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

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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

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2016年第38卷第7期

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柔性隔離層下單漏斗散體礦巖流動規律

陳慶發, 陳青林, 仲建宇, 王玉丁, 李詩華, 牛文靜

2016, 38(7): 893-898. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.001

[摘要](268)

[PDF 455KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
同步充填留礦法因柔性隔離層的存在,其散體礦巖流動規律突破傳統放礦理論的描述范圍,因此開展柔性隔離層下單漏斗散體礦巖流動規律研究對于豐富放礦學理論具有重要意義.基于相似原理建立物理試驗模型,以標記顆粒刻畫出放出體和松動體形態,采用高清攝像機記錄試驗基礎數據.基于試驗數據,對柔性隔離層下單漏斗放礦放出體、松動體、空腔等演化規律進行分析.最高層位礦石未放出前,放出體呈完整封閉的近似橢球體形態;放出后,放出體呈現為陀螺體.最高層位礦石產生沉降前,松動體為完整封閉的近似橢球體形態;產生沉降后,松動體形態整體上呈喇叭狀,喇叭狀松動體上部為指數曲線,下部為近似部分橢球體.空腔在最高層位礦石產生沉降瞬間開始形成;隔離層邊界與礦石層邊界相切于空腔邊界,切角隨著隔離層下降深度的增大而增大,至散體自然安息角后保持不變,切點位置隨著隔離層下沉由中間逐漸向兩側發展至放礦終止.

膏體充填用礦渣-鋼渣基膠結劑協同固化Pb²⁺

閻愛云, 倪文, 黃曉燕, 張靜文, 李亞奇, 徐東

2016, 38(7): 899-905. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.002

[摘要](360)

[PDF 428KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
利用礦渣-鋼渣基膠凝材料（簡稱冶金渣膠凝材料）代替傳統充填料中使用的水泥作為膠結劑,摻入含鉛尾砂制成膠結充填料試樣,通過流動度和抗壓強度表征其工作性能,通過Pb²⁺浸出質量濃度表征其固化效果,通過X射線衍射、紅外光譜、差示掃描量熱法等手段分析其物相組成,并與P·I 42.5硅酸鹽水泥作對比.在相同條件下,冶金渣膠凝材料試樣的流動度平均高出水泥50 mm,且28 d強度符合一般礦山3.0 MPa的要求.冶金渣膠凝材料試樣28 d齡期鉛浸出質量濃度低于地下水環境質量標準Ⅲ類水0.05 mg·L^-1的限值,而水泥為0.1 mg·L^-1左右.冶金渣固化鉛性能優于水泥的機理在于冶金渣膠凝材料水化生成更多鈣礬石.此外,冶金渣膠凝材料水化產物可能存在類沸石相,更有利于吸附固化PbPb²⁺.

三自由度雙并聯液壓支架的設計與穩定性分析

王成軍, 李龍, 胡松, 孟祥瑞, 劉瓊

2016, 38(7): 906-912. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.003

[摘要](262)

[PDF 372KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對現有四連桿型液壓支架的立柱及頂梁均不能承受側向力,側向力通過掩護梁傳遞給連桿易造成倒架和支架機構損壞的原理性缺陷,提出一種基于3-RPC型并聯機構的雙并聯液壓支架的設計方案.文中對液壓支架的工作空間進行分析,給出頂梁的運動軌跡公式;分析液壓支架在偏載和大傾角工況下的受力情況,得出支架具有三向受力的特點,并給出準確的力學關系式;運用ADAMS軟件對液壓支架進行穩定性模擬仿真,驗證了該并聯液壓支架的設計符合煤礦井下支護的要求,在技術上是可行的.

SiO₂對燒結礦冶金性能及微觀結構的影響

閆志武, 張建良, 張亞鵬, 陳子羅, 王耀祖, 高斌, 張艷

2016, 38(7): 913-919. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.004

[摘要](344)

[PDF 683KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為給高鐵低硅燒結礦的生產提供理論依據,設計燒結礦堿度R為1.8、1.9和2.0,每種堿度下以SiO₂含量為變量,產生12組配礦方案進行燒結杯實驗,研究SiO₂對燒結礦冶金性能及微觀結構的影響.結果表明：SiO₂質量分數從4.8%~5.7%增加時,其冷態強度逐漸增加,最大增幅為8%;燒結礦還原性逐漸降低,降幅區間為從86.80%到81.01%;還原粉化指數RDI_+3.15逐漸增大,增幅區間為從75.95%到87.21%;對于軟熔性能,其軟化開始溫度T₁₀在4.8%~5.4%的SiO₂含量區間先升高,在5.4%~5.7%之間又降低,而軟化區間有變寬的趨勢.選定一個堿度水平R=2.0,燒結礦SiO₂質量分數在4.8%~5.7%范圍變化時,其微觀結構由熔蝕狀向針柱狀發展,結構均勻性逐漸提高,主要礦物組成由赤鐵礦向鐵酸鈣發展,且低溫還原粉化的骸晶狀赤鐵礦逐漸消失.

高鈦球團焙燒行為及其強化技術

陳許玲, 劉樹, 甘敏, 范曉慧

2016, 38(7): 920-929. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.005

[摘要](435)

[PDF 1013KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了高鈦球團的焙燒特征和固結行為.隨著TiO₂含量的增加,球團焙燒難度增大,當TiO₂質量分數由10%增加至21%時,高鈦球團所需預熱時間由12 min延長至26 min以上,焙燒球強度由每個2486 N降低至每個1728 N.高鈦球團由于FeTiO₃含量高,導致氧化速度慢、預熱球氧化程度低,不利于焙燒固結時鈦赤鐵礦固溶體晶粒的長大,使得球團固結強度差.通過添加NaOH結合潤磨工藝增大顆粒表面能和反應活性,促進了固相擴散,并生成少量低熔點化合物,有利于再結晶過程的擴散遷移,使Ti富集在Fe₂TiO₅中并促進鈦赤鐵礦晶粒長大,強化了高鈦球團焙燒固結,可使預熱時間縮短至16 min,球團強度提高至每個2141 N.

孔隙結構特征對焦炭高溫抗拉強度的影響

郭文濤, 薛慶國, 凌超, 左海濱, 王靜松, 韓毅華

2016, 38(7): 930-936. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.006

[摘要](374)

[PDF 328KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
采用壓汞儀測量焦炭與CO₂或H₂O反應后的孔隙結構特征,研究孔隙率、平均孔徑、比表面積及孔徑分布對焦炭高溫抗拉強度的影響規律.焦炭孔隙率和平均孔徑隨反應率升高而增加.平均孔徑小于30μm時氣化反應以造孔為主,比表面積隨反應率升高先增后減,大于30μm時以擴孔為主,隨反應率升高而減小.與CO₂相比,H₂O反應后焦炭平均孔徑小,比表面積大,抗拉強度高.焦炭抗拉強度隨孔隙率和平均孔徑增加而降低,平均孔徑小于30μm時抗拉強度隨比表面積增加而降低,大于30μm時隨比表面積減小而降低.焦炭中小孔數量越多抗拉強度越高,大孔數量越多抗拉強度越低.相同反應率下,H₂O反應后焦炭中小孔數量增加,比表面積大,有利于保護氣孔壁結構,抑制高溫抗拉強度的降低.

低碳Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼的顯微偏析行為

李世琪, 劉建華, 劉洪波, 赤小浩, 李康偉, 韓志彪

2016, 38(7): 937-944. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.007

[摘要](359)

[PDF 1457KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
利用電子探針對實驗室以及工廠冶煉的低碳Fe-25Mn-3Si-3Al TWIP鋼的顯微偏析進行系統性檢測.結果表明:該TWIP鋼的實驗室鑄錠和工廠AOD電極錠具有明顯的枝晶偏析,其中AOD電極錠的偏析程度更高,Mn和Al的最大偏析量分別高達6.8%和2.4%;AOD電極錠經電渣重熔后晶界偏析顯著,偏析程度并沒有得到明顯減輕;最后經工廠高溫鍛造成型后的錠坯中晶界偏析得到改善.合金成分高和結晶溫度間隔寬是產生較大顯微偏析的主要原因.該TWIP鋼的所有試樣均呈相同的偏析規律,Mn為負偏析,Al和Si呈正偏析,且Al的偏析程度最高.通過Thermo-Calc對該TWIP鋼的溶質分配系數進行計算,發現Mn和Al理論預測的顯微偏析規律與實驗所得的規律完全相反.通過實驗驗證,得出Si含量是影響Mn和Al偏析規律的決定性因素.

鋅鋁池中Si含量對渣相形成的影響

涂浩, 潘修河, 吳長軍, 蘇旭平, 劉亞, 王建華

2016, 38(7): 945-951. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.008

[摘要](288)

[PDF 541KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用Thermo-Calc軟件分別計算硅在不同溫度Zn-50%Al-xFe-ySi(原子數分數)熔池液相中的溶解度及不同溫度Zn-30%Al-2%Fe-xSi(質量分數)熔池中開始形成τ₅渣相和FeAl₃渣相消失時該熔池中硅含量,采用平衡合金法測定Zn-50%Al-xFe-ySi合金液相中硅的溶解度和不同硅含量的Zn-30%Al-2%Fe-xSi合金的相平衡關系.當溫度分別為540、560、580、600和620℃時,硅在Zn-50%Al-xFe-ySi體系液相中的溶解度(原子數分數)計算值分別為0.82%、0.95%、1.11%、1.28%和1.47%,實驗結果與計算結果吻合很好.當熔池溫度分別為580、600和620℃時,在Zn-30%Al-2%Fe-xSi合金中剛開始出現τ₅相時所對應硅質量分數的計算值分別為0.6%、0.72%和0.84%,發生FeAl₃相消失對應的鋅池中硅質量分數的計算值分別為1.12%、1.22%和1.34%,實驗結果與計算預測結果基本一致.

管線鋼在含氫氣的煤制天然氣中服役安全性評估

趙德輝, 徐慶虎, 崔德春, 李金許, 褚武揚, 李強

2016, 38(7): 952-957. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.009

[摘要](268)

[PDF 475KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
煤制天然氣是我國煤炭清潔利用的重要發展方向.現有管道用于輸送煤制天然氣(最高氫分壓為0.72 MPa)時需要考慮其中低壓氫氣的影響,因而需先進行氫致開裂安全性評估.本文利用高壓釜環境下恒載荷實驗和電化學充氫,模擬研究X-70管線鋼和20^#鋼在不同氫含量下的氫損傷和氫致延遲開裂,并對其在煤制天然氣中服役安全性進行評估.在總壓12MPa(10 MPa N₂+2 MPa H₂)的高壓釜中放置一個月,兩種鋼的金相試樣均不出現氫損傷,U彎試樣不開裂,加屈服強度σ_s的恒載荷試樣不發生斷裂.在含0.72 MPa的煤制天然氣中長期服役時,進入兩種鋼的氫含量均遠低于σ_s下發生氫致延遲開裂的門檻氫含量和出現氫損傷的門檻氫含量,因而X-70鋼和20^#鋼在煤制天然氣中長期服役均具有高的氫損傷和氫致開裂安全系數.

直流雜散電流干擾緩解方法及其適用性

李偉, 杜艷霞, 王潔軍

2016, 38(7): 958-966. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.010

[摘要](339)

[PDF 714KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過室內模擬試驗裝置,研究源于強制電流陰極保護系統的直流雜散電流對外部無陰極保護管道干擾的緩解方法,包括跨接電阻法、犧牲陽極法和金屬屏蔽線法.文中主要考察跨接電阻、犧牲陽極位置和材質、金屬屏蔽線位置和連接方式等對不同干擾類型的緩解效果和規律,討論不同緩解方法的適用性,并對不同干擾類型提出推薦方法及適用條件,可為實際工程應用提供借鑒.

齒輪鋼SAE8620H高溫變形行為及熱加工圖

朱小星, 王寶雨

2016, 38(7): 967-972. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.011

[摘要](141)

[PDF 549KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過高溫壓縮試驗研究齒輪鋼SAE8620H在950~1100℃、應變速率0.01~10 s^-1條件下的高溫變形行為.該合金鋼的流動應力符合穩態流變特征,流變應力隨變形溫度升高以及應變速率降低而減小,其本構方程可以采用雙曲正弦方程來描述.基于峰值應力、應變速率和溫度相關數據推導出SAE8620H高溫變形激活能Q=280359.9 J·mol^-1.根據變形量40%和60%下應力構建該齒輪鋼的熱加工圖,通過熱加工圖中耗散值及流變失穩區確定其熱變形工藝參數范圍.SAE8620H鋼在在變形程度較小時宜選取低的應變速率進行成形,而在變形程度大時則要選取低溫低應變速率或者高溫高應變速率.

局部感應加熱對高強鋼方管二次輥壓成形的影響

彭雪鋒, 陳強, 王宇, 劉靖, 韓靜濤, 晏培杰

2016, 38(7): 973-978. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.012

[摘要](165)

[PDF 797KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
本文通過對高強鋼方管角部進行局部感應加熱,提高其彎角區域的成形性能,降低其變形抗力,由此在不影響非變形區域組織性能的前提下,獲得所需方管的截面尺寸和組織性能.在熱輥壓過程中,坯料在沒有模具限制的方管角部外側鄰近區域發生堆積,且隨著加熱溫度上升,角部外側金屬堆積更明顯.同時,在方管內角表層出現顯微裂紋惡化,裂紋以樹枝狀生長.熱輥壓成形后的殘余溫度會產生一個自回火過程,能夠明顯降低殘余應力,且隨著溫度的升高,殘余應力降低的幅度變大.當加熱溫度在650℃以上時,自回火對殘余應力的影響大于宏觀裂紋的擴展能力,起主導作用,且壓扁過程中壓下量超過方管對角線長度2/3時也不會產生裂紋.

焊接電流對鎂/鍍鋅鋼TIG熔-釬焊接頭顯微組織與力學性能的影響

洪淼, 袁新建, 梁雪波

2016, 38(7): 979-985. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.013

[摘要](144)

[PDF 936KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用TIG熔-釬焊焊接方法,以鎂合金焊絲為填充材料,對鎂合金與鍍鋅鋼進行連接實驗,并分析熱輸入量對接頭顯微組織和力學性能的影響.熱輸入量過小會阻礙鎂/鋼界面反應層的形成而使得焊縫難以焊合,熱輸入量過大又會促進焊縫內部脆性第二相的長大,降低接頭力學性能.接頭強度隨著焊接電流和焊接速度的增大都呈現先上升后下降的趨勢,電流為70 A時強度達到最大,該值接近AZ31B母材的88.7%.此時斷裂發生于焊縫熔焊區,斷面出現大量韌窩和撕裂棱,呈現出塑性斷裂特征.

基于等效耦合剛度的平面折展滑塊機構分析

印思琪, 邱麗芳, 陳家興, 陽建宏

2016, 38(7): 986-992. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.014

[摘要](154)

[PDF 431KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
柔性鉸鏈是實現平面折展柔順機構運動的關鍵部分.如何設計得到柔度好、精度高的柔性鉸鏈一直是柔順機構研究的關鍵問題.綜合考慮影響平面折展機構鉸鏈剛度和精度特性的等效彎扭及拉壓剛度,以LET鉸鏈為例,分析在不同載荷下各個參數對彎扭與拉壓等效耦合剛度的影響趨勢,從而提出彎扭與拉壓等效耦合剛度的概念.通過大量的實例計算和分析,推導出LET鉸鏈彎扭與拉壓等效耦合剛度的經驗公式.基于等效耦合剛度經驗公式,對平面折展柔順滑塊機構進行分析.應用等效耦合剛度公式與不應用等效耦合剛度公式兩種情況的分析結果和有限元仿真結果表明,應用等效耦合剛度經驗公式的滑塊位移計算精度得到很大的提高,驗證了等效耦合剛度經驗公式的適用性.

吸附及解吸壓力對快速變壓吸附床內速度及循環性能的影響

祝顯強, 劉應書, 楊雄, 劉文海, 李永玲

2016, 38(7): 993-1001. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.015

[摘要](248)

[PDF 423KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
快速(真空)變壓吸附循環周期較短,床層壓力周期性變化快,使吸附床內流動及傳熱傳質特性變化較大,本文研究吸附及解吸壓力對快速變壓吸附制氧床內速度及循環性能的影響.快速變壓吸附(rapid pressure swing adsorption,RPSA)循環中原料氣充壓階段氣流速度遠大于順流的氣體流速極限值,快速真空變壓吸附(rapid vacuum pressure swing adsorption,RVPSA)循環中原料氣充壓階段氣流速度略大于順流的氣體流速極限值,而RPSA循環和RVPSA循環中放空降壓階段氣流速度均較大.在所研究的吸附和解吸壓力范圍內,RPSA循環和RVPSA循環中氣體溫度在循環周期內變化均約為10℃,而RVPSA循環中氣體溫度在循環周期內溫度梯度更大.RPSA循環中吸附壓力越高,氧氣回收率越高,床層因子越小;而RVPSA循環中解吸壓力越低,氧氣回收率越高,床層因子越小.

廣義二階流體的脈沖泊肅葉流動分析

張艷, 張敏, 黃震

2016, 38(7): 1002-1007. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.016

[摘要](156)

[PDF 571KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
討論了廣義二階流體的脈沖泊肅葉流動,引入黎曼-劉維爾分數階微分建立本構方程,結合不可壓縮流體時間分數階動量方程,得到控制方程.利用傅里葉正弦變換和分數階拉普拉斯變換,獲得流體速度解析解.利用Stehfest算法對結果進行數值模擬,通過圖像討論了分數階參數以及延遲時間對流動的影響.結果表明速度過沖現象主要取決于動量方程的時間分數階參數.

不確定離散時滯系統的H_∞保性能預見控制

廖福成, 蘇曉潔, 廖永龍

2016, 38(7): 1008-1016. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.017

[摘要](168)

[PDF 410KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對一類具有凸多面體不確定常參數的離散時間時滯系統,研究其H_∞最優保性能預見控制器的設計方法.首先,與以往不同,本文的擴大誤差系統仍然保留了時滯,以保證擴大誤差系統的狀態向量維數不隨時滯的增加而增加.其次,針對所構造的擴大誤差系統,設計有記憶的狀態反饋控制器,并利用線性矩陣不等式方法,導出確保所求控制器存在的條件及該控制器設計的方法.最后,通過建立并求解一個含線性矩陣不等式約束的凸優化問題,給出擴大誤差系統的魯棒H_∞保性能控制器,該控制器對于原系統來說就是魯棒H_∞保性能預見控制器.

分類屬性數據聚類算法HABOS

武森, 姜丹丹, 王薔

2016, 38(7): 1017-1024. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.018

[摘要](227)

[PDF 358KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
CABOSFV_C是一種針對分類屬性高維數據的高效聚類算法,該算法采用集合稀疏差異度進行距離計算,并采用稀疏特征向量實現數據壓縮.該算法的聚類效果受集合稀疏差異度上限參數的影響,而該參數的選取沒有明確的指導.針對該問題提出基于集合稀疏差異度的啟發式分類屬性數據層次聚類算法(heuristic hierarchical clustering algorithm of categorical data based on sparse feature dissimilarity,HABOS),該方法從聚結型層次聚類思想的角度出發,在聚類數上限參數的約束下,應用新的內部聚類有效性評價指標(clustering validation index based on sparse feature dissimilarity,CVISFD)進行啟發式度量,從而實現對聚類層次的自動選取.UCI基準數據集的實驗結果表明,HABOS有效地提高了聚類準確性和穩定性.

基于道路坡度信息的插電式混合動力汽車能量管理策略

劉永剛, 盧立來, 解慶波, 秦大同, 雷貞貞

2016, 38(7): 1025-1031. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.019

[摘要](271)

[PDF 413KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
考慮道路坡度對整車驅動需求的影響,針對插電式混合動力汽車,提出基于道路坡度信息的插電式混合動力汽車能量管理策略,進行車載導航系統在整車能量管理策略中應用的初步探究.根據車載導航系統提供的道路信息,建立坡道行駛電量消耗預估模型,分別對行程中電量消耗階段和電量維持階段動力電池的荷電指數進行規劃,提出行車預充電時刻規劃準則,使車輛在坡道行駛前動力電池的荷電指數達到預定值,保證車輛在坡道行駛時不會因動力電池虧電造成動力不足或過放電有損動力電池的使用壽命,并在上坡行駛結束后動力電池的荷電指數下降到臨界值,有利于充分吸收制動回收的電能.利用MATLAB/Simulink仿真平臺,對提出的能量管理策略進行仿真驗證.本文所提出的基于坡道預測的能量管理策略能夠避免動力電池的過放電,確保車輛上坡行駛過程電量充足.

框支網格式輕質墻板結構受力性能及抗震設計

賈穗子, 曹萬林, 袁泉

2016, 38(7): 1032-1038. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.020

[摘要](176)

[PDF 609KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于框支網格式輕質墻板結構抗震性能試驗,量化分析結構受力性能,并提出抗震設計建議.洞口側構造柱的設置彌補了開洞造成的強度衰減,有利于提升墻體的安全儲備能力,但加重了墻體后期破壞程度,同時降低其修復能力.斜交肋格的構造形式改變傳力途徑,使得墻體強度退化趨于均勻,結構具有更好的變形恢復能力,且明顯減小墻體的破壞程度,但是整體安全儲備能力改善不大.在工程設計方面,建議轉換層初始剛度比取值范圍大致在1.3~1.6,由于受力過程中結構轉換層剛度比衰減較明顯,在設計時初始剛度比可適當高些.結構在各個受力階段的層間位移和層間轉角值均在安全界限值以內,進一步說明結構具有較高的抗倒塌能力,耗能減震性能良好.