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2017年  39卷  第6期

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超级绝热型防火材料的研究进展及其在城市地下空间的应用展望
陈德平, 侯柯屹, 王立佳, 张竞扬
2017, 39(6): 811-822. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.001
摘要:
超级绝热型防火材料,是一种具有纳米孔隙结构及超低导热系数的无机材料,可分为溶胶-凝胶法气凝胶复合材料和气相法氧化物纳米粉末基材料两种.其基础组成氧化物为SiO2和更高熔点的Al2O3、ZrO2,且研究发现合适的复合组元比单组元在火灾温度下具有更好的耐热稳定性.红外遮光剂是显著降低材料高温导热系数的关键组分,通过比红外消光系数测定以及基于Mie散射理论等的数值计算为红外遮光剂的合理选择提供了依据.超级绝热型防火材料,具有高效防火的特点,只要很小的厚度就能达到较高的耐火等级.随着气凝胶材料从超临界干燥向常压干燥的发展,以及超级绝热型防火材料总体生产成本的降低,这种材料将在城市地下空间被动防火系统中发挥重要的作用.
基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯处理性能
吴举茂, 苏庆泉, 武永健, 杨海洋
2017, 39(6): 823-829. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.002
摘要:
采用反应管对基于过渡金属氧化物载氧体的煤矿通风瓦斯(VAM)处理性能展开了研究.结果表明,经活化后的三种载氧体均能将CH4完全转化为CO2,其活性顺序为CuO60/γ-Al2O3 > NiO60/γ-Al2O3 > Fe2O360/γ-Al2O3;基于CuO60/γ-Al2O3的CH4转化率随空速的增加而减小,随CuO负载量和床层温度的升高而增大;煤矿通风瓦斯中的CH4浓度越低,CH4转化率达到90%所需的床层温度就越低;对活性物质低分散高负载的CuO60/γ-Al2O3和活性物质高分散低负载的CuO5.5/γ-Al2O3两种CuO/γ-Al2O3系载氧体进行了比较,发现两种载氧体的CH4转化机理均包含有化学链燃烧和催化燃烧两种机理,基于催化燃烧机理的CH4转化率在一定温度下存在极大值,当床层温度高于该极大值温度时,化学链燃烧对CH4转化率的贡献明显大于催化燃烧对CH4转化率的贡献;相同条件下,CuO5.5/γ-Al2O3的初期活性优于Cu60/γ-Al2O3,但CuO60/γ-Al2O3的活性稳定性优于CuO5.5/γ-Al2O3.
超微细铁精矿的粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响
潘建, 田宏宇, 朱德庆, 杨聪聪, 徐梦杰
2017, 39(6): 830-837. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.003
摘要:
以产自澳洲Pilbara矿区和国内东北地区的两种磁铁精矿作为研究对象,基于Washburn公式所构建的卧式薄板毛细渗透装置,针对粒度特性研究其润湿性对成球性能的影响,并辅以成球性能、造球试验和生球性能检测等一系列的研究,探究铁精矿超微细粒度特性和润湿性对其成球性能的交互影响.结果表明:超微细的粒度特性和润湿性对成球性能产生了较大影响.微细的粒度特性带来的较好的润湿性对提高生球的抗压强度有利.然而,超微细粒度和较窄的粒级分布不利于生球内形成较合理的毛细管半径,进而限制其热稳定性的提高.
高炉炉缸凝铁层物相分析
焦克新, 张建良, 刘征建, 刘彦祥, 梁利生, 贾国栋
2017, 39(6): 838-845. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.004
摘要:
在高炉炉缸破损调研的基础上对高炉炉缸耐火材料热面凝铁层进行取样,利用扫描电子显微镜、物相分析等分析手段揭示了凝铁层的物相组成,并运用Thermol-calc热力学计算软件结合TCFE8数据库对铁水中石墨碳的析出温度及析出相分数进行了计算,最后揭示了炉缸凝铁层物相的形成机理.结果表明,高炉炉缸凝铁层主要由Fe相和石墨碳相交替分布组成,铁水成分对石墨碳析出温度影响较大,石墨碳析出温度远高于铁水凝固温度,铁水中C、Si元素含量对石墨碳析出相分数影响较大,而石墨碳析出相可增大铁水黏度11.9%.凝铁层中石墨碳的析出主要是由于Fe-耐火材料界面温度低于石墨碳析出温度,使得铁水中C不断向耐火材料热面迁移,进而形成Fe-C交替的分层结构.
钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及韧性的影响
张圣华, 宋波, 宋明明, 高启瑞
2017, 39(6): 846-853. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.005
摘要:
利用Gleeble-1500D热模拟机进行焊接热影响区热循环模拟实验,研究了在焊接热输入为65 kJ·cm-1时稀土单独处理和钛稀土复合处理对C-Mn钢粗晶热影响区组织及冲击韧性的影响,并利用扫描电镜观察和分析了实验钢中的夹杂物和冲击断口形貌,利用光镜观察了热循环模拟后实验钢中的微观组织.实验结果表明:稀土单独处理和钛稀土复合处理的试样微观组织分别主要是晶界铁素体+块状铁素体+针状铁素体和晶界铁素体+晶内针状铁素体.经稀土单独处理的试样中夹杂物为La2O2S+锰铝硅酸盐+MnS复合夹杂;钛稀土复合处理的试样中的夹杂主要是La2O2S+TiOx+锰铝硅酸盐+MnS复合夹杂.钛稀土复合处理钢中的复合夹杂更细小,有利于形成细小的晶内针状铁素体.钛稀土复合处理极大地改善了实验钢的焊接热影响区低温冲击韧性,比稀土单独处理对试样的冲击性能提升效果更好.
析出强化与孪晶强化在Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP钢退火过程中的作用机制
杨永刚, 米振莉, 江海涛, 李辉, 徐梅
2017, 39(6): 854-858. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.006
摘要:
对Fe-24Mn-3Si-3Al TWIP钢在不同退火工艺下进行力学性能测试,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)观察钢的微观组织形貌.结果表明:随着退火温度和保温时间的变化,TWIP钢的力学性能并不符合常规的单调上升或下降的规律,而在退火温度为800℃、保温10 min和退火温度为900℃、保温20 min时发生波动.退火温度为800℃、保温10 min条件下,钢的主要强化机制为析出强化,析出相(Fe,Mn)23C6的增多导致屈服和抗拉强度升高;退火温度为900℃、保温20 min条件下,钢中的析出相并未有明显的变化,而二次孪晶的产生及孪晶相互交割成为抗拉强度增加的主导因素.
Nb-Ti微合金化热冲压成形用钢的微观组织与力学性能
闻玉辉, 朱国明, 郝亮, 戴思雨, 康永林
2017, 39(6): 859-866. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.007
摘要:
利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对Nb-Ti微合金化热成形钢的微观组织进行观察,采用Kahn撕裂试验对其韧性和撕裂性能进行了研究,并利用Thermo-Calc热力学软件对其析出行为和析出粒子成分进行分析计算.结果表明,含碳质量分数0.13%的热成形钢在Nb-Ti微合金化后的组织为马氏体,和传统热成形钢(22MnB5)相比其奥氏体晶粒、板条块和板条束都得到细化,并且其抗拉强度达到1500 MPa以上,撕裂强度和单位面积裂纹扩展能分别达到1878 MPa、436 kN·m-1.在950℃奥氏体化时,Nb-Ti合金元素几乎全部以析出粒子形式存在,能有效阻止奥氏体晶粒长大.另外在基体中主要存在两种析出物,一种是尺寸在100~200 nm的Ti (C,N);另一种是纳米级别的钛铌复合碳氮化物,能有效强化基体,提高强度.
第二相粒子与织构对高强Cu-Ni-Si系合金薄板各向异性的影响
汪志刚, 冯兴宇, 杨泰胜, 张迎晖, 肖翔鹏
2017, 39(6): 867-874. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.008
摘要:
利用利用X射线衍射、电子背散射衍射和透射电子显微镜等手段研究了Cu-Ni-Si系合金在不同固溶温度下第二相与织构对其平面各向异性的影响.结果表明:随固溶温度的升高,合金强度和伸长率均出现先升高后降低的趋势,且存在明显的各向异性;800℃固溶时,Cu'和S'为主织构,部分形变晶粒诱发少量Brass、Goss和{011}〈511〉取向的形成,使得合金各向异性减弱;高温固溶时(≥ 850℃),晶粒发生完全再结晶,Cu'和S'织构强度显著增加,Brass等织构减弱甚至消失,各向异性增强;850℃固溶时效后形成δ-Ni2Si析出相,并与基体满足[001]Cu//[110]δ,(010)Cu//(001)δ位向关系,温度进一步增加,第二相析出体积分数降低,有利于改善材料的各向异性.
冷却速度对圆形加载路径下A319铝合金多轴疲劳特性的影响
戴礼权, 何国球, 叶赟, 吕世泉, 刘晓山, 王其桂
2017, 39(6): 875-881. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.009
摘要:
采用MTS809型电液伺服疲劳试验机、扫描电镜研究了不同冷却速度对A319铝合金圆形加载路径下的疲劳特性.结果表明:当冷速为10℃·s-1时,材料中二次枝晶臂间距、硅颗粒及孔洞尺寸较冷速为0.1℃·s-1时要小.二次枝晶臂间距较小时,滞后回线面积小,材料应力应变近乎同相,且附加强化效果明显.不同冷速条件下裂纹萌生位置不同,在冷速为10℃·s-1的材料中,裂纹在大硅颗粒处萌生,随着冷速降低至0.1℃·s-1时,裂纹位于孔洞处萌生.对于A319铸造铝合金来说,冷速的变化对其轴向与切向循环特性并无直接影响,轴向表现为先硬化再软化,切向表现为先硬化后稳定的趋势.
高温浓硫酸中氟离子掺入对不锈钢耐蚀性能的影响
于明飞, 向嵩, 马国强, 石维, 余稳, 冀宣名
2017, 39(6): 882-888. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.010
摘要:
采用浸泡法和电化学测试方法结合扫描电镜和能谱仪研究了高温浓硫酸中氟离子的掺入对304、2507以及904L三种不锈钢耐蚀性能的影响.结果表明:氟离子的掺入对三种不锈钢在浓硫酸中的腐蚀具有抑制作用,综合来看,904L具有更为稳定的耐蚀性能;三种不锈钢在高温浓硫酸中由于生成了热力学不稳定的硫化镍而产生了活化转钝化现象,而掺入氟离子会和硫离子发生竞争使其排挤出电极表面,氟离子与镍离子结合形成另外一种更稳定的阻挡层使不锈钢耐蚀性提高.
铸铁喷涂渗铝工艺和性能
胡宁, 樊自拴
2017, 39(6): 889-895. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.011
摘要:
采用线材火焰喷涂制备铝基涂层,随后对涂层进行重熔和扩散处理.利用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱仪、摩擦磨损实验仪等对涂层的成分、物相、耐高温氧化性能、耐蚀性能等进行分析测试.结果表明:涂层分为两层,外层的物相主要是Al、FeAl3、内层是Fe2 Al5和少量的FeAl3;显微硬度有了很大程度的提高,峰值可达HV 950;渗铝试样在800、900℃进行高温氧化实验几乎不增重,抗氧化性能较铸铁可提升几十倍;同时试样也兼具良好的耐摩擦磨损和耐腐蚀性能.
超细晶钛酸钡基储能陶瓷的性能与微观结构
刘佰博, 王晓慧, 李龙土
2017, 39(6): 896-902. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.012
摘要:
利用水基化学包覆法在纳米钛酸钡粉体包覆氧化铝、二氧化硅和氧化锌等物质,并通过两段式烧结法制备了平均晶粒尺寸120 nm的超细晶钛酸钡基储能陶瓷.包覆层的存在抑制了晶粒生长和异常晶粒长大,同时将陶瓷的交流击穿场强大幅提高至150 kV·cm-1以上,储能密度达到0.829 J·cm-3.电子能量损失谱显示,包覆掺杂的元素明显偏聚于陶瓷晶界,形成具有芯-壳结构的晶粒.而高温阻抗谱的测试和拟合结果则进一步解释了陶瓷性能改善的原因.虽然此超细晶陶瓷的储能密度并不十分突出,但其晶粒细小均匀、烧结温度低,因而可用于制备多层陶瓷电容器,从而大幅提高储能密度,这是常见的储能陶瓷无法实现的.
脉冲激光亦或电子束辐照对SUS316L奥氏体不锈钢中空位扩散的影响
杨苏冰, 杨占兵, 王会
2017, 39(6): 903-908. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.013
摘要:
利用激光-超高压电子显微镜系统在500℃对SUS316L奥氏体不锈钢进行了电子束辐照和脉冲激光-电子束双束同时辐照(以下简称:同时辐照),通过观察和分析辐照后自由晶界处无空洞区域以及元素偏析,以电子束辐照结果为标准,对比研究了同时辐照对空位扩散的影响.结果表明:同时辐照后的无空洞区域宽度为48 ±16 nm,小于电子辐照的71 ±27 nm;不论在偏析程度还是偏析宽度上,同时辐照条件下Cr和Ni的偏析都小于对应的电子束辐照;同时辐照下空位的扩散通量仅为电子束辐照的45.7%.通过分析得出,和电子辐照相比,同时辐照促进了空位与间隙原子的再结合,限制空位向尾闾扩散,进而造成流入尾闾的空位数量减少,极大地抑制了辐照偏析与肿胀.脉冲激光-电子束双束同时辐照可以为探索抑制肿胀方法提供新的思路.
形态分量分析在滚动轴承故障诊断中的应用
刘永兵, 周亚凯, 冯志鹏
2017, 39(6): 909-916. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.014
摘要:
滚动轴承局部故障振动信号中的周期性冲击是识别故障的关键特征.形态分量分析在由多种形态原子组成的过完备字典基础上提取信号中的不同形态成分,基于这种思想提出了一种基于新型过完备复合字典的形态分量分析方法.依据滚动轴承故障振动信号中分量间的形态差异性,改进字典后该方法可以更具针对性地提取出包含故障特征的冲击分量,配合包络谱分析准确提取故障特征频率,诊断滚动轴承局部故障.对比基于快速谱峭度法的轴承故障诊断方法,该方法可以避免人为选择共振带产生的不准确性和非最优问题,提高了故障诊断效果.通过轴承仿真信号和故障实验信号分析验证了该方法的有效性.
基于T-scan测量的薄壁钣金件孔特征重构
张杰, 黄翔, 李泷杲, 李琦
2017, 39(6): 917-923. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.015
摘要:
针对目前对薄壁钣金件孔测量的效率低,孔心位置和孔半径测量方法上存在的不足,提出一种基于T-scan测量的薄壁钣金件孔特征的重构方法.该方法用T-scan对薄壁钣金件上孔进行扫描得到点云数据;根据点云数据中连续点的欧拉距离将点云数据划分成扫描线点数据;对扫描线点云数据进行算法处理获取位于平面上的点及孔的边缘点;最后对平面上的点采用稳健特征值平面拟合得出平面参数,利用最小二乘空间圆拟合获取孔心坐标值及孔径大小,完成薄壁孔特征重构.通过对试验件和薄壁钣金件上孔进行测量处理,实验表明该算法有很好的实用性且精度满足钣金件孔的实际检测精度要求.
螺旋桨清洗机器人超灵巧机械臂设计
罗天洪, 王晴, 马翔宇
2017, 39(6): 924-932. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.016
摘要:
针对轮船螺旋桨清洗时因空间结构曲面复杂而难清理的问题,设计一种搭载于水下吸附式机器人载体上的射流超灵巧机械臂(hyper-dexterous manipulator,HDM)清洗装置.结合无骨架类生物肌肉高自由度特点构建超灵巧机械臂结构,采用虎克铰接的连接方式替换相邻关节连接处的柔性构件,兼顾了高压水射流承载压力高的特点.运用几何分析法对单端机械臂进行正逆运动学建模,基于多关节连杆变换通式推导出基于等圆弧假设下的机械臂模型,进而得出其多关节驱动空间与操作空间的映射关系.仿真实验和物理实验对比结果表明,所设计的机械臂能够达到期望的操作空间位姿,并能在加载实验下保证一定的鲁棒性.
基于新型趋近律和扰动观测器的永磁同步电机滑模控制
刘京, 李洪文, 邓永停
2017, 39(6): 933-944. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.017
摘要:
为了提高永磁同步电机的转速控制性能,克服扰动对伺服控制的影响,提出了一种基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法.设计了一种新型趋近律,以解决传统趋近律滑模面趋近时间和系统抖振之间的矛盾,提高系统响应快速性.综合考虑系统存在内部参数摄动和外部负载扰动,设计了滑模扰动观测器,并将观测值前馈补偿到速度控制器输出端;将观测器切换增益设计为扰动观测误差的函数,以削弱滑模观测值抖振.仿真结果显示,与传统趋近律相比,采用新型趋近律可有效提高系统的响应速度,快速准确的跟踪速度阶跃信号;滑模观测器可准确的观测系统扰动的变化;当系统加入负载扰动时,PI控制最大转速波动值为75 r·min-1,而基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制最大转速波动值较小为30 r·min-1,鲁棒性更好.实验结果显示,采用基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以快速跟踪400 r·min-1的速度指令,调节时间为0.12 s,稳态跟踪误差为±4 r·min-1,且转速无超调;滑模观测器可准确无超调的估计系统扰动值,进一步提高系统的抗扰动性能;当电机以400 r·min-1稳速运行时,加入0.6 N·m的负载扰动,基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法最大转速波动为23 r·min-1,与PI控制相比,转速波动减小了8%.上述仿真和实验结果具有较好的一致性,表明基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以有效抑制滑模控制系统的抖振,提高转速控制系统的鲁棒性和动态响应性能.
不平衡输入三相-单相矩阵变换器电流解耦控制策略
许宇翔, 葛红娟, 国海, 张应龙
2017, 39(6): 945-952. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.018
摘要:
分析了三相-单相矩阵变换器(3-1MC)输入侧低次谐波的产生原因,推导了功率补偿拓扑结构下的输出侧与补偿侧调制函数约束关系式.研究输入电压不平衡下,含电容补偿单元的3-1MC单网侧电流反馈控制策略无法对输入两相旋转坐标轴(dq轴)下的直轴与交轴电流分量实现无静差控制,提出了在功率补偿下对输入三相电流作正序、负序dq轴分解,分别独立对输入双dq轴下正序、负序电流作解耦内环,输出侧与补偿侧电压加权合成为外环的双闭环控制.实验与仿真结果均表明该策略不仅使3-1MC具有功率补偿功能,而且有效抑制了电压不平衡引起的输入电流与输出电压所含低次谐波,提高了3-1MC在单相用电场合的实用性.
两级选址-路径问题的大规模邻域搜索模拟退火算法
李想, 李苏剑, 李宏
2017, 39(6): 953-961. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.019
摘要:
针对目前越来越普遍的多级配送模式,建立以总成本最小为目标函数的两级选址-路径问题模型,并提出了大规模邻域搜索模拟退火算法进行求解.在模拟退火算法框架中,嵌入大规模邻域搜索过程,包含破坏、重组和局部搜索方法,从而进一步提高算法在解空间中构建邻域的范围.采用两级选址-路径问题标准算例对算法求解效果进行验证,并与标准模拟退火算法和国际已知最优解进行对比.结果显示,所建模型和算法正确有效,并且在求解大规模问题时算法能够取得相对更好的优化结果.
能量均衡的间断连接无线网络数据转发策略
杨鹏, 司书山, 许稳, 杨静, 张鸿
2017, 39(6): 962-971. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.06.020
摘要:
针对间断连接无线网络中节点负载不均衡和能量资源受限的问题,提出了一种能量有效的数据转发策略.该策略根据网络运行的历史相遇信息,充分考虑网络特性,以分布式方式估计节点的活跃度、剩余能量和数据转发率,准确地估计节点效用值,感知网络节点的服务能力,以帕累托最优作为自适应选择最佳下一跳中继节点的理论依据,执行数据转发操作,有效地解决了由于节点自私性所导致的网络性能下降.数值结果表明,与其他能量管理机制相比,所提出的机制能够均衡网络节点负载,有效解决网络"热点"问题,延长网络生存时间,使投递率、时延等系统性能都得到大幅度提升.