工程科學學報

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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

國內發行：北京報刊發行局

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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2016年第38卷第11期

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基于離散元理論的自然崩落法放礦細顆粒滲移過程研究

李濤, 吳愛祥, 韓斌, FENG Yun-tian, 孫偉

2016, 38(11): 1509-1514. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.001

[摘要](282)

[PDF 10251KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為探討自然崩落法放礦過程中廢石細顆粒的滲移規律及誘因,利用離散元軟件EDEM分別從粗細顆粒數量比、直徑比及礦巖含水率三個方面對細顆粒的滲移過程進行模擬,并設置標志顆粒對不同區域的相鄰粗細顆粒進行跟蹤.研究結果表明:放礦提前貧化率隨粗細顆粒數量比的增大不斷降低;廢石細顆粒滲移速率隨粗細顆粒直徑比的增大而增大,且受含水率影響顯著;相鄰位置的細顆粒的滲移速度大于粗顆粒的下降速度.研究結果為進一步探討礦石損失貧化、確定采場結構參數及優化放礦管理制度提供理論支持.

基于協同回采的深部厚大礦體分段充填采礦法

李啟月, 劉愷, 李夕兵

2016, 38(11): 1515-1521. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.002

[摘要](281)

[PDF 6116KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對預控頂分段充填法在深部開采存在的預控頂巷道掘進工序繁雜、頂板易受爆破震動影響等缺點,本文提出垂直孔與水平孔協同回采的機械化分段充填采礦法(協同回采分段充填法).該方法通過改變頂板支護工序的順序,將預控頂變為后壓頂,能夠有效地解決頂板圍巖穩定性問題.進而對協同回采分段充填法進行優化研究:一方面,通過SURPAC到ANSYS的模型轉換技術,進行采場穩定性數值分析,獲得最佳的結構參數;另一方面,通過分區出礦分區支護的方式,解決兩幫支護不到位和出礦效率低的問題.將該方法應用于新城金礦V#礦體開采,結果顯示頂板巖移量顯著減小,且各項經濟技術指標均得到改善,實現了高應力條件下厚大礦體的安全高效開采.

甲烷預混氣螺旋爆轟的定量不穩定性研究

趙煥娟, John H. S. LEE, 張英華

2016, 38(11): 1522-1531. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.003

[摘要](396)

[PDF 17920KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對CH₄這種特別氣體,對其實驗結果運用數字化處理方法研究CH₄穩定性.在內徑50.8 mm圓形管道內獲得CH₄+2O₂預混氣在不同初始壓力條件下的胞格爆轟結果并使用煙膜記錄,且測得的平均爆轟速度數據與CJ爆轟速度接近,在初始壓力高于5 k Pa時爆轟可穩定傳播.煙膜上形成的三波點軌跡十分不規則.為減少人為誤差,使用改進后的數字化處理煙膜圖像的技術方法,從煙膜軌跡中得出柱狀圖及自相關函數結果,發現CH₄+2O₂是一種爆轟十分不穩定的氣體,并給出CH₄+2O₂預混氣的爆轟胞格尺寸及差距,結果顯示人為測量結果偏大而數字化處理方法更為準確.這種方法能計算CH₄+2O₂預混氣胞格尺寸及不穩定度,完善了定量化預混氣不穩定程度的方法.

煤粉與半焦的混合燃燒特性及動力學分析

巢昌耀, 吳鏗, 杜瑞嶺, 張黎, 徐大安, 朱春恩

2016, 38(11): 1532-1538. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.004

[摘要](318)

[PDF 3171KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為探究煤粉添加半焦后混合燃料的燃燒性能，通過熱重分析研究煤、半焦及其混合物的燃燒過程，得到燃燒特性參數.由于不同溫度區間的燃燒反應機理不同，利用分段法對燃燒過程進行動力學分析，對燃燒反應的前、后期分別使用縮核反應模型和縮核內擴散模型進行模擬，從而得到動力學參數.結果顯示，隨著混合燃料中半焦含量增加，其可燃性指數和燃燒特性指數都減少，燃燒前期活化能由76.79kJ·mol^-1增加到92.75kj·mol^-1，后期活化能由102.62kJ·mol^-1增加到107.94kJ·mol^-1.說明半焦的添加會降低混合燃料的燃燒性能.對比不同半焦含量的混合燃料的燃燒特性參數和動力學參數，半焦的質量分數應控制在15%以內最適宜.

分段嘗試法研究半焦/CO₂氣化反應過程動力學

張黎, 吳鏗, 杜瑞嶺, 巢昌耀, 徐大安

2016, 38(11): 1539-1545. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.005

[摘要](331)

[PDF 1175KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為了深入了解半焦與CO₂的氣化反應過程動力學,本文通過不同升溫速率下的非等溫實驗,確定在不同階段下富鼎半焦與CO₂的氣化機理.采用分段嘗試法研究富鼎半焦與CO₂氣化反應過程動力學,確定反應過程前期與后期的機理函數分別為f(α)=(1-α)[1-ψln(1-α)]^1/2和f(α)=(3/2)[(1-α)^-1/3-1]^-1,從而建立相應動力學模型,計算反應過程不同階段的動力學參數.通過對不同階段的動力學模型進行數據擬合,實驗數據與模型吻合較好,相關系數都大于0.98.最后,根據求得的動力學參數,確定不同升溫速率下活化能的補償效應,即活化能與指前因子的關系式.

含鐵爐料間高溫交互作用對初渣生成行為的影響

吳勝利, 王來信, 王玉玨, 張加叢

2016, 38(11): 1546-1552. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.006

[摘要](285)

[PDF 4566KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了考察高爐內燒結礦與塊礦間的高溫交互反應對其初渣生成行為的影響,本文采用試驗研究結合理論計算的方法,研究燒結礦、塊礦及其二者混合爐料的初渣生成行為及其初渣特性.結果表明:單種塊礦或燒結礦的初渣生成溫度區間寬;燒結礦與塊礦間的高溫交互反應能顯著改善塊礦的初渣生成行為,并降低其初渣黏度;鐵礦石間高溫交互反應程度的強弱受其化學成分、還原性能、氣孔率等因素的影響.

動態氧化條件下含鈦高爐熔渣中鈣鈦礦析出與長大機理

張力, 張武, 李光強

2016, 38(11): 1553-1558. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.007

[摘要](331)

[PDF 1485KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
動態氧化不僅有利于含鈦高爐熔渣中鈦組分富集于設計相(鈣鈦礦相),同時還會促進鈣鈦礦相析出與粗化,在自然重力作用下粗化的鈣鈦礦實現重力富集與沉降分離.本文運用玻璃形成動力學方程,對動態氧化條件下含鈦熔渣中鈣鈦礦相形核速率和晶體生長速率進行分析和研究.結果表明,向熔渣鼓入氧氣,低價鈦逐漸氧化為四價鈦,促進鈣鈦礦析出反應的進行,提高了鈣鈦礦晶體生長速率.繼續通入氧氣則氧化時間過長,熔渣中高熔點TiC和TiN固體顆粒基本消失,黏度降低,異相形核轉化為均相形核,析出溫度顯著降低,析晶溫度區間縮短,不利于鈣鈦礦晶粒粗化和長大.

Al對熱擠壓模具鋼SDAH13連續冷卻轉變規律的影響

盛振棟, 左鵬鵬, 吳曉春

2016, 38(11): 1559-1568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.008

[摘要](317)

[PDF 25775KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱膨脹儀測定Al質量分數分別為0.77%和1.43%以及無Al的熱擠壓模具鋼SDAH13的連續冷卻轉變曲線，并結合光學顯微鏡、掃描電鏡及顯微硬度儀分析Al元素對SDAH13鋼相變點、連續轉變規律、組織以及硬度的影響.結果表明：Al元素顯著提高SDAH13鋼的Ac₁、Ac₃和Ms點，降低淬火殘留奧氏體含量，同時擴大鐵素體及奧氏體兩相區.在1060℃奧氏體化溫度下，Al元素對SDAH13鋼貝氏體相變的臨界冷速（0.30℃·s^-1）無明顯影響，但使貝氏體相區變寬，Al質量分數分別為0.77%和1.43%的SDAH13鋼的珠光體相變的臨界冷速（0.05℃·s^-1和0.3℃·s^-1）均高于無Al的SDAH13鋼的臨界冷速（0.02℃·s^-1），且Al質量分數為1.43%的SDAH13鋼在0.02—0.08℃·s^-1冷速下出現先共析鐵素體組織.Al的加入還使SDAH13鋼淬火硬度有所降低.

超寬冷軋機帶鋼板形特征聚類分析

李洪波, 包仁人, 張杰, 賈生暉, 褚玉剛, 劉海軍

2016, 38(11): 1569-1575. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.009

[摘要](341)

[PDF 7901KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為準確掌握超寬冷軋機不同寬度帶鋼的板形特征,以某2180 mm超寬冷軋機1900 mm寬度帶鋼實測板形數據為研究對象,借鑒‘大數據’的思想,結合數據挖掘領域中聚類分析方法,提出基于網格和密度的板形特征聚類方法,并以此方法對幾種典型帶鋼寬度的大量板形實測數據進行分析,得到不同寬度帶鋼的板形特征.以分段函數對板形特征進行多項式表達,得到不同寬度帶鋼的板形特征參數化分析結果.提出的基于網格和密度的板形特征聚類與分析方法,能夠快速準確地對大量板形實測數據進行分析,提取出長期生產過程中板形缺陷特征并得到參數化表達,從而為冷連軋機,特別是超寬帶鋼冷連軋機的輥形改進和控制策略優化提供數據基礎.

Fe-36Ni因瓦合金的熱塑性

何煜天, 王福明, 李長榮, 楊占兵, 張婧, 李永亮

2016, 38(11): 1576-1583. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.010

[摘要](195)

[PDF 12967KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble-3800熱模擬試驗機研究Fe-36Ni合金在900～1200℃的熱塑性行為，并用FactSage軟件、掃描電鏡及透射電鏡等研究該合金熱塑性的影響因素及作用機理.結果表明：合金中主要形成Al₂O₃+Ti₃0₅＋MnS復合夾雜，夾雜物顆粒尺寸集中分布在0.5μm以下.合金熱塑性在900～1050℃受晶界滑移及動態再結晶共同影響.晶界上分布的納米級別（<200nm）夾雜物有效釘扎晶界，抑制動態再結晶發生的同時減小晶界結合力.微米級別（>200nm）夾雜物則促進顯微裂紋在晶界滑移過程中的形成和擴展，損害合金熱塑性.當溫度高于1050℃時，較高的變形溫度使再結晶驅動力大于釘扎作用力，合金發生動態再結晶，有效提高熱塑性.在1100～1200℃區間內，枝晶間裂紋的形成、晶界滑移的加劇及動態再結晶晶粒尺寸增大都降低合金熱塑性.

激光多普勒準靜態法測量磁致伸縮系數

李英明, 莫喜平, 潘耀宗, 劉永平, 張運強

2016, 38(11): 1584-1589. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.011

[摘要](182)

[PDF 1571KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種利用激光多普勒測量磁致伸縮系數的方法,理論分析了激光多普勒測量磁致伸縮系數的工作原理,設計了鐵鎵合金棒材的測試系統.對鐵鎵合金棒(Galfenol)的準靜態磁致伸縮系數進行測量.結果顯示,該方法所獲得應變與出廠數據符合較好,在10 Hz驅動電流下獲得鐵鎵合金棒的動態變化曲線.該測量方法具有以下優勢:(1)能夠實現非接觸測量;(2)可以測量鐵鎵合金棒端面任意點的應變情況;(3)測量結果準確度較高;(4)測量操作簡單.

提釩轉爐用MgO-Fe-C磚性能研究

劉磊, 孫文杰, 張靈犀, 李學慧

2016, 38(11): 1590-1595. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.012

[摘要](210)

[PDF 15323KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
為延長MgO-C磚在提釩轉爐上的使用壽命,本研究開發了一種新型MgO-Fe-C磚,通過與傳統的MgO-C磚進行對比研究,考察這種新型耐火材料的使用性能.研究結果表明:在1400℃的使用溫度下,導致提釩轉爐用MgO-C磚使用壽命短的原因是脫碳層的燒結性差,抗沖刷性不理想;而對于本研究所開發的MgO-Fe-C磚,鐵粉在氧化層氧化及使用條件下原位形成MgO-FeOss,有效地改善脫碳層的燒結性能,并形成致密且高結合強度的脫碳層,顯著地提高了耐火材料的抗熔渣侵蝕性和抗氧化性,有利于耐火材料壽命的提高,因此MgO-Fe-C磚是具有良好應用前景的提釩轉爐用MgO-C磚的替代品.

原位轉化C_f/Al₂O₃陶瓷基復合材料的沖蝕磨損

趙賦, 陳華輝, 任杰, 王純陽, 馬彪

2016, 38(11): 1596-1602. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.013

[摘要](192)

[PDF 15127KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用真空熱壓燒結技術制備原位轉化C_f/Al₂O₃復合材料,并在改裝后的MSH型腐蝕磨損試驗機上研究復合材料在不同沖蝕角度和速度下的漿體沖蝕磨損性能.通過對試樣沖蝕表面的形貌觀察和分析,探討復合材料的沖蝕磨損機理以及纖維增韌對磨損過程的影響.試驗結果表明:在大角度和較高速度的沖蝕條件下C_f/Al₂O₃表現出較好的耐磨損性能,其磨損機理主要為脆性材料受到反復沖擊,表面產生脆性剝落.增韌纖維對沖蝕磨損性能的影響主要體現在材料產生裂紋后對基體的橋連作用和對沖擊功的吸收,抑制裂紋擴展,減少材料損失.

改性聚酯纖維在混凝土中的分散性及對耐久性的影響

陳建強, 紀洪廣, 劉娟紅, 楊芳

2016, 38(11): 1603-1609. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.014

[摘要](254)

[PDF 5062KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
制備了不同纖維摻量的改性聚酯纖維混凝土，通過纖維分散的圖像處理方法研究五種不同攪拌方式對改性聚酯纖維在混凝土中分散性能的影響，并通過耐久性試驗研究改性聚酯纖維混凝土的抗碳化、抗氯鹽侵蝕和抗凍性能.結果表明，圖像處理方法能夠較好地評價改性聚酯纖維混凝土中的纖維分散性，認為“砂石膠材60S+水60S+纖維60S”的攪拌方式得到的纖維分散性最好，與肉眼觀察的效果一致.摻加改性聚酯纖維能夠提高混凝土的抗壓強度，摻量為1.1kg·m^-3時提高強度14%左右，繼續增大纖維摻量不能持續提升強度.改性聚酯纖維在混凝土中的密集分布能夠削弱CO₂的擴散，降低混凝土的碳化速率12.6%～18.9%，纖維摻量越多，抗碳化能力越好.摻加改性聚酯纖維能夠降低混凝土的氯離子擴散系數，提高其抗氯離子侵蝕能力.改性聚酯纖維還能有效減少凍融循環過程中表層材料的剝落，大大改善混凝土的抗凍性.

碳基燃料氣體組成和運行溫度對固體氧化物燃料電池開路電壓的影響

陳志遠, 王麗君, 趙海雷, 李福燊, 周國治

2016, 38(11): 1610-1619. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.015

[摘要](226)

[PDF 12420KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
以最小Gibbs自由能法計算固體氧化物燃料電池在不同組成碳基燃料氣體組成下的理論積碳量,在此基礎上討論電池的理論開路電壓(OCV),并測試在CO₂重整甲烷下Ni-YSZ‖YSZ‖LSM陽極支撐固體氧化物燃料電池的OCV.計算表明,理論積碳量從C-H-O相圖的C角往積碳界線處以均勻速率減小.當積碳全部發生電化學氧化時,建議提高燃料氣的碳氫比以獲得較高OCV;反之則建議減小碳氫比.當燃氣組分接近位于C-H-O相圖中OCV界線(OCV=0 V)時,OCV會發生急劇下降.同樣地,實驗表明,當燃氣中CO₂體積分數高于80%,會使得OCV大幅下降.綜上可知,燃料氣組分控制在積碳界線附近將有利于減少積碳并保證一定的電池發電性能.600℃時,在積碳界線的非積碳區側,提高燃氣中氫含量可提高OCV.而采用相同含量的CO₂稀釋時,CH₄、H₂和CO燃氣下電池的OCV則依次降低.另外,實驗表明升高外重整比例和降低溫度,并不能顯著提高OCV.

分區分級燃氣輻射管模型驗證及仿真研究

徐錢, 馮俊小, 周聞華, 董杰, 侯煜

2016, 38(11): 1620-1628. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.016

[摘要](152)

[PDF 9291KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
本文首先對雙P型輻射管進行實驗和數值研究，發現除NO_x含量的誤差偏大外，其他參數的偏差都在1%以內，證明該模型具有一定的可靠性.在此基礎上，將空氣分級的理念應用于雙P型輻射管，提出一種帶支管噴口的分區分級燃氣輻射管，并建立相應的數學和物理模型.對比雙P型輻射管和分區分級輻射管的模擬結果顯示：分區分級燃氣輻射管和雙P型輻射管內氣體的平均流速分別為25.8m·s^-1和21.0m·s^-1，熱效率分別為65.9%和64.2%；分區分級燃氣輻射管壁面最高溫度為1047℃，壁面最大溫差為73℃，比雙P型輻射管降低15℃，分區分級后氣體平均流速增大，提高了直管和回流管管段的煙氣溫度和壁面溫度，具有更好的溫度均勻性.

氬氫摩爾比對直流電弧等離子體噴射法等離子體放電特征影響的計算

郭建超, 劉金龍, 朱濤, 陳良賢, 魏俊俊, 李成明, 王海興

2016, 38(11): 1629-1635. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.017

[摘要](168)

[PDF 8653KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
假定氬-氫等離子體處于局部熱力學平衡狀態,利用理想氣體分子運動論和經典查普曼-恩斯科格(ChapmanEnskog)方法,在獲取符合直流電弧等離子體噴射法實際工況的等離子體熱力學和輸運參數的基礎上,基于FLUENT軟件進行二次開發,添加電磁場相關的電流連續方程、安培定律等方程及洛倫茲力、焦耳熱等源項,模擬研究氬氫摩爾比對等離子體放電特征影響規律.結果表明:在氣壓為8 k Pa,工作電流150 A,氬氫摩爾比由3∶1降至1∶3時,等離子體最大流速由829 m·s^-1增至1127 m·s^-1,最高溫度由20600 K逐漸降低至16800 K,電弧對基體的加熱能力逐漸增強的同時使基體表面溫度均勻性變差.在其他條件不變的前提下,氬氫摩爾比為1∶2時能獲得適宜金剛石生長且相對均勻的基體表面溫度.

仿生葉輪機構水上推進特性仿真與試驗

郭劭琰, 呂建剛, 高飛, 張仲志

2016, 38(11): 1636-1642. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.018

[摘要](160)

[PDF 10597KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
對一種水上仿生推進裝置進行流體力學仿真,并根據處于多種工況下若干組仿真數據,對該推進裝置的力學特性進行分析.著重研究并歸納在不同轉速和出水高度條件下,推進裝置的升力、推力和功率曲線的變化規律,總結有助于仿生推進裝置設計與優化的結論.最后,借助葉輪機構試驗系統進行相關試驗,并用試驗數據來印證分析結論的合理性.結果表明,隨著轉速的提高,推進裝置所產生的升力和推力同時增加,機械總效率和推進效率增大,但托舉效率減小;當推進裝置的軸心距水面越高時,在一定范圍內,其推進效率和托舉效率越大.合理的結構設計能夠大幅提升裝置在各種工況下的推進效率和托舉效率.

高壓輸電線路帶電檢修機器人作業臂運動優化

江維, 吳功平, 樊飛, 張頡

2016, 38(11): 1643-1651. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.019

[摘要](164)

[PDF 5321KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對完全依靠人工帶電擰緊高壓輸電線路引流板螺栓作業效率低、勞動強度大、高空和高電壓危險的問題,研制了一種雙臂和雙機械手的引流板螺栓擰緊帶電檢修機器人.通過各關節的軌跡規劃雙作業臂及其末端由初始位姿運動到螺栓螺母對準狀態是機器人順利完成檢修作業的關鍵.針對現有多項式插值關節軌跡規劃依賴于軌跡端點時刻,導致該方法實用性差及關節軌跡運動過程中忽略驅動機構對關節狀態制約的問題,提出基于Min-Max時間標準化的改進多項式插值關節軌跡規劃方法.基于該方法,以關節運動時間為優化對象,提出滿足關節軌跡運動全程約束條件的關節運動時間區間范圍的求取方法.通過仿真實驗驗證了改進算法關節軌跡僅與軌跡端點狀態及運動時間有關,而與端點時刻無關,進一步淡化軌跡端點時刻對關節軌跡的影響,提高算法的實用性.通過選取最優關節軌跡運動時間,滿足了關節狀態全程狀態約束要求,從而避免超調的發生,優化了各關節運動軌跡,提高了關節運動的效率.最后通過現場試驗進一步驗證改進算法的工程實用性.

基于非線性局部濾波的紅外小目標檢測方法

趙愛罡, 王宏力, 楊小岡, 陸敬輝, 黃鵬杰

2016, 38(11): 1652-1658. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.020

[摘要](204)

[PDF 7694KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為提高復雜環境下紅外小目標的檢測效率,將圖像分為平坦區域、邊緣區域和小目標區域三種區域,并針對三種成分的特點,提出基于拉普拉斯金字塔的非線性局部濾波檢測方法.首先將圖像進行高斯金字塔分解,將高斯低通金字塔與原圖像尺寸匹配后,相減并進行閾值操作,抑制平坦區域;其次將標記像素灰度值與其周圍環域均值的最小差作為指標,濾除邊界區域;最后將非線性局部濾波結果生成相應的拉普拉斯金字塔各層系數,重構得到高對比度的檢測圖像,利用鄰域特點剔除孤立噪聲點并通過簡單閾值標記紅外小目標.實驗結果表明:與現有其他算法相比,該檢測算法能夠對復雜背景有效抑制,檢測速度快.