基于模式跳变的井下便携式高精度CH_4浓度监测系统设计

为了在矿井中实现快速、便携式的甲烷浓度检测,同时系统还具备高灵敏度及长的工作周期,设计了基于半导体激光器模式跳变的差分光学光谱吸收法,建立了井下甲烷浓度无线检测系统。系统利用调制电流使半导体激光器的输出波长发生模式跳变,从而获得了两个相近波长的激光,其中一个在甲烷的特征吸收峰上,而另一个基本不被吸收。实验中将两束光分别照射被测气室时,两束光的光强之差代入比尔朗伯定律即可求解气室内的甲烷浓度。实验结果显示,调制电流从20.0 mA增大到60.0 mA过程中,输出波长在电流达到48.3 mA时发生跳变,由1 650.888 nm改变为1 651.020 m。通过HITRAN光谱数据库可知,波长1 650.888 nm位置可作特征吸收峰,而波长1 651.020 nm适合作参考波长。在此基础上,对密闭容器内标准浓度的甲烷气体进行测试,采用H-BD5GD410-HC型便携式甲烷检测仪的测试数据作对比。两种检测结果相近,但随着浓度不断地增高,该系统的检测误差相对平稳,略优于甲烷检测仪。系统的检测误差均低于0.050%,在不采用昂贵的锁相器、检相电路的条件下,实现了精度优于0.10%的井下甲烷浓度检测。     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流，为探究微射流冲击壁面流固耦合效应，利用流体力学及冲击动力学，考虑了率相关的J-C材料本构模型，建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型，并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑，凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大，凹坑直径主要与微射流直径正相关，而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关；壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘；超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑，反演分析方法表明，在16～18的径深比下，微射流冲击强度为420～500 MPa，对应的微射流速度为310～370 m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符，验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性，为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

柠檬酸辅助可控制备花状银粒子及其表面增强拉曼散射性能

以抗坏血酸为还原剂,柠檬酸为结构导向剂,一步还原硝酸银,合成了尺寸和形状可调的花状银颗粒。纳米粒子的粒径可在600～1 200 nm范围内调整,表面突起可达到10～25 nm。柠檬酸的化学性质在银纳米粒子合成多级花状银结构的过程中起着至关重要的作用。通过改变柠檬酸或抗坏血酸溶液的用量,银结构的各向异性形貌可以很容易地调节。以制备的多级花状银颗粒作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,对浓度为10~(-10)mol·L~(-1)的罗丹明6G(R6G)仍具有较高的检测灵敏度。     

磁场辅助静电纺有序聚丙烯腈纳米纤维的研究

磁场辅助静电纺丝方法能够制备有序纳米纤维,但是其参数之间的匹配关系很少被研究。本文通过正交实验,对影响磁场辅助静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的四个工艺参数(溶液浓度、磁铁间距、纺丝电压和注射速度)在3个水平上进行优化筛选。以纤维直径大小、均匀度和纤维有序度为考察目标,同时考虑溶液浓度、磁铁间距与纺丝电压这三个因素之间的两两交互作用,结合极差分析、方差分析,发现溶液浓度是影响纤维直径和均匀度的高度显著因素,溶液浓度和纺丝电压的交互作用对直径均匀度有显著影响,纺丝电压是影响纤维有序度的显著因素。     

材料颗粒度对粉末药型罩特性的影响

为研究粉末材料的颗粒尺寸及其分布对粉末药型罩特性的影响,以W、Cu粉末为药型罩的主体材料,添加少量Bi粉以增加其流动性,在配比一定的条件下,通过改变各组分的颗粒尺寸,制备了3种药型罩。利用扫描电子显微镜,观察了W、Cu粉末的颗粒形貌,发现W粉的颗粒形状为规则的结晶体,而Cu粉颗粒的形状不规则。对3种药型罩进行了微观结构观察、密度测定、维氏硬度测定以及破甲威力实验。结果表明:在粉末材料特性和配比一定的条件下,减小颗粒尺寸可有效提高粉末药型罩的致密性、密度和破甲威力,但对维氏硬度的影响不明显。     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

声学超材料对低频噪声的消声特性

针对低频噪声较难消除的问题,设计了亥姆霍兹共振腔与声学超材料薄膜耦合的消声结构,在利用有限元软件进行屈曲分析薄膜的临界状态得知声学超材料薄膜结构临界失稳力为0.087 N·m,利用COMSOL声固耦合模块研究薄膜形态对传递损失峰值频率的影响。结果表明:薄膜扭转角度由0°增加到30°时,薄膜总体刚度增加,传递损失峰值对应频率向右偏移了30 Hz,变化并不明显。为了扩大频率偏移范围,在扭转30°的基础上,对扭矩棒施加垂直向下的压力,压力由0 kPa增加到2 kPa,薄膜预应力增大,系统刚度增加,使得传递损失峰值向右偏移了170 Hz。最后搭建实验平台,验证了薄膜在扭转时的频率偏移与仿真基本吻合,在不同压力时频率偏移一致,进而可以实现较大范围的低频率噪声控制。为声学超材料的设计和控制提供有效的依据。     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

基于油液光谱Wiener过程的综合传动装置失效预测

原子发射光谱是分析油液中微小磨损颗粒元素浓度的重要方法。作为一种非直接测量方法,油液光谱数据是车辆综合传动装置可靠性评估中的系统性能劣化的重要监测指标,可用于系统失效评估与剩余寿命预测。针对油液光谱数据这类型的一元劣化失效,随机过程尤其是Wiener过程模型具有良好的计算分析性质,在基于性能劣化的可靠性分析中应用日趋广泛。通过对车辆综合传动装置运行中的实时采样,共取得50个油液光谱样本。采用其中三种指示元素的线性回归方程来计算综合传动装置运行中每个瞬时的特征值与均值。基于正漂移Wiener过程,建立了综合传动装置的劣化失效预测模型,并基于R语言环境进行了随机微分方程的仿真与求解。得到了油液光谱中的Fe,Cu和Mo元素含量增长趋势的预测结果以及三种指示元素各自的首中时间。经比较,劣化失效周期的预测值较之条件维护时间延长了27 Mh(15.9%)。维护时间的延长,能够有效的减少全寿命周期内的维护次数,并最终降低维护成本。研究结果表明,该方法适用于综合传动装置的磨损与失效预测、全寿命周期费用与维护计划的优化。同时,也可推广至其他复杂机械系统的失效预测与评价等相关领域。     

车辆特性与ABS控制算法的适应性研究

针对车辆防抱死制动系统(ABS)控制算法的选择及适用问题,提出控制算法的选择应与车辆结构及实际性能要求相结合的方法,可以充分发挥不同ABS控制算法的优越性。使用Matlab/Simulink仿真软件建立车辆单轮制动模型,针对不同的初始制动车速和质心位置向后移动两种情况,分别采用变结构滑模控制和PID控制进行了制动过程的模拟与研究。仿真结果表明,当车辆结构及制动条件发生变化时,两种控制方式都能很好的完成制动,且各有优点,可以满足不同制动性能的需求。