基于铁路机车火灾发展规律的防火监测系统开发及其应用研究

摘要

铁路事业的快速发展给人民群众的生产生活带来了巨大的便利，但是近年来，铁路机车火灾的频繁发生也给铁路安全运营带来了严重威胁。本文针对当前铁路机车火灾安全系统存在的问题，通过开展富有针对性的铁路机车火灾研究，如铁路机车材料燃烧特性、火灾功率、结构耐火性等实验研究，探寻铁路机车火灾发展规律，改进和优化现有铁路机车防火监测系统，提高铁路机车防火安全性能。
　　首先开展了铁路机车典型材料燃烧特性、火灾功率、结构耐火性等实验研究，分析研究并建立了不同材料的着火时间、外界辐射热流与临界入射热流的关系。同时结合危害性指数HI模型、N-gas模型、FED模型进行对比分析，针对材料燃烧危害性评价，建立了材料燃烧的HNF模型。HNF模型可以较好地评估和预测材料燃烧产生的有毒气体的危害性。
　　此外，又具体根据CKD0A型内燃机车内可燃物的分布情况、结构特点、各区域使用功能，确定火灾危险性研究的火灾场景设置，对发生火灾后的各种情况、各个部位进行分析。同时通过现场实测实验研究铁路机车火灾发展规律，研究铁路机车防火监测系统的实效性。
　　其次，采用数值模拟的方法对铁路机车典型火灾发展规律进行研究，以利于发展针对铁路机车火灾的复合探测技术。选取两种典型机车CKD0A和HXN5的动力室为主要研究对象，构建特殊条件下的铁路机车火灾数值模型，结合铁路机车所处的特殊环境及铁路机车内部系统的复杂分布，研究不同控制条件下的铁路机车火灾发展规律，车内可燃物早期热解产物特性，火灾初期的烟气迁移特性，产物组分浓度分布规律，烟气温度增长特性，同时研究铁路机车内部不同可燃物可能的火灾增长特性和火灾蔓延规律。
　　之后为有效分析各种易燃材料在机车内阴燃以至燃烧的过程中，各探测器采集的温度、烟雾浓度、以及CO等参量的变化，同时为深入研究机械间灰尘、油雾、电磁干扰等因素对探测器正常探测的影响，分别在小尺寸实验箱，6A实验室和1∶3尺寸机车开展了机车火灾探测报警系统实验，并结合铁路机车火灾的增长特性和火灾蔓延规律，针对铁路机车火灾早期条件下内部的温度场和组分浓度场分布，分析不同火灾探测器的优缺点，研究铁路机车火灾适用的火灾探测器类型和布置方式。
　　进而，根据铁路机车火灾环境和日常运营环境中的火灾探测器作用参量的差别，改进火灾探测算法，降低火灾监测系统的漏报和误报率。并基于信息融合技术对机车火灾探测报警机制进行了优化研究，自主开发出新型机车防火监控系统，并在大同HXD2型号铁路机车进行实车检验。
　　最后结合机车火灾模拟实验及大量的机车运行数据分析，开展机车防火系统设计装车应用，并对HXD2机车和HXN5机车的防火装车方案进行改进与应用。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 国内机车简介

1．1．2 铁路机车火灾简介

1．2 研究现状与总结

1．2．1 机车火灾特性研究

1．2．2 机车典型材料燃烧特性实验研究

1．2．3 机车火灾探测相关研究

1．3 本文的技术路线与研究内容

1．4 章节安排

第2章 铁路机车火灾发展规律实验研究

2．1 CKD0A型机车火灾实验研究

2．1．1 CKD0A实验简介

2．1．2 材料燃烧特性分析

2．1．3 CKD0A型内燃机车火源功率计算

2．2 典型机车车载材料火灾实验研究

2．2．1 内燃机车铝面-聚氨酯保温材料实验研究

2．2．2 铁路机车太阳能材料实验研究

2．3 机车火灾早期探测实验研究

2．4 本章小结

第3章 典型机车火灾数值模拟研究

3．1 火灾模拟基础

3．1．1 模型介绍

3．1．2 模拟基础

3．2 CKD0A型内燃机车火灾数值模拟研究

3．2．1 模拟模型及工况设计

3．2．2 模拟结果分析

3．3 HXN5型内燃机车火灾数值模拟研究

3．3．1 模拟模型及工况设计

3．3．2 模拟结果分析

3．4 HXN5内燃机车动力间防灭火方案简介

3．4．1 水喷淋对机车火灾的抑制影响研究

3．4．2 HXN5内燃机车动力间防火方案

3．5 本章小结

第4章 机车火灾探测报警系统实验研究

4．1 火灾探测器原理分析

4．2 小尺寸实验箱机车火灾探测报警系统实验

4．2．1 实验设备

4．2．2 实验结论

4．3 6A实验室内机车火灾探测报警系统实验

4．3．1 实验过程

4．3．2 实验结论

4．4 1∶3尺寸机车火灾探测报警系统实验

4．4．1 实验室及实验方法设计

4．4．2 实验过程及数据分析

4．4．3 实验结论

4．5 本章小结

第5章 基于信息融合技术的机车火灾探测报警机制优化研究

5．1 火灾探测算法优化

5．1．1 单输入偏置滤波算法

5．1．2 复合传感器信号相关算法

5．2 防火监控子系统运行现状

5．2．1 装车运行概况

5．2．2 报警数据统计

5．2．3 报警原因分析

5．3 探测器报警方案

5．3．1 探测器类型选择

5．3．2 探测器响应时间

5．3．3 探测器布置方案

5．3．4 报警关联方案

5．4 改进方案推演

5．4．1 探测器点位布置

5．4．2 报警控制模式

5．4．3 报警诊断算法

5．4．4 数据分析功能

5．5 防误报功能论证

5．5．1 灰尘干扰

5．5．2 电磁干扰

5．5．3 油雾干扰

5．6 报警有效性论证

5．6．1 报警有效性

5．6．2 挡板有效性

5．7 机车防火增强型改进方案及实施

5．7．1 探测器改进

5．7．2 探测器点位布置

5．7．3 报警控制模式

5．7．4 报警诊断算法

5．7．5 数据分析功能

5．8 本章小结

第6章 机车防火系统设计开发测试及装车应用

6．1 机车防火监控子系统设计开发

6．1．1 系统设计简介

6．1．2 开发过程与调试

6．2 机车防火监控子系统测试

6．3 大同厂实车实验

6．3．1 实车实验概况

6．3．2 实验记录分析

6．3．3 实验数据处理与结论

6．4 机车防火装车方案

6．4．1 HXD2机车防火装车方案简介

6．4．2 HXN5机车防火装车方案简介

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 本文工作创新点

7．3 进一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果