圓錐破碎機，作為一種重要的破碎機械，被廣泛地應用于冶金、礦山、煤炭、水利、建筑、環保和化工等工業部門，并在相應的生產工藝中起著關鍵性的作用。破碎機械的主要工作對象為礦石物料，因而破碎機生產率與破碎產品質量自然成為評價破碎機工作性能的主要技術指標。破碎產品質量包括產品粒形與產品粒度兩方面內容。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，會導致建筑結構整體強度與使用壽命嚴重下降。另一方面，廠礦企業通常希望提高破碎產品中細粒含量，實現“多碎少磨”和“以碎代磨”，降低破碎粉磨作業的能耗，提高經濟效益。可見，作為衡量破碎產品質量的主要指標，粒形與粒度都應該在破碎機的設計優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測模型，使得破碎過程中物料粒度變化的分析和預測成為可能。在粒形研究方面，相關專家學者多采用試驗方法，對于物料粒形的相關影響因素加以研列21。在此基礎上，于2006年建立了用于描述破碎產品針片率分布情況的經驗模型，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品中針片狀顆粒的含量。在生產率研究方面，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，建立了生產率的理論計算模型，然而該模型過于復雜且難于求解，不適于直接指導產品設計，尤其是優化設計。

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

1針對曲線腔形的生產率計算模型

建立基于產品質量控制預測機制的圓錐破碎機優化方法，首先需要獲得較為精確的生產率計算模型。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，其結構形式的不同，使得生產率的計算方法也不同。近年來，曲線腔形成為破碎腔發展的主要趨勢，故本文針對曲線腔形建立生產率計算模型。

破碎腔是由破碎壁與砸臼壁構成的工作空間。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、遠離軋臼壁。物料進入破碎腔后，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域。破碎壁繼續運動，逐漸遠離軋臼壁，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，而以陰影區域為截面，圍繞破碎腔的整個環形區域內物料的總量即為動錐單次擺動過程中的物料產型。

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公式求得，而根據物料自由下落過程所歷經的時間t，可以求得自由下落的距離缸。

以PYB900型圓錐破碎機為例，主軸轉速為300 r／min時，可以求得物料層自由下落的歷經時間為0．0985S。考慮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。，并依據相關研究成果取停滯期f=0．01S，則物料層自由下落的歷經時間為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代替歷進行計算，則生產率Q=60AVn／zp=60ASDxn1.tp(2)式中以為動錐轉速(r／min)；∥為松散系數，根據經驗通常取o．55"-'0．70；P為物料壓縮層密度。

在圓錐破碎機生產率計算模型中，生產率水平完全由破碎機的結構參數與工作參數確定，故該模型可用于結構參數與工作參數的優化設計。實際上，影響圓錐破碎機生產率的因素還有很多，如給料方式、物料性質等，所以如果需要建立更為精確的生產率計算模型，還可以在式(2)的基礎上適當添加修正系數。

2基于總體平衡理論的粒度預測模型

粒度即產品顆粒的大小尺寸，是衡量破碎產品質量的主要技術指標。本文在此基于破碎過程總體平衡理論，對破碎產品的粒度分布加以分析。總體平衡理論最早由BROADBENT和CALLCOTT于1956年提出，而后通過眾多學者的努力得到進一步完善，其中心思想是：由各粒級顆粒組成的破碎產品總質量與這些散體物料在破碎前的總質量相等，即無論破碎過程中，散體物料的粒度發生怎樣的變化，其破碎前后的質量必須守恒。

基于總體平衡理論，并根據散體物料在破碎腔中的運動學與動力學特性，可以將破碎腔劃分為K個破碎層，如圖2所示。物料從給料口進入第1破碎層，每經過一個破碎層，便受到一次破碎壁與軋臼壁的擠壓破碎作用，經過K次擠壓破碎后，物料進入平行區，經平行區進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生的，只有部分散體物料得到破碎，可由選擇函數描述。每次破碎事件中，散體破碎后的產品粒度分布呈現一定規律，可由破碎函數描述。

此外，由于在擠壓破碎過程中，給料粒級不一致，使得細粒級物料可能由于處于粗粒級間隙中而得到保護，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描述。由此，便可以對圓錐破碎機各個破碎層的破碎事件進行描述，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、G卅為排料分級函數、S為該破碎事件選擇函數、羼為該破碎事件破碎函數、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物料的質量與全部物料質量的百分比。S與忍則完全由破碎機的結構參數與性能參數確定。

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

設破碎機最初喂入物料的粒度分布為F，則物料進入破碎機經過各個破碎層的擠壓破碎作用，最終排出的破碎產品的粒度分布為

實際中，通常采用標定排料粒度，即小于閉邊排料口尺寸U的破碎產品占總破碎產品的質量百分比異，，作為衡量破碎產品粒度的技術指標。已知只為P的一個分量，尺寸范圍的破碎產品占全部破碎產品的質量百分比，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

通過規定異，的變化范圍，并將其作為約束條件應用于圓錐破碎機的優化設計中，實現在優化設計階段對于圓錐破碎機產品粒度分布情況的控制。