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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單　　價：40元/期，全年480元

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2010年第32卷第3期

欄目

資源與環境
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與建筑

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資源與環境

采空區頂板大面積冒落誘發沖擊氣浪模擬

鄭懷昌, 宋存義, 胡龍, 肖剛, 李明, 張曉君

2010, 32(3): 277-281,305. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.001

[摘要](220)

[PDF 558KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
基于采空區冒落過程中冒落巖體與空氣相互作用中能量的守恒與轉化,建立了沖擊氣浪風速模型,設計制作了模擬實驗測試裝置。實驗表明,隨著下落高度增加,沖擊氣浪風速增加幅度略有減緩,采用大斷面空間小尺寸的"打氣筒"模型計算能夠更好地反映冒落過程中的氣體流動過程,但應該以"打氣筒"和"繞流"的復合模型表征沖擊起浪。在實驗基礎上建立的實驗模型與理論模型有很好的相似性。

基于指標預處理的高原地下礦工作環境灰色聚類評價

唐志新, 楊鵬, 呂文生, 何丹, 董憲偉

2010, 32(3): 282-286. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.002

[摘要](350)

[PDF 449KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
從呼吸生理、熱感受和毒理學三個方面選取等效氧氣濃度、熱舒適有效溫度、空氣質量指數和粉塵濃度作為指標對高原井下的工作環境進行灰色定權聚類評價.運用模糊一致矩陣確定各指標聚類權,減少了主觀經驗因素.該方法考慮了高原地區的特殊情況,得出比較全面、客觀的結論.

難選鮞狀赤鐵礦深度還原-磁選實驗研究

倪文, 賈巖, 徐承焱, 鄭美娟, 王中杰

2010, 32(3): 287-291. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.003

[摘要](289)

[PDF 900KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對國內某種難選鮞狀赤鐵礦的特點,進行了深度還原-磁選實驗研究,探討了還原溫度、還原時間、二元堿度、磨礦細度和磁場強度等不同實驗條件對渣鐵分離效果和產品指標的影響.通過光學顯微分析、X射線衍射分析、SEM和化學分析等手段確定了原礦與產品的物相組成與特點.在還原溫度為1200℃、還原時間為2h及二元堿度為0.2的工藝條件下,獲得了品位為91.94%、回收率為95.85%的鐵精礦粉.分析表明,所得鐵精粉的品位高,有害雜質少.

冶金與材料

高褐鐵礦配比下提高燒結礦產質量指標

王躍飛, 吳勝利, 韓宏亮

2010, 32(3): 292-297. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.004

[摘要](234)

[PDF 417KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了在高褐鐵礦配比下提高燒結礦產質量指標,在把握燒結混勻礦特性的基礎上,通過微型燒結試驗和燒結杯試驗,研究了高褐鐵礦配比下燒結礦二元堿度、鈣質熔劑種類等因素對燒結黏結相數量、強度和類型,以及燒結礦產質量指標的影響.結果表明:在高褐鐵礦配比下,提高燒結礦二元堿度至2.0水平,并采取適當增加生石灰使用比例以及提高燒結抽風負壓和燒結料層高度的配合措施能夠改善燒結礦產質量指標.

各種鐵礦粉的同化性及其互補配礦方法

閻麗娟, 吳勝利, 尤藝, 裴元東, 張麗華

2010, 32(3): 298-305. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.005

[摘要](250)

[PDF 1327KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
對來自巴西、澳大利亞、南非以及國產的19種鐵礦粉的同化性進行了實驗測定和考察分析,在此基礎上研究了基于鐵礦粉同化性的互補配礦方法,并設計了九組燒結優化配礦方案.結果表明:(1)不同類型鐵礦粉的同化性存在顯著差異,巴西赤鐵礦和國產磁鐵礦的同化性低,而澳大利亞含結晶水的赤鐵礦的同化性高;(2)鐵礦粉的燒損含量、氣孔率和Al₂O₃含量等與其同化能力呈正相關關系;(3)SiO₂和Al₂O₃以黏土形式存在的鐵礦粉呈現出同化性較高的特征;(4)鐵礦物晶粒小的鐵礦石有相對高的同化性;(5)采用本研究的配礦方法,當劣質鐵礦粉用量達50%水平時,仍可獲得燒結技術指標和冶金性能優良的燒結礦,顯示出基于同化性的互補配礦技術的有效性和優越性.

TiO₂對連鑄保護渣非等溫結晶過程的影響

冀成慶, 謝兵, 雷云, 刁江, 齊飛

2010, 32(3): 306-311. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.006

[摘要](207)

[PDF 1253KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱絲法、X射線衍射(XRD)以及礦相方法研究TiO₂對保護渣非等溫結晶過程的影響.結果表明:槍晶石是含鈦保護渣的主要物相.在綜合堿度為1.3的基礎渣中加入質量分數2%～8%TiO₂后,隨著TiO₂的加入,渣樣開始析出了少量的Ca₂SiO₄、Ca₂Al(AlSi₇O₇)、Ca₂SiO₂F₂和CaTiO₃晶體.雖然加入TiO₂,促進了析晶種類的增加,但保護渣的結晶過程的時間延長,且保護渣的結晶速率和結晶率降低.因此,加入TiO₂后,抑制了保護渣的析晶,從而保證在控制渣膜熱流的前提下,提高玻璃態的比例以改善潤滑.

高級別管線鋼鈣處理效果評價標準

劉建華, 吳華杰, 包燕平, 秦海山, 臧紹雙, 張曉軍

2010, 32(3): 312-318. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.007

[摘要](208)

[PDF 609KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
對X70管線鋼進行了六爐鈣處理實驗.結果表明:鈣處理后管線鋼生產的后續工序中鋼中鈣含量顯著下降,夾雜物組成和形貌發生顯著變化;二次氧化會降低管線鋼鈣處理效果,但鋼中溶解鈣和較高CaO含量的CaO-Al₂O₃復合夾雜可對鋼水二次氧化產生的Al₂O₃發生改性作用;高級別管線鋼鈣處理效果與鋼中鈣含量、氧含量、硫含量、鋼水二次氧化程度以及鈣處理后續時間等有關,采用鋼中Ca含量、[%Ca]_Tot/[%Al]_s、[%Ca]_Tot/T[O]、ACR和[%Ca]_Tot/[%S]作為鈣處理效果的評判標準均存在缺陷.本文建議鈣處理效果評判標準為:①鑄坯中心部位或軋后板帶中心部位不存在單純的MnS夾雜;②中間包和結晶器中夾雜的n_{CaO/Al₂O₃}應該與12CaO·7Al₂O₃相近;③鈣處理后夾雜的n_{CaO/Al₂O₃}應稍高于12CaO·7Al₂O₃的夾雜.同時還必須注意鈣處理應在最后精煉工序的后期進行,盡量防止鋼水的二次氧化.

碳鋼連鑄凝固過程的微觀模擬

郭薇, 張立峰, 朱苗勇

2010, 32(3): 319-324. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.008

[摘要](252)

[PDF 653KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過一種簡單的數學模型研究了連鑄坯凝固過程中枝晶生長的重要微觀結構參數.結合中碳鋼連鑄性能計算出凝固過程中枝晶生長的尖端半徑、枝晶生長速率、二次枝晶臂間距等枝晶相關參數,并研究了拉速對上述微觀結構參數的影響.分析了碳、硅、錳、磷和硫等重要元素的微觀偏析程度隨凝固進程與坯殼生長的變化規律.與前人經驗模型的對比與驗證表明本文模型預測結果合理.

易切削鋼9SMn28凝固過程的CAFE法模擬

王金龍, 王福明, 李長榮, 張炯明

2010, 32(3): 325-330. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.009

[摘要](198)

[PDF 781KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為了耦合縮孔和疏松模擬凝固過程三維微觀組織,對元胞自動機-有限元(CAFE)法的物理本質和數值計算方法進行了分析,采用CAFE法對易切削鋼9SMn28鑄件進行了凝固過程、縮孔和疏松及三維微觀組織的模擬.模擬結果表明:在空冷條件下,鑄件表層的凝固是在連續降溫過程中進行的,內部是先等溫凝固,后降溫凝固;縮孔和疏松模擬結果與實際鑄件的基本相符;實現了9SMn28合金三維微觀組織的模擬,模擬結果與實驗吻合較好.

Cr3復合鑄鋼支承輥差溫熱處理過程

李莎, 吳春京, 蘇軍新, 張英杰

2010, 32(3): 331-335. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.010

[摘要](125)

[PDF 550KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以Cr3復合鑄鋼支承輥為研究對象,采用差溫熱處理工藝制備滿足性能要求的支承輥.研究了支承輥在差溫熱處理過程中的溫度分布情況,分析了軋輥工作層的硬度和組織,運用已開發的淬火溫度場模擬系統對支承輥油淬過程溫度場進行模擬,并將模擬結果與實測結果進行了比較.結果表明:使用差溫熱處理工藝可使支承輥的輥芯和輥身在加熱完成后得到不同的溫度,從而使其在隨后的淬火過程中得到不同的組織.支承輥經差溫熱處理工藝加熱后,軋輥工作層內的硬度和組織均滿足使用要求.運用已開發的淬火溫度場模擬系統對支承輥油淬過程進行模擬,模擬結果與實驗結果相吻合,證明該系統具有較高的可靠性,可用于熱處理工藝優化,能夠為實際生產提供定量的參考依據.

流動溫壓成型鐵基粉末冶金復雜件的脫脂工藝

胡昌旭, 倪東惠, 鄭軍君, 肖志瑜, 李元元

2010, 32(3): 336-339. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.017

[摘要](126)

[PDF 509KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
使用水霧化鐵粉等原料制備十字形試樣,對脫脂工藝、微觀組織進行了分析,得到的理想脫脂工藝為:先以較快的速率升溫到160℃,然后以1℃·min^-1的速率升溫到300℃,保溫0.5h,再以1.5℃·min^-1的速率升溫到450℃,保溫0.5h.燒結在1300℃進行.實驗結果表明,通過優化脫脂工藝,使用流動溫壓工藝,可以制備出成本低廉、形狀復雜的結構件.

包覆澆鑄和熱軋工藝制備Q235/CrWMn刀具材料

解國良, 劉靖, 韓靜濤, 韓曉光

2010, 32(3): 340-344. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.011

[摘要](121)

[PDF 768KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過包覆澆鑄+熱軋變形工藝,制備了Q235/CrWMn鋼復合刀具材料,并用掃描電子顯微鏡(SEM)和維氏硬度儀分析了復合材料的界面組織、成分和性能的變化規律.實驗結果表明,通過真空冶煉澆鑄以及變形量超過90%的熱軋工藝,可以實現兩種組元金屬材料之間的冶金結合,其中Cr、W等元素的過渡層寬度僅為10～40μm.隨后的熱處理研究發現,復合材料在830±5℃保溫后空冷或者油淬時,Q235一側為珠光體+鐵素體組織,CrWMn一側為馬氏體組織,其硬度可達600～750HV,使復合刀具材料同時具有較好的韌性和強度.

3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO₂腐蝕行為

胡麗華, 張雷, 許立寧, 路民旭

2010, 32(3): 345-350. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.012

[摘要](142)

[PDF 916KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用高溫、高壓反應釜和電化學技術對3Cr低合金管線鋼及焊接接頭的CO₂腐蝕行為進行研究.結果表明,3Cr低合金管線鋼在高溫、高壓CO₂腐蝕環境中表面生成致密的富Cr腐蝕產物膜,這是其抗CO₂腐蝕性能優于X65鋼的主要原因.3Cr低合金管線鋼焊接接頭中母材、熱影響區和焊縫的腐蝕產物膜特征相似,結構致密,均存在Cr元素的富集.與X65鋼相比,3Cr低合金管線鋼的自腐蝕電位較正,自腐蝕電流密度較低.在CO₂腐蝕介質中,3Cr低合金管線鋼焊接接頭的母材區域作為陽極首先發生腐蝕,焊縫和熱影響區作為陰極受到保護.

機械化學還原法制備Al₂O₃-Mo₃Si/Mo₅Si₃納米復合粉體

陳輝, 馬勤, 宋秋香

2010, 32(3): 351-354. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.013

[摘要](106)

[PDF 783KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
以MoO₃、Si粉和Al粉為原料,采用機械化學還原法制備了Al₂O₃-Mo₃Si/Mo₅Si₃納米復合粉體.利用X射線衍射(XRD)、激光粒度分析儀(LPS)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和差熱-熱重分析(DTA-TG)等對復合粉體和球磨過程中粉體的固態反應過程進行表征.結果顯示,MoO₃-Si-Al混合粉體球磨5h后轉變為Al₂O₃-Mo₃Si/Mo₅Si₃復合粉體,反應為機械誘導的自蔓延反應.球磨20h后,Mo₃Si、Mo₅Si₃和Al₂O₃的晶粒尺寸分別為27.5、23.3和31.8nm,產物具有納米晶結構,粉體平均粒度為3.988μm,顆粒呈球形,分布均勻.DTA分析表明,復合粉體在機械化學反應過程中首先發生MoO₃和Al之間的鋁熱反應,之后將發生一系列Mo和Si之間的反應,生成Mo₅Si₃和Mo₃Si.

Y³⁺和Eu³⁺離子共摻雜TiO₂納米材料的制備及其光催化性能

趙斯琴, 郭敏, 張梅, 王習東, 長山

2010, 32(3): 355-359. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.014

[摘要](143)

[PDF 731KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用溶膠-凝膠法制備了系列Eu³⁺和Y³⁺雙稀土離子共摻雜的TiO₂納米粉體,通過X射線衍射(XRD)、BET、掃描電子顯微鏡(SEM)、UV-Vis漫反射和熒光光譜分析等對樣品的微觀結構和性能進行了表征.結果表明:Eu³⁺和Y³⁺雙稀土離子共摻雜比Eu³⁺或Y³⁺單組分摻雜更能有效地抑制TiO₂納米晶體的晶型轉變,提高其比表面積;UV-Vis漫反射曲線均有一定的藍移現象;Eu³⁺和Y³⁺雙稀土離子共摻雜TiO₂納米體系中均能得到Eu³⁺特征發射光譜;以少量Y³⁺替代Eu³⁺時,Eu³⁺發光性能變得更強.以甲基藍溶液為目標污染物,考察了Eu³⁺和Y³⁺雙稀土離子共摻雜TiO₂納米粉體的光催化活性.結果表明,Eu³⁺和Y³⁺雙稀土離子共摻雜比單組分摻雜更能有效地提高TiO₂納米粉體的光催化活性,并且Eu³⁺和Y³⁺稀土離子的最佳摻雜配比為1:4.

剛玉-莫來石推板高溫行為和顯微結構

衛曉輝, 王金相, 孫加林, 李福燊, 孫庚辰, 張振燕

2010, 32(3): 360-365. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.015

[摘要](121)

[PDF 1609KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用三點彎曲法對兩種剛玉-莫來石推板產品的高溫斷裂強度和1400℃下的高溫抗彎蠕變進行了對比研究.結果表明,進口推板材料具有較高的高溫斷裂強度和較好的高溫抗彎蠕變性能,其結構特點是以紅柱石顆粒為骨料,基質中形成良好的薄膜狀莫來石結合剛玉的結構,玻璃相含量極低.國產推板盡管基質中莫來石已形成網絡結構,但內部存在少量玻璃相,使得高溫斷裂強度較低,高溫抗彎蠕變性較差.莫來石形態和玻璃相的存在是影響材料高溫性能的決定因素.

混凝土致密堆積模式及不同密度骨材的混凝土工程性質

彭予柱, 黃兆龍

2010, 32(3): 366-369,402. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.022

[摘要](136)

[PDF 480KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
從混凝土致密堆積配比設計邏輯出發,研究了不同密度骨材(水庫廢棄淤泥燒結的骨材、天然骨材(石頭)與實心鋼珠為混凝土骨材,骨材密度分別為1.7、2.6和7.8kg·m^-3)經致密配比的堆積,獲得了輕質、常重與重質高性能混凝土的材料及其配比關系,對比分析了不同密度骨材混凝土特性包括新拌性質及硬固行為的影響.

設備與能源

方管鋁型材噴水冷卻溫度場模擬及影響因素分析

何艷兵, 楊海波, 李烈軍, 曹新春

2010, 32(3): 370-374. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.016

[摘要](122)

[PDF 557KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決方管鋁型材冷卻不均的問題,利用有限元分析軟件Fluent,對方管鋁型材噴水冷卻的溫度場進行了三維瞬態數值模擬,分析了方管鋁型材特征點的溫度場變化規律,研究了擠出成形速度、噴嘴縱向間距及噴嘴橫向間距對方管鋁型材冷卻溫度場的影響.結果表明:擠出成形速度和噴嘴縱向間距對方管鋁型材縱向溫度場影響明顯,而噴嘴橫向間距對溫度場的影響主要表現在橫向上.采用最大的擠出成形速度、最小的噴嘴縱向間距和80mm的噴嘴橫向間距可以得到較均勻的冷卻溫度場.

全柔性微位移放大機構性能與參數關系

邱麗芳, 吳國昌, 李疆, 翁海珊

2010, 32(3): 375-379. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.020

[摘要](127)

[PDF 636KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于長柔性桿設計了一種新的微位移放大機構結構形式,根據推導出的力-位移關系及放大比關系分析了機構主要性能與機構參數的關系.通過一組實例的理論計算與有限元仿真,分析得到該機構主要結構參數對機構性能的不同影響效果.

升降法試驗C-R-S曲線及疲勞極限研究

邊新孝, 李威, 邱麗芳, 談嘉禎

2010, 32(3): 380-383. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.018

[摘要](148)

[PDF 352KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為獲得安全可靠的疲勞極限,提出了處理升降法試驗數據置信限-可靠度-應力(C-R-S)曲線方法.把升降法的應力水平和可靠度作為隨機變量,進行了最優分布檢驗和參數估計,確定置信限,按三參數Weibull分布、采用最小二乘法擬合C-R-S曲線,獲得具有一定置信限和可靠度的疲勞極限.通過38SiMnMo調質齒輪彎曲疲勞強度升降法試驗,獲得置信限為95%、可靠度為99%的彎曲疲勞極限應力為283.76MPa,位于GB3480極限應力框圖內,表明該方法是可行的.

粗糙微通道內稀薄氣體流動與換熱的蒙特卡洛直接模擬

林林, 王愛國, 張欣欣

2010, 32(3): 384-389. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.023

[摘要](105)

[PDF 789KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用Delaunay三角化方法對計算區域進行網格劃分,開發了適合于非結構化網格的蒙特卡洛直接模擬程序,并對程序的正確性進行了驗證.在此基礎上模擬分析了粗糙元為三角形的平行平板間微通道內稀薄氣體的二維流動與換熱.通道進出口壓力固定,上下平板溫度恒定.計算分析了粗糙元高度、寬度以及分布密度的影響.結果表明:微通道內粗糙元對流動與換熱有明顯的擾動;隨著粗糙元的變大,速度跳躍顯著,甚至出現漩渦,增加了通道內的壓力損失;但粗糙元增強了微通道壁面與氣體之間的換熱.

基于特征波形稀疏匹配的滾動軸承故障模式識別

王國棟, 黎敏, 陽建宏, 徐金梧

2010, 32(3): 390-396. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.019

[摘要](145)

[PDF 683KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種基于特征波形稀疏匹配的滾動軸承故障模式識別方法.該方法通過自行設計的搜索算法從信號中提取多段特征波形,并對其進行學習優化,以優化后的特征波形作為基原子模型生成原子庫及模式匹配庫.將待識別信號在模式匹配庫上進行一階匹配分析,實現軸承故障的模式識別.對正常軸承、滾動體故障、內圈故障和外圈故障信號進行實驗,驗證了方法的有效性和魯棒性.

控制與決策

基于粒子群算法的移動機器人全局路徑規劃策略

李擎, 徐銀梅, 張德政, 尹怡欣

2010, 32(3): 397-402. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.024

[摘要](221)

[PDF 779KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種基于保收斂粒子群優化算法的移動機器人全局路徑規劃策略,為移動機器人在有限時間內找到一條避開障礙物的最短路徑提供了一種解決方案.首先建立環境地圖模型,將連接地圖中起點和終點的路徑編碼成粒子,然后根據障礙物位置規劃出粒子的可活動區域,在此區域內產生初始種群,使粒子在受限的區域內尋找最優路徑.在搜索過程中,粒子群優化算法的加速系數和慣性權重均隨迭代次數自適應調節.仿真實驗表明算法可在起點與終點之間找到一條簡單安全的最優路徑.與其他文獻所提的方法進行了對比研究,結果表明本文所提算法具有更快的搜索速度和更高的搜索質量.

土木與建筑

橋墩與水相互作用的振動臺試驗

宋波, 張國明, 李悅

2010, 32(3): 403-408. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.03.021

[摘要](101)

[PDF 1250KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以南京長江三橋南塔墩作為工程背景,并按照1:50的相似比設計出橋墩的模型,并選取正弦波和天津波作為加載的波形,在無水與有水兩種狀態下開展了振動臺試驗.試驗數據表明,承臺部分的加速度視加載波形峰值的不同有20%到40%的增幅,位移、應變等也有相應的增幅.通過試驗得出的動水壓力沿高程分布圖表明,動水壓力的分布與地震波強度明顯相關.