工程科學學報

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期刊信息

月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

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2014年第36卷第10期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與建筑

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資源與開發

斷層對深孔聚能爆破煤層增透的影響

郭德勇, 張慧杰, 呂鵬飛, 張革偉

2014, 36(10): 1281-1286. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.001

[摘要](254)

[PDF 466KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對斷層構造對煤層深孔聚能爆破增透效果和安全性的影響，本文在理論分析、數值模擬和現場試驗研究基礎上，分析了斷層對爆破增透煤體裂隙生成和發育的影響，從瓦斯賦存和爆破能量傳播探討了斷層對爆破安全性的影響.數值模擬結果驗證了斷層對爆破裂隙擴展和應力波傳播的影響.現場試驗表明，斷層影響區爆破孔增透效果是未受斷層影響區域的2.60倍，斷層構造帶容易造成沖孔現象，對爆破安全性有重要影響.

冶金與材料

金屬鋰還原罐內化學反應與傳熱耦合特性

馮俊小, 林佳, 周敬之

2014, 36(10): 1287-1291. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.002

[摘要](255)

[PDF 475KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為了分析真空熱還原制取金屬鋰的還原效率和還原率，綜合考慮罐內球團傳熱和化學反應，建立了傳熱與反應動力學耦合模型.利用該模型對單球團和還原罐內球團還原過程進行數值模擬，得到了球團溫度及還原率的時間分布，并分析了罐外換熱系數對球團還原過程的影響.結果表明：球團低導熱率和反應等效熱匯是影響還原過程的主要因素，罐中心區域和罐壁處的溫度和反應速率存在較大差值；還原初期傳熱為還原過程的主要控制因素，而反應后期化學反應為主要控制因素；罐外換熱系數對還原過程影響不大，增強罐內傳熱是提高還原效率的有效途徑.

鈮對噴射成形M3：2型高速鋼組織和性能的影響

盧林, 黃進峰, 侯隴剛, 張金祥, 王和斌, 崔華, 張濟山

2014, 36(10): 1292-1298. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.003

[摘要](241)

[PDF 905KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用噴射成形工藝制備了含鈮和不含鈮M3：2型高速鋼，然后進行鍛造加工.利用掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀、X射線衍射儀等研究了鈮對噴射成形M3：2型高速鋼組織和性能的影響.鈮的加入細化了沉積態的組織，減小了M₂C共晶碳化物尺寸，而對M₂C的成分影響不明顯.沉積態中MC碳化物的數量隨鈮含量提高而增多，且其成分變化顯著.鈮的加入可以提高噴射成形M3：2型高速鋼的抗回火軟化性和二次硬化能力.但是，當鈮質量分數為1%時，組織中形成數量較多且難以破碎的以鈮為主的塊狀MC碳化物，導致鋼的彎曲強度和沖擊韌性下降.鈮質量分數為0.5%的噴射成形M3：2型高速鋼可以獲得最佳的硬度、彎曲強度和沖擊韌性.

30SiMnCrB5熱成形鋼的微觀組織和力學性能

程俊業, 陳銀莉, 趙愛民, 丁然, 王澤漢, 鄺霜, 姜英花

2014, 36(10): 1299-1306. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.004

[摘要](282)

[PDF 1019KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高熱成形鋼的綜合性能，設計了一種C-Si-Mn-Cr-B系熱成形鋼，采用熱膨脹儀測定并研究了30SiMnCrB5熱成形鋼的連續冷卻轉變曲線和相變規律.分析了經軋制、退火及熱成形模擬后鋼板的微觀組織形貌和力學性能，結合等密度線極圖的方法，判定了熱成形模擬后鋼板中馬氏體變體與母相的取向關系.30SiMnCrB5熱成形鋼具有較好的淬透性，臨界冷速為5℃·s^-1，有效抑制了珠光體和貝氏體的形成，完全馬氏體組織的硬度可達600 HV以上.熱成形模擬后的微觀組織由板條馬氏體和殘余奧氏體構成，殘余奧氏體主要以薄膜狀分布在馬氏體板條間，質量分數為6%~8%，抗拉強度為1800 Mpa左右，總伸長率可達10%以上，強度和塑性的匹配較好.熱成形模擬后30SiMnCrB5熱成形鋼板中馬氏體變體與母相的取向關系更接近N-W關系，12種變體沒有都出現在原始奧氏體內.

未服役Cr35Ni45Nb合金真空滲碳行為及相演化機理

彭以超, 張麥倉, 董建新, 杜晨陽

2014, 36(10): 1307-1314. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.005

[摘要](265)

[PDF 819KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用乙炔真空滲碳工藝對未服役的Cr35Ni45Nb乙烯裂解爐管進行了加速滲碳處理，并采用X射線衍射、掃描電鏡、定量電子探針等手段對滲碳前后爐管內壁的滲碳行為及相演化機理進行了系統分析.結果表明：爐管高溫滲碳過程的主要控制因素由初期的擴散控制逐漸變為擴散-表面反應綜合控制；滲碳過程屬多元多相反應擴散范疇，爐管內側橫截面隨滲碳深度的不同依次出現了表面碳化物層、亞表層貧碳化物區、片層狀碳化物層、規則幾何碳化物區、擴散區、弱影響區等六個區域，這六個區域共同組成了M₇C₃、M₇C₃-M₂₃C₆混合區和M₂₃C₆的三級垂直層狀分布.貧碳化物區的形成原因是表面碳化物層的形成造成亞表層貧Cr；片層狀碳化物的形成源于碳在高鎳鉻合金中的低滲透性以及析出物進一步的阻礙效應.

不銹鋼表面條紋織構傾斜角對摩擦性能的影響

陳平, 李云龍, 邵天敏

2014, 36(10): 1315-1321. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.006

[摘要](304)

[PDF 849KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用電加工的方法在不銹鋼表面分別制備了垂直織構和傾斜織構兩種條紋織構試樣，利用UMT-3摩擦磨損儀研究了具有不同傾斜角表面織構試樣的摩擦性能，考察了在干摩擦和油潤滑條件下摩擦接觸副在織構區摩擦系數的變化情況，分析了條紋織構傾斜角對摩擦性能的影響.結果表明，鋼球在織構表面區域滑動過程中，摩擦系數經歷了一個先降低后增高的過程，即織構的存在導致了摩擦系數的波動.與垂直織構相比，傾斜織構會導致更明顯的摩擦系數波動，且波動幅度與織構傾斜方向有關.當摩擦方向與織構傾斜方向相同時，摩擦系數的變化幅度較反方向更大.

特厚板溫度梯度軋制有限元模擬與實驗研究

李高盛, 余偉, 蔡慶伍

2014, 36(10): 1322-1327. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.007

[摘要](332)

[PDF 807KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
針對特厚板再結晶型軋制，板坯中心難以變形導致心部晶粒粗大的問題，使用Q345B鋼，采用有限元方法建立了特厚板軋制的仿真模型，以研究在特厚板軋制過程中引入厚度方向上的溫度梯度對鋼板心部應變的影響，并與傳統均溫軋制進行對比，預測了兩種溫度場條件下奧氏體再結晶的晶粒尺寸.采用大試樣平面應變實驗對模擬結果進行驗證.研究結果表明，溫度梯度軋制有利于增加坯料心部應變量，最大增加了61.35%.計算和實驗結果顯示溫度梯度軋制可以減小特厚板心部晶粒尺寸，晶粒度級別提高了一個等級，說明該工藝對提高特厚板中心區域性能有利.

位移幅值對Inconel600合金微動磨損性能和機制的影響

李杰, 陸永浩

2014, 36(10): 1328-1334. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.008

[摘要](314)

[PDF 1149KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用高精度微動磨損試驗機SRV Ⅳ研究蒸汽發生器傳熱管材料Inconel600合金在不同位移幅值下的微動磨損行為，分析了位移幅值對摩擦因數和磨損體積的影響.采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察磨損表面和截面的形貌，并用透射電子顯微鏡對摩擦學轉變組織進行觀察.結果表明：隨位移幅值的增加，摩擦因數和磨損體積逐漸增大，材料的微動行為先后經歷以黏著為主的部分滑移區以及滑動為主的完全滑移區；磨損機制也由黏著磨損逐步轉變為氧化磨損和剝層磨損的共同作用；微裂紋出現在黏著區域和滑動區域的交界處以及滑動區域內；黏著區氧分布密度和磨痕外基體的相一致，氧化主要發生滑動區域；磨痕亞表層的組織發生了嚴重的塑性變形，產生納米化現象，摩擦學轉變組織的晶粒尺寸約100 nm，遠小于原始組織的15~30μm.

SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO四元礦渣棉體系的表面張力測定與模型預報

彭犇, 唐續龍, 勾立爭, 胡一文, 郭敏, 張梅

2014, 36(10): 1335-1340. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.009

[摘要](298)

[PDF 424KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
表面張力是礦物棉生產的重要參數，直接影響到配料和工藝參數的選擇.通過實驗測量并建立模型預報系統研究了以高爐渣為主要原料制備礦物棉時熔體的表面張力.首先測量了SiO₂（40%-60%）-Al₂O₃（5%-20%）-CaO（20%-30%）-MgO（5%）四元系的表面張力，其值處于350-500 m·m^-1之間；然后結合文獻報道的表面張力數據，利用人工神經網絡技術建立了SiO₂（35%-60%）-Al₂O₃（5%-20%）-CaO（20%-45%）-MgO（0-10%）四元渣系的表面張力預報模型.該模型對成分范圍內的表面張力預報平均誤差為9.32%，預報精度較高，可以預報礦物棉熔體成分范圍內的表面張力.

鍍層對金剛石/玻璃復合材料性能的影響

童震松, 沈卓身, 邢奕

2014, 36(10): 1341-1347. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.010

[摘要](143)

[PDF 685KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為滿足現代電子工業日益增長的散熱需求，急需研究和開發新型高導熱陶瓷（玻璃）基復合材料，而改善復合材料中增強相與基體的界面結合狀況是提高復合材料熱導率的重要途徑.本文在對金剛石和鍍Cr金剛石進行鍍Cu和控制氧化的基礎上，利用放電等離子燒結方法制備了不同的金剛石增強玻璃基復合材料，并觀察了其微觀形貌和界面結合狀況，測定了復合材料的熱導率.實驗結果表明：復合材料中金剛石顆粒均勻分布于玻璃基體中，Cu/金剛石界面和Cr/Cu界面分別是兩種復合材料中結合最弱的界面；復合材料的熱導率隨著金剛石體積分數的增加而增加；金剛石/玻璃復合材料的熱導率隨著鍍Cu層厚度的增加而降低，由于鍍Cr層實現了與金剛石的化學結合以及Cr在Cu層中的擴散，鍍Cr金剛石/玻璃復合材料的熱導率隨著鍍Cu層厚度的增加而增加.當金剛石粒徑為100μm、體積分數為70%及鍍Cu層厚度為約1.59μm時，復合材料的熱導率最高達到約91.0 W·m^-1·K^-1.

設備與能源

噴粉透氣磚狹縫內氣--固兩相流動數值模擬

周建安, 劉春明, 劉中秋, 李寶寬, 戰東平, 倪紅衛, 李志強

2014, 36(10): 1348-1353. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.011

[摘要](128)

[PDF 650KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
狹縫型噴粉透氣磚是鐵水底噴粉脫硫預處理工藝重要功能性元件，對底噴粉脫硫工藝的順利實施影響重大.結合實際應用情況，基于歐拉-歐拉雙流體和顆粒動力學理論，對噴粉透氣磚狹縫內氣-固兩相流進行了三維數值模擬，得到狹縫內的流場、壓力場和顆粒相體積分數場分布.噴粉透氣磚狹縫內顆粒相體積分數非均勻段長度一般為250 mm，加速段長度一般小于250 mm，在顆粒直徑為20μm時單縫內的壓降最大，為2350 Pa.工業試驗結果表明，底噴粉工藝脫硫效率比同類型頂噴粉工藝提高15%以上.

電磁攪拌對大方坯結晶器流場和液面波動的影響

王亞濤, 楊振國, 張曉峰, 李劍鋒, 王寶, 劉青

2014, 36(10): 1354-1360. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.012

[摘要](142)

[PDF 798KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對260 mm×300 mm大方坯結晶器，采用有限元和有限體積法相結合的方法研究了電磁攪拌對結晶器流場和液面波動的影響.磁場模擬結果與現場實測數據一致.電磁攪拌使結晶器內鋼液在水平截面呈旋轉流動，在縱截面上形成兩對回流方向相反的環流區，最大切向速度隨電流和頻率的增加而增大，結晶器自由液面的波動隨電流和頻率的增加而加劇.對于260 mm×300 mm大方坯軸承鋼連鑄，合理的結晶器電磁攪拌電流和頻率分別是300 A和3 Hz.

基于Wiener過程的鋼廠風機剩余使用壽命實時預測

王兆強, 胡昌華, 王文彬, 董廣靜

2014, 36(10): 1361-1368. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.013

[摘要](176)

[PDF 627KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
作為煉鋼廠的關鍵設備，風機擔負著轉爐除塵和煤氣回收的重要任務，實現風機剩余使用壽命的準確預測具有重要的實際意義.通過對邯鄲某煉鋼廠風機振動數據的分析，建立了基于Wiener過程的狀態退化模型，在首達時間的意義下，推導出風機剩余使用壽命的概率密度函數的解析表達式，提出了一種基于極大似然估計的參數實時估計方法，從而實現風機剩余使用壽命的在線實時預測.實驗結果表明，相對于文獻中的方法，本文所提出的預測方法可以得到更高的預測精度和較低的預測不確定性.

純電動汽車車載電源性能在環測試平臺研究

李勇, Mehrdad Kazerani, 馬飛

2014, 36(10): 1369-1377. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.014

[摘要](140)

[PDF 800KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為研究純電動汽車車載電源性能，提出并搭建了由異步電動機和直流電動機組成的在環測試平臺.異步電動機用來模擬純電動汽車的牽引電動機，直流電動機用來模擬汽車行駛時的阻力和慣量，對異步電動機和直流電動機分別實施轉速控制和轉矩控制.分析了電動汽車行駛工況，給出了簡單循環工況下參考轉速、轉距和功率.設計了異步電動機調速系統轉速控制器和電流控制器，建立了異步電動機調速系統的數學模型，提出了基于自適應模糊神經網絡控制的異步電動機調速系統.仿真和實驗結果表明，基于自適應模糊神經網絡控制的調速系統明顯優于PID控制的交流調速系統，在環測試平臺能夠較好跟蹤參考轉速和參考轉距的變化.

管道中鋯粉云火焰傳播的溫度與速度特性

王秋紅, 孫金華, 鄧軍

2014, 36(10): 1378-1383. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.015

[摘要](181)

[PDF 609KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
粉末狀的鋯金屬不僅燃燒速度快，而且燃燒釋放出的熱量非常高，作為高能燃料被廣泛應用在航天和軍工領域.鋯金屬以粉塵云的形態燃燒時，大量微小懸浮鋯顆粒燃燒會形成具有一定面積的火焰，采用實驗方法研究鋯粉云火焰在豎直管道中的溫度和速度特性.研究結果表明，熱電偶處的鋯粉云最高火焰溫度與瞬間火焰傳播速度有相同變化趨勢，都隨鋯粉云質量濃度增加先增大后減小.當鋯粉云質量濃度為0.625 kg·m^-3時，出現最高火焰溫度，可達1777.81℃，在此條件下管道中最快火焰傳播速度可達39.7 m·s^-1.當質量濃度超過0.625 kg·m^-3后，熱電偶處的鋯粉云最高火焰溫度與瞬間火焰傳播速度都會降低，主要是由于富燃料燃燒、管道中氧氣不足而導致顆粒不能完全燃燒.實驗得到了不同質量濃度鋯粉云的最高火焰溫度值與最快火焰傳播速度.

控制與決策

應急救援物資車輛運輸路線多目標優化

蓋文妹, 蔣仲安, 鄧云峰, 李競, 杜焱

2014, 36(10): 1384-1393. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.016

[摘要](238)

[PDF 719KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
運用運籌學中圖論及多目標優化的理論和方法建立應急救援物資車輛最佳運輸路線的選擇模型，并基于啟發式算法求解該模型.從靜態網絡應急物資車輛運輸路線的雙目標優化問題入手，設計適合本文模型的算法，并將之推廣至含有三個及三個以上優化目標的路線選擇問題.引入時間擴展圖的概念，將動態網絡中的最佳運輸路線問題轉化為靜態網絡中的路徑選擇問題.算法實質是通過構造輔助決策函數實現Dijstra算法的調用，并在輔助函數構成的搜索空間上尋找最優解，是一種快速的、近似的算法.利用隨機路網和真實路網測試本文算法，測試結果與本文的理論分析一致，證明本文算法在應急救援物資車輛運輸路線的多目標優化問題中可行且有較好的應用效果.

一類多組交直交變頻調速系統對電網諧波影響的分析

王繼忠, 童朝南, 李擎

2014, 36(10): 1394-1399. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.017

[摘要](126)

[PDF 561KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于交流電動機拖動中的交直交變頻調速系統，對電網諧波的影響問題進行了理論研究與仿真分析，提出了多組變頻器的移相式組合供電方法.針對某熱連軋生產線的多組輔助傳動系統，分別定量分析了當輸出頻率變化和系統中負載對象、LC濾波器、脈寬調制電路和變壓器的參數變化時，供電網側的諧波率和波形畸變率.仿真結果表明，移相式組合供電方法及合理的拖動系統設計可以大幅度降低供電網側諧波干擾，總諧波畸變率可抑制在4.0%以內.本研究為工廠拖動系統的設計、無功補償系統設計以及拖動系統故障診斷提供了有效的方法.

基于隨機路徑點移動模型的MANET容量及延遲分析

王曉菲, 蔡英, 范艷芳

2014, 36(10): 1400-1410. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.018

[摘要](235)

[PDF 849KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對已有移動自組網容量、延遲閉解分析在移動模型方面的局限性，提出了新的概率理論框架，將無記憶的獨立同分布移動模型推廣至更為真實的滿足特定記憶條件的隨機路徑點移動模型，解決了局部移動方式帶來的一系列復雜概率描述問題.對多副本兩跳中繼算法進行了研究，得出該中繼模式下基于隨機路徑點移動模型的移動自組網的容量、延遲上限的精確閉解表達式.仿真實驗結果證明了該概率理論框架的有效性及閉解表達式的準確性.

基于MapReduce的大規模文本聚類并行化

武森, 馮小東, 楊杰, 張曉楠

2014, 36(10): 1411-1419. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.019

[摘要](171)

[PDF 458KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
建立快速有效的針對大規模文本數據的聚類分析方法是當前數據挖掘研究和應用領域中的一個熱點問題.為了同時保證聚類效果和提高聚類效率，提出基于"互為最小相似度文本對"搜索的文本聚類算法及分布式并行計算模型.首先利用向量空間模型提出一種文本相似度計算方法；其次，基于"互為最小相似度文本對"搜索選擇二分簇中心，提出通過一次劃分實現簇質心尋優的二分K-means聚類算法；最后，基于MapReduce框架設計面向云計算應用的大規模文本并行聚類模型.在Hadoop平臺上運用真實文本數據的實驗表明：提出的聚類算法與原始二分K-means相比，在獲得相當聚類效果的同時，具有明顯效率優勢；并行聚類模型在不同數據規模和計算節點數目上具有良好的擴展性.

土木與建筑

框筒結構高層建筑CFG樁復合地基基底反力及變形特征

佟建興, 周圣斌, 楊新輝, 孫訓海, 羅鵬飛, 閆明禮

2014, 36(10): 1420-1426. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.020

[摘要](123)

[PDF 698KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用有限壓縮層地基上中厚板等參元共同作用分析程序，對CFG樁復合地基分區不均勻布樁模型進行數值計算，并與均勻天然地基模型和CFG樁復合地基均勻布樁模型進行對比分析.研究發現，采用強化核心筒區布樁、相對弱化外框架柱區布樁的不均勻布樁優化模型，核心筒最大沉降和筏板相對撓曲均明顯小于均勻布樁模型，對控制核心筒部位的絕對沉降量和筏板相對撓曲效果明顯.不均勻布樁模型的基底反力分布與均勻布樁模型具有明顯區別，和復合土層模量分布相關性明顯：核心筒周邊外擴1倍板厚范圍內基底反力最高，分布較為均勻，基本呈線性分布；核心筒荷載有效傳遞范圍為核心筒周邊外擴2.5倍板厚區域，核心筒周邊外擴1倍板厚至2.5倍板厚區域基底反力逐步衰減；核心筒周邊外擴2.5倍板厚范圍以外的外框柱區域基底反力最低，分布較為均勻，基本呈線性分布；基底反力總體呈盆形分布.