基于正交試驗(yàn)的建材燃燒煙密度測(cè)試裝置參數(shù)組合優(yōu)化

歐 凱，洪曉斌，文澤貴，季 勇，劉桂雄

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州信禾檢測(cè)設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

從建筑物發(fā)生火災(zāi)事故分析報(bào)告和有關(guān)火災(zāi)傷亡研究情況來(lái)看，火災(zāi)事故致命的罪魁禍?zhǔn)淄皇腔?，而是煙氣，在火?zāi)致死人數(shù)中，超過(guò)2/3的死亡是由煙氣窒息中毒導(dǎo)致[1]。建筑材料煙密度測(cè)試，對(duì)于保證建筑物內(nèi)人的生命財(cái)產(chǎn)安全非常重要，開(kāi)展建筑材料煙密度測(cè)試研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑材料煙密度檢測(cè)的影響因素的研究中，匹茲堡州立大學(xué)的Christopher（2007）[2]研究了環(huán)氧納米復(fù)合材料的阻燃性能中引火時(shí)間等因素對(duì)于煙密度測(cè)試結(jié)果的影響；英國(guó)博爾頓大學(xué)的 B.K.Kandola和 A.R.HorroCks（2008）[3]利用不同的測(cè)試方法測(cè)試不飽和聚酯樹(shù)脂煙密度的影響；日本林業(yè)研究所川大輔等（2009）[4]采用錐形量熱計(jì)估算出不同的測(cè)量方法對(duì)木屑顆粒煙密度的影響；維爾紐斯技術(shù)大學(xué) Romualdas Macˇiulaitis和 Vladas Praniauskas（2010）[5]進(jìn)行了 3 種不同厚度、材料的木制品在不同熱通量試驗(yàn)條件下的防火測(cè)試，利用錐形量熱儀確定這些因素對(duì)木制品防火測(cè)試的影響關(guān)系及權(quán)重；中南大學(xué)田文利等（2009）[6]利用正交試驗(yàn)法研究了濃度、溫度、壓力、浸泡時(shí)間4個(gè)因素對(duì)木材煙密度的影響；廣州市建筑材料及構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙俠等（2010）[7]分析了試驗(yàn)測(cè)量裝置、試驗(yàn)環(huán)境、樣品的狀態(tài)調(diào)節(jié)、樣品厚度等因素對(duì)建材煙密度測(cè)試的影響；廣州市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院陳宏業(yè)等（2011）[8]研究了試樣尺寸（厚度）、試驗(yàn)環(huán)境、試樣點(diǎn)燃方式等因素對(duì)橡膠材料煙密度測(cè)試的影響。

本文在自主研發(fā)的建材燃燒煙密度測(cè)試裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)[9]，有效地確定上述不同因素對(duì)木板材料產(chǎn)煙的影響，大大縮短了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，為裝置的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 。

1 建材燃燒煙密度測(cè)試系統(tǒng)

自主研發(fā)的建材燃燒煙密度測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置主要由箱體、輻射板、試樣夾具、煙氣集中道、抽風(fēng)裝置、光學(xué)結(jié)構(gòu)等組成。由圖1可知系統(tǒng)產(chǎn)煙由裝置（圖中6、7）中的輻射板黑體、點(diǎn)火器（圖中6、7）構(gòu)成，通過(guò)輻射板熱輻射和點(diǎn)火器引火結(jié)合的燃燒試樣（圖中9），使得試樣燃燒和熱分解進(jìn)而產(chǎn)生煙氣，然后通過(guò)抽煙系統(tǒng)（圖中2）將所產(chǎn)生的煙氣向外抽取進(jìn)入煙氣集中區(qū)，再通過(guò)光電測(cè)量系統(tǒng)（圖中1、3）對(duì)所通過(guò)的煙氣量進(jìn)行測(cè)量，圖中4代表燃燒箱體、5代表煙罩、10代表空氣入口，8代表鋼尺，用來(lái)測(cè)量試樣的燃燒長(zhǎng)度。測(cè)試裝置采集到傳感信息可通過(guò)上位機(jī)的建筑材料燃燒性能試驗(yàn)軟件[10]，測(cè)定建材燃燒的煙氣總值以及光的最大衰減率。

2 試驗(yàn)方法

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

建材燃燒煙密度測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)煙的平穩(wěn)性，是決定測(cè)量精度十分重要的一個(gè)因素，也是本正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此測(cè)試系統(tǒng)中系統(tǒng)產(chǎn)煙平穩(wěn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由材料燃燒產(chǎn)生的煙氣總值以及燃燒過(guò)程中光的最大衰減率組成。煙氣總值表征了材料在不同參數(shù)組合下的產(chǎn)煙量，是判斷建筑材料是否符合消防標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)；光的最大衰減率表征了最大煙密度值，也是判斷建筑材料是否符合消防標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)。在材料燃燒過(guò)程中，當(dāng)煙氣總值越大，光的最大衰減率越小時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)煙就會(huì)越平穩(wěn)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中光衰減曲線起伏程度越小，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精確也就會(huì)越高。

圖1 測(cè)試裝置的整體結(jié)構(gòu)

在圖1所示的測(cè)試裝置上檢測(cè)建筑材料煙密度，根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)上影響材料產(chǎn)煙的燃燒條件，選取輻射板的輻射通量（輻射板的黑體溫度表示）、點(diǎn)火器的點(diǎn)火火焰高度、煙道中煙氣流速作為3個(gè)因素，通過(guò)正交試驗(yàn)，選取出3個(gè)因素的最優(yōu)組合。

根據(jù)GB 11785-2005《鋪地材料的燃燒性能測(cè)定 輻射熱源法》規(guī)定，本試驗(yàn)選用輻射板黑體溫度的3個(gè)水平分別為480，505，530℃，選用點(diǎn)火器點(diǎn)火火焰高度3個(gè)水平分別為6，9，12 mm，煙道中煙氣流速的3個(gè)水平分別為2.0，2.5，3.0m/s。因此采用擬水平正交設(shè)計(jì)方法，分別用A、B、C表示黑體溫度、火焰高度、煙氣流速，填入各水平因素后，正交試驗(yàn)因素如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

2.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在建筑材料燃燒性能測(cè)定裝置上進(jìn)行，控制黑體溫度、火焰高度、煙氣流速3個(gè)因素，選取不同的水平，通過(guò)裝置軟件得到試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)即煙氣總值和光的最大衰減率。根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表，選用試驗(yàn)次數(shù)較少的正交表L9（34）。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試樣選取9塊同種材料、同樣大小的木板，其尺寸為40mm×21.5mm×7mm，通過(guò)控制輻射板的燃?xì)馀c空氣比例改變輻射板的黑體溫度；通過(guò)控制點(diǎn)火器的燃?xì)馀c空氣比例改變點(diǎn)火器的點(diǎn)火火焰高度；通過(guò)控制抽風(fēng)機(jī)頻率改變煙道中煙氣流速。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果1）

圖2 光衰減曲線

下面以第8組試驗(yàn)為例，試驗(yàn)因素組合為A3B2C1，即是黑體溫度為530℃，火焰高度為9mm，煙氣流速為2.0m/s。第1步取出40 mm×21.5 mm×7 mm的試樣，并編號(hào)；第2步通過(guò)調(diào)整輻射板的燃?xì)馀c空氣比例、點(diǎn)火器的燃?xì)馀c空氣比例、抽風(fēng)機(jī)頻率，使A、B、C 3個(gè)因素為A3B2C1；第3步是木板燃燒試驗(yàn)產(chǎn)煙；第4步是在整個(gè)燃燒過(guò)程中，畫(huà)出光衰減率曲線，表征著每一時(shí)刻的煙密度，如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述正交試驗(yàn)方法對(duì)L9（34）中的不同系統(tǒng)參數(shù)組合進(jìn)行9組試驗(yàn)，得到表2的正交試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 極差分析法

3.2.1 煙氣總值的極差分析

此部分目的是分離影響算法復(fù)雜度的主次因素。根據(jù)表2中的結(jié)果繪制因素與效應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

圖3 煙氣總值的因素與效應(yīng)關(guān)系圖

從極差Rj大小可知，因素主次順序?yàn)椋汉隗w溫度對(duì)煙氣總值的影響最大，火焰高度對(duì)煙氣總值的影響次之，而煙氣流速對(duì)煙氣總值的影響最小。

根據(jù)因素與效應(yīng)關(guān)系圖可知，使材料產(chǎn)生煙氣總值最多的系統(tǒng)參數(shù)組合為：黑體溫度A為530℃、火焰高度B為12mm、煙氣流速C為2.5m/s的參數(shù)組合；而使材料產(chǎn)生的煙氣總值最少的系統(tǒng)參數(shù)組合為：黑體溫度A為480℃、火焰高度B為6mm、煙氣流速C為3m/s的參數(shù)組合。

3.2.2 光最大衰減率的極差分析

根據(jù)表3中的結(jié)果繪制光最大衰減率因素與效應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

圖4 光最大衰減率的因素與效應(yīng)關(guān)系圖

從極差Rj大小可知，因素主次順序?yàn)椋汉隗w溫度對(duì)光最大衰率值的影響最大，煙氣流速對(duì)光最大衰減率的影響次之，而火焰高度對(duì)光最大衰減率的影響最小。

根據(jù)因素與效應(yīng)關(guān)系圖可知，使光最大衰減率最多的系統(tǒng)參數(shù)組合為：黑體溫度A為530℃、火焰高度B為9mm、煙氣流速C為2.5m/s的參數(shù)組合；而使光最大衰減率最少的系統(tǒng)參數(shù)組合為：黑體溫度A為505℃、火焰高度B為6 mm、煙氣流速C為3m/s的參數(shù)組合。

3.3 結(jié)果分析與討論

（1）黑體溫度A。在本實(shí)驗(yàn)條件下，黑體溫度對(duì)于材料燃燒產(chǎn)生的煙氣總值影響最大，黑體溫度越高，煙氣總值越大；黑體溫度對(duì)光最大衰減率影響最為顯著，黑體溫度為505℃時(shí)，光的最大衰減率最小。綜合考慮兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，黑體溫度取505℃。

（2）火焰高度B?；鹧鏈囟葘?duì)于煙氣總值影響較大，火焰高度越高，煙氣總值越大；而對(duì)于光最大衰減率影響很小，故火焰高度取12mm。

（3）煙氣流速C。煙氣流速在2.5m/s時(shí)煙氣總值最大；煙氣流速對(duì)于光的最大衰減率影響很小，故煙氣流速取2.5m/s。

最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)組合就是使得煙氣總值越大同時(shí)光的最大衰減率越小的參數(shù)組合，綜合以上結(jié)論分析，采用黑體溫度為505℃、火焰高度為12mm、煙氣流速為2.5m/s的系統(tǒng)參數(shù)組合最合適。

4 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)建筑材料燃燒煙密度測(cè)試裝置組合參數(shù)的最優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)極差值和方差值的分析可以得出各燃燒因素的主次順序。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用正交試驗(yàn)所確定的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)組合，相對(duì)于最低產(chǎn)煙系統(tǒng)參數(shù)組合，能使產(chǎn)煙效率提高約26.08%；相對(duì)于最高衰減率系統(tǒng)參數(shù)組合，能使光的最大衰減率降低約27.37%，提高了檢測(cè)精度。在檢測(cè)建材煙密度過(guò)程中，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠更好地確定國(guó)標(biāo)中的系統(tǒng)參數(shù)組合，這對(duì)于建筑材料的煙密度檢測(cè)是十分重要的，關(guān)系到所測(cè)試建材是否符合阻燃標(biāo)準(zhǔn)。

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