料壓縮層的平均直徑。在此，可以采用如圖1所示的動錐底部直徑D代替歷進(jìn)行計算，則生產(chǎn)率Q=60AVn／zp=60ASDxn1.tp(2)式中以為動錐轉(zhuǎn)速(r／min)；∥為松散系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗通常取o．55"-'0．70；P為物料壓縮層密度。

在圓錐破碎機生產(chǎn)率計算模型中，生產(chǎn)率水平完全由破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)確定，故該模型可用于結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。實際上，影響圓錐破碎機生產(chǎn)率的因素還有很多，如給料方式、物料性質(zhì)等，所以如果需要建立更為精確的生產(chǎn)率計算模型，還可以在式(2)的基礎(chǔ)上適當(dāng)添加修正系數(shù)。

2基于總體平衡理論的粒度預(yù)測模型

粒度即產(chǎn)品顆粒的大小尺寸，是衡量破碎產(chǎn)品質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)。本文在此基于破碎過程總體平衡理論，對破碎產(chǎn)品的粒度分布加以分析?？傮w平衡理論最早由BROADBENT和CALLCOTT于1956年提出，而后通過眾多學(xué)者的努力得到進(jìn)一步完善，其中心思想是：由各粒級顆粒組成的破碎產(chǎn)品總質(zhì)量與這些散體物料在破碎前的總質(zhì)量相等，即無論破碎過程中，散體物料的粒度發(fā)生怎樣的變化，其破碎前后的質(zhì)量必須守恒。

基于總體平衡理論，并根據(jù)散體物料在破碎腔中的運動學(xué)與動力學(xué)特性，可以將破碎腔劃分為K個破碎層，如圖2所示。物料從給料口進(jìn)入第1破碎層，每經(jīng)過一個破碎層，便受到一次破碎壁與軋臼壁的擠壓破碎作用，經(jīng)過K次擠壓破碎后，物料進(jìn)入平行區(qū)，經(jīng)平行區(qū)進(jìn)行粒度校核后排出破碎腔。

圖2破碎腔分層情況

每一破碎層的擠壓破碎過程中，物料破碎事件都是隨機發(fā)生的，只有部分散體物料得到破碎，可由選擇函數(shù)描述。每次破碎事件中，散體破碎后的產(chǎn)品粒度分布呈現(xiàn)一定規(guī)律，可由破碎函數(shù)描述。

此外，由于在擠壓破碎過程中，給料粒級不一致，使得細(xì)粒級物料可能由于處于粗粒級間隙中而得到保護(hù)，未受到破碎作用而直接排入下一破碎層，這一因素可由分級函數(shù)描述。由此，便可以對圓錐破碎機各個破碎層的破碎事件進(jìn)行描述，如圖3所示。圖3中只為第f層破碎事件給料粒度分布、C為給料分級函數(shù)、G卅為排料分級函數(shù)、S為該破碎事件選擇函數(shù)、羼為該破碎事件破碎函數(shù)、只“為該次破碎事件排料粒度分布、E為輸入能量、E為輸出能量。其中，毋、只+。均為矢量形式，其分量表示某一尺寸范圍內(nèi)物料的質(zhì)量與全部物料質(zhì)量的百分比。S與忍則完全由破碎機的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)確定。

圖3第f破碎層散體物料破碎過程分析

對圓錐破碎機而言，各破碎層中給料分級和排料分級作用并不十分明顯，未參與選擇作用和破碎作用的物料所占比例很小，可以忽略。故圖3中給料分級G和排料分級q+，分別取單位矩陣和零矩陣，則破碎層f的排料粒度分度毋+，可以通過式(3)求得

設(shè)破碎機最初喂入物料的粒度分布為F，則物料進(jìn)入破碎機經(jīng)過各個破碎層的擠壓破碎作用，最終排出的破碎產(chǎn)品的粒度分布為

實際中，通常采用標(biāo)定排料粒度，即小于閉邊排料口尺寸U的破碎產(chǎn)品占總破碎產(chǎn)品的質(zhì)量百分比異，，作為衡量破碎產(chǎn)品粒度的技術(shù)指標(biāo)。已知只為P的一個分量，尺寸范圍的破碎產(chǎn)品占全部破碎產(chǎn)品的質(zhì)量百分比，且P中各個分量表示的物料尺寸范圍為R(rain)，令m=U／R，則層，由公式(5)求得

通過規(guī)定異，的變化范圍，并將其作為約束條件應(yīng)用于圓錐破碎機的優(yōu)化設(shè)計中，實現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計階段對于圓錐破碎機產(chǎn)品粒度分布情況的控制。