2022年, 第9卷, 第5期　刊出日期：2022-10-25

  

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专题：智造技术
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  高炉炉热闭环智能控制系统研究与应用评价

  王军, 郑伟, 李泽安, 王德智, 王晓雪, 赵宏博

  工业技术创新. 2022, 9(5): 1-10. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.001

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  践行以大数据分析+冶炼智能诊断+人工智能算法+专家控制策略为主线的技术体系,通过IT与OT的深度融合,研发高炉炉热闭环智能控制系统,并成功投用于太钢4 350 m³高炉。设计系统闭环下发逻辑,以系统研发目标、技术框架为指导,形成集物料跟踪、目标设定、寻优燃料比、数据预处理、异常状况处理等模块为一体的技术路线。投用后,工长只需要设置目标Si范围和目标铁水测温上下限,系统即可自动跟踪高炉焦炭负荷变化,自动寻优控制燃料比,自动平衡料速,自动平衡热负荷、煤气利用、焦炭煤粉质量变化、炉缸盈亏变化等影响炉热的关键因素,自动计算当前状态下的喷煤量,并自动下发一级系统执行,取代人工操作。投用效果表明,该系统不仅能够有效降低炉温波动,提高铁水质量,降低炼钢双渣冶炼次数30%,而且能够通过稳定炉温有效促进高炉炉况顺行,显著降低燃料比,综合创效1 276万元/年。
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  基于机器视觉的五金行业自动化组装生产线系统研究

  刘鹏, 刘凤义

  工业技术创新. 2022, 9(5): 11-18. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.002

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  五金行业是传统的劳动密集型产业,包装生产线需要大量人力资源,人工成本高、生产效率低等问题严重制约五金行业发展。开发了一套基于机器视觉的五金行业自动化组装生产线系统。以17PC工具套装组装生产线为例,重点分析组装生产线主要工序,针对扳手、接杆、批头组件等工序的自动化组装作业,提出单工位模块化机器人工作站设计方案;结合一拖四相机系统特点,设计机器视觉算法,对不同工位的图像数据进行实时处理,形成机器视觉算法逻辑。组装生产线预生产试验表明,该组装生产线系统的各项性能指标满足预期要求,平均生产节拍为2.49秒/件,比3.5秒/件的人工生产节拍缩短了28.9%,能够有效帮助五金企业实现降本增效。
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  面向对象的Petri网智能工厂资产风险评估模型及应用研究

  王佳, 赵文苹, 秦嘉言

  工业技术创新. 2022, 9(5): 19-27. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.003

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  风险评估是识别智能工厂资产风险,保障数字化制造企业资产安全运营的有效策略。围绕智能工厂资产系统结构中的资产价值、威胁和脆弱性要素,提出资产价值、资产安全风险值的评估策略。采用有序加权几何平均（OWGA）算子,有效集结数据信息,对资产重要性进行排序,从而通过资产、风险概率、威胁后果等权重的计算,对安全风险进行排序,提高资产风险评估的客观性和可度量性。考虑资产之间的信息传递,辅以安全特征分析,形成风险评估流程,采用顺序、共同、并发、继发4种资产相互影响的关系形式,建立了资产识别、威胁识别和安全策略识别的Petri网拓扑结构。实例分析表明,这一模型能够指导智能工厂等复杂系统利用资产重要性、风险概率、威胁后果等参数特征,设计相应的安全防护措施,保障资产管理和运维水平。
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  智能造球理论方法及应用研究

  刘原, 黄俊昱, 赵宏博, 张力, 徐继伟

  工业技术创新. 2022, 9(5): 28-39. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.004

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  提高球团矿入炉比例带来了提高产量、促进节能减排等经济优势和环境效益,现有的经验性的、手工化的球团生产操作方式已经无法满足球团生产实际要求,需借助人工智能技术及智能装备发展的东风,进行机理性的、定量化的研究和分析,最终实现球团生产的低成本、优质、高效和稳定。从生球粒度、生球强度以及热爆裂温度三个方面的质量要求入手,通过分析造球工艺成球机理及原料、设备及操控等造球影响因素,明确原料含水量的要求、粒度与比表面积的关系、圆盘造球机的转速与倾角的关系等技术准则。采用基于图像边缘拾取的在线粒度识别技术,在线实时捕捉生球粒度分布情况,再结合职业判断,确定了以加水量为主、圆盘转速为辅的智能造球控制模型。将智能造球系统投入现场应用,通过实时优化控制逻辑,提高智能化操作的及时性和准确性,以保证生产的顺利进行。实际应用实践表明,智能造球模式下,生球合格率能够提升至96.3%,且生球落下强度保持在7~10次/个球,显著好于人工模式。智能造球技术的应用实践取得了良好的效果,为焙烧工序提供稳定的生球条件,为智能化生产奠定了坚实的理论基础和实践基础。
专题：新材料
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  沸石—地聚合物复合多孔材料制备及其二氧化碳吸附性能研究

  李娟, 吴虎

  工业技术创新. 2022, 9(5): 40-46. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.005

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  通过固体吸附剂捕集CO₂,是CO₂捕集和封存技术中最为有效的手段之一。以粉煤灰和矿渣为原料,通过碱激发剂、发泡剂、稳泡剂制备出具有发达孔隙结构的固废基地聚合物复合多孔材料。采用正交试验对复合多孔材料配比进行优选,制备出抗压强度达到15.395 N,CO₂吸附量为156.28 cm³/g的地聚合物复合多孔颗粒。在优选方案的基础上,将13X分子筛、4A分子筛、斜发沸石三种不同类型沸石添加到地聚合物基质中,制备出沸石—地聚合物复合多孔材料。添加沸石后,抗压强度有所降低,但比表面积和孔体积均提高,CO₂吸附性能明显改善。其中,添加13X沸石后性能最优,CO₂吸附量达到602.43 cm³/g,较未添加沸石的复合多孔材料的CO₂吸附能力提高了约3.2倍。
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  以Mo/Al/B₂O₃/金刚石粉体热爆反应体系在金刚石颗粒表面形成镀覆涂层

  史冬丽, 马尧, 李涛, 梁宝岩

  工业技术创新. 2022, 9(5): 47-52. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.006

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  以Mo/Al/B₂O₃/金刚石粉体为热爆反应体系,在金刚石颗粒表面形成镀覆涂层,采用X射线衍射（XRD）研究热爆反应产物和金刚石颗粒的物相组成,采用扫描电镜（SEM）观察金刚石颗粒表面的显微形貌。研究发现：热爆反应产物易于粉碎,易于将金刚石颗粒与结合剂分离;随着金刚石含量的增加,试样膨胀逐渐加剧,在高纯Ar气保护下,基体会形成以MoAlB为主相的材料;热爆反应会在金刚石表面形成由Al、Mo₂C、Al₂O₃和AlMo₃组成的多元涂层,涂层由大量平均粒径为2 μm的晶粒组成。总体而言,当金刚石含量较低（10%和20%）时,产物中金刚石颗粒表面镀覆良好。
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  铝合金硬质阳极氧化提高15-5PH不锈钢表面性能

  杜全强

  工业技术创新. 2022, 9(5): 53-58. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.007

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  以15-5PH不锈钢试样为研究对象,首先实施不锈钢热浸镀铝工艺,再利用聚四氟乙烯（PTFE）进行铝合金硬质阳极氧化处理,考察不同实验条件下所得阳极氧化膜的表面性能。研究发现：依照热震测试方法（GB/T 5270—2005）对试样反复加热、激冷,热浸镀铝层和阳极氧化膜都与基体结合牢固,具有较好的结合强度;硅含量6%、热浸镀铝温度630℃、热浸镀铝时间2 min可作为理想的不锈钢热浸镀铝工艺参数,可得到15 μm厚度的热浸镀铝层;添加PTFE纳米乳化液进行硬质阳极氧化,所得PTFE-A1₂O₃氧化膜相比普通A1₂O₃氧化膜具有更好的化学稳定性和热稳定性;当PTFE纳米乳化液含量为25%时,PTFE-A1₂O₃氧化膜自润滑性最好。
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  单层粉和双层粉弹性金属塑料瓦的研究与比选

  杨优军, 巴金, 牛喜文

  工业技术创新. 2022, 9(5): 59-65. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.008

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  塑料瓦使用寿命的研究和监测是促进水电站水轮发电机组巨型化、智能化发展的关键议题。以单层粉和双层粉弹性金属塑料瓦作为研究对象,从表观形貌、摩擦磨损性能、力学性能、绝缘性能等方面对比研究二者的差异。研究发现,单层粉和双层粉复合材料都具有良好的摩擦磨损性能和绝缘性能,相比单层粉复合材料而言,双层粉复合材料的弯曲疲劳性能提高约40%,塑料层脱落剪切强度提高20%以上,钎焊层脱落剪切强度提高约5%;通过观察双层粉弹性金属塑料瓦工作层和结合层的颜色变化,可有效判定轴瓦寿命是否终止。在双层粉弹性金属塑料瓦的基础上加装传感器,形成智能推力瓦,应用于洪家渡水电站1#机组,数月以来运行状态良好,表明其可以在水轮发电机组中推广应用。
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  钻石及其相似品的鉴别研究

  辛虹瑾, 姚泽, 叶鹏, 盛志远, 罗艳梅, 秦毅

  工业技术创新. 2022, 9(5): 66-72. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.009

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  为科学、精准和快速鉴别钻石,增强钻石鉴定技术体系完备性,利用宝石显微镜、偏光镜、荧光灯、红外光谱仪及紫外—可见光光纤光谱仪等专业鉴定仪器或设备,开展实验设计,对天然钻石及其相似品进行检测和比对研究。研究发现：1）天然钻石和HTHP合成钻石的刻面棱线锋利、硬度高,净度级别和颜色各不相同;合成立方氧化锆和合成碳化硅刻面棱线圆滑、硬度较低,且合成碳化硅可见刻面棱线重影。2）偏光镜下天然钻石、HTHP合成钻石和合成立方氧化锆呈均质体的光性特征,而合成碳化硅反之。3）红外光谱和紫外—可见光光纤光谱显示天然钻石的特征吸收峰与其相似品截然不同。采用多种仪器、设备和方法对钻石及其相似品进行测试,可达到相互验证的效果,得到准确可靠的钻石鉴定结论。
专题：装备研制
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  高速铁路接触网定位钩和定位支座异常磨损分析

  王培

  工业技术创新. 2022, 9(5): 73-80. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.010

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  在高速铁路运营服役过程中,接触网定位钩和定位支座之间发生异常磨损的情况时有发生,极易导致零部件失效,引发弓网故障,影响铁路正常运输秩序。以武广高铁为例,结合近年来异常磨损缺陷统计结果,从装置结构、受力情况、应力分布及服役环境等因素出发,考察并明确定位钩和定位支座的异常磨损原因,从而指出定位装置的日常检修重点及服役性能改善设想。研究发现：1）钩环结构导致的应力集中是钩环连接处异常磨损的根本原因,定位器所受水平拉力不足及定位装置所处服役环境是造成定位装置互磨的重要因素;2）定位方式连续相同处所及隧道内腐蚀环境更易造成磨损缺陷的产生,需在日常检修中重点关注;3）调整接触网平面布置、改进零部件工艺、优化钩环连接结构,预期可以对定位装置服役性能起到改善作用。
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  基于FPGA的高精度短时间间隔测量系统

  李恩丞, 黄明, 周元翰, 张镇, 李兴鑫

  工业技术创新. 2022, 9(5): 81-90. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.011

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  时间间隔测量装备在时频、非时频诸多领域具有广泛的应用场景,但传统测量仪器存在体积庞大、功耗较高、成本高昂、不易于集成等特点。提出一种突破上述技术瓶颈的高精度短时间间隔测量系统：一是利用FPGA高集成度及高速数据处理特性,作为时间间隔测量系统硬件设计平台;二是基于多相采样法及等效信号理论进行软件研发;三是利用FPGA内部集成的数字锁相环（PLL）产生所需的相差同频信号,借助XLINX ISERDESE Gbit串并高速数据处理模块对被测数据进行采样,实现数据整合。仿真数据分析验证表明：本设计实现了300 MHz频率下8位高精度短时间间隔测量设计目标,时间间隔测量分辨率达到0.416 ns,采样误差低至0.015%~0.016%。本设计具有结构简单、利于系统集成、软件易升级等特点,能够实现纳秒级精度的时间间隔测量,具有较好的技术推广价值。
工业科学
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  基于时间序列聚类算法的城市轨道交通节假日客流波动分析

  李金明

  工业技术创新. 2022, 9(5): 91-99. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.012

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  与平常相比,节假日期间城市轨道交通客流会出现大幅度的波动,对波动规律进行分析和预测,是城市轨道交通运营管理部门制定客流组织方案的先决条件。鉴于传统方法对样本规模依赖程度较大这一局限性,提出一种基于时间序列聚类算法的城市轨道交通节假日客流波动分析方法。借鉴相似法思想,以相似日为参照,在节假日客流波动率序列和节假日客流波动率差分序列的基础上构建了节假日客流波动描述向量,并以描述向量为依据,实现特征提取和聚类。以重庆轨道交通为研究对象,对3天节假日客流数据进行分析,客流量平均相对误差仅为4.56%。为更加准确地分析节假日客流量,进而为城市轨道交通运营管理部门制定节假日运力调配和车站客流疏导等方案提供了有力的决策支持。
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  利用Izhikevich模型探究神经元动作电位的发放特性

  刘佳琦, 袁鸣, 曲秀荣, 周胜

  工业技术创新. 2022, 9(5): 100-107. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.013

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  不同种类的神经元拥有不同类型的离子通道,离子通道的开放和关闭可以产生不同形状、频率和模式的动作电位。对动作电位的发放特性进行探究,将为生物神经系统的硬件设备开发、脑机接口技术研发等提供机理层面上的支持。采用Matlab软件,利用Izhikevich尖峰神经元模型,考察刺激电流的类型、静息膜电位和膜恢复变量等因素对神经元发放动作电位的影响。研究发现：改变静息膜电位的数值,并不影响动作电位的发放频率;增大膜恢复变量的数值,会使动作电位的发放数量增多,但仍不影响各簇动作电位的发放频率,且膜恢复变量越大,动作电位发放时间越早;在不同类型的电流刺激下,改变静息膜电位和膜恢复变量不会对动作电位的发放特性产生影响。
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  MOEA/D算法在扩展互作用振荡器优化设计中的应用研究

  边书榕, 宋韵哲, 傅文想, 郑华, 刘谨明, 崔健

  工业技术创新. 2022, 9(5): 108-115. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.014

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  扩展互作用振荡器（EIO）是一种新型真空电子器件,在其优化设计中,如何实现高频率、宽带宽、短结构等多个设计目标的共渡问题,成为该类真空电子器件的研究重点。以W波段哑铃型多间隙耦合腔作为理论模型,基于谐振腔自激饱和基本原理和一维电子圆盘模型下的注—波互作用方程,推演出适用于EIO的一维非线性自洽方程组;结合MOEA/D多目标优化算法,得到针对多个设计目标的EIO自动优化程序。以95 GHz W波段EIO作为示例,选择EIO输出功率、瞬时带宽和互作用结构长度三个目标作为解向量,选择间隙长度、耦合腔周期长度、谐振腔外观品质因数、电子注半径、工作电压、工作电流、间隙个数七个参数作为决策向量,描述了优化设计过程。该优化设计方案能够迅速跳出输出功率为零的陷阱,提高优化速度,得到输出功率为1 100~2 400 W,瞬时带宽为61~475 MHz,互作用结构长度为3.7 mm、4.5 mm、5.4 mm、6.2 mm、7.0 mm五段附近、对应间隙个数依次为5~9的Pareto解集,为真空电子器件优化设计人员在实际应用中提供了更多的选择。
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  基于片上系统的电子设备可靠性预计方法研究

  李欣荣, 杨云, 雷庭, 余昭杰, 郑丽香

  工业技术创新. 2022, 9(5): 116-122. https://doi.org/10.14103/j.issn.2095-8412.2022.10.015

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  随着片上系统（SoC）设计规模的增大和集成度的提高,SoC及其配套设备的可靠性问题被提上议程。以某应用于航空环境的SoC电子设备为研究对象,分别采用基于GJB/Z 299C的可靠性预计方法（预计手册方法）和基于失效物理的可靠性预计方法（失效物理方法）,推演其在典型航空环境下的失效寿命等参数。采用两种方法计算得到的电子设备失效寿命分别为10.08年和12.6年。深入对比分析得知：预计手册方法工程实操性强、操作简单,只要得到所需的支撑数据,即可根据各类别元器件的预计模型分析得到电子设备的可靠性水平;失效物理方法实施流程繁琐,需要构建产品结构模型,考虑应力剖面、使用材料等因素,但在明确产品的主要失效模式与失效机理中具有一定优势。