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

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2018年第40卷第12期

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浮選過程中顆粒-氣泡黏附作用機理及研究進展

王超, 孫春寶, 寇玨

2018, 40(12): 1423-1433. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.001

[摘要](884)

[PDF 1508KB](89) [施引文獻] ()

摘要:
系統分析總結了浮選過程中顆粒與氣泡的黏附概率模型、EDLVO理論、顆粒-氣泡集合體的受力分析、影響因素分析和顆粒-氣泡黏附的研究進展.基于接觸時間、感應時間的方法和能量勢壘的方法，分別從動力學和熱力學的角度分析總結了黏附概率模型，并從動力學和熱力學的角度解釋了顆粒大小、氣泡大小、顆粒疏水性、顆粒表面粗糙度和溶液pH對黏附概率的影響，對靜態環境和湍流環境中顆粒-氣泡集合體進行了受力分析，顆粒和氣泡的黏附力有毛細作用力、液體靜壓力和浮力，靜態環境中的脫附力只有重力，但是湍流環境中的脫附力還包括振蕩力和離心力.很多研究學者利用先進的儀器和檢測手段對顆粒-氣泡的黏附做了大量的研究，取得了大量研究成果.顆粒-氣泡黏附作用過程相當復雜，試驗研究時簡化了作用條件，目前理論不能滿意解釋黏附過程，需要結合實際進行更深層次、更全面的研究.

鋼鐵冶金過程中的界面潤濕性的基礎

程禮梅, 張立峰, 沈平

2018, 40(12): 1434-1453. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.002

[摘要](1052)

[PDF 9767KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
首先介紹了界面張力和接觸角的基本概念，并總結了對于高溫體系，常見的界面張力以及接觸角的測量方法，重點對實驗過程中最常使用的座滴法進行了分析.在冶煉過程中，體系的組成，尤其是鋼液中的表面活性元素以及渣中的表面活性組分能顯著影響界面潤濕性，同時溫度對界面潤濕性的影響也不可忽略.因此系統分析了這兩個主要影響因素對界面潤濕性的影響.最后，總結了鋼鐵冶金過程中常見物質間的接觸角和界面張力.

金屬塑性成形中的韌性斷裂微觀機理及預測模型的研究進展

賈哲, 穆磊, 臧勇

2018, 40(12): 1454-1467. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.003

[摘要](1121)

[PDF 4859KB](131) [施引文獻] ()

摘要:
為實現汽車輕量化，同時保證其具有較好的碰撞安全性，高強度-質量比金屬板材在汽車制造領域得到了廣泛的應用.然而，在傳統沖壓成形過程中，上述板材（如先進高強鋼、鋁合金和鎂合金等）會出現無明顯縮頸的韌性斷裂行為.特別是發生在純剪切加載路徑附近的剪切型韌性斷裂行為超出了傳統縮頸型成形極限圖的預測范圍.此外，在近些年來快速發展的單點漸進成形中，縮頸失穩被抑制，取而代之的則是無明顯縮頸的韌性斷裂.以上問題對基于縮頸失穩的傳統成形極限分析方法提出了新的挑戰，同時也限制了高強度-質量比金屬板材的應用及其新型成形工藝的研發.為此，世界各國學者開始普遍關注金屬材料韌性斷裂預測模型的開發及其應用研究.本文首先從孔洞的演化行為方面出發，對金屬韌性斷裂的微觀機理研究進行了介紹.隨后重點評述了韌性斷裂預測模型的研究進展和應用現狀.最后，對韌性斷裂研究的發展趨勢進行了展望.本文可以為金屬韌性斷裂模型的選擇、應用及其開發提供有益參考.

鎢冶煉渣綜合回收利用的研究進展

楊俊彥, 齊申, 劉海, 王文科, 黃景存, 張建東, 車小奎, 宋波, 王力軍

2018, 40(12): 1468-1475. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004

[摘要](806)

[PDF 743KB](51) [施引文獻] ()

摘要:
綜述了鎢冶煉渣中有用金屬回收利用現狀與研究進展，介紹了黑鎢和白鎢的冶煉工藝、鎢、錫、鉭、鈮、鈧回收工藝與理論、鎢冶煉渣的減量化處理研究進展.重選和浮選工藝可回收鎢錫，得到鎢錫精礦后再進行冶煉，選礦工藝流程簡單易工業生產且成本低，但適應性較差，對于較細物料無法有效回收，濕法冶金工藝可回收鎢、錫、鉭、鈮、鈧，適應性強但流程復雜，酸堿廢水對環境影響大；鎢冶煉渣減量化是綜合利用的根本要求，目前主要用來制做水泥輔料、建筑膠砂、多孔材料、微晶玻璃等，介紹了目前減量化處理的研究現狀.最后提出了問題與建議，鈧鉭鈮稀有金屬提取工藝的進步依賴萃取劑和離子交換樹脂的發展，可利用材料領域內第一性原理和化學配位理論，研發選擇性強的萃取劑和交換容量大的離子交換樹脂，解決萃取劑選擇性差、離子交換樹脂交換容量小、廢水量大的問題，從原子層面研究出相互作用機理，最終篩選出高效萃取劑及離子交換樹脂.指出選冶聯合工藝，開發短流程綠色提取技術、冶煉渣高附加值材料研制技術可能是今后研究的重點.

劇烈瓦斯爆炸隧道洞口致損機理

李志鵬, 吳順川

2018, 40(12): 1476-1487. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.005

[摘要](743)

[PDF 15962KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為探究洛帶古鎮隧道瓦斯爆炸下洞口襯砌致損機理，對隧道內積聚瓦斯等效、量化研究，采用LS-DYNA建立與洞門幾何結構一致的流固耦合數值模型并驗證，以RHT模型模擬混凝土并修正參數，對爆炸過程中沖擊波的傳播特征及強度、洞門致損機理研究分析，并將模擬結果與實際情況對比.研究表明：爆炸沖擊波在隧道內無規則的反射效應使其強度劇增、流場復雜，局部位置有聚焦現象，隧道內高壓達1.2~2.4 MPa；傳播過程中，靠襯砌一側沖擊波運動速度較快，形態也由“球狀”變為“喇叭”狀；當以平面波形態傳至洞門時，拱頂沖擊波強度增加56%，達2.8 MPa，并在削竹式洞門周邊發生衍射；自隧道傳出后，強度逐漸降低，邊墻及底板處的沖擊波沿縱向徑直射出，拱部沖擊波向斜上方運動，形成“蘑菇云”.爆炸作用下，襯砌曲邊墻腳處完全破壞；爆心距7 m范圍內襯砌受損嚴重；7~15 m范圍內拱部幾乎未受損；洞門受損嚴重.缺少圍巖的約束作用，洞門拱頂Y向、拱腳X向位移分別達0.26和0.14 m，迎爆面、背爆面拉應力分別介于7.9~31.5 MPa、4.9~15.6 MPa，背爆面出現多個應力峰值，洞門主要為受拉致損.經對比，洞門損傷特征的數值模擬結果與現場實際情況基本一致，可為后續的襯砌災害處治提供依據.

裝藥結構對煤層深孔聚能爆破增透的影響

郭德勇, 張超, 朱同功, 潘競俊

2018, 40(12): 1488-1494. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.006

[摘要](835)

[PDF 1276KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
針對裝藥結構對聚能爆破煤層增透的影響，在分析裝藥結構對爆炸應力波傳播特性、爆破裂隙分區影響的基礎上，基于平煤十礦己組煤層瓦斯地質條件設計了煤層深孔聚能爆破現場試驗方案，通過現場試驗探討了裝藥結構對煤層深孔聚能爆破在水平方向和豎直方向上的影響.實驗結果表明：裝藥結構影響煤層深孔聚能爆破增透效果，煤層深孔聚能爆破后，在水平方向爆破影響區內瓦斯抽采濃度平均增幅為52.78%；豎直方向上距離爆破孔相同距離的考察孔在爆破后，處于爆破孔上方的考察孔無炮煙逸出，處于下方的考察孔有炮煙逸出，證明偏心不耦合裝藥結構對爆破孔上方煤層影響小于對下方煤層影響，爆破孔上方爆破裂隙范圍小于下方爆破裂隙范圍.

有菌和無菌體系下輝銅礦氧化電化學

廖勃, 溫建康, 武彪, 尚鶴, 陳勃偉

2018, 40(12): 1495-1501. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.007

[摘要](660)

[PDF 2782KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
運用循環伏安曲線、穩態極化曲線和Tafel曲線等電化學手段以及X射線光電能譜（XPS）法研究了輝銅礦在有菌和無菌體系下氧化過程的電化學行為.研究結果驗證了輝銅礦在有菌體系和無菌體系下的兩步氧化溶解機理，第一步氧化反應為輝銅礦不斷氧化生成缺銅的中間產物Cu_xS（1≤x<2），直至生成CuS，在較低電位下即可進行；第二步反應為中間產物CuS的氧化，需要在較高電位下才可進行，反應速率較慢，是整個氧化反應的限制性步驟.循環伏安實驗顯示有菌體系電流密度明顯大于無菌體系，表明細菌加快了輝銅礦的氧化速率.穩態極化實驗顯示輝銅礦點蝕電位較低，無菌體系第一段反應活化區電位范圍小于有菌體系，表明輝銅礦氧化過程生成的中間產物硫膜具有鈍化效應，細菌可以通過自身氧化作用破壞硫膜，減弱輝銅礦表面的鈍化效果，加快輝銅礦的氧化溶解速率.X射線光電子能譜分析顯示電極表面鈍化層物質組成復雜，包含了CuS、多硫化物（S_n^2-）、（S⁰）和含（SO₄^2-）的氧化中間產物等多種物質，其中主要的鈍化物為CuS，表明輝銅礦的氧化遵循多硫化物途徑.

等溫淬火溫度對超細貝氏體鋼組織及耐磨性的影響

張超, 郭輝, 王家星, 張冰, 趙愛民

2018, 40(12): 1502-1509. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.008

[摘要](837)

[PDF 10290KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
設計了一種0.7C的低合金超細貝氏體鋼，并通過膨脹儀、二體磨損實驗、光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射、激光掃描共聚焦顯微鏡及能譜儀，研究了不同等溫淬火溫度對超細貝氏體鋼的貝氏體相變動力學、微觀組織以及干滑動摩擦耐磨性的影響，揭示超細貝氏體鋼在二體磨損條件下的耐磨性能和磨損機理.研究結果表明，不同等溫溫度下的超細貝氏體鋼都由片層狀貝氏體鐵素體和薄膜狀以及塊狀的殘留奧氏體組成；隨著等溫溫度的升高，超細貝氏體的相變速率提高，相變孕育期及相變完成時間縮短，但貝氏體鐵素體板條厚度增加，殘留奧氏體含量增加，硬度值有所降低；超細貝氏體鋼磨損面形貌以平直的犁溝為主，主要的磨損機理為顯微切削；不同等溫溫度下所獲得的超細貝氏體的耐磨性能都優于回火馬氏體，且隨著等溫溫度的降低，耐磨性能提高.其中在250℃等溫所獲得的超細貝氏體鋼具有最優的耐磨性能，其相對耐磨性為回火馬氏體的1.28倍.這主要與超細貝氏體鋼中貝氏體鐵素體板條的細化及磨損過程中殘留奧氏體的形變誘導馬氏體相變（TRIP）效應有關.

A7085鋁合金Ⅰ-Ⅱ復合型疲勞裂紋擴展及其數值模擬

宋彥琦, 李向上, 李名

2018, 40(12): 1510-1517. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.009

[摘要](764)

[PDF 6906KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
為探究不同加載角度下A7085鋁合金Ⅰ-Ⅱ復合型疲勞裂紋擴展機理，在MTS疲勞試驗機上采用緊湊拉伸剪切試件（CTS）對A7085鋁合金進行不同加載角度的疲勞實驗；用有限元分析計算不同裂紋擴展長度的裂紋尖端應力強度因子，通過七點遞增多項式法對數據進行處理，計算出A7085鋁合金Paris公式中的參數C和m.結果表明不同加載角度的裂紋基本沿著與外載荷垂直的方向擴展，裂紋擴展路徑近似為一條直線，裂紋擴展角測量結果基本符合最大環向拉應力理論；Ⅰ-Ⅱ復合型裂紋一旦發生擴展，Ⅱ型應力強度因子K_Ⅱ所占比例急劇減小，Ⅰ型應力強度因子K_Ⅰ不斷增大，此后K_Ⅱ遠遠小于K_Ⅰ，有效應力強度因子（K_Ⅰ和K_Ⅱ的組合）基本等于K_Ⅰ，相當于裂紋擴展主要受Ⅰ型應力強度因子控制，研究結果有助于對Ⅰ-Ⅱ復合型疲勞裂紋擴展機理的理解.

γ預輻照對管流沖刷條件下鈹在EDM-1中腐蝕性能的影響

鄭莉芳, 黃俊忠, 王曉剛, 姜竹, 丁玉龍

2018, 40(12): 1518-1524. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.010

[摘要](638)

[PDF 10063KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
構建管流式沖刷腐蝕實驗裝置研究γ預輻照對鈹在一號電火花加工油（EDM-1）中腐蝕性能的影響，研究鈹試樣質量變化，進行表面形貌及成分分析.結果表明，鈹在EDM-1管流沖刷條件下受沖刷腐蝕和化學腐蝕的共同作用，前者主要受試樣表面形態影響，后者主要受γ預輻照劑量、雜質元素、EDM-1中含硫有機物等的影響.輻照前后，試樣質量均呈現先減小、后增大、再減小趨勢，腐蝕速率基本隨輻照劑量的升高而增大.γ預輻照促進了鈹試樣在EDM-1中點蝕核和蝕孔的產生，腐蝕2880 h后，未接受預輻照試樣僅產生較為明顯點蝕核，而接受200和100 kGy預輻照試樣中的部分點蝕核發展成為蝕孔，前者直徑約為后者2倍.點蝕核和蝕孔區域出現Al、Si、Fe、Cr、Ti等雜質元素及S元素，雜質元素為誘導產生點蝕的重要因素，含S有機物發生化學反應分別生成物理吸附和化學吸附于蝕孔內部的SO₂和SO_x，促進蝕孔的形成及擴展.

焊接速度對機器人攪拌摩擦焊AA7B04鋁合金接頭組織和力學性能的影響

張坤, 江海濤, 孟強, 唐荻, 藺宏濤

2018, 40(12): 1525-1532. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011

[摘要](772)

[PDF 8922KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
針對熔化焊在焊接AA7B04鋁合金時易在焊縫中出現孔洞等缺陷，且接頭性能下降明顯、焊后變形大，以及采用鉚接等機械連接方式會增加連接件的重量等問題，采用集成了攪拌摩擦焊末端執行器的KUKA Titan機器人對2 mm厚AA7B04高強鋁合金進行了焊接，在轉速為800 r·min^-1的條件下，研究了焊度對焊接過程中攪拌頭3個方向的受力F_x、F_y和F_z的影響.研究發現，F_z受焊速的影響顯著，隨焊速的增加而降低.利用光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉伸試驗、三點彎曲試驗和硬度測試等方法，研究了不同焊速下AA7B04鋁合金接頭的微觀組織和力學性能.結果表明：當焊速為100 mm·min^-1時，接頭的抗拉強度最高為447 MPa，可達母材的80%，且所有接頭的正彎和背彎180°均無裂紋；接頭橫截面的硬度分布呈W型，硬度最低點出現在熱力影響區和焊核區的交界處，焊速不同會導致不同的焊接熱循環，且隨著焊速的增加接頭的硬度隨之增加；焊核區組織發生了動態再結晶，生成了細小的等軸晶粒，前進側和后退側熱力影響區的晶粒均發生了明顯的變形；前進側熱影響區析出η'相，后退側熱影響區因溫度較高析出η'相和尺寸較大的η相.

智能電能表有功電能動態測量的SDPA算法

陳景霞, 王學偉, 朱孟

2018, 40(12): 1533-1539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.012

[摘要](824)

[PDF 2313KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
風能、太陽能等間歇式能源的引入和工業生產中大功率動態負載的增加，使得智能電網電力負荷越來越多呈現出大范圍隨機頻繁波動的特點.動態負荷的增加對智能電能表的有功電能測量帶來新挑戰.傳統的測量算法是針對穩態負荷而提出，因此無法解決智能電能表動態計量性能的改善問題.本文在傳統MA （moving average）算法的基礎上提出一種SDPA （segmented dot product accumulation）動態有功電能測量算法，該算法可在一定程度上減小動態功率條件下的測量誤差.首先，分別討論了傳統MA和ⅡR （infinite impulse response）濾波器算法的動態響應速度和動態電能誤差特性，指出兩種算法對動態輸入信號測量的局限性，并理論分析了影響各自動態計量性能的因素.以此為基礎，提出智能電能表有功電能動態測量的SDPA算法，通過將待測的動態功率信號按周期截短、分段執行點積運算、并累加求和的方式實現動態測量.另外，通過按周期抽取的算法實現方式可以大大減少存儲空間、提高運行速度.理論和仿真結果表明，與傳統MA和ⅡR濾波器相比，SDPA算法在動態響應時間為一個基波周期的前提下，動態電能測量可達到較低誤差水平.

口環密封對多級離心泵濕轉子橫-軸雙向耦合動特性的影響

周文杰, 王孝軍, 邱寧, 王樂勤, 高波

2018, 40(12): 1540-1548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.013

[摘要](740)

[PDF 6514KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為探究口環密封對多級離心泵轉子橫-軸雙向耦合振動的影響，基于空間歐拉角變換及有限元法，建立了多級離心泵轉子系統葉輪和軸系的微分運動方程，在此基礎上，充分考慮口環流體激振力和多種軸向力的耦合作用，利用矩陣運算方法建立了多級離心泵濕轉子的橫-軸雙向耦合振動模型，并采用Newmark法對雙向耦合系統的瞬態動力學特性進行求解，重點研究了口環密封長度、壓差和間隙對系統耦合振動特性的變化規律，計算了不同密封參數下的流體激振力.計算結果表明，口環密封對轉子系統橫向振動的洛馬金效應隨著密封長度和壓差的增大以及間隙的減小愈發明顯，轉子系統的橫向穩態振動收斂速度快于軸向穩態振動的收斂速度，兩向瞬態振動的振動頻率呈現出完全不同的特性.此外，密封的流體激振力與密封長度呈現非線性變化關系，而與密封壓差和間隙呈現線性變化關系.

棒材二輥矯直過程曲率的全流程定量解析

馬立東, 陳碩, 黃慶學, 麻浩曦

2018, 40(12): 1549-1556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.014

[摘要](972)

[PDF 3843KB](45) [施引文獻] ()

摘要:
為了摸清棒材斜輥矯直過程中各曲率的變化規律，應用小曲率平面彎曲彈復理論以及棒材彎曲彈復的曲率方程式，實現棒材一次反彎彈復的計算模型，基于棒材每旋轉半周反彎一次的規律以及上一次彈復后的殘余曲率認為是下一次彎曲的原始曲率，建立棒材全流程二輥矯直過程彎曲彈復模型，獲得整個矯直過程中原始曲率、彎曲曲率、彈復曲率以及殘余曲率的演變過程，得到棒材最終的殘余曲率.應用該理論模型對現場生產過程進行了計算，與現場結果一致，驗證了理論模型的正確性.應用所建立的理論模型對不同直徑、不同材料屈服強度、不同原始撓度的棒材矯直過程分別進行分析，獲得了不同來料參數情況下矯直過程的變形規律.該模型可以為二輥矯直機輥型優化設計與工藝參數計算提供理論依據.

基于嵌套飽和的輸入約束浮空器非線性控制

孫丁山, 陳麗, 溫余彬, 段登平

2018, 40(12): 1557-1568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.015

[摘要](656)

[PDF 4170KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
提出用嵌套飽和函數描述的控制律形式，可以同時解決速率和幅值約束的控制問題.建立浮空器的三自由度模型，將除螺旋槳推力外的其他作用力作為擾動項，進而把該系統化為類積分鏈式系統；基于嵌套飽和控制理論，研究了類積分鏈式系統的控制輸入幅值及速率約束與控制器飽和函數參數的關系；以浮空器為研究對象，進行縱向和橫向通道解耦控制器設計，實現控制系統輸入的幅值和速率有界.利用Lyapunov穩定性原理證明了系統的全局穩定性，分析了可調控制器參數對改善系統的動態性能的影響，在考慮風擾動的情況下，仿真驗證了控制器的有效性和魯棒性.