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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2021年第43卷第2期

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廢舊鋰離子電池資源現狀及回收利用

鐘雪虎, 陳玲玲, 韓俊偉, 劉維, 焦芬, 覃文慶

2021, 43(2): 161-169. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.11.004

[摘要](2870)

[HTML全文] (5704)

[PDF 838KB](751) [施引文獻] ()

摘要:
廢舊鋰離子電池的無害化處理及回收利用已經成為各個科研院所研究的重點及熱點內容。本文系統介紹了廢舊鋰離子電池的資源現狀與目前回收利用的各種不同的工藝路線，并且詳細分析了各種工藝路線的優缺點，以期為廢舊鋰離子電池的回收與利用找到新的思路與方法。最終認為“化學?物理聯合法”為當前廢舊鋰離子電池無害化處置及回收利用的較為理想的方法。

熱噴涂制備高熵合金涂層的研究現狀與展望

辛蔚, 王玉江, 魏世丞, 王博, 梁義, 袁悅, 徐濱士

2021, 43(2): 170-178. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.20.001

[摘要](2976)

[HTML全文] (1394)

[PDF 1701KB](268) [施引文獻] ()

摘要:
首先介紹了高熵合金的理論基礎。然后從不同的熱噴涂工藝出發，綜述了等離子噴涂、超音速火焰噴涂、高速電弧噴涂、冷噴涂四種技術在制備高熵合金涂層上的研究發展現狀，重點從原料選用、制備工藝優化、性能研究、后處理工藝等方面對以上四種熱噴涂技術制備高熵合金涂層的研究進行系統地歸納與總結。最后提出現有制備高熵合金涂層的熱噴涂技術較少、熱噴涂材料受限、高熵合金設計盲目這三個問題，針對性地提出了在優化已有技術的基礎上開發新技術；開發高熵陶瓷、高熵非晶合金、高熵復合材料等新型熱噴涂材料；沿用材料基因組理念建立高熵合金數據庫這三點熱噴涂制備高熵合金涂層在未來的發展趨勢。

油氣資源開發的大數據智能平臺及應用分析

宋洪慶, 都書一, 周園春, 王宇赫, 王九龍

2021, 43(2): 179-192. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.21.001

[摘要](3134)

[HTML全文] (1365)

[PDF 4970KB](270) [施引文獻] ()

摘要:
油氣資源大數據智能平臺的總體框架應以數據資源為基礎、大數據平臺算力為支撐、人工智能算法為核心，面向油氣行業生產需求，構建集勘探、開發、生產數據于一體的油氣數據資源池，通過數據清洗與融合提升數據質量，整合物理模擬與數據挖掘等手段，實現服務功能模塊化，并在PC端、管控大屏、手機移動APP等多維平臺實現智能監測、預警與展示。通過對深度學習等人工智能方法在油氣工業領域的應用案例分析，表明其具有較好的應用前景。未來石油公司應與科研院所通力合作，挖掘石油工業數據的巨大潛能，實現降本增效，建設全新的智能油氣工業生態圈，完成產業升級。

礦用鉸接式車輛路徑跟蹤控制研究現狀與進展

白國星, 羅維東, 劉立, 孟宇, 顧青, 李凱倫

2021, 43(2): 193-204. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.14.003

[摘要](2193)

[HTML全文] (1156)

[PDF 1009KB](186) [施引文獻] ()

摘要:
鉸接式車輛的路徑跟蹤控制是礦山自動化領域中的關鍵技術，而數學模型和路徑跟蹤控制方法是鉸接式車輛路徑跟蹤控制中的兩項重要研究內容。在數學模型研究中，鉸接式車輛的無側滑經典運動學模型較為適合作為低速路徑跟蹤控制的參考模型，而有側滑運動學模型作為參考模型時則可能導致側滑加劇。此外基于牛頓–歐拉法建立的鉸接式車輛四自由度動力學模型原則上滿足路徑跟蹤控制的需求，但是還需要解決當前的四自由度模型無法同時反映瞬態轉向特性和穩態轉向特性的問題。在路徑跟蹤控制方法研究中，反饋線性化控制、最優控制、滑模控制等無前饋信息的控制方法無法有效解決鉸接式車輛跟蹤存在較大幅度曲率突變的參考路徑時誤差較大的問題，前饋–反饋控制可以用于解決上述問題，但是在參考路徑具有不同幅度的曲率突變時需要解決自動調整預瞄距離的問題，而模型預測控制，尤其是非線性模型預測控制，可以更加有效地利用前饋信息，且不需要考慮預瞄距離的設置，從而可以有效提高鉸接式車輛跟蹤存在較大幅度曲率突變的參考路徑時的精確性。此外，對于基于非線性模型預測控制的鉸接式車輛路徑跟蹤控制，還需深化三個方面的研究。首先，該控制方法仍然存在誤差最大值隨參考速度增大而增加的趨勢。其次，目前該控制方法以運動學模型作為預測模型，無法解決鉸接式車輛以較高的參考速度運行時側向速度導致的精確性下降和安全性惡化的問題。最后，還需對這種控制方法進行實時性方面的優化研究。

基于剛性塊體模型的近?遠場崩落礦巖流動特性

孫浩, 陳帥軍, 高艷華, 金愛兵, 覃璇, 巨有, 尹澤松, 李木芽, 趙增山

2021, 43(2): 205-214. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.23.003

[摘要](2116)

[HTML全文] (756)

[PDF 1503KB](50) [施引文獻] ()

摘要:
為進一步揭示遠場條件下金屬礦山崩落礦巖運移演化機理，綜合利用物理試驗、數值模擬和理論分析等手段，構建單口放礦模型開展近?遠場崩落礦巖流動特性研究。首次基于離散元軟件PFC^3D和剛性塊體模型構建放礦數值模型，并通過近場放礦物理試驗與模擬結果的對比分析，證明了剛性塊體模型在崩落礦巖流動特性研究中的可靠性與優越性。在此基礎上，對遠場條件下松動體形態變化規律、礦巖流動體系內的應力演化規律及其力學機理進行了量化研究。研究結果表明：1）近?遠場條件下的松動體形態變化均符合倒置水滴理論。在放礦初始階段，松動體最大寬度隨高度增大呈冪函數形式快速增加；隨后，松動體最大寬度隨高度增大而近似線性增加。2）崩落礦巖流動過程中存在明顯的應力拱效應。隨著礦巖散體松動范圍不斷擴大，松動體外圍一定范圍內的垂直應力均呈明顯下降趨勢，水平應力逐漸增大并在松動區域到達前出現激增現象；而松動體內的水平應力與垂直應力則急劇下降至較低水平。

全尾砂高濃度膠結充填的環管試驗

王洪江, 王小林, 寇云鵬, 吳再海, 彭青松

2021, 43(2): 215-222. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.09.002

[摘要](1777)

[HTML全文] (789)

[PDF 1107KB](93) [施引文獻] ()

摘要:
為探明全尾砂高濃度充填料漿的灰砂比、濃度和流速對管道阻力的影響規律，預測工業充填管道阻力，開展中試規模環管試驗。根據管壁切應力與剪切速率關系建立管道阻力預測模型，利用灰關聯法分析各因素對管道阻力的影響強弱，通過線性回歸獲取料漿流變參數。結果表明，管道阻力對料漿濃度的變化最為敏感，隨濃度增加成二次函數增長。料漿流速對管道阻力的影響僅次于濃度，層流輸送時管道阻力隨流速增加成線性增長。灰砂比對管道阻力的影響有雙重性，灰砂質量比小于1∶8時膠凝材料的黏結作用占主導并增加管道阻力，反之膠凝材料的潤滑作用占主導并降低管道阻力。環管試驗得到的料漿流變參數明顯小于流變儀測試結果且更接近工程實際，管道阻力預測模型的誤差小于10%。

改性蘭炭煙氣SO₂吸附材料的制備及其再生性能

劉俊杰, 蘇偉, 邢奕, 劉衛民, 趙青濤, 龐升果, 蔣兟, 衛祥民, 歷新燕

2021, 43(2): 223-231. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.21.001

[摘要](1923)

[HTML全文] (895)

[PDF 1111KB](56) [施引文獻] ()

摘要:
利用活性炭（焦）等吸附劑將煙氣中的污染物分離出來是一種有效的煙氣治理與資源化方式。蘭炭作為一種廉價半焦碳素材料，是一種有潛力代替現有商用活性焦的多孔材料。本文采用陜西蘭炭作為研究對象，研究炭化時間、炭化溫度、黏結劑添加量等改性工藝對所制備的吸附劑性能的影響，考察了微觀形貌變化，利用X射線光電子能譜（XPS）探究在吸附解吸過程中的表面官能團的變化。結果表明，炭化溫度對耐磨強度、耐壓強度指標影響顯著，炭化時間對飽和脫硫值和穿透脫硫值影響顯著；在煤焦油添加比例50%，700 ℃炭化20 min，900 ℃活化60 min條件下制得改性蘭炭參數為：耐磨強度95.81%，抗壓強度536.1 N·cm^?1，每克蘭炭飽和脫硫值45.71 mg，每克蘭炭穿透脫硫值23.45 mg；經歷多次吸脫附過程第一次失活時，表面被大面積刻蝕，孔隙與小顆粒增多。蘭炭吸附劑失活后可以通過二次活化的方式提高其吸附性能，但衰減速度比新改性蘭炭要快。二次失活后，在酸蝕刻、水蒸氣擴孔等共同作用下致使骨架結構過度燒蝕而坍塌；改性蘭炭表面含氧基團的量和構成比例會影響吸附性能。含氧與含碳基團的比值與吸附性能相對應，含氧基團比例越高，吸附性能越差。二次活化再生改變了各含氧基團所占比例，令C=O顯著下降，O?C=O顯著增加，C?O變化不大。O?C=O官能團盡管含氧，但可能對吸附抑制作用不顯著。本研究將為工業煙氣治理提供一種新型吸附劑的制備方法，同時也為蘭炭表面改性以及二氧化硫吸附解吸機制的研究提供參考。

鋯合金熱擠壓用防護潤滑劑的試制與性能

趙帆, 趙乙丞, 齊鵬, 張志豪

2021, 43(2): 232-238. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.15.001

[摘要](1708)

[HTML全文] (875)

[PDF 987KB](45) [施引文獻] ()

摘要:
為滿足鋯合金熱擠壓時的潤滑與防護需求，試制了一種鋯合金熱擠壓用防護潤滑劑，主要成分包括有機硅樹脂、低軟化點玻璃粉、氧化鋁粉、二硫化鉬、石墨粉、滑石粉、云母粉等。實驗溫度為700～800 ℃時，采用圓環壓縮法測得涂覆有潤滑劑的Zr-4合金摩擦因子為0.19～0.25，潤滑效果良好。將有潤滑劑防護的鋯合金分別加熱至700、800和900 ℃并保溫1 h，未發生明顯氧化，熱防護性能良好。測定了有、無潤滑劑條件下Zr-4合金和H13模具鋼的界面接觸溫度隨接觸時間的變化曲線。當Zr-4合金和H13鋼的初始界面溫度分別約為700 ℃和350 ℃時，無潤滑劑時Zr-4合金表面溫度達到穩定的時間為7.7 s，界面換熱系數由250 W·m^?2·℃^?1增大至2700 W·m^?2·℃^?1；有潤滑劑時Zr-4合金表面溫度達到穩定的時間延長至12 s，界面換熱系數由131 W·m^?2·℃^?1增大至1900 W·m^?2·℃^?1。這表明該潤滑劑具有較好的高溫熱障性能。

氧化石墨烯摻雜量與pH值對石墨烯氣凝膠儲能性能的影響

郭志成, 辛青, 臧月, 林君

2021, 43(2): 239-247. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.07.001

[摘要](7420)

[HTML全文] (1219)

[PDF 1335KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
采用溶膠凝膠法制備石墨烯氣凝膠（GA），并研究了前驅液中的pH值與氧化石墨烯（GO）的質量分數對GA材料儲能性能的影響。使用X射線粉末衍射（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、氮氣吸脫附分析、掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品微觀結構與形貌進行表征。用循環伏安（CV）、恒流充放電（CP）、電化學交流阻抗（EIS）測試了樣品的電化學性能。結果表明，前驅液中的pH值及GO質量分數的不同會影響GA中團簇顆粒的大小和數量，進一步影響GA三維結構。在pH值為6.3、GO 的質量分數為1%時，制得的GA比表面積最大為530 m²?g^?1，在1 A?g^?1的電流密度下比電容高達364 F?g^?1。此外，將該材料制成對稱超級電容器具有高的庫倫效率，在1 A?g^?1下進行CP測試，得到電容器的比電容為98 F?g^?1，循環800次后其循環穩定性能為初始比電容值的95.9%。

傾斜板法制備9Cr18半固態坯料二次重熔的微觀組織演變

王永金, 宋仁伯

2021, 43(2): 248-254. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.12.003

[摘要](1427)

[HTML全文] (696)

[PDF 2070KB](37) [施引文獻] ()

摘要:
研究利用傾斜板法制備的9Cr18半固態坯料在二次重熔過程中微觀組織演變，以期對后續觸變成形提供必要的理論基礎。研究結果表明，采用傾斜板澆注法可以得到優質的9Cr18半固態坯料，其典型組織為初生固相奧氏體（γ₁）球狀晶粒和晶界網狀組織構成，網狀組織為二次奧氏體（γ₂）和M₇C₃碳化物液相共晶組織。球狀晶粒的平均直徑為93.5 μm，形狀因子0.69，半固態坯料球狀晶粒邊界光滑，大小相對均勻。固液兩相中Fe、C、Cr存在著明顯的元素差異。液相組織中Cr、C元素富集，固相中Fe含量較高。采用波浪形傾斜板法制備的9Cr18合金半固態坯料重熔組織形貌優于傳統鑄錠重熔組織。半固態坯料重熔后的組織化學成分更為均勻，晶粒也更圓整，固液界面平滑，且加熱溫度越高，晶粒越圓整，液相率越高。二次重熔后碳化物尺寸明顯減小，平均寬度僅為0.5 μm，長度大大減小使得其形態接近粒狀。

低合金結構鋼腐蝕的影響因素及其耐蝕性判據

趙起越, 范益, 范恩點, 趙柏杰, 黃運華, 程學群, 李曉剛

2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002

[摘要](2083)

[HTML全文] (924)

[PDF 2282KB](127) [施引文獻] ()

摘要:
通過對不同廠家或產線生產的相近成分和顯微組織的8種低合金工程結構鋼樣品進行中性鹽霧加速腐蝕試驗，結合成分測試、微觀組織分析、腐蝕產物分析及數據統計與計算擬合等方法，提出了評價低合金結構鋼耐蝕性的綜合耐蝕指數及其包含鋼材成分、夾雜物、組織及晶粒度等多因素的數學表達式。研究結果表明，低合金工程結構鋼的耐蝕性除與傳統的耐蝕指數I相關外，還受鋼中夾雜物、顯微組織、晶粒度等多種材料因素的耦合影響，其影響程度按從大到小排序依次為耐蝕合金元素所決定的耐蝕指數I、夾雜物總量、珠光體含量和晶粒度級別。綜合耐蝕指數Y可作為比耐蝕指數I指數更有效的低合金鋼耐蝕性判據，具有重要的工程應用價值。

金屬薄板面內壓剪變形的損傷斷裂行為

錢凌云, 馬騰云, 安鵬, 紀婉婷, 孫朝陽

2021, 43(2): 263-272. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002

[摘要](3138)

[HTML全文] (643)

[PDF 1361KB](71) [施引文獻] ()

摘要:
相變誘導塑性鋼（TRansformation induced plasticity, TRIP）作為常用的先進高強鋼在汽車等交通工具的輕量化方面有廣泛的應用前景。而對于其復雜零件的成形過程，韌性斷裂是不可忽視的問題之一。本文針對現有實驗裝置不易誘發薄板承受面內壓剪時斷裂失效，從而無法研究板料負應力三軸度區間斷裂行為的問題，以高強鋼TRIP800薄板為研究對象，設計了可在單向試驗機完成壓剪實驗的試樣和夾具。通過調整夾具旋轉角度和試樣裝夾位置可以實現同一種試樣在廣泛的負應力三軸度范圍內進行壓剪斷裂分析。基于ABAQUS/Explicit平臺建立了三個典型加載方向20°、30°和45°對應的壓剪過程有限元模型，分析表明：三種情況的試樣局部變形區域的應力三軸度都小于0且斷裂點的應力三軸度低至?0.485，驗證了設計的裝置可實現負應力三軸度區間的斷裂失效分析，同時基于MMC斷裂準則分析了不同應力狀態的初始損傷情況及損傷擴展路徑。

型砂材質與擠壓成形工藝對砂型表面性能的影響

郭莉軍, 單忠德, 劉麗敏, 姜二彪

2021, 43(2): 273-278. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.15.002

[摘要](1712)

[HTML全文] (905)

[PDF 844KB](39) [施引文獻] ()

摘要:
以數字化柔性擠壓成形砂塊為研究對象，通過設計單因素試驗進行了砂型種類、粘結劑質量分數及擠壓壓力對型腔表面質量影響規律的研究，進而得出高精度樹脂砂型擠壓成形的最優參數組合。結果顯示：無模砂型外部與砂型內部的表面性能存在差異。不同砂型種類的砂型型腔表面性能不同，沙粒的角形系數對砂型型腔表面性能有較大影響。隨著砂型擠壓力的提高，砂粒之間的距離減小，砂粒并聯接觸方式增多，砂型在經過切削時，砂型表面產生裂紋的數量及延伸深度大幅減小，砂型型腔表面性能不斷提高。隨著樹脂質量分數的增大，砂粒的包覆厚度增大，從而砂粒的粘結橋增多，砂型強度增加，砂型切削時產生的裂紋數量減小，砂型型腔表面性能不斷提高。本文為真實獲得砂型表面質量提供了方法，有助于無模鑄造精密成形技術的推廣。

基于粒子群算法的轉爐用氧節能優化調度

孔福林, 童莉葛, 魏鵬程, 張培昆, 王立, 吳冰, 陳恩軍

2021, 43(2): 279-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.02.002

[摘要](2038)

[HTML全文] (838)

[PDF 1415KB](116) [施引文獻] ()

摘要:
針對鋼鐵空分企業氧氣放散率高、綜合能耗高的問題，建立了以減小轉爐用氧總量波動和降低系統能耗為目標的轉爐用氧調度模型。綜合考慮了吹煉區間時長不變、各吹煉區間起始時刻滿足工藝要求、鋼水溫度大于1250 °C、轉爐用氧調度前后變動最小等約束，以基于整數空間的粒子群（Particle swarm optimization, PSO）算法進行求解。同時，以國內某大型鋼鐵企業空分廠為案例，采用Pipeline Studio軟件建立該廠區氧氣管網輸配系統模型，對轉爐用氧調度的節能優化效果進行了驗證。結果表明，本文提出的轉爐用氧節能優化調度在研究時間段盡可能安排單臺轉爐生產，有效降低多臺轉爐吹氧重疊時間，在生產時間內錯峰用氧，減小轉爐用氧總量波動，緩解氧氣供求不平衡的矛盾。在120 min研究時長內，調度前后系統氧氣放散量由1242.1 m³降低至0，相應的空分系統的電耗節約了1192.42 kW·h，氧壓機的壓縮能耗增大了41 kW·h，氧氣管網輸配系統節約總能耗為1151.42 kW·h。綜合計算來看，轉爐用氧調度應用到全年，預計減少氧氣放散總量5.44×10⁶ m³，節約氧氣管網輸配系統總能耗5.22×10⁶ kW·h。

基于雙維度搜索的地下自主鏟運機最優轉彎軌跡規劃

顧青, 劉立, 白國星, 孟宇

2021, 43(2): 289-298. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.09.002

[摘要](1045)

[HTML全文] (744)

[PDF 1570KB](52) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種基于雙維度搜索的實時軌跡規劃方法，用來解決自主地下鏟運機轉彎軌跡規劃問題。該方法是一種結合采樣思想和最優化算法的復合軌跡規劃方法，包含三個主要步驟：基于雙維度搜索策略的優化模型參數生成，基于二次規劃的軌跡計算，以及基于約束檢查的最優軌跡確定。該方法新穎之處在于提出的基于轉彎區域行駛時間和里程的雙維度搜索策略，以及基于平穩目標的軌跡最優化模型，可根據彎道區域入口速度和位置，快速生成縱橫向都有最優性保證的最優軌跡。該方法結構簡單、易于實施，可通過關鍵參數的調整滿足控制器對軌跡生成速度的實時性要求。基于該軌跡規劃方法的特點，使其不僅適用于實時軌跡規劃，還可為未來智慧礦山的智能管控與優化調度提供底層約束。多組算例驗證了該方法的有效性和優越性。