1、理論研究
1.1粉碎理論
    國際粉碎領域存在3個著名的粉碎理論，即面積說、體積說和裂縫說，由于歷史條件和科研手段的限制，這些傳統的破碎理論都是建立在動力學、平衡態、連續漸變過程和穩定過程基礎上的，在此基礎上開展了粉碎物理學和粉碎功耗的理論研究。但實際上物料內缺陷的分布是隨機的，粉碎過程是不連續、突變、不可逆、非線性、離散的開放系統，隨著科學技術的發展，粉碎理論的研究已向多領域和交叉學科方向擴展，數學、物理學、材料力學的研究成果被應用于粉碎理論研究中。
  (1)粉碎機械學。研究機構設計、工作原理、機械結構、結構參數對破碎效果的影響。在理論研究的基礎上研制出新型破碎機。
    (2)粉碎物理學。從研究被破碎物料在外力作用下的破碎規律人手，研究單顆粒破碎、料層粉碎、選擇性破碎及粉碎極限等。
    (3)粉碎功耗學。研究粉碎過程的輸入功與破碎前后物料潛能變化的關系。3個著名的粉碎理論面積說、體積說和裂縫說從不同側面揭示粉碎過程中能耗與破碎效果的關系。在此基礎上，通過分析物料破碎的突變行為，定性地闡述物料破碎的過程及能耗關系，并定量給出破碎過程中的功耗狀態方程式。
    (4)粉碎動力學。研究被破碎物料粒度減小與時間的關系，揭示粉碎過程輸入和輸出的動力學關系。通過非線性動力學研究，闡明物料粉碎過程中的失穩和穩定性。
    (5)分形技術。分形技術更好地反映了破碎的本質，礦石和天然砂等基本符合分形規律。利用分形理論通過對礦石破碎顆粒表面分形維數D。與功耗三理論的研究，進一步揭示了破碎功耗的規律。
    (6)突變理論。針對物料粉碎過程的不連續、突變、不可逆、非線性、開放系統等顯著特點，運用突變理論和耗散結構研究物料粉碎過程，將物料破碎機理推進到非線性熱力學和非線性動力學范疇。通過物料粉碎的非線性不可逆過程熱力學來闡明物料粉碎過程中舊結構破壞和新結構產生這一行為的物理本質。
    (7)離散數學。應用離散單元法能方便地研究和模擬破碎機不同形狀磨損件在不同工作條件下的磨損狀態和規律，分析獲得的數據可用于破碎機結構和工藝參數的優化。
1.2破碎機理
    物料破碎是礦物及土石質原料加工必不可少的工藝過程，這個過程是用外力（人力、機械力、電力、化學能、原子能等）施加于被破碎物料上，克服物料分子間的內聚力，使大塊物料分裂成若干小塊。破碎的目的是：達到合格產品粒度，為下道工序提供原料；使物料中有用成分解離，為選別的除雜提純創造條件；增加原料的比表面積。
    在工業上主要是利用機械力來破碎。機械力破碎的方法有如下幾種：壓碎、劈碎、折斷、磨碎、沖擊破碎。壓碎是將物料置于2個破碎表面之間，施加壓力后，物料因壓應力超過其抗壓強度極限而破碎。劈碎是用1個平面和1個帶有尖棱的工作表面擠壓物料時，物料將沿力作用線的方向劈裂。劈裂的原因是由于被劈裂平面上的拉應力達到或超過物料拉伸強度極限，物料的拉伸強度極限比抗壓強度極限小很多。折斷是物料受彎曲作用而破壞，被破碎的物料就是承受集中載荷的兩支點或多支點梁，當物料內的彎曲應力達到物料的彎曲強度極限時，物料即被折斷。磨碎是物料與運動的表面之間受一定的壓力和剪切力作用后，其剪應力達到物料的剪切強度極限時，物料即被磨碎。磨碎的效率低，能量消耗大。沖擊破碎是物料受沖擊力而破碎。它的破碎力是瞬時作用的，其破碎效率高，破碎比大，能量消耗少。任何1種破碎機都不能只用某一種方法進行破碎，一般都是由兩種或兩種以上的方法聯合起來進行破碎的，例如壓碎和折斷，沖擊和磨碎等。
    物料的破碎方法主要是根據物料的物理機械性質，被破碎物料的尺寸、形貌和所要求的破碎產品粒度來選擇。
    物料分為堅硬物料、中等堅硬物料和軟物料；也可分為粘性物料和脆性物料。根據物料的物理性質，物料的抗壓強度最大，抗彎強度次之，抗磨強度再次之，抗拉強度最小。對于堅硬物料最好采用壓碎、劈碎和折斷（彎曲）的破碎方法，而對粘性物料則采用壓碎和磨碎方法破碎，脆性物料和軟物料采用劈碎和沖擊破碎的方法為宜。隨著耐磨材料質量的提高和使用壽命的增長，對于硬而脆的物料也可以采用沖擊破碎的方法。
1.3料層粉碎
    合理組織破碎的原則如下：
    (1)物料應承受在料層的不同方向局部負載所形成的體積壓力；
    (2)為了在晶體和晶體邊緣同時造成應力．物料應反復多次承受包括剪切、彎曲和扭轉因素在內的組合負載；
    (3)負載應具有最大峰值的脈沖；
    (4)適應缺陷區的強度和持久強度負載應嚴格定量；
    (5)在加載循環的間隙時間里物料可以相對移動，相互重新排列，使合格產品的顆粒及時地從料層中分出來，同時還可以控制料層的密度；
    (6)為了在物料表面形成起始裂紋，要使物料彼此相互研磨；
    (7)壓縮及組合負載值的比例關系及加載頻率應根據物料性質及工藝技術要求來選擇。
    料層粉碎能很好地滿足上述破碎原則，破碎腔擠滿給料，通過向物料層施加嚴格定量的平時破碎力，可以使物料層適當地壓實，使物料承受全方位的擠壓，全部顆粒都受力，物料顆粒之間相互作用，出現微裂紋和產生粉碎，從而實現“料層粉碎”。料層粉碎產品如果給入磨機，顆粒微裂紋可使磨機給料功指數降低10%～25%，物料在磨機中易于解離和磨碎；破碎產品如果直接浸出，顆粒微裂紋有助于浸出液滲入而提高粗粒級產品的金屬回收率。
    在破碎力作用下，物料在破碎腔中承受交變的擠壓、剪切、彎曲和扭轉應力。物料顆粒之間不斷改變方位，由于物料顆粒越小，晶格缺陷越少，強度越大，因此強度大的小顆粒可破碎相鄰的強度小的大顆粒；在等強度顆粒中，那些晶格缺陷與剪切力方向重合的顆粒被破碎。這樣物料主要沿晶格間的區域破碎而不破碎晶體本身，破碎后的物料具有最低過粉碎，從而實現了物料的“選擇性破碎”，有利于多種成分物料中有用礦物解離和減少物料中有用成分的過粉碎。
2、入磨粒度
    如何確定最佳人磨粒度，粉碎領域經過幾十年的研討，提出以下幾種方法。
(l)羅蘭方法。最佳人磨粒度與功指數的平方根成反比。硬而難磨的礦石最佳入磨粒度應小些，軟而易磨的礦石最佳人磨粒度可大些。入磨粒度大于最佳值，磨機效率會降低。
   (2)奧列夫斯基方法。在適宜磨礦條件下，入磨粒度降低，磨機生產能力提高。
   (3)邦德方法。按照邦德功耗理論分別計算破碎和磨礦的能耗，得出在入磨粒度為-13 mm時，碎磨總能耗最低。
   (4)沙伐哈特金方法。選礦廠的生產率越高，則由入磨粒度的降低而產生的經濟效益越大。
   圖1表示破碎、磨礦成本與入磨粒度關系，在一定工況條件下，存在一個最佳人磨粒度，此時破碎、磨礦成本最低。入磨粒度大于最佳人磨粒度時，降低入磨粒度，破碎作業增加的成本小于磨礦作業降低的成本，碎磨總成本降低；如果把入磨粒度降得比最佳人磨粒度更小，則破碎作業增加的成本大于磨礦作業降低的成本，破碎、磨礦總成本增加。
  經過50多年的實踐和總結，通過破碎與磨礦的能源消耗與利用、基建成本的差異和不同入磨粒度的磨礦成本與效益等不同方面和不同層次進行的破碎與磨礦研究分析比較，粉碎領域正大力提倡“多碎少磨”的新工藝流程，即降低破碎產品最終粒度，增加細粒級在破碎產品中的含量，從而提高磨機的處理能力，達到降低破碎、磨礦工序電耗和金屬消耗量、減少成本、增加經濟效益，提高企業市場競爭力的目的。
  縱觀粉碎領域，合理配置破碎、磨礦作業工藝流程，改進現有破碎機的結構及進行參數優化，提高設備性能，簡化和改革破碎工藝流程，已經成為各國實現多碎少磨目標的研究課題。而實現這一目標的最有效、最經濟的方法就是設計研制大破碎比、高效、低耗的新型破碎設備。
  以前由于破碎設備的局限，一般選礦廠入磨粒度為-25 mm，隨著新理論和新技術的應用，新型破碎設備不斷出現，最佳人磨粒度越來越小，碎磨總成本不斷降低。根據目前國際先進破碎設備可以達到的水平，在不同工況下最佳人磨粒度為6～10mm。
3、慣性圓錐破碎機
3.1慣性圓錐破碎機的結構特點
    慣性圓錐破碎機的結構如圖2所示。
    慣性圓錐破碎機機體通過隔振元件座落在底架上，工作機構由定錐和動錐組成，錐體上均附有耐磨襯板，襯板之間的空間形成破碎腔。動錐軸插入軸套中，電動機的旋轉運動通過傳動機構傳給固定在軸套上的激振器，激振器旋轉時產生慣性力，迫使動錐繞球面瓦的球心做旋擺運動。在一個垂直平面內，動錐靠近定錐時，物料受到沖擊和擠壓被破碎，動錐離開定錐時，破碎產品因自重由排料口排出。動錐與傳動機構之間無剛性聯接。
3.2慣性圓錐破碎機的運動分析
    慣性圓錐破碎機機體不是直接固定在地基上，而是安裝在彈性元件上，因此機體有6個自由度、3個旋轉自由度、3個平移自由度。動錐相對于機體有3個旋轉自由度，激振器相對于動錐有1個旋轉自由度和1個沿軸向的平移自由度。對于破碎機來說，最重要的是破碎體之間的相互運動，即動錐相對于定錐（固定在機體上）的運動。
    動錐與電機之間無剛性聯接，工作時繞球面支承的球心D做旋擺運動，動錐相對于機體的運動為剛體繞定點O的轉動。以0點為原點，機體中心線為Z軸建立坐標系OX YZ．另取以動錐軸線為Z’軸并與動錐固結的動坐標系。
    動坐標平面與定坐標平面OXY的交線用ON表示，稱為節線，節線垂直于和，節線與定軸OY間的夾角稱為進動角，節線與動軸間的夾角稱為自轉角，動軸與定軸間的夾角稱為章動角，根據運動學原理，繞O點運動的動錐相對于機體的位置用這3個角可以完全確定。因此，動錐相對于機體的運動是由以下3種旋轉運動組成：
    (1)進動運動。動錐繞機體中心線作旋轉運動。
    (2)自轉運動。動錐繞自己的軸線作旋轉運動。
    (3)章動運動。動錐繞節線作旋轉運動。
    慣性圓錐破碎機正常運轉時，動錐不但作進動運動和自轉運動，而且由于物料顆粒大小不一，在破碎腔內分布不均勻，動錐沿物料層滾壓時也不穩定，每滾動一周都伴隨著強烈的振動，動錐即產生章動運動。動錐相對于機體有3個自由度，要用3個參變量才能確定動錐相對于機體的位置。
    動錐是否存在章動運動是慣性圓錐破碎機和偏心圓錐破碎機在運動學上的最顯著區別。
3.3慣性圓錐破碎機破碎力分析
    慣性圓錐破碎機與偏心圓錐破碎機在破碎力的產生上有本質的不同。慣性圓錐破碎機工作時，動錐和激振器旋轉都產生慣性力，因為機器工作時，章動角盧很小，一般不會大于20，動錐的質心距機體中心線很近，所以動錐產生的慣性力遠小于激振器產生的慣性力，慣性圓錐破碎機中破碎力的大小主要是由激振器旋轉時產生的慣性力來決定。現在忽略動錐所產生的慣性力，來分析慣性圓錐破碎機破碎力的大小。
    在忽略摩擦力和重力等一些次要力的情況下，動錐的受力情況如圖4所示。
    慣性圓錐破碎機的破碎腔是擠滿給料，通過向物料層施加嚴格定量的由慣性力造成的壓力，從而實現“料層粉碎”和物料的“選擇性破碎”，并由附加的強烈脈沖振動加強了破碎作用，具有破碎比大、節能、技術指標穩定、操作安裝方便等優點，能夠很好地滿足“多碎少磨”新工藝的要求。
3.4慣性圓錐破碎機應用情況
    表l為慣性圓錐破碎機主要技術參數。慣性圓錐破碎機已廣泛用于金屬及非金屬礦山、冶金、電子、陶瓷、涂料、耐火材料、化工、磨料磨具、建材、醫藥、食品等行業的物料破碎領域，均取得了顯著的經濟效益和社會效益。下面為部分應用實例。
    (l)青海化隆縣某磨料廠。選用一級碳化硅為原料，年產磨料（+240號）1000 t和微粉200 t（-240號）。原設計為三段粉碎工藝流程：顎式破碎機、圓錐破碎機加磨機。使用GYP - 300慣性圓錐破碎機后發現，通過調節破碎機工作參數，可以直接同時生產出磨料和微粉，且產量完全能滿足設計要求，完全可以不用磨機，三段粉碎工藝流程可以簡化為兩段。
    (2)湖南湘潭某電化集團公司生產電解二氧化錳，要求- 40目+100目的窄粒級產品盡可能多，-0.074 mm為過粉碎，用CYP - 300慣性圓錐破碎機加工的產品中-40目+100目占50.8%，過粉碎率為6.5%。
    (3)江蘇連云港某石英制品公司。清華大學粉體開發部為該公司設計的高純石英粉生產線，其中破碎流程采用的是顎式破碎機加GYP -450慣性圓錐破碎機，實現兩段開路破碎，在CYP - 450慣性圓錐破碎機的給料粒度≤35mm時，處理能力為2.5t/h，破碎產品粒度取樣篩析結果見表2。
  不同的時期對石英顆粒和高純石英粉的需求量不同，根據市場的需要，可以方便地調節破碎機的工作參數，既可使-7目+32目或-32目+65目的粒級范圍內的石英顆粒產率提高，也可使破碎產品盡可能地細，以降低磨礦工序中振動磨的入磨粒度，實現節能降耗增產的目標。
  淮北朔里某高嶺土廠采用CYP - 450慣性圓錐破碎機破碎莫來石，莫氏硬度為7~8級，密度為2.7g／Cm3，很脆，破碎時很容易過粉碎。在不同工作參數下，取了4組樣，取樣篩分結果見表3。
    湖南郴州某有色金屬礦應用GYP - 600慣性圓錐破碎機，開路破碎產品粒度-5mm占95%，整個碎磨系統比原系統能耗下降20%，產量提高28%，經濟效益十分顯著。
    (4)天津某礦業公司。加工高鋁釩土燒結礦要求的產品粒度分為3個粒級：0—1 mm，1—3 mm，3—5 mm。經1 600℃以上高溫燒結而成的高鋁釩土燒結礦莫氏硬度達到9級，密度為3.6g／C!113，質地十分致密，國內用對輥破碎機和錘式破碎機破碎高鋁釩土燒結礦，效果很不理想，輥面和錘頭磨損太快，更換頻繁，生產效率很低。該礦業公司采用GYP-600慣性圓錐破碎機加工高鋁釩土燒結礦，成品率（產品中-5mm的顆粒）占90%，-8mm顆粒則達到100%；原來用6臺對輥破碎機構成的閉路作業破碎篩分系統產量每小時不足6t，而l臺GYP - 600慣性圓錐破碎機產量可達14 t左右，單位功耗只有原來的40010，節能效果十分明顯。
    (5)河北宣化某鋼鐵公司。采用CYP - 600慣性圓錐破碎機破碎鋼渣，由于鋼渣中“鋼”和“渣”的顆粒強度不同，在選擇性破碎時鋼渣中的“渣”被破碎，而“鋼”由于具有壓延性，在破碎力的作用下被軋扁，隨同破碎的“渣”一同排出，徹底的解離了鋼渣中的“鋼”和“渣”；通過磁選回收鋼粒，廢渣重新回高爐做溶劑，使鋼渣變廢為寶。產品粒度-5 mm占93.3%，產量為13.5~ 15t/h。
    (6)遼寧建昌某鈾業公司。要求淋浸采鈾時礦石粒度為-8 mm，使用了1臺CYP-900慣性圓錐破碎機，在入料粒度為- 70 mm時，實現開路破碎，產品粒度-8mm占98%。
    (7)四川瀘沽某鐵礦。礦石含鐵品位高，特新建1條生產線，生產鐵礦石，要求7mm以下產品粒級在75%以上，產量不低于30t/h，產品作為成品出售。采用了l臺GYP-900慣性圓錐破碎機，產品粒度90%在7 mm以下，產量為40 t左右，開路破碎即可達到生產要求，大大簡化了工藝流程。
    (8)遼寧鞍山某礦業公司。破碎車間原采用四段閉路破碎生產工藝流程，最終破碎產品粒度為-15 mm。存在的主要問題：①破碎產品粒度大，-12 mm含量在80%以下，難以實現多碎少磨的目標。②礦石難破碎，尤其是-30 mm的礦石特別難破碎．新的破碎年產工藝流程采用兩段破碎．顎式破碎機后采用GYP - 1200慣性圓錐破碎機開路破碎，破碎產品粒度-9 mm占80%以上，簡化了破碎工藝流程，減少了土建和施工量，節省了投資成本和運轉費用。
    (9)北京礦冶研究總院和安徽銅陵某有色金屬公司聯合攻關，對下屬某銅礦選礦廠細碎系統進行改造，采用PD - 90120型低矮大破碎比顎式破碎機加CYP - 1200慣性圓錐破碎機，實現兩段開路破碎工藝流程，破碎生產線的能力為70—80t/h；破碎物料的粒度由-750 mm破碎至-10 mm，與原碎磨流程(入磨粒度為20 mm)相比，系統能耗降低20%以上，磨機處理能力提高25%以上。
4、結論
    目前“多碎少磨”已經成為粉碎領域的共識，料層粉碎原理已作為實現“多碎少磨”的重要理論依據用于新型破碎設備的設計研制中。慣性圓錐破碎機是基于料層粉碎原理、能滿足“多碎少磨”工藝要求的節能超細破碎設備，具有破碎比大，產品粒度細而均勻，單位電耗低，能破碎任何硬度的脆性物料的優點，在金屬及非金屬礦山、冶金、電子、陶瓷、涂料、耐火材料、化工、磨料磨具、建材、醫藥、食品等行業的物料破碎加工領域具有極其廣闊的應用前景，推廣使用可產生巨大的社會效益和經濟效益。