挤压类破碎机是散体物料破碎的主要设备,广泛应用在冶金矿山工业、建材工业、筑路工业、化学工业和硅酸盐工业中。然而,国产挤压类破碎机设计比较保守、机器笨重、效率比较低下、能耗高和破碎产品质量与国外产品相比差距还比较大。自从20世纪中后叶开始,国外研制开发出集层压腔形、高摆频和合理摆动冲程于一身的现代高能挤压类破碎机,这些破碎机集机、电、液技术于一体,实现了远程自动监控、自动清腔、自动过载保护等先进功能,从而极大地提高了破碎机工作性能,改善了破碎产品质量,提高了破碎机厂家和用户的经济效益。然而国产挤压类破碎机自从20世纪中叶仿制成功以来,未得到大的发展,其技术水平基本停留在国外先进水平的第一代和第二代水平上。因此,为改善国产挤压类破碎机工作性能,提高我国装备制造业技术水平,本文基于先进破碎理论—层压破碎,采用现代优化设计技术,以圆锥破碎机为研究对象,对挤压类破碎机工作机理和工作性能进行了深入研究,建立挤压类破碎机生产率、破碎产品粒度和腔型的多目标规划模型,为研制开发具有完全自主知识产权的新型、高效、节能和环保的现代高能挤压类破碎机奠定理论基础。围绕如何实现这些目标,本文在上海市科委和某大型破碎机企业合作项目的支持下,将研究课题定位于挤压类破碎机工作机理和工作性能优化研究。全文从破碎机工作机理和工作性能的不同角度展开,在层压破碎理论、挤压类破碎机生产率模型、层压曲线腔型模型、腔形设计方法、破碎产品粒度分布模型和多目标规划模型等方面实现了突破。本文主要包括下述主要工作和结论:(1)总结归纳了国内外层压破碎研究成果,探讨了在挤压类破碎机上实现层压破碎的优越性、基本前提和可行性,对挤压类层压破碎机关键使能技术进行了概述。(2)对破碎机和破碎腔内散体物料的运动特性进行了深入研究,探讨了破碎机和散体物料运动状态对破碎机工作性能的影响,建立挤压类破碎机破碎腔内散体物料运动轨迹模型,提出挤压类破碎机分层破碎特性,为破碎腔进行分层研究和设计奠定基础。基于破碎机和散体物料运动学和动力学特性,建立挤压类破碎机生产率模型。对影响破碎机生产率的关键结构参数和工作参数进行深入研究,建立生产率与各关键因素关系模型。以改进型国产PYB900圆锥破碎机为研究对象,对破碎机生产率进行了研究,对影响破碎机工作性能的各关键结构参数和工作参数(包括偏心套转速、动锥大小、动锥底角、进动角、排料口摆动行程、闭边排料口尺寸、平行区长度等)进行了定性和定量分析,从而验证了生产率模型的可行性和可靠性。(3)利用RMT-150B岩石力学试验系统对石灰石散体物料层压破碎过程进行了试验研究,对试验数据进行统计回归分析,得到挤压类破碎机层压破碎过程选择函数模型和破碎函数模型,为对层压破碎产品粒度计算分析提供理论依据。基于层压破碎原理、总体平衡模型和分层破碎特性,对挤压类破碎机破碎腔内散体物料破碎过程进行了深入研究,结合散体物料破碎矩阵模型,建立挤压类破碎机破碎腔内散体物料层压破碎过程操作模型,揭示了挤压类破碎机层压破碎过程的本质原因,为对破碎产品粒度分布研究和优化奠定基础。以改进型国产PYB900圆锥破碎机为研究对象,对破碎机破碎产品粒度分布进行了深入研究,建立破碎产品粒度与影响破碎机工作性能的各关键因素关系模型,对各关键因素进行了定性和定量分析。(4)基于分层破碎特性,结合挤压类破碎腔工作特性,提出适用于挤压类破碎机设计的固定质量原理,并应用于对挤压类破碎机曲线腔形的研究,有效减少或消除了挤压类破碎机破碎腔各破碎层的堵塞和待料。在挤压类破碎机破碎腔研究中,引入工态啮角概念,保证了破碎腔的咬入特性,提高了破碎机工作性能。基于层压破碎原理、分层破碎特性、固定质量原理和工态啮角要求,建立挤压类破碎机层压曲线腔形模型,提出层压曲线腔形设计新方法。(5)为研制开发高效挤压类层压破碎机,基于挤压类破碎机工作机理和工作性能研究,建立挤压类破碎机生产率、破碎产品粒度和腔型的多目标规划模型。结合圆锥破碎机多目标规划问题,对挤压类破碎机多目标规划模型的求解方法进行了深入研究,采用基于K-T方程的系列二次规划算法对多目标规划模型进行求解。此外,还以日本神户制钢有限公司的AUTOFINE36圆锥破碎机为研究对象,利用多目标规划模型进行多目标优化研究,验证了模型的可行性和可靠性。(6)基于挤压类破碎机工作性能模型和多目标规划模型,研制开发破碎机优化设计软件原型系统,可以对破碎机工作性能参数进行分析和优化。以系列国产圆锥破碎机PYB900、PYB1200、PYB1750和PYB2200等为研究算例,对破碎机进行了多目标优化研究。此外,还对国产PYB900圆锥破碎机的多设计方案进行了多目标规划研究,从而验证了挤压类破碎机工作性能模型和多目标规划模型的可行性和可靠性。基于多目标规划结果,对国产PYB900圆锥破碎机进行改进设计,与破碎机生产厂家合作,制造相应物理样机一台,通过物理样机实验进一步验证了工作性能模型和多目标规划模型的可行性和可靠性。基于挤压类破碎机工作机理和工作性能研究,研制开发圆锥破碎机参数优化设计系统,该系统成功应用于上海某破碎机生产厂家,效果良好,得到用户好评。(7)为完善挤压类破碎机工作机理和工作性能研究,指出了下一步的研究目标、内容和方法。