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0、引言
    層壓粉碎技術(shù)（又稱(chēng)料層粉碎技術(shù)、層間破碎理論）是當(dāng)今世界粉碎工程領(lǐng)域中最新型實(shí)用的粉碎機(jī)械技術(shù)之一，更是對(duì)三大粉碎理論（即1855年F．Kiek的“體積說(shuō)”；1867年P(guān)．Rittinger的“面積說(shuō)”和1951年F．C．Bond的“裂縫說(shuō)”）的綜合繼承和發(fā)展。盡管對(duì)于層壓粉碎技術(shù)的粉碎機(jī)理和力學(xué)特性仍然還沒(méi)有被完全揭示，但應(yīng)用層壓粉碎技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的各類(lèi)粉碎機(jī)械，在粉碎工程的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。這類(lèi)新產(chǎn)品與傳統(tǒng)的粉碎設(shè)備相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造容易、維護(hù)方便、高效節(jié)能和體積小、噪音低等機(jī)械特性，并能輕松地實(shí)現(xiàn)較大的破碎比和控制過(guò)粉碎現(xiàn)象。根據(jù)這一技術(shù)理論，最早由德國(guó)Polysius公司，在1985年設(shè)計(jì)制造出高壓輥磨機(jī)，以后前蘇聯(lián)研制成功離心慣性圓錐破碎機(jī)；英國(guó)和日本研究生產(chǎn)了帶有曲率弧線型“平行區(qū)”的細(xì)碎顎式破碎機(jī)；美國(guó)推出了Gyradisc和超重型短頭圓錐破碎。2003年武鋼程潮鐵礦球團(tuán)車(chē)間斥巨資1000萬(wàn)人民幣，引進(jìn)了德國(guó)Humholdt公司生產(chǎn)的巾1000×250高壓輥磨機(jī)，用于超微鐵粉的作業(yè)，并取得了良好的效益。
    對(duì)于層壓粉碎技術(shù)的研究和探討，筆者自1999年起就非常重視該項(xiàng)技術(shù)理論在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，并根據(jù)具體實(shí)際情況，先后設(shè)計(jì)研制了MPE -100 x250超細(xì)碎顎式破碎機(jī)、MPC -∮250×150輥式粉碎篩分機(jī)，MPC -巾400×250對(duì)輥粉碎機(jī)和MZ -200圓錐式研磨機(jī)等四項(xiàng)新產(chǎn)品，并成功推廣應(yīng)用于釹鐵硼磁材、稀土曲性合金、冶金專(zhuān)用鐵合金、人造金剛石、金屬氧化物顏料和陶瓷玻璃熔塊料等各類(lèi)粉碎工程行業(yè)。在3—4年時(shí)間這類(lèi)產(chǎn)品形成了100臺(tái)左右的批量，刨產(chǎn)值約200多萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)近100萬(wàn)元的稅利。實(shí)踐證明，正是由于層壓粉碎技術(shù)的應(yīng)用，才使得這類(lèi)產(chǎn)品具備傳統(tǒng)產(chǎn)品所無(wú)法比的優(yōu)良性能，并都帶來(lái)了較高的附加值和經(jīng)濟(jì)效益。盡管如此，層壓粉碎技術(shù)在粉碎機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用還只是剛剛開(kāi)始，如何正確理解、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造新系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)大型化和產(chǎn)業(yè)化，還有許多問(wèn)題需要在實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷地完善和提高，現(xiàn)就有關(guān)體會(huì)進(jìn)行淺析探討，以求專(zhuān)家指正。
1、層壓粉碎韻粉碎過(guò)程
    在以往的破碎粉磨設(shè)備的設(shè)計(jì)中，人們往往只重視單顆粒物料的壓碎、磨碎、劈碎、折碎和擊碎，而忽略了研究物料層中存在的破碎現(xiàn)象，隨著粉碎工程理論研究的深入和實(shí)踐技術(shù)的提高，人們了解并開(kāi)始研究層壓粉碎技術(shù)。事實(shí)上，在現(xiàn)代物料的機(jī)械粉碎過(guò)程中，單顆粒的粉碎是很少的，即使存在也往往伴隨著大量的層壓粉碎。例如顎式破碎機(jī)就是這樣，破碎腔上部，由于物料粒度大，多為單顆粒在顎板反復(fù)沖擊、擠壓的作用下破碎；在破碎腔下部，物料粒度較上部小，多呈交錯(cuò)層狀排列，受到顎扳的反復(fù)沖擊、擠壓而破碎，所以，在破碎腔卜．部物料的破碎過(guò)程就是層壓粉碎。在對(duì)輥機(jī)中，由于旋轉(zhuǎn)軋輥間施加有較大的壓力，使進(jìn)入破碎區(qū)的顆粒間互相緊密接觸，并有效地傳遞力的作用，使機(jī)械能量最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯槟芰浚�同時(shí)物料的運(yùn)動(dòng)是一種強(qiáng)制性的運(yùn)動(dòng)，在重力和摩擦力的作用下，物料受到一定的向下的拉力，使物料再次經(jīng)受擠壓粉碎作用而排出。
    層壓粉碎與單顆粒粉碎的根本區(qū)別在于：?jiǎn)晤w粒粉碎系指物料受到應(yīng)力作用而發(fā)生破碎各自進(jìn)行的，即不存在物料顆粒間的相互作用力；層壓粉碎為大量顆粒聚集在一起，相互接觸所形成的群體粉碎。層壓粉碎大致可以分為三個(gè)階段：
    (1)  密實(shí)階段：壓力較小時(shí)，物料顆粒彼此靠近、擠緊，保持良好的接觸，此時(shí)體積變化很大，達(dá)到一定的密實(shí)程度；
    (2)  粉碎階段：壓力不斷增大，密實(shí)度繼續(xù)增大，顆粒的間隙越來(lái)越小，顆粒之間的能量互相傳遞擠壓應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到顆粒壓碎強(qiáng)度（例如50MPa以上）時(shí)，顆粒即開(kāi)始粉碎過(guò)程；
    (3)結(jié)團(tuán)階段：壓力在粉碎過(guò)程中達(dá)到最大時(shí)，粉碎概率達(dá)到最大值。由于破碎腔越來(lái)越小，已碎顆粒猶如粉末一樣產(chǎn)生結(jié)團(tuán)，此時(shí)應(yīng)迅速排出。
    事實(shí)上層壓粉碎時(shí)，顆粒的受力狀態(tài)和單顆粒破碎時(shí)相差很大。層壓粉碎中的顆粒受力狀態(tài)非常復(fù)雜，并與許多因素有關(guān)，如壓力特性（包括載荷的靜動(dòng)形式、壓力強(qiáng)度、作用時(shí)間等）、料層的粒度組成、料層的堆積結(jié)構(gòu)、顆粒在空間的位置等。而層壓的粉碎效果，除了與料層中顆粒受力狀態(tài)有關(guān)外，還與物料特性（包括顆粒的力學(xué)特性、物理特性及幾何特性等）有關(guān)，這里只能是作一點(diǎn)粗略的分析和膚淺的探討。
2、層壓粉碎技術(shù)的應(yīng)用
    一般的層壓粉碎是在純壓力作用下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)采用單純的壓力、沖擊和剪壓進(jìn)行比較時(shí)，純壓力具有比沖擊和剪壓更好的粉碎效果。需要指出的是：顎式破碎機(jī)的層壓粉碎與對(duì)輥機(jī)的加壓所形成的層壓粉碎相比有著一定的區(qū)別。一方面顎式破碎機(jī)的破碎過(guò)程是間斷工作的，在壓力存在的同時(shí)還存在有一定的沖擊力；另一方面，細(xì)碎顎式破碎機(jī)所要求的產(chǎn)品粒度多為l ~8 mm，而對(duì)輥粉碎機(jī)的產(chǎn)品粒度一般都在-1 mm以下，甚至到一100一- 200目。因此，顎式破碎機(jī)的層壓粉碎很少存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，而對(duì)輥粉碎機(jī)則需要根據(jù)物料的特性來(lái)調(diào)整壓力，控制粉碎產(chǎn)品中的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。
2.1  細(xì)碎顎式破碎機(jī)中的應(yīng)用
    細(xì)碎顎式破碎機(jī)的層壓粉碎主要是在排礦口要行成純壓力的破碎行為。眾所周知，顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)副是典型的四連桿機(jī)構(gòu)，排礦口運(yùn)動(dòng)軌跡為近似橢圓的復(fù)雜擺動(dòng)，其動(dòng)特性由構(gòu)件的幾何尺寸和位置關(guān)系決定。要在排礦口形成有一定效果的純壓力，則必須在破碎腔的下部設(shè)計(jì)一個(gè)特殊曲率弧線的“平行區(qū)”。日本的ST型破碎機(jī)，是在破碎機(jī)下部設(shè)計(jì)有一同曲率弧型“平行區(qū)”；英國(guó)的細(xì)碎顎式破碎機(jī)，是根據(jù)“固定容積”原理得到的修正高斯曲線加外擺線型“平行區(qū)”。由于我們的設(shè)計(jì)手段和制造工藝所限，MPE-100×250超細(xì)碎顎式破碎機(jī)采取了大曲率的活動(dòng)顎板曲線，與小曲率的固定顎板曲線相吻合的特定“平行區(qū)”，并以一種特定的“零支承”形式，形成有效的小位移量的水平位移，以確保純壓力的形成，同時(shí)起到均整物料的層壓粉碎作用（如圖l所示）。實(shí)踐證明，這種“平行區(qū)”所形成的層壓粉碎過(guò)程，可有效地把顎式破碎機(jī)的排料粒度控制在1~8 mm，而“零支承”傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式配合負(fù)懸掛結(jié)構(gòu)，對(duì)確保排料暢通，顎板磨損適中，起到了非常有效的作用。正是由于充分利用了層壓粉碎技術(shù)，才有效地解決了顎式破碎機(jī)的超細(xì)破碎難題。
2.2.2對(duì)輥粉碎機(jī)主要參數(shù)變化規(guī)律
    (1) 工作壓力對(duì)粉碎特性的影響。對(duì)輥粉碎機(jī)粉碎物料的原理是基于壓應(yīng)力對(duì)料層的作用，因而，壓力對(duì)產(chǎn)物的粒度分布特性就具有決定意義的影響。但是，迄今為止，并沒(méi)有人建立起任何理論公式來(lái)表明二者之間存在的函數(shù)關(guān)系。用指定粒級(jí)的負(fù)累積產(chǎn)率的百分量來(lái)表示物料細(xì)度是常用的方法。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工作壓力同產(chǎn)物細(xì)度這之間的定性關(guān)系為：壓力增大，細(xì)粒級(jí)產(chǎn)率有所增加，但增加的幅度之間不呈比例關(guān)系，達(dá)到一定壓力值之前，細(xì)粒級(jí)增加的速度較快，隨著壓力增大，細(xì)粒級(jí)增加的速度逐漸減小。對(duì)于不同的物料，細(xì)粒級(jí)產(chǎn)率同壓力之間表現(xiàn)出了統(tǒng)一的規(guī)律。對(duì)相同的壓力來(lái)說(shuō)，給料越細(xì)，所吸收的能量就越多，粉碎效果就越好。也就是說(shuō)，粒度分布對(duì)料層的密度過(guò)程有顯著的影響，進(jìn)而影響料層粉碎過(guò)程中的能量吸收利用。雖然有現(xiàn)象表明，在較低的壓力作用下，單位質(zhì)量的物料能耗較少，壓力升高時(shí)情況則相反。然而，從另外的角度看，較小壓力下只能產(chǎn)生相對(duì)較少的一部分細(xì)粒級(jí)產(chǎn)晶。最佳的工作狀態(tài)對(duì)不同的物料和不同的給料粒度顯然是不相同的。
    (2)軋輥轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎特性的影響。軋輥的轉(zhuǎn)速和直徑?jīng)Q定了對(duì)輥粉碎機(jī)的輥面線速度，從幾何學(xué)關(guān)系可以理論推導(dǎo)出對(duì)輥粉碎機(jī)的產(chǎn)量與輥面線速度間似乎存在著一種正比關(guān)系。但大量的試驗(yàn)表明，這一結(jié)論只是不一定條件下才成立。有跡象顯示，似乎存在一個(gè)臨界輥面線速度u。的概念，當(dāng)輥面速度小于u。時(shí)，結(jié)論成立；而當(dāng)輥面速度大干u。時(shí)，該結(jié)論不成立。在一定的試驗(yàn)條件’F測(cè)得：u。=2.09 m/s。驗(yàn)證表明：在輥面線速度未達(dá)到此臨界速度之前，產(chǎn)量隨之呈正比關(guān)系增加，而在u。之后，產(chǎn)量增加的趨勢(shì)就變得越來(lái)越慢了。
    試驗(yàn)的結(jié)果同樣表明：輥面的線速度對(duì)粉碎機(jī)能耗的影響也是非常明顯的。因?yàn)榉鬯闄C(jī)的規(guī)格一經(jīng)確定后，輥面的線速度就只能由軋輥的轉(zhuǎn)速確定。輥面線速度增大，導(dǎo)致單位質(zhì)量物料所消耗能量降低，到達(dá)臨界線速度值附近時(shí)，能量消耗達(dá)到了最低狀態(tài)。當(dāng)輥面線速度超過(guò)臨界值時(shí)，比能耗又有上升趨勢(shì)。
    由此可見(jiàn)，利用層壓粉碎原理設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)必須保證破碎機(jī)能順利地排出已破碎的物料，否則將會(huì)增加破碎過(guò)程的能耗，發(fā)揮不出層壓粉碎的優(yōu)勢(shì)。換句話講，并不是所有類(lèi)型的破碎機(jī)都適于層壓粉碎全過(guò)程的工作狀態(tài)。
  需要說(shuō)明的是，國(guó)外的層壓粉碎機(jī)械設(shè)備的壓力系統(tǒng)大都是由油壓系統(tǒng)提供的，其性能穩(wěn)定可靠，但價(jià)格昂貴，維修保養(yǎng)復(fù)雜，不太適合中國(guó)國(guó)情。筆者設(shè)計(jì)的對(duì)輥粉碎機(jī)采用的是“多層重疊式組合碟形彈簧”，不但可以允許活動(dòng)軋輥在較大壓力下所需要的一定位移量，而且可以確保固定軋輥在規(guī)定的間隙調(diào)整范圍和極限壓力下，具有過(guò)載保護(hù)能力。過(guò)載極限的設(shè)定和壓力的調(diào)整，則完全取決于所粉碎物料的物性和產(chǎn)品粒度要求。如MPG-∮400×250對(duì)輥粉碎機(jī)在作陶瓷釉料熔塊粉碎時(shí)，通過(guò)不斷地摸索和調(diào)整軋輥線速度、間隙、碟簧組合形式和過(guò)載設(shè)定，最終將給料范圍在3—10mm的水淬顆粒料，粉碎至- 40一+80目占63%的成品料，篩上料和過(guò)粉碎物料所占比例均未超過(guò)20%，有效地保證了對(duì)粉碎顆粒分布形態(tài)的苛刻要求。大量的試驗(yàn)情況證明，只有正確地了解、掌握并有針對(duì)性地應(yīng)用好層壓粉碎技術(shù)，去指導(dǎo)粉碎機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造，才能有效地解決粉體工程中的實(shí)際疑難問(wèn)題。
3、結(jié)語(yǔ)
    層壓粉碎技術(shù)作為一項(xiàng)非常專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，有著其相對(duì)的學(xué)術(shù)專(zhuān)業(yè)性，在應(yīng)用其技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，如何建立相應(yīng)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，正確分析物料的受力狀況和機(jī)械功耗，確定合適的試驗(yàn)方法，認(rèn)證明確的試驗(yàn)結(jié)果等方面，都還需要作相應(yīng)的大量工作。武漢探礦機(jī)械廠作為定點(diǎn)生產(chǎn)破碎、研磨等粉碎專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備的專(zhuān)業(yè)廠家，應(yīng)加大先進(jìn)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的引進(jìn)，重視基礎(chǔ)理論的消化吸收，做到密切結(jié)合工廠實(shí)際，堅(jiān)持科技創(chuàng)新，確保設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研制出有一定技術(shù)含量和特色的新產(chǎn)品，在為滿足市場(chǎng)需求的同時(shí)，更為企業(yè)自身帶來(lái)優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益。

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