采棉機(jī)火災(zāi)發(fā)生機(jī)理研究綜述*

石 砦 ， 韓長杰 ， 薛玉景

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆缽施然智能農(nóng)機(jī)股份有限公司，新疆 伊犁州 833000）

棉花作為僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，是國家重要戰(zhàn)略儲備物資，隨著市場需求量的增加，棉花的種植面積也在不斷擴(kuò)大。我國棉花產(chǎn)量已居世界前列，新疆是我國最大的棉花生產(chǎn)基地，2018 年與2017 年相比，新疆棉花種植面積增加27.39 萬hm2，占全國棉花種植面積的74.32%[1]；2019 年與2018 年相比，新疆棉花產(chǎn)量為500.2 萬t，產(chǎn)量占全國的84.9%，較上年提高1.1%[2]。我國采棉機(jī)市場90%集中在新疆，大型采棉機(jī)每臺上百萬元，雖然機(jī)械采摘棉使得棉花收獲效率提高，但在采棉機(jī)大量使用的同時，采棉機(jī)因溫度過高引發(fā)火災(zāi)事故，給農(nóng)戶帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，為適應(yīng)采棉機(jī)數(shù)量的增加及對其安全的考慮，減少農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)損失，需探明采棉機(jī)火災(zāi)發(fā)生機(jī)理，建立火災(zāi)預(yù)測模型，為開發(fā)一種針對采棉機(jī)的火災(zāi)預(yù)警裝置提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外火災(zāi)預(yù)警研究狀況

1.1 國外火災(zāi)預(yù)警研究狀況

國外火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展比較早，技術(shù)和市場都比較成熟。隨著計(jì)算機(jī)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種智能傳感火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)逐漸成熟，并應(yīng)用在各類消防系統(tǒng)中[4-5]。Koo 等[6]建立了基于總線的火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)。Piccinini等[7]將得到的火災(zāi)疑視區(qū)域與背景區(qū)域的高頻能量比值作為貝葉斯分類器的一個重要參數(shù)，對煙霧進(jìn)行識別。Okayama[8]首次提出三層反饋的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)煙霧檢測算法，將煙霧的濃度、溫度作為輸入量，通過輸出得到的火災(zāi)發(fā)生概率值檢測是否有火災(zāi)發(fā)生。文獻(xiàn)[9-13]利用圖像識別技術(shù)完成森林火災(zāi)檢測與預(yù)警。文獻(xiàn)[14-16]針對煤層建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤自燃發(fā)火預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對煤層是否自燃發(fā)火進(jìn)行識別分類。文獻(xiàn)[17-18]提及的智能電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可靠性高，實(shí)時性好。

1.2 國內(nèi)火災(zāi)預(yù)警研究狀況

國內(nèi)學(xué)者開展了應(yīng)用于建筑物、棉倉、森林等各種環(huán)境之中的火災(zāi)檢測預(yù)警研究。王偉峰等[19]提出一種基于ZigBee 技術(shù)、GPRS 技術(shù)、Internet 技術(shù)的火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。張?jiān)瓶耓20]進(jìn)行了建筑物智能火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)異地火災(zāi)報(bào)警及控制。張雪妹[21]利用節(jié)點(diǎn)部署策略解決了棉倉火災(zāi)監(jiān)控中無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋漏洞問題。沈亞強(qiáng)[22]針對電氣線路中剩余電流和溫度，設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的電氣火災(zāi)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[23-25]建立了基于圖像識別技術(shù)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了森林火災(zāi)的實(shí)時監(jiān)測。

火情發(fā)生會引發(fā)各種物理特征變化，各火災(zāi)特征參量所對應(yīng)的各種物理信號是火災(zāi)檢測系統(tǒng)的信息來源[26]。但單一的物理特征參量很難準(zhǔn)確地反映出火災(zāi)的整體特征，為克服單特征信號對火情片面描述的缺陷，從眾多的物理特征量中選取典型特征量作為火災(zāi)判斷依據(jù)[27]，將多特征量進(jìn)行融合。張興等[28]將以纖維素（C6H10O5）為主要成分的紙和棉類物質(zhì)作為研究對象，建立了以相對濕度、CO 濃度、CO2濃度和O2濃度作為探測火災(zāi)發(fā)生的特征量的火災(zāi)識別系統(tǒng)，提高了火災(zāi)早期預(yù)警的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。李正周等[29]提出的無線多傳感器信息融合的火災(zāi)檢測系統(tǒng)，利用D-S 證據(jù)理論完成了多傳感器信息融合，該系統(tǒng)降低了誤報(bào)率，提高了系統(tǒng)的可信度。

從火災(zāi)信息中挖掘有價值的信息，是提高火情監(jiān)測準(zhǔn)確率的關(guān)鍵，采用合適的算法建立火災(zāi)預(yù)測模型能夠科學(xué)地指導(dǎo)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的誤報(bào)與漏報(bào)。目前，應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)測的算法有基于模糊粗糙集的火災(zāi)監(jiān)測算法[30]、基于L-M（Levenberg-Marquardt）的學(xué)習(xí)規(guī)則的火災(zāi)預(yù)測算法[31]、火災(zāi)圖像識別算法[32]、基于小波分析的火災(zāi)識別算法[33]、基于支持向量機(jī)的代數(shù)算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[34]等，這些算法針對某一類型的火災(zāi)具有較好的預(yù)測效果。

以上火災(zāi)監(jiān)測方法及算法對出現(xiàn)明火后的各火災(zāi)特征量進(jìn)行監(jiān)測有良好的監(jiān)測效果，但很難直接應(yīng)用在采棉機(jī)工作中。采棉機(jī)的作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜且發(fā)生陰燃比例較高，更需要針對陰燃火早期火災(zāi)特征量進(jìn)行監(jiān)測。

1.3 采棉機(jī)火災(zāi)預(yù)警研究現(xiàn)狀

國外采棉機(jī)火災(zāi)發(fā)生情況很少，國外學(xué)者針對采棉機(jī)失火及火災(zāi)報(bào)警的研究尚少。國內(nèi)僅有針對采棉機(jī)輸棉管道失火的研究，尚處于探索階段。王劍等[35]為了驗(yàn)證安裝在采棉機(jī)輸棉管道上的火災(zāi)檢測裝置具有較好的檢測效果，將已經(jīng)燃燒的棉花放入輸棉管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得檢測裝置的最佳檢測距離可以達(dá)到400 mm，且輸棉管道風(fēng)速和棉花濕度對檢測裝置的準(zhǔn)確率影響不顯著，檢測元件安裝的個數(shù)是影響準(zhǔn)確率的主要因素；該設(shè)計(jì)以熱釋電紅外傳感器作為檢測元件，監(jiān)測途徑單一，可靠性有待于提高。苗中華等[36]利用微弱火花快速無漏檢測的方法，針對棉花火星發(fā)出的特定波段范圍光線，采用PIN 光電二極管作為探測器設(shè)計(jì)了符合要求的硬件電路，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期輸棉管內(nèi)火花檢測功能；由于該設(shè)計(jì)采用輪詢機(jī)制，主機(jī)只能在同一時刻對某一個探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，此方法可能造成火情信息的漏測，不能作為早期火災(zāi)判斷的條件。李光耀等[37]設(shè)計(jì)了基于CAN 總線技術(shù)的采棉機(jī)作業(yè)過程中明火、陰燃信號監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集、報(bào)警、滅火、火情數(shù)據(jù)保存和調(diào)用等功能，利用溫度及火焰?zhèn)鞲衅骺蓪γ藁ǖ牟煌鸹痤愋瓦M(jìn)行火情監(jiān)測，可以有效地感知火情并報(bào)警，但該設(shè)計(jì)在無火狀態(tài)下存在誤報(bào)情況，需針對傳感器閾值的選擇及濾波頻率的范圍做進(jìn)一步的調(diào)整。梁高震等[38]針對采棉機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行產(chǎn)熱分析，并對產(chǎn)熱模型及傳熱模型做了初步探討，完成了在不同擋位下采棉機(jī)摘錠及棉倉出口溫度的測量及摘錠溫度的影響試驗(yàn)驗(yàn)證，棉花及關(guān)鍵產(chǎn)熱部件溫度的測量方法單一，缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采棉機(jī)產(chǎn)熱分析需進(jìn)行更深入的探討。趙家偉[39]針對采棉機(jī)關(guān)鍵部件監(jiān)控終端進(jìn)行了整體硬件及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，其中火災(zāi)監(jiān)測模塊主要利用氣敏傳感器對棉箱內(nèi)氣體和煙霧進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否發(fā)生火災(zāi)；該方法針對的對象為棉箱，是在出現(xiàn)明火后進(jìn)行報(bào)警，不能在火災(zāi)早期及超早期實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

綜上所述，目前研究欠缺有關(guān)采棉機(jī)火災(zāi)產(chǎn)生機(jī)理的研究，關(guān)于采棉機(jī)火災(zāi)早期及超早期檢測和預(yù)警方面的研究較少，大多學(xué)者主要集中在：1）采棉機(jī)工作中出現(xiàn)火星及明火后的火災(zāi)報(bào)警研究；2）輸棉管道內(nèi)或棉箱內(nèi)的火災(zāi)檢測裝置的研究。在實(shí)際工況中，采棉機(jī)發(fā)生陰燃的可能性較大，因此要完成采棉機(jī)火災(zāi)預(yù)警首先要從采棉機(jī)的火災(zāi)機(jī)理入手，結(jié)合采棉機(jī)的工作特點(diǎn)研究棉花熱特性、棉花與采摘機(jī)構(gòu)的摩擦特性等。

2 棉花的火災(zāi)特性研究現(xiàn)狀

在走訪調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，采摘部件中出現(xiàn)堵棉、纏繞等情況時會伴有食用油的氣味、采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)行聲音的變化及棉花的碳化現(xiàn)象，此類現(xiàn)象說明棉花已經(jīng)發(fā)生了陰燃且有揮發(fā)性物質(zhì)出現(xiàn)。發(fā)生此類現(xiàn)象的原因主要包括：1）在高溫潮濕的環(huán)境中，棉花粘上了微生物，微生物在棉花上面大量繁殖，產(chǎn)生熱量，而棉花的散熱性較差，在自身的化學(xué)反應(yīng)作用下導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生陰燃現(xiàn)象；2）棉花具有良好的蓄熱特性，棉花與高速旋轉(zhuǎn)的采摘部件摩擦產(chǎn)熱，導(dǎo)致陰燃；3）若樹根、鐵絲等異物纏繞在摘錠上，得不到及時清理，同棉花一起與高速旋轉(zhuǎn)的采摘部件摩擦，致使纏繞在摘錠上的棉花長時間與采摘部件熱源接觸發(fā)生陰燃；4）采棉機(jī)作業(yè)過程中，在上述條件基礎(chǔ)上如遇石子等堅(jiān)硬物體與采摘頭摩擦或沖擊后導(dǎo)致鐵屑與棉花接觸，使棉花燃燒，通過輸棉管道風(fēng)送系統(tǒng)時加速棉花的燃燒。由此可見，采棉機(jī)的火災(zāi)機(jī)理研究應(yīng)結(jié)合棉花熱特性、沖擊摩擦引燃特性、棉花與采摘機(jī)構(gòu)的摩擦特性等進(jìn)行分析。

2.1 棉花燃燒特性研究現(xiàn)狀

有研究者通過熱輻射引燃實(shí)驗(yàn)研究棉花的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率，文獻(xiàn)[40]指出在明火燃燒與陰燃兩種燃燒方式下，熱釋放速率與質(zhì)量損失速率的峰值和平均值均隨輻射強(qiáng)度的增加而增加。文獻(xiàn)[41]通過熱釋放速率、質(zhì)量損失速率曲線探究溫度、濕度對棉花自燃溫度的影響，得出棉花在儲存情況下自燃溫度不會低于280 ℃，在較高濕度條件下不會低于270 ℃，通過熱重分析可以得出，棉花受熱過程中在280 ℃、320 ℃等溫度結(jié)點(diǎn)有某些物質(zhì)釋放出，但并未對所釋放化學(xué)組分及其含量進(jìn)行深入研究。

2.2 摩擦蓄熱特性研究現(xiàn)狀

棉花與高速運(yùn)動部件或旋轉(zhuǎn)設(shè)備摩擦容易發(fā)生火災(zāi)[42-43]。文獻(xiàn)[38]針對采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行了產(chǎn)熱分析，完成了產(chǎn)熱模型的建立及產(chǎn)熱量的計(jì)算，實(shí)際采棉機(jī)工況復(fù)雜，此產(chǎn)熱模型只考慮棉花與旋轉(zhuǎn)部件的產(chǎn)熱關(guān)系，未考慮棉花與棉花摩擦及其產(chǎn)熱關(guān)系。

2.3 沖擊摩擦引燃特性研究現(xiàn)狀

棉包會與裝卸機(jī)械發(fā)生振動、撞擊、拖拽等摩擦行為，存在火災(zāi)危險性[44]。在棉包與裝卸機(jī)械撞擊摩擦模擬實(shí)驗(yàn)中，撞擊速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度，由撞擊摩擦產(chǎn)生的棉花溫度升高程度需做進(jìn)一步的探討。棉花采摘過程中，由堅(jiān)硬物體與高速采摘頭沖擊摩擦后產(chǎn)生高溫鐵屑，此鐵屑引燃棉花，故沖擊摩擦也會造成火災(zāi)隱患。

綜上所述，研究采棉機(jī)火災(zāi)機(jī)理，從棉花的燃燒特性、摩擦蓄熱特性、沖擊摩擦引燃特性入手，結(jié)合采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，還需對棉花在關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)所釋放化學(xué)組分及其含量、棉花與棉花摩擦特性及其產(chǎn)熱關(guān)系與產(chǎn)熱計(jì)算、由沖擊摩擦引起棉花溫度升高值及熱量分析等方面做進(jìn)一步的探討。

3 棉花與采摘機(jī)構(gòu)的摩擦特性研究現(xiàn)狀

3.1 采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)摩擦特性研究及動力學(xué)方程的建立

文獻(xiàn)[45-51]概述了各種摩擦模型的機(jī)理、特點(diǎn)及在機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前，針對棉花與采摘機(jī)構(gòu)的摩擦特性研究較少，文獻(xiàn)[52-53]將摘錠的采摘過程簡化為干摩擦動力學(xué)模型，從線性動力學(xué)角度分析了參數(shù)變化時摘錠的振動行為，其目的在于揭示摘錠摩擦失效的力學(xué)機(jī)制，未涉及摘錠摩擦與熱能變化的關(guān)系分析。分析棉花與采摘機(jī)構(gòu)的摩擦特性，針對采棉機(jī)采棉工況建立的摩擦模型，該模型不僅能夠描述棉花與采棉機(jī)構(gòu)的摩擦特點(diǎn)，還應(yīng)與相應(yīng)的動力學(xué)模型相結(jié)合。采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)摩擦特性研究應(yīng)建立采棉機(jī)采摘部件動力學(xué)方程，考慮摩擦力與熱能的關(guān)系。

3.2 摩擦產(chǎn)熱分析

捆扎材料鋼絲扣的摩擦和切削發(fā)熱是運(yùn)輸棉花中引發(fā)火災(zāi)的最危險因素[54]。采棉機(jī)采摘部件的摩擦產(chǎn)生的熱量主要來自兩部分：一部分是摩擦表面的微凸體與接觸界面的棉花及雜質(zhì)黏結(jié)、切削作用造成的接觸區(qū)域周圍材料產(chǎn)生塑性形變而產(chǎn)生的熱量，這部分能量以熱能形式產(chǎn)生并耗散使摘錠的溫度迅速升高，是摩擦熱量主要部分；另一部分是摩擦材料在高溫下的熱降解產(chǎn)生的熱量。文獻(xiàn)[38]提出以棉花為研究對象，摩擦過程中出現(xiàn)的能量消耗形式主要有熱能和機(jī)械能，給出了熱能計(jì)算公式及產(chǎn)熱因素，但未做具體熱能計(jì)算，未明確給出摩擦與溫度變化關(guān)系。

4 結(jié)論與展望

本文重點(diǎn)闡述了采棉機(jī)起火機(jī)理，該機(jī)理需從1）分析采棉機(jī)采摘過程中的棉花燃燒特性；2）探明采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件高溫節(jié)點(diǎn)所釋放化學(xué)組分及其含量以及火災(zāi)發(fā)生原因入手。通過分析棉花與高速旋轉(zhuǎn)的采摘部件摩擦蓄熱特性、棉花與采棉機(jī)采摘部件的熱量變化規(guī)律，利用熱傳導(dǎo)模型及基于摩擦碰撞振動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，進(jìn)而揭示棉花在機(jī)械摩擦及沖擊摩擦狀態(tài)下的物理特性及起火機(jī)理，此起火機(jī)理可為建立多特征量融合的采棉機(jī)火災(zāi)預(yù)測模型及火災(zāi)預(yù)警裝置提供理論基礎(chǔ)。