基于正交试验的建材燃烧烟密度测试装置参数组合优化

欧 凯，洪晓斌，文泽贵，季 勇，刘桂雄

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.广州信禾检测设备有限公司，广东 广州 510000）

0 引 言

从建筑物发生火灾事故分析报告和有关火灾伤亡研究情况来看，火灾事故致命的罪魁祸首往往不是火，而是烟气，在火灾致死人数中，超过2/3的死亡是由烟气窒息中毒导致[1]。建筑材料烟密度测试，对于保证建筑物内人的生命财产安全非常重要，开展建筑材料烟密度测试研究具有重要意义。

目前，国内外关于建筑材料烟密度检测的影响因素的研究中，匹兹堡州立大学的Christopher（2007）[2]研究了环氧纳米复合材料的阻燃性能中引火时间等因素对于烟密度测试结果的影响；英国博尔顿大学的 B.K.Kandola和 A.R.HorroCks（2008）[3]利用不同的测试方法测试不饱和聚酯树脂烟密度的影响；日本林业研究所川大辅等（2009）[4]采用锥形量热计估算出不同的测量方法对木屑颗粒烟密度的影响；维尔纽斯技术大学 Romualdas Macˇiulaitis和 Vladas Praniauskas（2010）[5]进行了 3 种不同厚度、材料的木制品在不同热通量试验条件下的防火测试，利用锥形量热仪确定这些因素对木制品防火测试的影响关系及权重；中南大学田文利等（2009）[6]利用正交试验法研究了浓度、温度、压力、浸泡时间4个因素对木材烟密度的影响；广州市建筑材料及构件检测技术与评价重点实验室赵侠等（2010）[7]分析了试验测量装置、试验环境、样品的状态调节、样品厚度等因素对建材烟密度测试的影响；广州市质量监督检测研究院陈宏业等（2011）[8]研究了试样尺寸（厚度）、试验环境、试样点燃方式等因素对橡胶材料烟密度测试的影响。

本文在自主研发的建材燃烧烟密度测试装置基础上，通过设计正交实验[9]，有效地确定上述不同因素对木板材料产烟的影响，大大缩短了实验次数，为装置的推广应用奠定了基础 。

1 建材燃烧烟密度测试系统

自主研发的建材燃烧烟密度测试装置整体结构如图1所示。装置主要由箱体、辐射板、试样夹具、烟气集中道、抽风装置、光学结构等组成。由图1可知系统产烟由装置（图中6、7）中的辐射板黑体、点火器（图中6、7）构成，通过辐射板热辐射和点火器引火结合的燃烧试样（图中9），使得试样燃烧和热分解进而产生烟气，然后通过抽烟系统（图中2）将所产生的烟气向外抽取进入烟气集中区，再通过光电测量系统（图中1、3）对所通过的烟气量进行测量，图中4代表燃烧箱体、5代表烟罩、10代表空气入口，8代表钢尺，用来测量试样的燃烧长度。测试装置采集到传感信息可通过上位机的建筑材料燃烧性能试验软件[10]，测定建材燃烧的烟气总值以及光的最大衰减率。

2 试验方法

2.1 正交试验设计

建材燃烧烟密度测试系统产烟的平稳性，是决定测量精度十分重要的一个因素，也是本正交试验的评价指标。在此测试系统中系统产烟平稳性的评价指标主要由材料燃烧产生的烟气总值以及燃烧过程中光的最大衰减率组成。烟气总值表征了材料在不同参数组合下的产烟量，是判断建筑材料是否符合消防标准的主要指标；光的最大衰减率表征了最大烟密度值，也是判断建筑材料是否符合消防标准的重要指标。在材料燃烧过程中，当烟气总值越大，光的最大衰减率越小时，测试系统产烟就会越平稳，整个测试过程中光衰减曲线起伏程度越小，测试系统的测量精确也就会越高。

图1 测试装置的整体结构

在图1所示的测试装置上检测建筑材料烟密度，根据试验平台上影响材料产烟的燃烧条件，选取辐射板的辐射通量（辐射板的黑体温度表示）、点火器的点火火焰高度、烟道中烟气流速作为3个因素，通过正交试验，选取出3个因素的最优组合。

根据GB 11785-2005《铺地材料的燃烧性能测定 辐射热源法》规定，本试验选用辐射板黑体温度的3个水平分别为480，505，530℃，选用点火器点火火焰高度3个水平分别为6，9，12 mm，烟道中烟气流速的3个水平分别为2.0，2.5，3.0m/s。因此采用拟水平正交设计方法，分别用A、B、C表示黑体温度、火焰高度、烟气流速，填入各水平因素后，正交试验因素如表1所示。

表1 正交试验因素水平

2.2 试验方法

本实验在建筑材料燃烧性能测定装置上进行，控制黑体温度、火焰高度、烟气流速3个因素，选取不同的水平，通过装置软件得到试验评价指标即烟气总值和光的最大衰减率。根据正交试验因素水平表，选用试验次数较少的正交表L9（34）。

2.3 试验过程

试样选取9块同种材料、同样大小的木板，其尺寸为40mm×21.5mm×7mm，通过控制辐射板的燃气与空气比例改变辐射板的黑体温度；通过控制点火器的燃气与空气比例改变点火器的点火火焰高度；通过控制抽风机频率改变烟道中烟气流速。

表2 正交试验结果1）

图2 光衰减曲线

下面以第8组试验为例，试验因素组合为A3B2C1，即是黑体温度为530℃，火焰高度为9mm，烟气流速为2.0m/s。第1步取出40 mm×21.5 mm×7 mm的试样，并编号；第2步通过调整辐射板的燃气与空气比例、点火器的燃气与空气比例、抽风机频率，使A、B、C 3个因素为A3B2C1；第3步是木板燃烧试验产烟；第4步是在整个燃烧过程中，画出光衰减率曲线，表征着每一时刻的烟密度，如图2所示。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

采用上述正交试验方法对L9（34）中的不同系统参数组合进行9组试验，得到表2的正交试验结果。

3.2 极差分析法

3.2.1 烟气总值的极差分析

此部分目的是分离影响算法复杂度的主次因素。根据表2中的结果绘制因素与效应关系，如图3所示。

图3 烟气总值的因素与效应关系图

从极差Rj大小可知，因素主次顺序为：黑体温度对烟气总值的影响最大，火焰高度对烟气总值的影响次之，而烟气流速对烟气总值的影响最小。

根据因素与效应关系图可知，使材料产生烟气总值最多的系统参数组合为：黑体温度A为530℃、火焰高度B为12mm、烟气流速C为2.5m/s的参数组合；而使材料产生的烟气总值最少的系统参数组合为：黑体温度A为480℃、火焰高度B为6mm、烟气流速C为3m/s的参数组合。

3.2.2 光最大衰减率的极差分析

根据表3中的结果绘制光最大衰减率因素与效应关系，如图4所示。

图4 光最大衰减率的因素与效应关系图

从极差Rj大小可知，因素主次顺序为：黑体温度对光最大衰率值的影响最大，烟气流速对光最大衰减率的影响次之，而火焰高度对光最大衰减率的影响最小。

根据因素与效应关系图可知，使光最大衰减率最多的系统参数组合为：黑体温度A为530℃、火焰高度B为9mm、烟气流速C为2.5m/s的参数组合；而使光最大衰减率最少的系统参数组合为：黑体温度A为505℃、火焰高度B为6 mm、烟气流速C为3m/s的参数组合。

3.3 结果分析与讨论

（1）黑体温度A。在本实验条件下，黑体温度对于材料燃烧产生的烟气总值影响最大，黑体温度越高，烟气总值越大；黑体温度对光最大衰减率影响最为显著，黑体温度为505℃时，光的最大衰减率最小。综合考虑两个评价指标，黑体温度取505℃。

（2）火焰高度B。火焰温度对于烟气总值影响较大，火焰高度越高，烟气总值越大；而对于光最大衰减率影响很小，故火焰高度取12mm。

（3）烟气流速C。烟气流速在2.5m/s时烟气总值最大；烟气流速对于光的最大衰减率影响很小，故烟气流速取2.5m/s。

最优系统参数组合就是使得烟气总值越大同时光的最大衰减率越小的参数组合，综合以上结论分析，采用黑体温度为505℃、火焰高度为12mm、烟气流速为2.5m/s的系统参数组合最合适。

4 结束语

本试验实现建筑材料燃烧烟密度测试装置组合参数的最优化，根据试验极差值和方差值的分析可以得出各燃烧因素的主次顺序。试验结果表明：采用正交试验所确定的最优系统参数组合，相对于最低产烟系统参数组合，能使产烟效率提高约26.08%；相对于最高衰减率系统参数组合，能使光的最大衰减率降低约27.37%，提高了检测精度。在检测建材烟密度过程中，采用正交试验设计方法，能够更好地确定国标中的系统参数组合，这对于建筑材料的烟密度检测是十分重要的，关系到所测试建材是否符合阻燃标准。

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