工程科學學報

超級絕熱型防火材料的研究進展及其在城市地下空間的應用展望

超級絕熱型防火材料,是一種具有納米孔隙結構及超低導熱系數的無機材料,可分為溶膠-凝膠法氣凝膠復合材料和氣相法氧化物納米粉末基材料兩種.其基礎組成氧化物為SiO<sub<2</sub<和更高熔點的Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<、ZrO<sub<2</sub<,且研究發現合適的復合組元比單組元在火災溫度下具有更好的耐熱穩定性.紅外遮光劑是顯著降低材料高溫導熱系數的關鍵組分,通過比紅外消光系數測定以及基于Mie散射理論等的數值計算為紅外遮光劑的合理選擇提供了依據.超級絕熱型防火材料,具有高效防火的特點,只要很小的厚度就能達到較高的耐火等級.隨著氣凝膠材料從超臨界干燥向常壓干燥的發展,以及超級絕熱型防火材料總體生產成本的降低,這種材料將在城市地下空間被動防火系統中發揮重要的作用.

工程科學學報. 2017 39(6): 811-822.

基于過渡金屬氧化物載氧體的煤礦通風瓦斯處理性能

采用反應管對基于過渡金屬氧化物載氧體的煤礦通風瓦斯(VAM)處理性能展開了研究.結果表明,經活化后的三種載氧體均能將CH<sub<4</sub<完全轉化為CO<sub<2</sub<,其活性順序為CuO60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub< < NiO60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub< < Fe<sub<2</sub<O<sub<3</sub<60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<;基于CuO60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<的CH<sub<4</sub<轉化率隨空速的增加而減小,隨CuO負載量和床層溫度的升高而增大;煤礦通風瓦斯中的CH<sub<4</sub<濃度越低,CH<sub<4</sub<轉化率達到90%所需的床層溫度就越低;對活性物質低分散高負載的CuO60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<和活性物質高分散低負載的CuO5.5/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<兩種CuO/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<系載氧體進行了比較,發現兩種載氧體的CH<sub<4</sub<轉化機理均包含有化學鏈燃燒和催化燃燒兩種機理,基于催化燃燒機理的CH<sub<4</sub<轉化率在一定溫度下存在極大值,當床層溫度高于該極大值溫度時,化學鏈燃燒對CH<sub<4</sub<轉化率的貢獻明顯大于催化燃燒對CH<sub<4</sub<轉化率的貢獻;相同條件下,CuO5.5/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<的初期活性優于Cu60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<,但CuO60/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<的活性穩定性優于CuO5.5/γ-Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<.

工程科學學報. 2017 39(6): 823-829.

超微細鐵精礦的粒度特性和潤濕性對其成球性能的交互影響

以產自澳洲Pilbara礦區和國內東北地區的兩種磁鐵精礦作為研究對象,基于Washburn公式所構建的臥式薄板毛細滲透裝置,針對粒度特性研究其潤濕性對成球性能的影響,并輔以成球性能、造球試驗和生球性能檢測等一系列的研究,探究鐵精礦超微細粒度特性和潤濕性對其成球性能的交互影響.結果表明:超微細的粒度特性和潤濕性對成球性能產生了較大影響.微細的粒度特性帶來的較好的潤濕性對提高生球的抗壓強度有利.然而,超微細粒度和較窄的粒級分布不利于生球內形成較合理的毛細管半徑,進而限制其熱穩定性的提高.

工程科學學報. 2017 39(6): 830-837.

高爐爐缸凝鐵層物相分析

在高爐爐缸破損調研的基礎上對高爐爐缸耐火材料熱面凝鐵層進行取樣,利用掃描電子顯微鏡、物相分析等分析手段揭示了凝鐵層的物相組成,并運用Thermol-calc熱力學計算軟件結合TCFE8數據庫對鐵水中石墨碳的析出溫度及析出相分數進行了計算,最后揭示了爐缸凝鐵層物相的形成機理.結果表明,高爐爐缸凝鐵層主要由Fe相和石墨碳相交替分布組成,鐵水成分對石墨碳析出溫度影響較大,石墨碳析出溫度遠高于鐵水凝固溫度,鐵水中C、Si元素含量對石墨碳析出相分數影響較大,而石墨碳析出相可增大鐵水黏度11.9%.凝鐵層中石墨碳的析出主要是由于Fe-耐火材料界面溫度低于石墨碳析出溫度,使得鐵水中C不斷向耐火材料熱面遷移,進而形成Fe-C交替的分層結構.

工程科學學報. 2017 39(6): 838-845.

鈦稀土復合處理對C-Mn鋼粗晶熱影響區組織及韌性的影響

利用Gleeble-1500D熱模擬機進行焊接熱影響區熱循環模擬實驗,研究了在焊接熱輸入為65 kJ·cm<sup<-1</sup<時稀土單獨處理和鈦稀土復合處理對C-Mn鋼粗晶熱影響區組織及沖擊韌性的影響,并利用掃描電鏡觀察和分析了實驗鋼中的夾雜物和沖擊斷口形貌,利用光鏡觀察了熱循環模擬后實驗鋼中的微觀組織.實驗結果表明:稀土單獨處理和鈦稀土復合處理的試樣微觀組織分別主要是晶界鐵素體+塊狀鐵素體+針狀鐵素體和晶界鐵素體+晶內針狀鐵素體.經稀土單獨處理的試樣中夾雜物為La<sub<2</sub<O<sub<2</sub<S+錳鋁硅酸鹽+MnS復合夾雜;鈦稀土復合處理的試樣中的夾雜主要是La<sub<2</sub<O<sub<2</sub<S+TiO<sub<<i<x</i<</sub<+錳鋁硅酸鹽+MnS復合夾雜.鈦稀土復合處理鋼中的復合夾雜更細小,有利于形成細小的晶內針狀鐵素體.鈦稀土復合處理極大地改善了實驗鋼的焊接熱影響區低溫沖擊韌性,比稀土單獨處理對試樣的沖擊性能提升效果更好.

工程科學學報. 2017 39(6): 846-853.

析出強化與孿晶強化在Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP鋼退火過程中的作用機制

對Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP鋼在不同退火工藝下進行力學性能測試,采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察鋼的微觀組織形貌.結果表明:隨著退火溫度和保溫時間的變化,TWIP鋼的力學性能并不符合常規的單調上升或下降的規律,而在退火溫度為800℃、保溫10 min和退火溫度為900℃、保溫20 min時發生波動.退火溫度為800℃、保溫10 min條件下,鋼的主要強化機制為析出強化,析出相(Fe,Mn)<sub<23</sub<C<sub<6</sub<的增多導致屈服和抗拉強度升高;退火溫度為900℃、保溫20 min條件下,鋼中的析出相并未有明顯的變化,而二次孿晶的產生及孿晶相互交割成為抗拉強度增加的主導因素.

工程科學學報. 2017 39(6): 854-858.

Nb-Ti微合金化熱沖壓成形用鋼的微觀組織與力學性能

利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)對Nb-Ti微合金化熱成形鋼的微觀組織進行觀察,采用Kahn撕裂試驗對其韌性和撕裂性能進行了研究,并利用Thermo-Calc熱力學軟件對其析出行為和析出粒子成分進行分析計算.結果表明,含碳質量分數0.13%的熱成形鋼在Nb-Ti微合金化后的組織為馬氏體,和傳統熱成形鋼(22MnB5)相比其奧氏體晶粒、板條塊和板條束都得到細化,并且其抗拉強度達到1500 MPa以上,撕裂強度和單位面積裂紋擴展能分別達到1878 MPa、436 kN·m-1.在950℃奧氏體化時,Nb-Ti合金元素幾乎全部以析出粒子形式存在,能有效阻止奧氏體晶粒長大.另外在基體中主要存在兩種析出物,一種是尺寸在100~200 nm的Ti (C,N);另一種是納米級別的鈦鈮復合碳氮化物,能有效強化基體,提高強度.

工程科學學報. 2017 39(6): 859-866.

第二相粒子與織構對高強Cu-Ni-Si系合金薄板各向異性的影響

利用利用X射線衍射、電子背散射衍射和透射電子顯微鏡等手段研究了Cu-Ni-Si系合金在不同固溶溫度下第二相與織構對其平面各向異性的影響.結果表明:隨固溶溫度的升高,合金強度和伸長率均出現先升高后降低的趨勢,且存在明顯的各向異性;800℃固溶時,Cu'和S'為主織構,部分形變晶粒誘發少量Brass、Goss和{011}〈511〉取向的形成,使得合金各向異性減弱;高溫固溶時(≥ 850℃),晶粒發生完全再結晶,Cu'和S'織構強度顯著增加,Brass等織構減弱甚至消失,各向異性增強;850℃固溶時效后形成δ-Ni<sub<2</sub<Si析出相,并與基體滿足[001]<sub<Cu</sub<//[<span style="text-decoration:overline"<1</span<10]<sub<δ</sub<,(010)<sub<Cu</sub<//(001)<sub<δ</sub<位向關系,溫度進一步增加,第二相析出體積分數降低,有利于改善材料的各向異性.

工程科學學報. 2017 39(6): 867-874.

冷卻速度對圓形加載路徑下A319鋁合金多軸疲勞特性的影響

采用MTS809型電液伺服疲勞試驗機、掃描電鏡研究了不同冷卻速度對A319鋁合金圓形加載路徑下的疲勞特性.結果表明:當冷速為10℃·s<sup<-1</sup<時,材料中二次枝晶臂間距、硅顆粒及孔洞尺寸較冷速為0.1℃·s<sup<-1</sup<時要小.二次枝晶臂間距較小時,滯后回線面積小,材料應力應變近乎同相,且附加強化效果明顯.不同冷速條件下裂紋萌生位置不同,在冷速為10℃·s<sup<-1</sup<的材料中,裂紋在大硅顆粒處萌生,隨著冷速降低至0.1℃·s<sup<-1</sup<時,裂紋位于孔洞處萌生.對于A319鑄造鋁合金來說,冷速的變化對其軸向與切向循環特性并無直接影響,軸向表現為先硬化再軟化,切向表現為先硬化后穩定的趨勢.

工程科學學報. 2017 39(6): 875-881.

高溫濃硫酸中氟離子摻入對不銹鋼耐蝕性能的影響

采用浸泡法和電化學測試方法結合掃描電鏡和能譜儀研究了高溫濃硫酸中氟離子的摻入對304、2507以及904L三種不銹鋼耐蝕性能的影響.結果表明:氟離子的摻入對三種不銹鋼在濃硫酸中的腐蝕具有抑制作用,綜合來看,904L具有更為穩定的耐蝕性能;三種不銹鋼在高溫濃硫酸中由于生成了熱力學不穩定的硫化鎳而產生了活化轉鈍化現象,而摻入氟離子會和硫離子發生競爭使其排擠出電極表面,氟離子與鎳離子結合形成另外一種更穩定的阻擋層使不銹鋼耐蝕性提高.

工程科學學報. 2017 39(6): 882-888.

鑄鐵噴涂滲鋁工藝和性能

采用線材火焰噴涂制備鋁基涂層,隨后對涂層進行重熔和擴散處理.利用掃描電鏡、X射線衍射儀、能譜儀、摩擦磨損實驗儀等對涂層的成分、物相、耐高溫氧化性能、耐蝕性能等進行分析測試.結果表明:涂層分為兩層,外層的物相主要是Al、FeAl3、內層是Fe2 Al5和少量的FeAl3;顯微硬度有了很大程度的提高,峰值可達HV 950;滲鋁試樣在800、900℃進行高溫氧化實驗幾乎不增重,抗氧化性能較鑄鐵可提升幾十倍;同時試樣也兼具良好的耐摩擦磨損和耐腐蝕性能.

工程科學學報. 2017 39(6): 889-895.

超細晶鈦酸鋇基儲能陶瓷的性能與微觀結構

利用水基化學包覆法在納米鈦酸鋇粉體包覆氧化鋁、二氧化硅和氧化鋅等物質,并通過兩段式燒結法制備了平均晶粒尺寸120 nm的超細晶鈦酸鋇基儲能陶瓷.包覆層的存在抑制了晶粒生長和異常晶粒長大,同時將陶瓷的交流擊穿場強大幅提高至150 kV·cm<sup<-1</sup<以上,儲能密度達到0.829 J·cm<sup<-3</sup<.電子能量損失譜顯示,包覆摻雜的元素明顯偏聚于陶瓷晶界,形成具有芯-殼結構的晶粒.而高溫阻抗譜的測試和擬合結果則進一步解釋了陶瓷性能改善的原因.雖然此超細晶陶瓷的儲能密度并不十分突出,但其晶粒細小均勻、燒結溫度低,因而可用于制備多層陶瓷電容器,從而大幅提高儲能密度,這是常見的儲能陶瓷無法實現的.

工程科學學報. 2017 39(6): 896-902.

脈沖激光亦或電子束輻照對SUS316L奧氏體不銹鋼中空位擴散的影響

利用激光-超高壓電子顯微鏡系統在500℃對SUS316L奧氏體不銹鋼進行了電子束輻照和脈沖激光-電子束雙束同時輻照(以下簡稱:同時輻照),通過觀察和分析輻照后自由晶界處無空洞區域以及元素偏析,以電子束輻照結果為標準,對比研究了同時輻照對空位擴散的影響.結果表明:同時輻照后的無空洞區域寬度為48 ±16 nm,小于電子輻照的71 ±27 nm;不論在偏析程度還是偏析寬度上,同時輻照條件下Cr和Ni的偏析都小于對應的電子束輻照;同時輻照下空位的擴散通量僅為電子束輻照的45.7%.通過分析得出,和電子輻照相比,同時輻照促進了空位與間隙原子的再結合,限制空位向尾閭擴散,進而造成流入尾閭的空位數量減少,極大地抑制了輻照偏析與腫脹.脈沖激光-電子束雙束同時輻照可以為探索抑制腫脹方法提供新的思路.

工程科學學報. 2017 39(6): 903-908.

形態分量分析在滾動軸承故障診斷中的應用

滾動軸承局部故障振動信號中的周期性沖擊是識別故障的關鍵特征.形態分量分析在由多種形態原子組成的過完備字典基礎上提取信號中的不同形態成分,基于這種思想提出了一種基于新型過完備復合字典的形態分量分析方法.依據滾動軸承故障振動信號中分量間的形態差異性,改進字典后該方法可以更具針對性地提取出包含故障特征的沖擊分量,配合包絡譜分析準確提取故障特征頻率,診斷滾動軸承局部故障.對比基于快速譜峭度法的軸承故障診斷方法,該方法可以避免人為選擇共振帶產生的不準確性和非最優問題,提高了故障診斷效果.通過軸承仿真信號和故障實驗信號分析驗證了該方法的有效性.

工程科學學報. 2017 39(6): 909-916.

基于T-scan測量的薄壁鈑金件孔特征重構

針對目前對薄壁鈑金件孔測量的效率低,孔心位置和孔半徑測量方法上存在的不足,提出一種基于T-scan測量的薄壁鈑金件孔特征的重構方法.該方法用T-scan對薄壁鈑金件上孔進行掃描得到點云數據;根據點云數據中連續點的歐拉距離將點云數據劃分成掃描線點數據;對掃描線點云數據進行算法處理獲取位于平面上的點及孔的邊緣點;最后對平面上的點采用穩健特征值平面擬合得出平面參數,利用最小二乘空間圓擬合獲取孔心坐標值及孔徑大小,完成薄壁孔特征重構.通過對試驗件和薄壁鈑金件上孔進行測量處理,實驗表明該算法有很好的實用性且精度滿足鈑金件孔的實際檢測精度要求.

工程科學學報. 2017 39(6): 917-923.

螺旋槳清洗機器人超靈巧機械臂設計

針對輪船螺旋槳清洗時因空間結構曲面復雜而難清理的問題,設計一種搭載于水下吸附式機器人載體上的射流超靈巧機械臂(hyper-dexterous manipulator,HDM)清洗裝置.結合無骨架類生物肌肉高自由度特點構建超靈巧機械臂結構,采用虎克鉸接的連接方式替換相鄰關節連接處的柔性構件,兼顧了高壓水射流承載壓力高的特點.運用幾何分析法對單端機械臂進行正逆運動學建模,基于多關節連桿變換通式推導出基于等圓弧假設下的機械臂模型,進而得出其多關節驅動空間與操作空間的映射關系.仿真實驗和物理實驗對比結果表明,所設計的機械臂能夠達到期望的操作空間位姿,并能在加載實驗下保證一定的魯棒性.

工程科學學報. 2017 39(6): 924-932.

基于新型趨近律和擾動觀測器的永磁同步電機滑模控制

為了提高永磁同步電機的轉速控制性能,克服擾動對伺服控制的影響,提出了一種基于新型趨近律和擾動觀測器的滑模控制方法.設計了一種新型趨近律,以解決傳統趨近律滑模面趨近時間和系統抖振之間的矛盾,提高系統響應快速性.綜合考慮系統存在內部參數攝動和外部負載擾動,設計了滑模擾動觀測器,并將觀測值前饋補償到速度控制器輸出端;將觀測器切換增益設計為擾動觀測誤差的函數,以削弱滑模觀測值抖振.仿真結果顯示,與傳統趨近律相比,采用新型趨近律可有效提高系統的響應速度,快速準確的跟蹤速度階躍信號;滑模觀測器可準確的觀測系統擾動的變化;當系統加入負載擾動時,PI控制最大轉速波動值為75 r·min<sup<-1</sup<,而基于新型趨近律和擾動觀測器的滑模控制最大轉速波動值較小為30 r·min<sup<-1</sup<,魯棒性更好.實驗結果顯示,采用基于新型趨近律和擾動觀測器的滑模控制方法可以快速跟蹤400 r·min<sup<-1</sup<的速度指令,調節時間為0.12 s,穩態跟蹤誤差為±4 r·min<sup<-1</sup<,且轉速無超調;滑模觀測器可準確無超調的估計系統擾動值,進一步提高系統的抗擾動性能;當電機以400 r·min<sup<-1</sup<穩速運行時,加入0.6 N·m的負載擾動,基于新型趨近律和擾動觀測器的滑模控制方法最大轉速波動為23 r·min<sup<-1</sup<,與PI控制相比,轉速波動減小了8%.上述仿真和實驗結果具有較好的一致性,表明基于新型趨近律和擾動觀測器的滑模控制方法可以有效抑制滑模控制系統的抖振,提高轉速控制系統的魯棒性和動態響應性能.

工程科學學報. 2017 39(6): 933-944.

不平衡輸入三相-單相矩陣變換器電流解耦控制策略

分析了三相-單相矩陣變換器(3-1MC)輸入側低次諧波的產生原因,推導了功率補償拓撲結構下的輸出側與補償側調制函數約束關系式.研究輸入電壓不平衡下,含電容補償單元的3-1MC單網側電流反饋控制策略無法對輸入兩相旋轉坐標軸(dq軸)下的直軸與交軸電流分量實現無靜差控制,提出了在功率補償下對輸入三相電流作正序、負序dq軸分解,分別獨立對輸入雙dq軸下正序、負序電流作解耦內環,輸出側與補償側電壓加權合成為外環的雙閉環控制.實驗與仿真結果均表明該策略不僅使3-1MC具有功率補償功能,而且有效抑制了電壓不平衡引起的輸入電流與輸出電壓所含低次諧波,提高了3-1MC在單相用電場合的實用性.

工程科學學報. 2017 39(6): 945-952.

兩級選址-路徑問題的大規模鄰域搜索模擬退火算法

針對目前越來越普遍的多級配送模式,建立以總成本最小為目標函數的兩級選址-路徑問題模型,并提出了大規模鄰域搜索模擬退火算法進行求解.在模擬退火算法框架中,嵌入大規模鄰域搜索過程,包含破壞、重組和局部搜索方法,從而進一步提高算法在解空間中構建鄰域的范圍.采用兩級選址-路徑問題標準算例對算法求解效果進行驗證,并與標準模擬退火算法和國際已知最優解進行對比.結果顯示,所建模型和算法正確有效,并且在求解大規模問題時算法能夠取得相對更好的優化結果.

工程科學學報. 2017 39(6): 953-961.

能量均衡的間斷連接無線網絡數據轉發策略

針對間斷連接無線網絡中節點負載不均衡和能量資源受限的問題,提出了一種能量有效的數據轉發策略.該策略根據網絡運行的歷史相遇信息,充分考慮網絡特性,以分布式方式估計節點的活躍度、剩余能量和數據轉發率,準確地估計節點效用值,感知網絡節點的服務能力,以帕累托最優作為自適應選擇最佳下一跳中繼節點的理論依據,執行數據轉發操作,有效地解決了由于節點自私性所導致的網絡性能下降.數值結果表明,與其他能量管理機制相比,所提出的機制能夠均衡網絡節點負載,有效解決網絡"熱點"問題,延長網絡生存時間,使投遞率、時延等系統性能都得到大幅度提升.

工程科學學報. 2017 39(6): 962-971.