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                        汽車火災預警及自勸滅火系統設計

                        添加時間:2018/08/02 來源:西南交通大學 作者:胡逸君
                        本論文在探究汽車火災特性的基礎上,研究設計了具有多級預警功能和自動滅火功能的汽車火災防滅火系統,不僅能夠減少常規報警系統容易出現的誤報警情況,還可W從汽車火災巧期自動探測到火災及時進斤自動滅火。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          近年來,由于人民生活水平的提高,民眾的購車需求旺盛,我國汽車保有量不斷増加。然而人們享受汽車帶來的交通便利的同時,隨之而來的汽車火災事故也頻繁發生,汽車火災的發生會造成大量經濟損失及人員傷亡。因此提出一種節能,安全,可靠的汽車防滅火方案,對降低汽車火災發生頻率,減少汽車火災造成的經濟損失W及人員傷亡具有十分重要的意義。

                          本論文通過對汽車火災特性分析,提出了一種能夠實現多級預警和自動滅火的汽車防滅火方案,并通過汽車發動機艙模擬火災試驗,在證明了其工作可靠性的同時優化了系統的報警功能和滅火功能。

                          主要研究結果如下:

                          (1)結合火災H要素和汽車組成特點發現,汽車火災的發生是由電氣系統的故障、排氣系統及機械摩擦引發的過熱、高溫或者外來火源,引燃了因故障泄漏的燃油或汽車油脂、汽車內部其他的可燃材料等導致的。

                          (2)根據引發汽車火災的可燃物種類不同將汽車火災分為A類(可燃固體物質),B類(可燃液體物質),C類(可燃氣體物質),E類(電氣)四類火災。

                          (3)汽車火災具有W下五個特點:a.突發性;b.起火快、燃燒猛、蔓延迅速;C.

                          發動機部位易著火;d.易產生有毒煙氣造成人員中毒;e.易造成較大損失。

                          (4)汽車火災的處置難點主要為初起火災探測困難,撲救難度大,缺乏有效滅火設備。

                          (5)根據之前的理論分析結合實際需求確定了汽車火災預警及自動滅火系統的功能要求W及總體方案設計,然后對該系統進行了原型設計。該系統由汽車火災預警系統和汽車火災自動滅火裝置組成,其中汽車火災預警系統是由汽車火災探測模塊和汽車火災預警控制器組成。其中汽車火災探測模塊由I38’C的不可恢復式感溫電纜和DS18B20溫度傳感器構成,具備多級預警功能。汽車火災預警控制器的核也為STC15W4IC60S4的單片札預警顯示模塊采用的是3.2寸USARTHMI觸摸屏,主備電源分別使用車輛蓄電池提供+12V電源經過轉換電壓變成系統正常工作的+5V電壓和使用可太陽能充電的充電寶提供穩定的+5V電壓。汽車火災自動滅火裝置根據汽車發動機艙特點選擇的是S型熱氣溶膠自動滅火裝置。

                          (6)對設計出的汽車火災預警及自動滅火系統進斤了汽車發動機艙模擬火災試驗,通過不同工況下的火災試驗,分析了滅火劑用量、噴放方式、火源位置及數量對系統滅火效果的影響W及分析了布置方式、火源位置及數量對報警時間的影響。通過試驗結果,驗證了其工作可靠性的同時化化了系統的報警功能和滅火功能,為汽車的防滅火自動化提出了一種節能,安全,可靠的方法。

                          關鍵詞:汽車火災;汽車發動機艙;多級預警;自動滅火

                        Abstract

                          In recent years,due to the improvement of people's living standards,their demands for cars are so strong that make Chinese car possession increase continuously. However, when people enjoy tee convenience of tee cars,teete are frequent fire accidents fbllowed at tee same time, which can cause a lot of economic losses and casualties. Therefore, it is significant to find an energy-saving, safe and reliable fire prevention and extinguishing solution to lower tee frequency of automobile fires and reduce the economic losses and casualties caused by automobile fires.

                          Based on the analysis of automobile nre characterifiics, an automobile fire prevention and extinguishing proposal which can realize multi-level early warnings is put forwarcUn this paper. Through the fire 1:est simulations of airtomobile engine compartment,the work reliability of this proposal is proved and the alarm function and exting山shing ftmction are optimized at the same time.

                          The main findings are as follows:

                          (1) Combining with three fire elements and car composition characteristics,it is found that the occurrence of car fires are caused by electrical system failures,overheating due to exhaust system and mechanical friction,high temperature and external fire sources igniting leakage fuel, car grease, other internal combustible materials or something like te ese.

                          (2)According te the different types of combustible materials that cause automobile fires,car fires are classified into Class A (combustible solid materials) fire. Class B (combustible liquid materials) fire. Class C (combustible gas materials) fire. Class E (electrical appliances) fire.

                          (3)Car fires have the following five characteriistics: a- sudden; be catch fire fast^ bum fiercely, and spread rapidly; c. engine parts are easy to catch fire; d. the toxic smoke produced can poison people; e. lead to great losses.

                          (4)The diffic山ties of dealing with car fires are detection difficulties at the start of fires, extinguishing difficulties, and lacked effective equipments.

                          (5)According te the previous theoretical analysis and combined wite actual needs,the functional requirements and tee general program design of automoWle fire alarm and automatic nre extinguishing system are determined, and then prototype design of this system is COnducted. The system consists of automobile fire alarm system and automatic fire extinguishing device. the automobile fire alarm system is composed of fire detection module and fire alarm COntroUer. The fire detection module COnsis1:s of 138℃non-renewable temperature cable and DS18B20 temperature sensor and has multi-level alarm function. The core of fire alarm controller is STC15W4K60S4 single-chip, 3.2-inch USARTHMI touch screen is used in alarm display module,the battery which provides +12V power supply that converts into +5V to fit the system is used as the main power supply,and the power bank which is solar energy rechargable is used as spare power supply to provide stable +5 V voltage. According to characteristics of the automobile engine compartment, S-type hot aerosol automatic exting山shing device is selected.

                          (6) A fire 1;est was conduced to check the design of automobile fire alarm and automatic fire extinguishing system. By 1;esting under diffetent working conditions,the influence of extinguishing agent amounway of spraying, position and quantity of sources on system,s extinguishing effect were analyzed,as well as tee influence of tee way of layout, position and quantity of fire sources on length of alarm time. The test results verified the KliabiUty of the system,s performance, and the alarm to nction and extinguishing function were optimized after the tefi? An energy-saving, safe and reliable automobile fire prevention and extinguishingsolutionisproposed.

                          Key words: automobile fire; automobile engine compartment; multi-stage warning;automatic fire fighting

                          火災是人類社會最常見的災害么一,根據世界火災統計資料顯示,在全球火災發生總數量中,交通工具火災發生數量占21%左右,其中汽車火災占18%左右,其它的交通工具占3%左右以。在中國,得益于經濟的高速發展,人民群眾生活水平日益提高,民眾購車剛性需求旺盛,汽車保有量每年都在不斷地増長,且年平均増長量超過了 1000萬量口]。根據中國公安部交通管理部口統計,中國汽車保有量截至2016年底己達到1.94億,僅次于美國,位居世界第二,全國有49個城市的汽車保有量超百萬輛,其中北京、成都、重慶、上海、深圳、蘇州、天津、鄭州、西安、杭州、武漢、廣州、石家莊、東堯、南京、青島、寧波、佛山18個城市汽車保有量超過200萬輛。在國外,很早就對汽車火災進行了大量研究。例如:尤里卡項目(EUREKAEU499)通過火災實驗發現了大中型客車的熱釋放速率隨時間變化的規律[^1]。1985年德國卡爾斯魯厄大學火災防護研巧所通過對轎車進行火災實驗,發現了轎車發生火災后的熱釋放速率,以及煙氣溫度和煙氣蔓延隨時間變化的規律。1994年,Mangs等人通過對小型客車進行了3次全面的火災實驗,發現了小型客車發生火災后的熱釋放速率,及溫度與氣體濃度隨時間變化的規律ful。2000年Steinert C通過對轎車進行火災實驗,得到了轎車火災發生后的熱釋放速率,以及氣體濃度、溫度等隨時間的變化規律。

                          2004年Peacock等人通過小型客車進斤火災試驗得到了小型客車發生火災后溫度和氣體濃度隨時間變化的規律。2006年T Ono和HI shii通過對高速公路上行駛的一輛汽車進行火災實驗,并使用攝像機記錄,發現使用圖像處理技術和神經網絡技術構建的算法對判別汽車火災的發展情況具有一定的效果。

                          在中國,隨著汽車火災事故數量的不斷增加,我國學者對汽車火災的發生過程和作用機理也進行了大量的研究工作。2002年,程遠平等人通過對轎車進行模擬火災實驗,得到了轎車發生火災后溫度、火災煙氣和熱釋放速率隨時間的變化規律2006年到2008年間,劉振剛等人為了研究汽車火災發生的原因,首先通過模擬汽車上可能出現的高溫熱源,對汽車上可燃的液體(如燃料、各種車用油脂)等進行火災實驗和熱譜分析,并進行了系統的分析和研究,得出了它們與熱表面接觸的著火機理和規律,然后通過對汽車進行模擬電氣線路火災實驗,通過實驗結果分析了汽車上電氣系統的火災危險性f以-以。2006年,清華大學公共安全研究中屯、等進行了全尺寸汽車火災實驗研究,得到了汽車火災蔓延規律及濕度隨時間的變化規律等。2008年,雷兵、王清遠等為了研究客運車輛火災的系統控制變量和工況條件的關系,基于能量平衡方程,建立熱煙氣層轟燃模型。2010年,畢昆、邱格等通過使用FDS對公交車火災進行了數值模擬研究,得到了汽車火災的發展規律、煙氣的運動過程。2013年,陳杰等人根據國內外乘用車的火災事故統計數據,研究了火源位置和汽車起火原因,其中電氣故障和機械故障是導致汽車火災的最常見原因。

                          本論文將采用理論分析與試驗研究相結合的研究方案。具體實施方案為:

                          (1)汽車火災特性分析:通過查閱相關文獻與資料,了解汽車的組成與構造,結合火災H要素,理論分析汽車火災發生的原因,總結汽車火災的類型及特點并分析汽車火災處置的難點。

                          (2)汽車火災預警系統研究:根據理論分析所得,選擇合適的探測參量及其相關參數,確定汽車火災預警系統方案,設計汽車火災預警系統。

                          (3)汽車火災自動滅火裝置研究:根據理論分析,結合汽車發動機艙特點,采用滅火性能較好,適應性強的滅火劑,考慮將其固定于發動機給內,設計汽車火災自動滅火裝置。

                          (4)通過進行汽車發動機艙模擬火災試驗研究,一方面檢驗系統的可靠性,另一方面優化系統的部分參數提高其探測的準確性,降低誤報概率并實現有效快速樸滅火災的目標。

                          汽車火災預警及自勸滅火系統實驗:

                        豐田凱美瑞發動機艙
                        豐田凱美瑞發動機艙

                        實驗平臺
                        實驗平臺

                        實驗平臺內部設計
                        實驗平臺內部設計

                        火源設置
                        火源設置

                        直接式噴放熱氣溶膠滅火裝置在發動機雜內的布置
                        直接式噴放熱氣溶膠滅火裝置在發動機雜內的布置

                        熱氣溶膠直接式噴放時的泄漏情況
                        熱氣溶膠直接式噴放時的泄漏情況

                        感溫電維在電維橋架的布置方式
                        感溫電維在電維橋架的布置方式

                        感溫電錐的布置方式
                        感溫電錐的布置方式

                        目錄

                          第一章 緒論
                            1.1 研究背景
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 汽車火災的國內外研究現狀
                              1.2.2 汽車火災預警與滅火的國內外研究現狀
                            1.3 本論文的研巧思路
                              1.3.1 本論文的提出及研巧意義
                              1.3.2 本論文的研究內容
                              1.3.3 本論文的研究方法
                              1.3.4 本論文的技術路線
                          第2章 汽車火巧特性分析
                            2.1 汽車火災發生的原因
                            2.2 汽車火災的分類
                            2.3 汽車火災的特點
                            2.4 汽車火災處置難點
                            2.5 小結
                          第3章 汽車火巧預警及自動滅火系統方案研究
                            3.1 系統的功能設計要求
                            3.2 系統的總體方案設計
                            3.3 自動滅火裝置研究
                              3.3.1 汽車發動機艙自動滅火裝置的性能要求
                              3.3.2 常用的自動滅火裝置
                              3.3.3 對比分析
                            3.4 汽車火災探測模塊研巧
                            3.5 汽車火災預警控制器研究
                            3.6 小結
                          第4章 系統原型設計
                            4.1 汽車火災預警控制器的原型設計
                              4.1.1 汽車火災預警控制器的總體設計
                              4.1.2 單片機的選擇
                              4.1.3 主要功能設計
                              4.1.4 汽車火災預警控制器的整體設計
                              4.1.5 汽車火災預警控制器的備用電源選擇
                            4.2 熱氣溶膠自動滅火裝置的原型設計
                              4.2.1 熱氣溶膠自動滅火裝置的基本組成
                              4.2.2 熱氣溶膠發生劑用量設計
                              4.2.3 熱氣溶膠發生劑藥柱的設計
                              4.2.4 熱氣溶膠自動滅火裝置的內筒設計
                              4.2.5 熱氣溶膠自動滅火裝置的電引發器設計
                              4.2.6 熱氣溶膠自動滅火裝置的外殼設計
                              4.2.7 熱氣溶膠自動滅火裝置的冷卻處理
                              4.2.8 熱氣溶膠自動滅火裝置噴放方式設計
                            4.3 小結
                          第5章 系統實體試驗研究
                            5.1 試驗模型的搭建
                            5.2 火災場景的設置
                            5.3 系統滅火試驗研究
                              5.3.1 試驗目的
                              5.3.2 試驗方案
                              5.3.3 試驗結果與分析
                            5.4 系統報警試驗研究
                              5.4.1 試驗目的
                              5.4.2 試驗方案
                              5.4.3 試驗結果與分析
                            5.4 小結
                          結論與展望
                          結論
                          展望
                          致 謝
                          參考文獻

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