随着大型露天煤矿的持续开发,半连续开采工艺因其较强的适应性逐渐成为绝大多数露天矿煤炭生产的主流工艺,而大型半移动或全移动破碎站是该生产工艺中不可或缺的关键装备,发展最为迅速,其核心设备都是处理量1000t/h以上的大型分级破碎机。分级破碎机原煤直接入料,混粒度物料破碎过程复杂,影响破碎性能因素繁多,由于缺乏有效研究手段,对破碎机理和破碎效果影响规律不清楚,且在大尺度入料的高能频繁冲击下,齿辊结构动态特性及损伤机理不明,导致齿辊优化设计缺乏理论依据,传统大型分级破碎机多依赖经验设计,影响其高效作业和可靠运行。论文以神华宝日希勒千万吨级露天矿破碎系统为背景开展研究,引入DEM方法模拟破碎过程数值解析分级破碎机理,利用冲击动力学方法揭示大型分级破碎设备动态特性,借助试验样机验证理论和数值模型,为大型分级破碎机设计和应用提供基础理论依据。开展的主要工作及取得的研究结论如下:(1)研究了分级破碎过程的颗粒承载特性,建立了中、大颗粒齿顶咬入过程的破碎齿-光辊刺破力学模型和小颗粒齿背研磨过程的双光辊碾磨力学模型,推导了颗粒承载计算公式,发现颗粒分级破碎主要受颗粒粒度和咬合位置影响,并从颗粒承载的角度分析确定了分级破碎过程的工作参数和结构参数影响因素,对实际破碎试验的煤样进行了模拟工作环境的基本力学特性测试,明确试验模型机的破碎需求。(2)建立分级破碎机DEM唯像模型,采用虚拟破碎试验的方法,分析了分级破碎机工作参数对破碎性能的影响特性,研究了两齿辊等速下的齿辊转速、齿辊转动形式及非等速下的齿辊转速差对单位时间处理量及完全破碎时间的影响规律,发现了破碎机最优齿辊转速,且齿辊反转时单位时间处理量约为正转时的1.37倍。(3)研究了破碎齿辊结构参数(如齿辊是否等高齿、齿辊等高齿密度和齿盘布置方式等)对破碎过程的单位时间处理量和破碎能耗的影响,发现分级破碎过程齿辊输出力矩的波动特性,通过响应面法进行了齿辊结构参数与工作参数的协同优化设计,获取了处理量和完全破碎时间与各因素的定量关系及影响的显著性顺序,进而提出分级破碎机性能提升方法。(4)研究了冲击作用下分级破碎过程中齿辊承载特性,进行了四种工况条件下齿辊结构的强度分析,建立了齿辊集中参数扭转振动模型和分布质量横向振动模型,并提出了分析冲击作用下的动态响应方法,破碎齿辊横向振动固有频率和振型比值与有限元分析结果相近。采用离散元法-有限元法耦合方法,进行了工况下破碎齿辊的承载特性分析,发现随着入料位置处布料长度和入料高度的增加,齿辊最大变形增大。应用断裂力学原理,推导了破碎齿的局部柔度,发现随着破碎齿裂纹深度增大,局部刚度大幅降低。(5)依据虚拟破碎试验中最优破碎效果的参数配置,设计了分级破碎机实验模型的破碎试验系统,进行了破碎效果如处理量、破碎时间、累积产率、过粉碎率的影响特性,以及能耗特性和不同煤种的破碎效果的测试分析,测试值与理论值或数值模拟值接近,电源频率为40Hz和50Hz的情况下的破碎过程平均功率分别为3.0kW和2.8kW,齿辊输出力矩波动随着破碎粒度减小而增大,在74r/min时,破碎机的粒度过粉碎率最小,对多种煤样的破碎规律具有鲁棒性。