球磨破碎装置作为一种主要破碎装置,广泛地被应用于水泥、陶瓷、玻璃、矿粉、颜料等粉体制备工业中。粉体制备是一个高能耗的产业,球磨破碎过程被认为是粉体加工中最耗能的一环。为提高球磨效率,通常认为介质的冲击能量越大越有利。但这忽视了球磨时非限制料层在介质球间的破碎特征:料层颗粒受介质球冲击时会产生快速滑移,最终只有很小一部分颗粒被夹持并破碎。料层的夹持形态（夹持厚度和范围）限制了冲击破碎的质量,影响了球磨破碎的能耗。由于对非限制料层的夹持形态及其破碎机理的研究相对不足,致使当前对球磨过程的建模只能依赖于球磨试验和经验公式,未将介质直径、颗粒形态和冲击能量等影响球磨破碎的关键参数纳入模型中,难以从机理上改进和优化球磨破碎过程。为揭示球磨破碎机理,围绕球磨料层夹持形态及其破碎质量模型这一核心问题开展了研究。利用料层夹持实验,分析了挤压下介质球径和颗粒粒度对非限制料层厚度的影响,构建了石英砂料层夹持厚度数学模型;利用石英砂的落球实验分析了初始料层厚度、落球冲击能量、落球直径和颗粒粒度对料层破碎质量的影响,构建了落球冲击下非限制料层夹持形态的数学模型;根据料层夹持颗粒完全破碎的所需冲击能量,对低能未完全破碎和高能完全破碎的质量进行了分析,构建了基于料层夹持形态的单次冲击破碎质量模型。根据粉磨总体平衡模型,结合球磨机DEM的介质冲击能量谱,构建了基于料层单次冲击破碎质量的选择函数和破碎函数,建立了揭示料层颗粒破碎机理的球磨过程模型;最后通过实验球磨机进行了不同工况下的粉磨实验和粉磨产品预测,验证了球磨过程模型。论文的主要创新性成果如下:（1）针对非限制料层颗粒受介质球挤压时,大部分颗粒被排挤出破碎区域,真正被夹持和破碎的颗粒少的现象,提出了一种介质球间静态料层夹持厚度的实验检测方法。利用料层颗粒破碎瞬间挤压力的突变特性,通过对压力传感器和位移传感器实时数据的分析,获取了该瞬时料层的夹持厚度,构建了料层夹持厚度数学模型。（2）料层颗粒受冲击破碎的持续时间很短,夹持破碎瞬时的料层厚度和夹持范围的检测非常困难,提出了一种根据料层破碎质量变化趋势确定料层夹持厚度和夹持范围的方法。根据介质球在非高速冲击时非限制料层颗粒滑移破碎现象不明显的特征,发现初始料层厚度对破碎质量影响很小,通过不同料层厚度的落球实验确定了料层夹持厚度为2层颗粒的厚度。通过不同冲击能量、不同落球直径和不同颗粒粒度的落球实验,根据料层夹持形态模型及其破碎质量反求料层的夹持范围,分析影响料层夹持范围的关键因素,构建了非限制料层夹持范围计算模型。（3）根据料层颗粒破碎质量变化趋势在不同冲击能量水平的显著性差异:低能量水平时破碎质量随输入能量的增加而线性增加,高能量水平时破碎质量随输入能量的增加趋缓,发现料层夹持范围内的颗粒总质量（夹持破碎质量）是破碎质量变化趋势改变的转折点。为此提出了基于料层夹持破碎质量划分低能冲击和高能冲击的方法,为构建料层未完全破碎质量模型和完全破碎质量模型提供了理论支持,解决了完全依据冲击能量计算料层破碎质量的弊端。（4）为提高球磨能效,弥补仅从宏观角度研究的不足,结合微观料层夹持破碎模型和宏观介质运动,提出了基于单次料层冲击破碎质量和冲击能量谱构建球磨过程模型的方法。通过构建基于料层夹持形态的单次冲击破碎模型的球磨选择函数和破碎函数,结合离散元的介质冲击能量谱,将影响料层破碎的微观因素（介质球径与颗粒粒度形态特征）纳入到球磨过程模型中。本论文提出了一种基于单次料层冲击质量破碎模型和冲击能量谱构建球磨过程模型的方法,从微观料层夹持破碎角度揭示了球磨机理,为球磨质量预测、球磨参数优化和球磨装置设计提供了理论支撑。