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关键词： 刀具磨损状态监测   堆叠自编码器   传感器突发故障   模型自适应调整  

摘要： 机械加工过程中,实时监测刀具磨损状态不仅可以提高刀具本身利用率,而且可以避免因刀具失效导致工件报废及机床故障等问题。传感器作为监测过程中数据获取的基础,传感器的正常工作对刀具磨损状态准确监测起着至关重要的作用。然而,在监测过程中,由于加工环境的恶劣、传感器接口松动或线路故障等问题,导致传感器突然故障,造成监测结果错误。因此,开展虑及传感器突发故障的刀具磨损状态在线监测技术对于保证生产质量、提高生产效率和降低生产成本等具有重要意义。为此,本文结合深度学习算法开展了虑及传感器突发故障的刀具磨损状态监测,采用加速度和声音传感器采集铣削加工过程中的振动和声音信息,建立了堆叠自编码器刀具磨损状态监测模型,针对传感器突发故障提出了监测模型自适应调整方法,开发了虑及传感器突发故障的刀具磨损状态监测软件,从而实现加工过程中刀具磨损状态准确高效监测。本文工作如下:首先,概述了刀具磨损机理和分析了刀具磨损状态监测信号。介绍了刀具磨损的原因、形态和过程以及刀具的磨钝标准;分析了基于多传感器刀具磨损状态监测的优势,确定了本文的刀具磨损状态监测信号为振动和声音信号,论述了监测信号的预处理方法。其次,提出了虑及传感器突发故障的刀具磨损状态监测方法。介绍了基于堆叠自编码器的刀具磨损状态监测模型,论述了堆叠自编码器模型的数学原理及训练方法;提出了在传感器突发故障的情况下,该堆叠自编码监测模型自适应调整的原理和方法;阐述了虑及传感器突发故障的刀具磨损状态监测流程。然后,建立了堆叠自编码器监测模型和仿真分析了模型自适应调整。开展铣削加工试验,采集了铣削过程中表征刀具磨损状态的声音信号、主轴振动信号和夹具振动信号;采用采集的监测信号,在MATLAB中建立了基于堆叠自编码器的刀具磨损状态监测模型;在MATLAB中模拟了传感器失效后监测模型自适应调整的各种情况,并对仿真结果进行了分析,仿真结果表明,该自适应调整方法可有效解决刀具磨损状态监测过程中传感器突发故障问题。最后,开发了刀具磨损状态监测软件。开发了基于LabVIEW的虑及传感器突发故障的刀具磨损状态监测软件,该软件具有参数设置、数据采集、刀具状态监测功能;开展铣削加工试验,验证了该软件的有效性。该软件实现了在实际加工过程中刀具磨损状态的实时监测,以及当传感器突发故障时,仍可准确地对刀具磨损状态进行监测。

关键词： 充填采矿   突变级数法   有限元数值模拟   管道磨损机理   耐磨材料研发  

摘要： 充填料浆的管道输送是一种高效、稳定、安全、绿色的输送方式,符合国家“十四五发展规划”对于生态环境的要求,也是绿色矿山的建设中至关重要的一环。但是,充填料浆大能力管道输送的稳定性问题以及充填管道由于输送过程中磨损引发的安全问题亟待解决。本论文针对金川矿区采用粗骨料高浓度自流充填存在的管道磨损严重、影响矿山安全生产等问题,研究了金川充填管道磨损的影响因素,同时分析了管道的磨损机理,研发了新型管道耐磨材料,以保证充填料浆的安全稳定输送,为金川矿区安全、高效低成本连续充填开采奠定基础。据此开展如下研究:对金川矿区充填材料物化特性、充填系统、充填工艺流程以及充填料浆流动性评价等充填现状进行调研分析。金川矿区充填系统管线复杂采用棒磨砂和废石粗骨料造成料浆离析,加剧充填钻孔和管道的磨损。在分析金川充填现状的基础上,对提高粗骨料充填料浆在管道输送过程中的流动性和稳定性进行研究。分析充填料浆工作特性(塌落度、稠度、分层度、泌水率)与配比因素(胶砂比、料浆浓度和外加剂掺量)之间的影响规律,建立粗骨料充填料浆可输稳定性优化模型,从材料选择、料浆配比等不同维度,探究减小粗骨料充填料浆管输阻力和降低管道的磨损风险的途径。研究粗骨料充填料浆自流输送对管道的冲击磨损风险。利用突变级数法建立充填管道磨损风险评估体系,对金川龙首矿管道磨损的风险等级进行评估,分析粗骨料充填料浆自流输送管道磨损的影响因素,并在此基础上进一步开展管道磨损影响因素试验,确定主要因素。采用ANSYS-FLUENT数值仿真模拟,分析不同的固相颗粒密度、流速以及质量浓度的料浆分别对垂直管、弯管、水平管等不同部位管壁的影响,研究了粗骨料与料浆在流动过程中复杂的相互作用以及高浓度混合骨料充填料浆在输送过程中的内部运动形态,针对不同的磨损区域,进行动量及能量的分析,探究管道磨损机理。在探究管道磨损机理的基础上,对提高充填管道材料的抗耐磨性进行研究。以充填管道为主要研究对象,探索以爆炸处理后的Fe-Mn-Al-C系轻质高锰钢作为管道材料的可能性。并对其组织性能进行研究,开发生产工艺简单、成本低、韧性高、高强度轻质的材料,满足充填对管道材料的性能要求。

关键词： 密封端面   浸渍石墨   织构薄膜   表面强化   摩擦试验  

摘要： 随着工业技术的进步与发展,机械密封运行的工况向着高温、高压和高速方向发展,对密封端面的材料及摩擦磨损性能提出了更高的要求。本文选取了典型的石墨/碳化硅密封端面配副,探究其端面浸渍及织构薄膜强化方法及端面配副的摩擦学性能。针对机械密封用浸渍树脂石墨、浸渍锑石墨和未浸渍石墨,试验研究了在不同载荷和温度等工况下的摩擦学性能。结果表明,高温下浸渍金属锑石墨的摩擦学性能最好,摩擦系数相比于浸渍树脂石墨降低约21.9%,比未浸渍石墨降低37.7%。载荷较高时,浸渍金属石墨能保持良好的润滑性能。常温下浸渍树脂与金属的石墨磨痕深度相比于浸渍前的石墨分别可降低80%和60%,浸渍树脂石墨耐磨性能更好。针对密封硬质端面,采用激光加工技术构造强化织构表面,试验研究了不同工况条件和不同织构尺寸参数对碳化硅-石墨配副摩擦学性能的影响规律。端面织构强化可以有效提升机械密封端面的摩擦学性能,经过对比得出摩擦学性能最好织构参数的摩擦系数下降48.2%,磨损量降低52.9%。获得在不同的工况参数下的最优的织构强化尺寸:织构分布间隔角度α=15°,织构边长尺寸a=7mm,织构旋转角度β=0°,织构深度h=20μm。采用ANSYS软件,分析了织构强化端面的接触状态。探究了织构强化密封端面的减磨原因。在碳化硅密封端面制备出类金刚石碳薄膜、氮化铬薄膜、氮化钛强化薄膜,实验分析了不同工况条件下的三种典型强化薄膜的摩擦学性能。分析结果表明,薄膜大幅提升了密封端面的摩擦学性能,比起光滑表面试验件分别相对减少了70%、71.9%和73.8%。在三种薄膜上进行织构强化,对织构薄膜强化后的机械密封端面试件进行了摩擦学性能研究。发现在与浸渍石墨对磨的摩擦实验中,织构薄膜有效地结合了织构与薄膜两种方法对密封端面强化的方法的优势,获得了更好的摩擦学性能。三种织构薄膜强化表面中,类金刚石织构薄膜对表面的减摩效果最为良好,最适合用于进行密封端面的表面强化。通过本文的研究,得到了更好的密封端面减少摩擦,抵抗磨损的技术和方法。可以为拓宽端面密封工作范围,增加其运行寿命提供思路。

关键词： 故障诊断   刀具磨损状态识别   特征选择   Fisher Score   乌鸦搜索算法   孪生支持向量机  

摘要： 随着智能化时代的来临,信息化技术不断促进着制造业的发展,传统制造逐渐向智能制造和高端制造转变,随着制造产业的升级,机械加工系统向着精密化、复杂化的方向发展,其中刀具作为加工系统中关键的执行部件,其磨损状态影响机床的工作效率和加工产品的质量,甚至造成人身安全等隐患。因此,研究刀具磨损状态对提升设备效率,机械加工产品的质量和保障人身安全有着重要意义,本文的主要研究工作如下:(1)对刀具磨损机理和刀具磨损的主要形式进行分析,利用CUSUM算法对刀具磨损阶段进行划分,考虑到刀具磨损变化阶段的特点作为后续的研究铺垫。(2)针对刀具不平稳的振动信号,利用角域重采样方法对不平稳振动信号进行重采样消除不平稳性,对重采样之后的振动信号进行多域特征提取,得到刀具磨损特征集。(3)提出基于Fisher Score的特征融合评价方法,对刀具磨损特征进行选择,利用特征单调性和鲁棒性构建综合评价系数并结合Fisher Score算法,计算刀具磨损特征的重要度评分,选择出评分高的特征,提升刀具磨损状态识别模型的识别速度和精准度。采用经典Fisher Score算法和Relief F算法进行对比分析,以验证基于Fisher Score的特征融合评价算法的有效性和优越性。(4)构建基于CSA-TWSVM的刀具磨损状态识别模型,利用乌鸦搜索算法(CSA)对孪生支持向量机(TWSVM)进行参数寻优,利用UCI数据集对CSA-TWSVM模型进行仿真分析,验证模型有效性和可靠性,将模型识别的刀具磨损状态与磨损真实值进行对比,证明了所提方法在刀具磨损状态识别上的高精度。最后,开发设计基于CSA-TWSVM刀具磨损状态识别模型的应用系统原型。

关键词： 铣削加工   SiCp/Al   刀具磨损   切削力建模   刀具磨损预报   表面质量  

摘要： 复合材料SiC/Al因其可设计性在航空航天领域得到广泛应用,常用于制作航空航天传感器支架等,属典型的难加工材料,加工时刀具磨损较快。使用镶齿刀进行加工时,每齿的磨损程度不尽一致,因而每个刀齿受到的切削力不同,导致加工过程不稳定。因此,为有效提高加工效率和加工表面质量,对不同工艺参数下的加工过程中每齿的磨损状态监测亟待研究。因此本文主要从磨损刀具切削力模型、不同齿磨损状态监测和加工参数优选等方面开展工作。主要内容如下:(1)完成了考虑刀具跳动的铣削力建模。依据斜角切削模型,建立了***/6092Al理想状态下的铣削力模型;考虑铣削过程中的刀具偏心及瞬时未变形切厚,采用遗传算法求解获取刀具跳动参数,构建了考虑刀具跳动的铣削力模型。实验结果表明,两次装夹下的切削力预测的标准误差分别下降了20.41%和72.33%。(2)完成了考虑不同刀齿非均匀磨损的铣削力模型。绘制出PCD刀具铣削该材料时每齿的寿命曲线;基于不同磨损程度对瞬时未变形切厚的影响,得到了考虑不同齿磨损程度的切削力模型,三组实验下切削力预测的标准误差与力幅值的比值在15%以内,验证了该模型的有效性。(3)完成了考虑不同齿磨损程度的刀具磨损预测模型。采用双向长短时记忆网络来预测刀齿的磨损程度,将不同磨损程度的刀齿组合进行切削试验,采集切削力数据,将工艺信息进行规范化编码;以实测的VB值和预测的VB值的均方误差作为损失函数,测试集中两齿磨损值的均方误差为3.2μm,其中测试集中误差小于5μm的样本比例为80.83%;将切削刃钝圆半径参数加入输入特征分析误差来源。(4)完成了刀具不同磨损程度和加工参数对加工表面粗糙度影响的研究。采用整体刀研究切削线速度、每齿进给量、轴向切深和刀具磨损程度对加工表面质量的影响规律,给出了最优加工参数范围。

关键词： 砷暴露   端粒长度   端粒磨损   出生队列   单核苷酸多态性   基因-环境交互作用  

摘要： 端粒(Telomere)是位于真核细胞染色体末端的DNA-蛋白质复合体,随着细胞的每次分裂而发生进行性磨损,当端粒长度(Telomere length,TL)随着磨损缩短到临界值时会触发细胞衰老或凋亡。因此,端粒长度是反映衰老和年龄相关疾病风险的重要生物标志物,也是死亡率的独立预测因子。端粒磨损发生在整个生命周期中,现有研究表明,端粒长度在生命早期的磨损最快,新生儿端粒长度及生命早期端粒磨损速率是决定成年期端粒长度的重要因素。因此,生命早期可能是决定终生端粒长度的关键窗口期。然而,目前关于出生至婴幼儿期端粒长度变化的研究较为缺乏,且影响生命早期端粒长度随年龄变化的因素尚不明确。孕期不良环境因素暴露可能通过影响生命早期端粒磨损速率从而对成年期疾病易感性和寿命产生长期影响。砷是一种在自然环境中广泛存在的环境污染物,孕妇和胎儿作为敏感人群,更容易受到砷暴露的影响。尽管已有流行病学研究探索了砷暴露对端粒长度的影响,但研究结果尚不一致。而且,目前大部分研究只测量总砷的水平,而缺乏对不同形态砷及砷代谢能力的评估。另外,遗传因素也被认为在决定个体的端粒长度中起着重要作用,一系列全基因组关联分析研究(Genome wide association study,GWAS)陆续报道了多个与端粒长度相关的遗传变异,然而,有关基因多态性与生命早期端粒长度纵向变化的队列研究还鲜有报道。因此,本研究基于一项前瞻性出生队列,从孕妇和新生儿围产期基本特征、孕期砷暴露和端粒相关基因遗传变异多个维度探讨新生儿和3岁儿童端粒长度及端粒磨损的影响因素,进一步探索孕期砷暴露和端粒相关基因多态性在与儿童端粒磨损关联中的交互作用。第一部分新生儿和3岁儿童端粒长度及端粒磨损的基本特征及影响因素研究目的:探究新生儿及3岁儿童端粒长度和端粒磨损的基本特征和一般影响因素。方法:本研究基于在武汉市妇女儿童医疗保健中心建立的出生队列。研究对象为在2014至2017年采集了新生儿脐带血和3岁时外周血的共879对母亲-儿童。通过问卷调查和系统病历记录获取孕妇和新生儿的一般人口学特征、孕期生活习惯、孕期营养补充和妊娠期并发症等信息。通过荧光定量PCR法测定新生儿脐带血和3岁儿童外周血中白细胞相对端粒长度,以评估三年间端粒磨损率。采用广义线性回归模型,探究新生儿和3岁儿童的端粒长度及端粒磨损率的潜在影响因素。结果:新生儿和3岁儿童相对端粒长度几何均数分别为0.86和0.68(T/S值),儿童三年间相对端粒长度显著下降(P<0.001),三年间端粒磨损率中位数(四分位间距)为-5.12(-43.18,40.06)。多元线性回归分析结果显示,与母亲文化程度较低组(高中及以下)的新生儿相比,母亲文化程度较高组(高中以上)的新生儿端粒长度多10.80%(95%CI:2.68%,19.56%;P=0.008);与男孩新生儿相比,女孩新生儿端粒长度多6.36%(95%CI:0.22%,12.88%;P=0.042);与母亲孕期夜间睡眠时长为7～9小时的儿童相比,母亲孕期夜间睡眠时长小于7小时的儿童三年端粒磨损率增加20.45%(95%CI:-40.04%,-0.87%;P=0.041)。对性别进行分层分析发现,与母亲孕前体质指数(Body mass index,BMI)正常(18.5～23.9 kg/m)的男孩相比,母亲孕前BMI≥24 kg/m的男孩三年端粒磨损率增加19.38%(95%CI:-37.88%,-0.87%;P=0.040);与母亲未患妊娠期糖尿病的男孩相比,母亲患有妊娠期糖尿病的男孩三年间端粒磨损率增加23.57%(95%CI:-46.39%,-0.75%;P=0.043)。未观察到其他因素与新生儿和3岁儿童端粒长度及三年间端粒磨损率有统计学意义的关联(P>0.05)。结论:本研究发现女孩和母亲较高文化程度与较长的新生儿端粒长度显著正相关,母亲孕期夜间睡眠时长较短、孕前超重及妊娠期糖尿病与儿童三年间端粒磨损率增加显著相关。本研究为探索孕期暴露与终生疾病风险之间的潜在机制提供了新思路。第二部分孕期砷暴露与新生儿和3岁儿童端粒长度及端粒磨损的关联研究目的:评估孕早、中、晚三期孕妇尿砷代谢物浓度及砷代谢效率,探讨孕期砷暴露与新生儿和3岁儿童端粒长度及三年间端粒磨损率之间的关联。方法:研究对象为第一部分研究人群中提供了孕早、中、晚三期尿液样本的645对母亲-儿童。采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用仪(High performance liquid chromatography-inductively coupled plasma-mass spectrometry,HPLC-ICP-MS),检测尿中砷甜菜碱(Arsenobetaine,As B)、亚砷酸盐(Arsenite,As)、砷

关键词： 铣刀磨损   机器视觉   图像配准   注意力机制   误差补偿  

摘要： 随着现代制造业的发展,对数控机床的加工精度要求越来越高。尤其在难加工材料的铣削过程中,铣刀磨损非常严重,是加工误差的主要来源。因此,监测铣刀磨损状态,并针对不同磨损状态进行补偿,对于提高加工精度和效率具有重要的意义。本文以自动化、智能化的检测-加工-补偿一体化集成为目标,研究了在铣削加工过程中的刀具磨损检测以及磨损造成的误差补偿技术。首先,本文搭建了基于机器视觉的铣刀磨损检测系统并开发了相应软件。根据在加工间隙监测铣刀磨损情况的需求,使用远心镜头及环形光源捕捉铣刀表面图像,使用变焦镜头及背光源采集铣刀轮廓图像。然后基于Spring Boot及React JS框架,将相应功能集成于“南高云”数控机床智能化云平台,实现整个分析流程的云端监控及管理。其次,本文提出了一种基于特征点输入的图像快速配准合成算法。先进行SURF特征点检测,并找到待配准图像的局部中心对称点作为铣刀刀尖的参考点,将多张待配准图像的刀尖点作为已知量输入。再从刀尖点附近开始搜索特征点匹配对,经过反复迭代,得到匹配效果最好的配准特征点对。该创新方法将刀尖点作为已知点输入,因此无需在多张待配准图像中随机搜索,提高了配准效率和精度,同时降低了误匹配点数量。然后,针对铣刀刀刃磨损情况,本文提出了一种基于边缘检测和轮廓建模的磨损图像在线处理工作流,对铣刀旋转包络面形状进行建模以分析磨损形态。通过多次获取刀具整体轮廓图像,经过畸变矫正、滤波和图像增强后,采用Canny算子及改进Zernike矩方法获得铣刀边缘的精确定位。然后重建铣刀高速旋转时形成的与工件直接接触的包络面轮廓模型,以此作为磨损造成误差的补偿依据。该创新工作流解决了磨损造成的铣刀形态变化难以在线建模的问题,使得在线采集的铣刀轮廓图像不仅可以作为铣刀磨损状态监测的依据,也能作为对铣削过程中磨损造成误差进行补偿的模型基础。再次,针对铣刀磨损状态分类任务,本文提出了改进的注意力分支网络(ABN)。通过优化ABN的网络结构,并改进训练损失函数的计算方式,使其更适用于铣刀磨损状态分类这一细腻度图像分类任务。通过引入注意力机制,将注意力图作为训练过程中的反馈,提升了模型的可解释性。同时,针对注意力区域的训练,将寻找最佳注意区域作为模型训练的目标之一,将注意力权重在原图中标注形成的注意力图作为增强特征,使模型的关注区域从整张图片缩小到铣刀表面图像的磨损区域,因此可以将磨损特征与其他特征解耦,提升了铣刀图像磨损状态分类任务的准确性和模型的泛化能力。最后,针对铣削加工代码自动生成技术及铣刀磨损造成误差的补偿策略进行研究。为保证处理流程的自动化,本文开发了铣削加工代码自动生成模块,以作为补偿的参考。首先针对原料和工件的三维模型图STL文件进行对比分析,获得去除部分材料的形状和尺寸,然后拾取轮廓的关键点坐标,根据输入的工艺参数,采用分层铣削的思想,生成铣削轨迹及加工代码。然后对刀轴轨迹面和铣刀旋转包络面的几何关系进行建模分析,采取不同的策略完成侧铣加工和点铣加工刀路的修正及加工参数的优化。

关键词： 球面摩擦副   混合润滑磨损模型   热-应力-磨损耦合   滑动接触压力  

摘要： 干摩擦接触状态,摩擦副相对运动过程中伴随着复杂的“热-应力-磨损”耦合行为,严苛工况对摩擦副的耐高温、耐磨性要求更高,摩擦副在干摩擦滑动过程中的“热-应力-磨损”耦合问题的研究可为恶劣工况下机械零部件寿命和可靠性设计提供理论依据。润滑理论的发展和技术应用为降低摩擦、控制磨损提供了有效方法。然而极端工况下,载荷情况复杂,摩擦过热、润滑液流失、磨损退化等因素的影响。摩擦副长时间处在混合润滑状态服役,磨损情况恶劣,摩擦副相对运动过程中伴随着复杂的润滑与磨损耦合行为。工程应用对摩擦副的结构、传动效率和承载能力要求严苛,热-应力-磨损耦合问题的研究以及混合润滑磨损耦合问题的研究可以为恶劣工况下摩擦副的寿命预测以及可靠性设计提供理论依据和指导。本文首先以某型装甲车鼓式制动器为研究对象,考虑到实际制动过程中温度的变化对制动器的影响不可忽视,通过增加温度与磨损因子等参数的变化关系来修正经典的Archard磨损模型,可以有效提升磨损计算的准确性。在有限元热-应力迭代求解过程中,采用“完全耦合法”持续地更新制动器磨损面的几何形状,进而不断地影响热-应力的计算结果,更真实地描述了制动过程热-应力-磨损的复杂耦合现象。通过仿真得到了制动器在几种典型工况下的磨损规律。此外,本文设计了一种球面摩擦副的混合润滑磨损仿真方法,结合磨损实验,研究球面摩擦副混合润滑磨损机理以及摩擦学性能等问题。球面摩擦副滑动过程中伴随着各种力学行为(流体动压承载、摩擦副表面弹性变形、摩擦副接触面粗糙微凸体接触、以及接触面磨损等),基于力学行为的控制方程建立了球面摩擦副混合润滑磨损模型。考虑球面摩擦副的实际工况,将模型的初始载荷条件修正为球面摩擦副的滑动接触压力。根据法向载荷、切向摩擦力和磨损对接触压力的影响,将球面摩擦副的接触问题转化为有约束的二次规划问题,使用共轭梯度法(Conjugate Gradient Method)求解滑动接触压力分布,磨损的持续影响通过摩擦副接触面轮廓的当量曲率半径表征。最后展开球面摩擦副的混合润滑磨损实验及仿真分析,讨论了混合润滑条件下的接触应力、摩擦系数、磨损深度和磨损宽度等的变化规律。

关键词： 气固两相流   冲蚀磨损   接触效率   CFD-DEM   优化设计  

摘要： 石油作为一个国家举足轻重的战略物资,在工业、农业、交通等领域中扮演着不可替代的角色。炼油工业是重要的基础产业和支柱产业,其有序健康的向前发展为社会稳定、经济发展提供了可靠支撑。近年来,随着国家机动车污染物排放标准的升级,车用燃油的硫含量要求控制在10μg/g以下。S Zorb技术是一种重要的汽油产品脱硫手段,气化汽油与专用吸附剂颗粒在S Zorb脱硫反应器中混合、流化、反应。反应器底部的进料分配盘存在气固两相流的冲蚀磨损问题,一旦表面堆焊层冲蚀殆尽,易造成分配盘的高温硫化氢腐蚀,是企业生产的重大安全隐患。目前,S Zorb脱硫反应器分配盘冲蚀磨损机理及反应器内的气固混合机理不明,缺乏相应的状态监测模型,难以实现实时的状态监测。本论文以S Zorb脱硫反应器为研究对象,针对性地搭建了冲蚀磨损实验装置,揭示了变工况下堆焊材料的冲蚀磨损规律,修正了该材料气固两相流下的冲蚀磨损模型;构建了适用于S Zorb反应器的气固两相流模型,研究了S Zorb脱硫反应器分配盘冲蚀磨损失效机理及气固混合机理,提出了冲蚀磨损率表征参数E及气固接触效率CE;以分配盘冲蚀磨损及反应器内气固接触效率的双目标优化设计为目标,构建了目标函数并基于智能优化算法对吸附剂颗粒形状、粒径、堆积高度等工艺参数进行了优化设计,在保证反应器内气固接触效率下,有效降低了分配盘的冲蚀磨损率,为炼化企业的设备改造升级提供理论依据及技术支撑。主要工作如下:(1)实验揭示了347不锈钢气固两相流下的冲蚀磨损特性:以S Zorb脱硫反应器分配盘堆焊材料及专用脱硫吸附剂为实验材料,针对性地搭建了气固两相流下的冲蚀磨损实验装置,开展了在不同冲击角度、冲击速度、磨料量下的冲蚀磨损实验,分析了相对磨损率及宏观冲蚀破坏形貌,揭示了347不锈钢在气固两相流下的冲蚀磨损机理。(2)构建了冲蚀磨损模型修正的CFD-DEM耦合数值模拟模型:构建了适用于S Zorb脱硫反应器的CFD模型及DEM模型,分别描述气相与固相的运动;对比分析了3种典型冲蚀磨损模型对于反应器分配盘冲蚀磨损的适应性,根据冲蚀磨损实验数据修正了Finnie冲蚀磨损经验公式的相关参数,n=2.33,k=1.10*10。(3)实现了分配盘冲蚀磨损及气固接触效率的精准预测:根据某炼化企业S Zorb脱硫反应器工艺及结构参数,简化并构建了几何模型,分析了反应器内分配盘的冲蚀磨损及颗粒运动,进一步获得反应器内的气固两相流动特性,确定了分配盘的冲蚀磨损机理及磨损速率表征。对于反应器内的颗粒分布,分析了颗粒分布特性,提出了气固接触效率的表征。此外,讨论了颗粒参数及操作工况对分配盘磨损及气固接触效率的影响。(4)实现了冲蚀磨损和接触效率的双目标函数构建及算法寻优:结合气固两相流建模及分配盘冲蚀磨损和反应器内气固接触的数值预测,筛选了颗粒粒径、入口流速、颗粒球形度、颗粒堆积高度作为设计变量,分别拟合了关于分配盘冲蚀磨损及气固接触效率的代理模型,通过权重分配构建了优化目标函数;分别采用遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、免疫算法(IA)算法进行寻优,对比发现PSO最为合适,分配盘冲蚀磨损率下降了30.5%左右,反应器内气固接触效率浮动在0.02%以内。本论文的创新点:揭示了S Zorb反应器分配盘冲蚀磨损及气固混合机理,提出了相应的表征模型,实现了基于CFD-DEM耦合的分配盘冲蚀磨损及气固接触效率预测;建立了分配盘冲蚀磨损及气固接触效率的代理模型,构建了的优化目标函数,通过智能优化算法获得最优设计参数,降低了30.5%分配盘冲蚀磨损率。

关键词： 光力学   基态冷却   光机械诱导透明   电磁诱导透明   克尔非线性  

摘要： 腔光机械系统既能对机械振子进行精密的光学操控,又能实现机械振子对光的调控。因此,它可以为制备非经典情况的机械运动状态、观察经典物理与量子物理的分界、精密测量、灵敏传感器和量子光信息处理等多种应用提供一个特殊的应用平台;基态冷却的实现是上述应用在腔光机械系统中的关键。对腔光机械系统中克尔非线性和诱导透明等光学效应展开研究有利于提高其在量子光信息处理和精密测量的应用前景。因此,本论文针对腔光机械系统中的基态冷却和光场调控进行了以下几个方面研究工作:(1)对于高品质因子光腔构成的腔光机械系统,由于存在强光机械耦合限制,使用传统的可分辨边带冷却方案难以实现基态冷却。因而,理论上提出一个二能级量子比特辅助的腔光机械系统模型,由于二能级量子比特与腔场的作用,系统能形成类电磁诱导吸收(Electromagnetically induced absorption,EIA)效应和简正模式分裂(Normal mode splitting,NMS)效应。在这两种效应的协助下系统均能突破强光机械耦合的限制,把机械振子冷却到更低的声子数。进一步研究表明,当光机械耦合强度相同时,EIA能够在较弱的量子比特-腔耦合强度中实现比NMS更好的冷却效果。此外,二能级量子比特辅助的腔光机械系统在不可分辨边带条件下能实现基态冷却,而且其冷却效果与以前的非双光子共振工作的冷却效果相比拟,所需的量子比特-腔耦合强度却低得多。(2)尽管利用二能级量子比特的辅助可突破强光机械耦合限制,但体系的量子反作用所导致的加热仍然存在。这限制了系统对机械振子的冷却效果,即量子反作用限制。为此,在理论上提出一个具有主动拉曼增益(Active Raman gain,ARG)效应的三能级原子系综-腔光机械系统模型,以实现体系基态冷却的优化和抑制加热过程。通过对系统冷却动力学的分析,发现系统能形成两个有效耦合模式,依据有效耦合模式,能给出最大冷却率对应的驱动场失谐量。由于ARG效应的影响,两个有效耦合模之间会形成量子干涉从而能够完全抑制加热过程,突破了量子反作用限制。进一步研究表明,该系统在不可分辨边带条件下伴随着弱的光机械耦合强度时仍然能够实现基态冷却。(3)光的非线性相互作用在实现量子光信息处理中有着重要的影响,随后研究了在三能级原子系综-腔光机械系统中的非线性光学调控。发现在腔场涨落影响下,系统中原子的三阶极化率会产生两项自克尔非线性。第一项自克尔非线性来源于典型三能级电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)效应,第二项自克尔非线性则由腔场涨落引起,在腔内原子数很多情况下,其值能够比第一项大4个数量级。并且通过增强原子-腔和单光子光机械耦合强度可以提高系统的自克尔非线性效应。进一步在系统外加一个机械驱动场,从而使系统产生光子-声子交叉克尔非线性,且其值受原子-腔耦合强度和单光子光机械耦合强度的调控作用,而光子-声子交叉克尔非线性在测量机械振子的声子数方面具有一定潜在应用价值。这些结果有望为产生强的克尔非线性提供一种新的方法。(4)进一步地考虑anti-Stokes和Stokes边带效应的影响,二能级量子阱(quantum well,QW)-腔光机械系统中的诱导透明现象。发现在anti-Stokes边带情况下,即使只有一个输入光场下系统也会出现双电磁诱导透明(Double electromagnetically induced transparency,DEIT)效应。通过缀饰态理论对其做出解释,发现在光机械相互作用下系统中能形成双暗态共振。同样的在Stokes边带情况下,也能实现双暗态共振但是中间狭窄峰在不同耦合强度条件下表现为吸收峰或增益峰。对于中间峰,量子阱-腔和光机械耦合强度对其的影响具有竞争关系,并且这种竞争关系能够导致完全透明窗口的产生,这可有望用于无吸收光学传播。进一步利用这个系统具有中间狭窄峰的性质,提出了一个具有极高分辨率的质量测量方案。