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

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2018年第40卷第3期

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鎂碳磚的研究現狀與發展趨勢

姚華柏, 姚蘇哲, 駱昶, 陳俊紅, 侯新梅, 孫加林

2018, 40(3): 253-268. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.001

[摘要](1229)

[PDF 1485KB](103) [施引文獻] ()

摘要:
綜述了近年來國內外鎂碳質耐火材料的發展和研究現狀,尤其對鎂碳磚防氧化劑和鎂碳磚低碳化等方面的研究與發展狀況進行了分析和匯總.在此基礎上提出了鎂碳磚未來的研究方向,即通過成分優化和結構設計,提升和發揮傳統材料的性能;研究開發高性能防氧化劑;鎂碳磚低碳化方法的改進及性能評估.

巖爆結構面強度的弱化特征

杜巖, 鄭孝婷, 謝謨文, 蔣宇靜, 劉秋強

2018, 40(3): 269-275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.002

[摘要](844)

[PDF 469KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
巖爆破壞以其突發性與瞬間破壞性等特點,在工程中很難予以預防.本研究基于動力學與能量作用原理,通過固有振動頻率等振動特征指標實現對邊界剪切彈性系數的計算.在物理模型試驗中,應用多普勒激光測振儀對巖爆體破壞全過程進行遠程振動特征監測.試驗得出,結構面強度的非協調弱化效應是巖爆發生的必要條件,結構面弱化的時空差異是發生瞬時性巖爆還是遲滯型巖爆的主要因素.當結構面弱化較慢時,則為遲滯型巖爆,反之,則為瞬時性巖爆.基于固有振動頻率可識別巖體結構面的弱化速率,巖爆發生全過程中,結構面的總耗散能僅為賦存彈性能的0.06%,使得幾乎所有的彈性動能都將轉化為沖擊動能,表現為巖爆體以高速的形式彈射出來.基于頻率下降速率等監測數據分析,可識別巖爆結構面強度的非協調弱化特征.因此,增加固有振動頻率等動力特征監測指標,無疑會進一步提高對巖爆孕育演化特征規律的認識,并在地下空間工程巖爆預警監測方面發揮重大作用.

橋梁模態頻率與運營環境作用的相關性

周毅, 孫利民, 謝謨文, 喬蘭

2018, 40(3): 276-284. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.003

[摘要](695)

[PDF 803KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
橋梁模態頻率隨運營環境作用的變化規律是結構健康監測的研究主題之一.根據東海大橋6 a監測數據的周期變化特性,識別了運營條件下主梁豎彎、側彎、扭轉基頻變化的影響因素,采用偏相關系數和周期平均法對比了各因素的影響程度.研究發現,東海大橋的模態頻率存在1 a、1周、1 d、12.42 h等變化周期,與結構溫度、交通荷載、風荷載、海面高度等的變化周期相吻合;結構溫度和交通荷載是引起該橋頻率變化的最主要因素,它們在各周期上的相對影響大小不同;周期平均法可有效分離監測數據中的年、周、天周期成分,揭示不同運營環境作用與頻率變化的相關性.研究結果有助于加深對橋梁運營期頻率變化的理解,從而更準確地評估結構性能.

黏土中靜壓沉樁離心模型

李雨濃, Barry M Lehane, 劉清秉

2018, 40(3): 285-292. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.004

[摘要](886)

[PDF 698KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
采用西澳大學室內鼓輪式離心機,在預先固結的高嶺黏土中開展不同離心力場(50g,125g及250g,g為重力加速度)條件下的模型壓樁試驗、T-bar試驗和靜力觸探試驗,分析了模型樁在貫入過程、靜置穩定過程中樁身徑向應力(σ_r)的變化規律,并對后期樁體拉伸載荷階段的徑向應力變化值(Δσ_r)及樁側摩阻力變化情況行了探討,揭示了在不同超固結比(OCRs)黏土中靜壓樁側摩阻力的演變特性.在此基礎上,通過兩種經驗公式方法對樁側摩承載力進行了預測計算和對比分析.研究結果表明:沉樁過程中樁端相對高度(h/B)對樁身徑向應力的發展變化有很大的影響,樁身不同位置(h/B)的總徑向應力對同一貫入深度而言,存在樁側徑向應力退化現象;基于靜力觸探試驗提出的經驗方法,能有效考慮靜力觸探錐端阻力(q_t)和樁端相對高度(h/B)因素的影響,將其應用于黏土沉樁時樁側摩阻力的預測,可取得與試驗實測結果較吻合的結果.研究成果對軟土地區靜壓樁施工與承載力設計具有一定的工程指導意義.

基于GPR反射波信號多維分析的隧道病害智能辨識

高永濤, 徐俊, 吳順川, 呂建華, 陳文

2018, 40(3): 293-301. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.005

[摘要](854)

[PDF 803KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
隨著我國隧道工程建設的快速發展,由隧道病害引發的隧道質量和安全問題越發常見.通過地質雷達探測隧道病害對于減少隧道質量和安全問題具有十分重要的意義,為了提高病害探測的效率及可靠性,基于雷達反射波信號多維度分析,提出一種隧道病害智能辨識的新方法.根據反射波信號時域、頻域及時頻域分析結果提取病害信號辨識的6個典型特征,利用支持向量機算法對典型特征的訓練構建病害信號的二分類模型,實現了病害水平分布范圍的自動辨識;再依據病害信號的第一本征模態函數分量振幅包絡計算病害深度分布范圍,最終實現隧道病害的智能辨識.結合某隧道回填層雷達實測數據對智能辨識算法的性能進行評價,與人工辨識結果的對比表明,該智能算法對于病害的辨識能力較強,病害的識別率高達100%,但辨識結果中同時存在少量誤判,準確率達78.6%,滿足工程應用的需求.該算法可用于隧道工程各類地質雷達探測數據中病害的智能辨識,而對于其他領域的地質雷達探測數據,本文研究成果亦可為不同類型探測目標智能辨識算法的設計提供可行思路.

混合顆粒體光彈力鏈定量提取方法

李飛, 楊柳, 王金安, 王超

2018, 40(3): 302-312. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.006

[摘要](806)

[PDF 1833KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
巖土工程和采礦工程涉及大量的顆粒物質科學和技術難題,定量識別和提取光彈試驗顆粒體系的力鏈網絡結構和分布特征,對于認識和掌握其內部細觀力學機理和研究宏觀力學行為至關重要.采用彩色梯度均方值(G²)算法,建立了不同粒徑的圓形顆粒和方形顆粒的接觸力(F)和G²的關系;基于數字圖像處理技術,提出了識別和區分圖像中不同粒徑圓形顆粒和方形顆粒的方法,獲得了光彈圖片中力鏈網絡結構和力鏈分布方位.以煤礦綜放開采為實例,對所提出的力鏈定量提取方法進行了驗證分析,清晰揭示了綜放采面礦壓形成機理和本質特征.研究表明:單顆粒的F值與G²呈單調遞增關系,且粒徑越大,F隨G²值的增長速度越快;顆粒體系接觸力集中分布在0.5F~F (F為平均接觸力),方顆粒、Φ12 mm圓形顆粒平均接觸力較大,多為強力鏈;Φ10 mm、Φ8 mm圓形顆粒的平均接觸力較小,多為弱力鏈.綜放開采頂煤和覆巖中力鏈主要為樹狀力鏈,以豎向發育為主的強力鏈傳遞上部主要荷載,橫向發育的弱力鏈對強力鏈起到側向支撐的作用.頂煤放出口附近,由于顆粒側向移動弱力鏈喪失,導致強力鏈減弱甚至消失.

應用選擇性磁罩蓋法磁選分離鎳黃鐵礦與蛇紋石

盧冀偉, 袁致濤, 李麗匣, 劉炯天, 陸帥帥

2018, 40(3): 313-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.007

[摘要](761)

[PDF 813KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
針對鎳黃鐵礦和蛇紋石浮選難分離,提出采用磁罩蓋法進行磁分離.結果表明,控制一定的礦漿物化條件,隨著磁種磁鐵礦的添加,鎳黃鐵礦的磁選回收率隨之升高,而蛇紋石的回收率基本保持很低,可實現兩者的良好分離.人工混合礦分離結果表明,磁種質量分數為5%時,獲得的精礦Ni品位為19.89%,回收率為92.46%,MgO質量分數為4.72%;X射線衍射和掃描電鏡分析結果顯示磁鐵礦在鎳黃鐵礦表面產生了罩蓋,在蛇紋石表面未產生明顯的罩蓋;Zeta電位測試和DLVO理論計算結果表明,添加六偏磷酸鈉后,蛇紋石表面電性由正變負,而對鎳黃鐵礦和磁鐵礦表面電性未產生顯著影響,從而使磁鐵礦與蛇紋石間的相互作用變為排斥,而與鎳黃鐵礦之間仍為吸引,因而磁鐵礦選擇性罩蓋在鎳黃鐵礦表面,增強其磁性,實現與蛇紋石的磁分離.

鐵礦粉液相流動性的主要液相生成特征因素解析

吳勝利, 蘇博, 齊淵洪, 李園, 杜斌斌

2018, 40(3): 321-329. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.008

[摘要](1084)

[PDF 620KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
燒結礦是我國高爐煉鐵的主要原料,燒結礦質量將直接影響高爐冶煉及煉鐵工序的經濟技術指標.因此,基于鐵礦粉的高溫特性進行優化配礦從而改善燒結礦的產質量對于煉鐵工序節能增效具有十分重要的現實意義.鐵礦粉的液相流動性是非常重要的燒結高溫特性指標,適宜的液相流動性可以使燒結礦獲得較高的固結強度.本文模擬實際燒結黏附粉層中鐵礦粉顆粒與鈣質熔劑質點的接觸狀態,采用FastSage熱力學計算和微型燒結可視化試驗方法研究了固定CaO配比條件下鐵礦粉的液相流動性及其主要的熱力學液相生成特征影響因素.研究結果表明,采用固定CaO配比與固定堿度的熔劑配加方式下,鐵礦粉的液相流動性規律明顯不同.鐵礦粉的液相生成量是影響其液相流動性的最主要液相生成特征因素,液相生成量越多則鐵礦粉的液相流動性指數越大.鐵礦粉液相流動性的配合性機制是基于其液相生成量的線性疊加原則.脈石礦物含量將在一定程度上影響鐵礦粉的液相流動性,隨著SiO₂含量的升高鐵礦粉的液相生成量減少,從而導致液相流動性指數顯著降低;而Al₂O₃含量增加,液相流動性指數略有升高.

熱溶煤的燃燒特性

趙駿, 左海濱, 龍思陽, 王靜松, 薛慶國

2018, 40(3): 330-339. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.009

[摘要](814)

[PDF 866KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
低階煤的高值化利用對拓寬能源途徑,提高能源效率和解決環境問題具有重要意義.以N-甲基吡咯烷酮為有機溶劑,對4種低階煤進行熱萃取,獲得低灰分、高揮發分的熱溶煤產物.通過熱重分析研究了熱溶煤的燃燒特性,并利用拉曼光譜分析,對比了原煤與熱溶煤碳結構的變化規律.結果表明:與原煤相比,熱溶煤的灰分含量明顯降低,揮發分含量增高,固定碳含量減少,熱值增大.其中KL、GD和ZS 3種熱溶煤的H/C原子比大于原煤,XB的熱溶煤小于原煤.KL、GD和ZS 3種熱溶煤的峰強度(I_D/I_G)和峰面積(A_D/A_G)的比值大于相應的原煤,其有序化程度減小,結構缺陷增多,相應的其熱溶煤的燃燒反應性增大.而XB熱溶煤的I_D/I_G和A_D/A_G的值小于相應的原煤,有序化程度增大,燃燒反應性降低.

燒結氣氛對鋼渣陶瓷晶相和性能的影響

李宇, 王耀忠, 王亞昆

2018, 40(3): 340-348. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.010

[摘要](673)

[PDF 1029KB](180) [施引文獻] ()

摘要:
利用鋼渣制備陶瓷材料是鋼渣資源化大宗利用的一條新途徑.開展不同燒結氣氛對鋼渣陶瓷影響規律的研究,對推動鋼渣陶瓷技術的應用具有重要意義.以20%鋼渣和80%黏土為原料,分別在空氣和氮氣氣氛下,制備了鋼渣陶瓷樣品,分析了其晶相轉變和性能變化規律,并定量研究了氧分壓對鋼渣陶瓷中鐵元素價態轉變的影響機理.研究表明,在空氣條件下燒結時,原料中的Fe²⁺發生氧化形成赤鐵礦相,燒結樣品物理性能要優于在氮氣條件下燒結的樣品,其抗壓強度和吸水率為310 MPa和3.7%;而在氮氣條件下燒結時,Fe²⁺形成鐵鋁尖晶石和鐵輝石,燒結樣品中形成的氣孔大小和數量要大于和多于空氣條件下的樣品,這是導致其力學性能較差的一個主要原因.鐵元素賦存晶相轉變的氧分壓臨界范圍為0.5%~0.75%:當分壓低于0.5%時,可以獲得以鐵鋁尖晶石和鐵輝石為主的黑色或褐色陶瓷樣品;當氧分壓超過0.75%時,Fe²⁺開始發生氧化并形成Fe³⁺,逐漸形成赤鐵礦并帶來樣品顏色為褐黃色或褐紅色.增加燒結環境中氧氣分壓量是減少鋼渣陶瓷產品黑心的一個重要手段.

COREX豎爐圍管堵塞位置及其演變過程的物理模擬

周恒, 吳勝利, 寇明銀, 姚舜, 游洋, 羅志國, 鄒宗樹

2018, 40(3): 349-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.011

[摘要](960)

[PDF 1058KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
建立COREX豎爐三維半周物理模型,模擬豎爐圍管粉塵初始堵塞位置及其演變過程,考察鼓風量、排料速度、非工況排料等操作條件對圍管粉塵堵塞的影響.模擬結果顯示,COREX豎爐圍管初始堵塞位置為AGD架梁圓管前方的8^#~12^#導氣槽區域.當導氣槽前端填充床內形成粉塵沉積區后,若沉積區向上發展速度大于其隨物料向下運動速度,粉塵沉積區向圍管方向發展,并逐步堵塞圍管導氣槽,進而在圍管內形成粉塵堆積區.該堆積區在圍管內繼續發展,使得其堆腳向圍管遠端運動,從而逐步將遠端導氣槽堵塞.此外,模擬發現隨著排料速度加快及鼓風量增加,圍管內不易發生粉塵堵塞.當爐內非工況條件發生時,粉塵堆積的動態平衡被打破,易造成圍管內粉塵的堆積堵塞.

基于微晶剛玉砂輪的20CrMnTi齒輪成型磨削表面完整性

劉謙, 楊理鈞, 田欣利, 王龍, 孟凡卓

2018, 40(3): 357-365. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.012

[摘要](839)

[PDF 1070KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為研究微晶剛玉砂輪成型磨削20CrMnTi齒輪的表面完整性,開展了20CrMnTi齒輪成型磨削試驗,分析了砂輪線速度、軸向進給速度及徑向進給量對齒面粗糙度、表層/次表層顯微硬度、微觀組織和殘余應力的影響規律,探討了由磨削引起的磨削燒傷、微觀裂紋等損傷缺陷的形成機理,結果表明:徑向進給量對表面粗糙度的影響最顯著,砂輪線速度次之,軸向進給速度最不顯著;磨削溫度過高會導致磨削燒傷,淬火燒傷使得表面硬度提高5%~20%,回火燒傷則導致表面硬度不同程度地下降;表層組織從外至內分別為白層、暗層和基體組織,白層主要由致密的馬氏體+碳化物+殘余奧氏體組成;砂輪線速度和徑向進給量的增大使得由磨削引起的殘余拉應力增大,表面殘余壓應力下降并逐漸向拉應力轉變,當表面最終殘余拉應力大于材料的斷裂強度時,表面產生微觀裂紋.

SO₄^2-對含Cl^-溶液中316L奧氏體不銹鋼鈍化行為及點蝕行為的影響

唐嫻, 張雷, 王竹, 張子如, 薛俊鵬, 路民旭

2018, 40(3): 366-372. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.013

[摘要](773)

[PDF 822KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
利用動電位極化、電化學阻抗、恒電位極化以及恒電流極化等電化學測試手段,并結合掃描電鏡進行點蝕形態觀察,探究了含Cl^-溶液中SO₄^2-濃度對316L奧氏體不銹鋼的鈍化行為及點蝕行為的影響.結果表明,含Cl^-溶液中SO₄^2-的加入能夠使316L不銹鋼鈍化區變寬,使點蝕電位變正,維鈍電流密度降低,進而提高316L的耐點蝕能力.但是在點蝕發生后,隨著SO₄^2-濃度的升高,點蝕內部和邊緣形態表現出更為復雜的趨勢,蝕坑的周長面積比明顯增大.

電流體動力噴射3D打印工藝參數對泰勒錐和打印圖形的影響和規律

鄒淑亭, 蘭紅波, 錢壘, 趙佳偉, 周賀飛, 朱曉陽, 張廣明, 彭子龍

2018, 40(3): 373-380. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.014

[摘要](949)

[PDF 822KB](47) [施引文獻] ()

摘要:
電流體動力噴射3D打印是一種新型微納增材制造技術,它具有成本低、結構簡單、精度高、打印材料廣泛等突出特點和優勢.但是,由于電流體動力噴射3D打印的打印速度快、噴嘴和基底打印距離小,特別是對于微尺度特征圖形的打印,其實際圖形及打印質量難以直接觀測,而且影響打印圖形精度和質量的工藝參數較多,各個工藝參數相互耦合和相應作用.因而直接有效的控制打印圖形的精度(線寬)和質量(線邊緣粗糙度)是其面臨的一個挑戰性難題.本文提出一種通過調整打印工藝參數間接控制泰勒錐形狀和尺寸,進而實現對于打印圖形精度和質量有效控制的新方法.建立了線寬與工藝參數、材料性能和基底關系的理論模型;通過實驗,系統研究并揭示了電流體動力噴射3D打印工藝參數對泰勒錐和打印圖形的影響及其規律;優化出針對同一噴嘴較為理想的噴印工藝窗口;并通過典型實驗工程案例研究,采用內徑60 μm噴嘴實現了最小線寬3 μm打印,驗證了實驗研究結果的正確性和有效性.本文提出的方法和實驗研究結果為電流體動力噴射3D打印的打印精度、圖形質量和打印穩定性改進及提高奠定了基礎,并為簡化和易于操作提供了一種切實可行的方法.

存在視場丟失的機器視覺精度補償方法

黃煜, 黃翔, 李瀧杲, 江一帆

2018, 40(3): 381-388. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.015

[摘要](743)

[PDF 647KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
無論Eye-in-Hand或Eye-to-Hand型式的機器視覺控制系統,均存在視場受限、丟失等情況,從而無法在一定距離、角度內對目標進行在線視覺測量,進而無法建立全閉環的伺服控制.基于Eye-in-Hand型式的機器視覺控制系統,以及最短測量距離L_min,提出一種閉環與開環相結合的伺服控制系統:即測量距離大于L_min時為位置反饋型閉環控制的原位調姿,在測量距離小于L_min時為位置給定型開環控制,機器人以相對線性運動進給到目標位置.針對該過程中的偏移問題,提出了前饋補償模型,即利用前期運動數據對運動誤差進行估計.實驗證明,該方法能有效地補償定位誤差.