采棉機火災發生機理研究綜述*

石 砦 ， 韓長杰 ， 薛玉景

（1.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆缽施然智能農機股份有限公司，新疆 伊犁州 833000）

棉花作為僅次于糧食的第二大農作物，是國家重要戰略儲備物資，隨著市場需求量的增加，棉花的種植面積也在不斷擴大。我國棉花產量已居世界前列，新疆是我國最大的棉花生產基地，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，新疆棉花產量為500.2 萬t，產量占全國的84.9%，較上年提高1.1%[2]。我國采棉機市場90%集中在新疆，大型采棉機每臺上百萬元，雖然機械采摘棉使得棉花收獲效率提高，但在采棉機大量使用的同時，采棉機因溫度過高引發火災事故，給農戶帶來了巨大的經濟損失[3]。因此，為適應采棉機數量的增加及對其安全的考慮，減少農民的經濟損失，需探明采棉機火災發生機理，建立火災預測模型，為開發一種針對采棉機的火災預警裝置提供理論與實踐基礎。

1 國內外火災預警研究狀況

1.1 國外火災預警研究狀況

國外火災監控系統發展比較早，技術和市場都比較成熟。隨著計算機及傳感器技術的發展，各種智能傳感火災報警系統逐漸成熟，并應用在各類消防系統中[4-5]。Koo 等[6]建立了基于總線的火災自動報警系統。Piccinini等[7]將得到的火災疑視區域與背景區域的高頻能量比值作為貝葉斯分類器的一個重要參數，對煙霧進行識別。Okayama[8]首次提出三層反饋的人工神經網絡煙霧檢測算法，將煙霧的濃度、溫度作為輸入量，通過輸出得到的火災發生概率值檢測是否有火災發生。文獻[9-13]利用圖像識別技術完成森林火災檢測與預警。文獻[14-16]針對煤層建立基于神經網絡的煤自燃發火預測模型，實現對煤層是否自燃發火進行識別分類。文獻[17-18]提及的智能電氣火災監測系統可靠性高，實時性好。

1.2 國內火災預警研究狀況

國內學者開展了應用于建筑物、棉倉、森林等各種環境之中的火災檢測預警研究。王偉峰等[19]提出一種基于ZigBee 技術、GPRS 技術、Internet 技術的火災遠程監測預警系統。張云柯[20]進行了建筑物智能火災監控報警及控制系統設計，實現異地火災報警及控制。張雪妹[21]利用節點部署策略解決了棉倉火災監控中無線網絡覆蓋漏洞問題。沈亞強[22]針對電氣線路中剩余電流和溫度，設計了一種監控區域內的電氣火災實時監控系統。文獻[23-25]建立了基于圖像識別技術的森林火災監測系統，實現了森林火災的實時監測。

火情發生會引發各種物理特征變化，各火災特征參量所對應的各種物理信號是火災檢測系統的信息來源[26]。但單一的物理特征參量很難準確地反映出火災的整體特征，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判斷依據[27]，將多特征量進行融合。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濃度作為探測火災發生的特征量的火災識別系統，提高了火災早期預警的準確性和穩定性。李正周等[29]提出的無線多傳感器信息融合的火災檢測系統，利用D-S 證據理論完成了多傳感器信息融合，該系統降低了誤報率，提高了系統的可信度。

從火災信息中挖掘有價值的信息，是提高火情監測準確率的關鍵，采用合適的算法建立火災預測模型能夠科學地指導火災監測系統，減少系統的誤報與漏報。目前，應用于火災預測的算法有基于模糊粗糙集的火災監測算法[30]、基于L-M（Levenberg-Marquardt）的學習規則的火災預測算法[31]、火災圖像識別算法[32]、基于小波分析的火災識別算法[33]、基于支持向量機的代數算法神經網絡[34]等，這些算法針對某一類型的火災具有較好的預測效果。

以上火災監測方法及算法對出現明火后的各火災特征量進行監測有良好的監測效果，但很難直接應用在采棉機工作中。采棉機的作業環境較為復雜且發生陰燃比例較高，更需要針對陰燃火早期火災特征量進行監測。

1.3 采棉機火災預警研究現狀

國外采棉機火災發生情況很少，國外學者針對采棉機失火及火災報警的研究尚少。國內僅有針對采棉機輸棉管道失火的研究，尚處于探索階段。王劍等[35]為了驗證安裝在采棉機輸棉管道上的火災檢測裝置具有較好的檢測效果，將已經燃燒的棉花放入輸棉管進行實驗，獲得檢測裝置的最佳檢測距離可以達到400 mm，且輸棉管道風速和棉花濕度對檢測裝置的準確率影響不顯著，檢測元件安裝的個數是影響準確率的主要因素；該設計以熱釋電紅外傳感器作為檢測元件，監測途徑單一，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，針對棉花火星發出的特定波段范圍光線，采用PIN 光電二極管作為探測器設計了符合要求的硬件電路，可實現預期輸棉管內火花檢測功能；由于該設計采用輪詢機制，主機只能在同一時刻對某一個探頭進行數據交互，此方法可能造成火情信息的漏測，不能作為早期火災判斷的條件。李光耀等[37]設計了基于CAN 總線技術的采棉機作業過程中明火、陰燃信號監測系統，可以實現實時采集、報警、滅火、火情數據保存和調用等功能，利用溫度及火焰傳感器可對棉花的不同起火類型進行火情監測，可以有效地感知火情并報警，但該設計在無火狀態下存在誤報情況，需針對傳感器閾值的選擇及濾波頻率的范圍做進一步的調整。梁高震等[38]針對采棉機關鍵部件進行產熱分析，并對產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摘錠及棉倉出口溫度的測量及摘錠溫度的影響試驗驗證，棉花及關鍵產熱部件溫度的測量方法單一，缺少準確數據，采棉機產熱分析需進行更深入的探討。趙家偉[39]針對采棉機關鍵部件監控終端進行了整體硬件及相關軟件設計，其中火災監測模塊主要利用氣敏傳感器對棉箱內氣體和煙霧進行檢測，根據檢測結果判斷是否發生火災；該方法針對的對象為棉箱，是在出現明火后進行報警，不能在火災早期及超早期實現預警。

綜上所述，目前研究欠缺有關采棉機火災產生機理的研究，關于采棉機火災早期及超早期檢測和預警方面的研究較少，大多學者主要集中在：1）采棉機工作中出現火星及明火后的火災報警研究；2）輸棉管道內或棉箱內的火災檢測裝置的研究。在實際工況中，采棉機發生陰燃的可能性較大，因此要完成采棉機火災預警首先要從采棉機的火災機理入手，結合采棉機的工作特點研究棉花熱特性、棉花與采摘機構的摩擦特性等。

2 棉花的火災特性研究現狀

在走訪調研中發現，采摘部件中出現堵棉、纏繞等情況時會伴有食用油的氣味、采摘機構運行聲音的變化及棉花的碳化現象，此類現象說明棉花已經發生了陰燃且有揮發性物質出現。發生此類現象的原因主要包括：1）在高溫潮濕的環境中，棉花粘上了微生物，微生物在棉花上面大量繁殖，產生熱量，而棉花的散熱性較差，在自身的化學反應作用下導致內部發生陰燃現象；2）棉花具有良好的蓄熱特性，棉花與高速旋轉的采摘部件摩擦產熱，導致陰燃；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生陰燃；4）采棉機作業過程中，在上述條件基礎上如遇石子等堅硬物體與采摘頭摩擦或沖擊后導致鐵屑與棉花接觸，使棉花燃燒，通過輸棉管道風送系統時加速棉花的燃燒。由此可見，采棉機的火災機理研究應結合棉花熱特性、沖擊摩擦引燃特性、棉花與采摘機構的摩擦特性等進行分析。

2.1 棉花燃燒特性研究現狀

有研究者通過熱輻射引燃實驗研究棉花的熱釋放速率、質量損失速率，文獻[40]指出在明火燃燒與陰燃兩種燃燒方式下，熱釋放速率與質量損失速率的峰值和平均值均隨輻射強度的增加而增加。文獻[41]通過熱釋放速率、質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 ℃等溫度結點有某些物質釋放出，但并未對所釋放化學組分及其含量進行深入研究。

2.2 摩擦蓄熱特性研究現狀

棉花與高速運動部件或旋轉設備摩擦容易發生火災[42-43]。文獻[38]針對采棉機采摘機構關鍵部件進行了產熱分析，完成了產熱模型的建立及產熱量的計算，實際采棉機工況復雜，此產熱模型只考慮棉花與旋轉部件的產熱關系，未考慮棉花與棉花摩擦及其產熱關系。

2.3 沖擊摩擦引燃特性研究現狀

棉包會與裝卸機械發生振動、撞擊、拖拽等摩擦行為，存在火災危險性[44]。在棉包與裝卸機械撞擊摩擦模擬實驗中，撞擊速度遠遠小于采棉機采摘機構的旋轉速度，由撞擊摩擦產生的棉花溫度升高程度需做進一步的探討。棉花采摘過程中，由堅硬物體與高速采摘頭沖擊摩擦后產生高溫鐵屑，此鐵屑引燃棉花，故沖擊摩擦也會造成火災隱患。

綜上所述，研究采棉機火災機理，從棉花的燃燒特性、摩擦蓄熱特性、沖擊摩擦引燃特性入手，結合采棉機采摘機構的工作特點，還需對棉花在關鍵溫度節點所釋放化學組分及其含量、棉花與棉花摩擦特性及其產熱關系與產熱計算、由沖擊摩擦引起棉花溫度升高值及熱量分析等方面做進一步的探討。

3 棉花與采摘機構的摩擦特性研究現狀

3.1 采棉機采摘機構摩擦特性研究及動力學方程的建立

文獻[45-51]概述了各種摩擦模型的機理、特點及在機械系統中的應用。目前，針對棉花與采摘機構的摩擦特性研究較少，文獻[52-53]將摘錠的采摘過程簡化為干摩擦動力學模型，從線性動力學角度分析了參數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機制，未涉及摘錠摩擦與熱能變化的關系分析。分析棉花與采摘機構的摩擦特性，針對采棉機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構的摩擦特點，還應與相應的動力學模型相結合。采棉機采摘機構摩擦特性研究應建立采棉機采摘部件動力學方程，考慮摩擦力與熱能的關系。

3.2 摩擦產熱分析

捆扎材料鋼絲扣的摩擦和切削發熱是運輸棉花中引發火災的最危險因素[54]。采棉機采摘部件的摩擦產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黏結、切削作用造成的接觸區域周圍材料產生塑性形變而產生的熱量，這部分能量以熱能形式產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生的熱量。文獻[38]提出以棉花為研究對象，摩擦過程中出現的能量消耗形式主要有熱能和機械能，給出了熱能計算公式及產熱因素，但未做具體熱能計算，未明確給出摩擦與溫度變化關系。

4 結論與展望

本文重點闡述了采棉機起火機理，該機理需從1）分析采棉機采摘過程中的棉花燃燒特性；2）探明采棉機采摘機構關鍵部件高溫節點所釋放化學組分及其含量以及火災發生原因入手。通過分析棉花與高速旋轉的采摘部件摩擦蓄熱特性、棉花與采棉機采摘部件的熱量變化規律，利用熱傳導模型及基于摩擦碰撞振動系統的動力學模型，進而揭示棉花在機械摩擦及沖擊摩擦狀態下的物理特性及起火機理，此起火機理可為建立多特征量融合的采棉機火災預測模型及火災預警裝置提供理論基礎。