石 砦 ， 韩长杰 ， 薛玉景

（1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆钵施然智能农机股份有限公司，新疆 伊犁州 833000）

棉花作为仅次于粮食的第二大农作物，是国家重要战略储备物资，随着市场需求量的增加，棉花的种植面积也在不断扩大。我国棉花产量已居世界前列，新疆是我国最大的棉花生产基地，2018 年与2017 年相比，新疆棉花种植面积增加27.39 万hm2，占全国棉花种植面积的74.32%[1]；2019 年与2018 年相比，新疆棉花产量为500.2 万t，产量占全国的84.9%，较上年提高1.1%[2]。我国采棉机市场90%集中在新疆，大型采棉机每台上百万元，虽然机械采摘棉使得棉花收获效率提高，但在采棉机大量使用的同时，采棉机因温度过高引发火灾事故，给农户带来了巨大的经济损失[3]。因此，为适应采棉机数量的增加及对其安全的考虑，减少农民的经济损失，需探明采棉机火灾发生机理，建立火灾预测模型，为开发一种针对采棉机的火灾预警装置提供理论与实践基础。

1 国内外火灾预警研究状况

1.1 国外火灾预警研究状况

国外火灾监控系统发展比较早，技术和市场都比较成熟。随着计算机及传感器技术的发展，各种智能传感火灾报警系统逐渐成熟，并应用在各类消防系统中[4-5]。Koo 等[6]建立了基于总线的火灾自动报警系统。Piccinini等[7]将得到的火灾疑视区域与背景区域的高频能量比值作为贝叶斯分类器的一个重要参数，对烟雾进行识别。Okayama[8]首次提出三层反馈的人工神经网络烟雾检测算法，将烟雾的浓度、温度作为输入量，通过输出得到的火灾发生概率值检测是否有火灾发生。文献[9-13]利用图像识别技术完成森林火灾检测与预警。文献[14-16]针对煤层建立基于神经网络的煤自燃发火预测模型，实现对煤层是否自燃发火进行识别分类。文献[17-18]提及的智能电气火灾监测系统可靠性高，实时性好。

1.2 国内火灾预警研究状况

国内学者开展了应用于建筑物、棉仓、森林等各种环境之中的火灾检测预警研究。王伟峰等[19]提出一种基于ZigBee 技术、GPRS 技术、Internet 技术的火灾远程监测预警系统。张云柯[20]进行了建筑物智能火灾监控报警及控制系统设计，实现异地火灾报警及控制。张雪妹[21]利用节点部署策略解决了棉仓火灾监控中无线网络覆盖漏洞问题。沈亚强[22]针对电气线路中剩余电流和温度，设计了一种监控区域内的电气火灾实时监控系统。文献[23-25]建立了基于图像识别技术的森林火灾监测系统，实现了森林火灾的实时监测。

火情发生会引发各种物理特征变化，各火灾特征参量所对应的各种物理信号是火灾检测系统的信息来源[26]。但单一的物理特征参量很难准确地反映出火灾的整体特征，为克服单特征信号对火情片面描述的缺陷，从众多的物理特征量中选取典型特征量作为火灾判断依据[27]，将多特征量进行融合。张兴等[28]将以纤维素（C6H10O5）为主要成分的纸和棉类物质作为研究对象，建立了以相对湿度、CO 浓度、CO2浓度和O2浓度作为探测火灾发生的特征量的火灾识别系统，提高了火灾早期预警的准确性和稳定性。李正周等[29]提出的无线多传感器信息融合的火灾检测系统，利用D-S 证据理论完成了多传感器信息融合，该系统降低了误报率，提高了系统的可信度。

从火灾信息中挖掘有价值的信息，是提高火情监测准确率的关键，采用合适的算法建立火灾预测模型能够科学地指导火灾监测系统，减少系统的误报与漏报。目前，应用于火灾预测的算法有基于模糊粗糙集的火灾监测算法[30]、基于L-M（Levenberg-Marquardt）的学习规则的火灾预测算法[31]、火灾图像识别算法[32]、基于小波分析的火灾识别算法[33]、基于支持向量机的代数算法神经网络[34]等，这些算法针对某一类型的火灾具有较好的预测效果。

以上火灾监测方法及算法对出现明火后的各火灾特征量进行监测有良好的监测效果，但很难直接应用在采棉机工作中。采棉机的作业环境较为复杂且发生阴燃比例较高，更需要针对阴燃火早期火灾特征量进行监测。

1.3 采棉机火灾预警研究现状

国外采棉机火灾发生情况很少，国外学者针对采棉机失火及火灾报警的研究尚少。国内仅有针对采棉机输棉管道失火的研究，尚处于探索阶段。王剑等[35]为了验证安装在采棉机输棉管道上的火灾检测装置具有较好的检测效果，将已经燃烧的棉花放入输棉管进行实验，获得检测装置的最佳检测距离可以达到400 mm，且输棉管道风速和棉花湿度对检测装置的准确率影响不显著，检测元件安装的个数是影响准确率的主要因素；该设计以热释电红外传感器作为检测元件，监测途径单一，可靠性有待于提高。苗中华等[36]利用微弱火花快速无漏检测的方法，针对棉花火星发出的特定波段范围光线，采用PIN 光电二极管作为探测器设计了符合要求的硬件电路，可实现预期输棉管内火花检测功能；由于该设计采用轮询机制，主机只能在同一时刻对某一个探头进行数据交互，此方法可能造成火情信息的漏测，不能作为早期火灾判断的条件。李光耀等[37]设计了基于CAN 总线技术的采棉机作业过程中明火、阴燃信号监测系统，可以实现实时采集、报警、灭火、火情数据保存和调用等功能，利用温度及火焰传感器可对棉花的不同起火类型进行火情监测，可以有效地感知火情并报警，但该设计在无火状态下存在误报情况，需针对传感器阈值的选择及滤波频率的范围做进一步的调整。梁高震等[38]针对采棉机关键部件进行产热分析，并对产热模型及传热模型做了初步探讨，完成了在不同挡位下采棉机摘锭及棉仓出口温度的测量及摘锭温度的影响试验验证，棉花及关键产热部件温度的测量方法单一，缺少准确数据，采棉机产热分析需进行更深入的探讨。赵家伟[39]针对采棉机关键部件监控终端进行了整体硬件及相关软件设计，其中火灾监测模块主要利用气敏传感器对棉箱内气体和烟雾进行检测，根据检测结果判断是否发生火灾；该方法针对的对象为棉箱，是在出现明火后进行报警，不能在火灾早期及超早期实现预警。

综上所述，目前研究欠缺有关采棉机火灾产生机理的研究，关于采棉机火灾早期及超早期检测和预警方面的研究较少，大多学者主要集中在：1）采棉机工作中出现火星及明火后的火灾报警研究；2）输棉管道内或棉箱内的火灾检测装置的研究。在实际工况中，采棉机发生阴燃的可能性较大，因此要完成采棉机火灾预警首先要从采棉机的火灾机理入手，结合采棉机的工作特点研究棉花热特性、棉花与采摘机构的摩擦特性等。

2 棉花的火灾特性研究现状

在走访调研中发现，采摘部件中出现堵棉、缠绕等情况时会伴有食用油的气味、采摘机构运行声音的变化及棉花的碳化现象，此类现象说明棉花已经发生了阴燃且有挥发性物质出现。发生此类现象的原因主要包括：1）在高温潮湿的环境中，棉花粘上了微生物，微生物在棉花上面大量繁殖，产生热量，而棉花的散热性较差，在自身的化学反应作用下导致内部发生阴燃现象；2）棉花具有良好的蓄热特性，棉花与高速旋转的采摘部件摩擦产热，导致阴燃；3）若树根、铁丝等异物缠绕在摘锭上，得不到及时清理，同棉花一起与高速旋转的采摘部件摩擦，致使缠绕在摘锭上的棉花长时间与采摘部件热源接触发生阴燃；4）采棉机作业过程中，在上述条件基础上如遇石子等坚硬物体与采摘头摩擦或冲击后导致铁屑与棉花接触，使棉花燃烧，通过输棉管道风送系统时加速棉花的燃烧。由此可见，采棉机的火灾机理研究应结合棉花热特性、冲击摩擦引燃特性、棉花与采摘机构的摩擦特性等进行分析。

2.1 棉花燃烧特性研究现状

有研究者通过热辐射引燃实验研究棉花的热释放速率、质量损失速率，文献[40]指出在明火燃烧与阴燃两种燃烧方式下，热释放速率与质量损失速率的峰值和平均值均随辐射强度的增加而增加。文献[41]通过热释放速率、质量损失速率曲线探究温度、湿度对棉花自燃温度的影响，得出棉花在储存情况下自燃温度不会低于280 ℃，在较高湿度条件下不会低于270 ℃，通过热重分析可以得出，棉花受热过程中在280 ℃、320 ℃等温度结点有某些物质释放出，但并未对所释放化学组分及其含量进行深入研究。

2.2 摩擦蓄热特性研究现状

棉花与高速运动部件或旋转设备摩擦容易发生火灾[42-43]。文献[38]针对采棉机采摘机构关键部件进行了产热分析，完成了产热模型的建立及产热量的计算，实际采棉机工况复杂，此产热模型只考虑棉花与旋转部件的产热关系，未考虑棉花与棉花摩擦及其产热关系。

2.3 冲击摩擦引燃特性研究现状

棉包会与装卸机械发生振动、撞击、拖拽等摩擦行为，存在火灾危险性[44]。在棉包与装卸机械撞击摩擦模拟实验中，撞击速度远远小于采棉机采摘机构的旋转速度，由撞击摩擦产生的棉花温度升高程度需做进一步的探讨。棉花采摘过程中，由坚硬物体与高速采摘头冲击摩擦后产生高温铁屑，此铁屑引燃棉花，故冲击摩擦也会造成火灾隐患。

综上所述，研究采棉机火灾机理，从棉花的燃烧特性、摩擦蓄热特性、冲击摩擦引燃特性入手，结合采棉机采摘机构的工作特点，还需对棉花在关键温度节点所释放化学组分及其含量、棉花与棉花摩擦特性及其产热关系与产热计算、由冲击摩擦引起棉花温度升高值及热量分析等方面做进一步的探讨。

3 棉花与采摘机构的摩擦特性研究现状

3.1 采棉机采摘机构摩擦特性研究及动力学方程的建立

文献[45-51]概述了各种摩擦模型的机理、特点及在机械系统中的应用。目前，针对棉花与采摘机构的摩擦特性研究较少，文献[52-53]将摘锭的采摘过程简化为干摩擦动力学模型，从线性动力学角度分析了参数变化时摘锭的振动行为，其目的在于揭示摘锭摩擦失效的力学机制，未涉及摘锭摩擦与热能变化的关系分析。分析棉花与采摘机构的摩擦特性，针对采棉机采棉工况建立的摩擦模型，该模型不仅能够描述棉花与采棉机构的摩擦特点，还应与相应的动力学模型相结合。采棉机采摘机构摩擦特性研究应建立采棉机采摘部件动力学方程，考虑摩擦力与热能的关系。

3.2 摩擦产热分析

捆扎材料钢丝扣的摩擦和切削发热是运输棉花中引发火灾的最危险因素[54]。采棉机采摘部件的摩擦产生的热量主要来自两部分：一部分是摩擦表面的微凸体与接触界面的棉花及杂质黏结、切削作用造成的接触区域周围材料产生塑性形变而产生的热量，这部分能量以热能形式产生并耗散使摘锭的温度迅速升高，是摩擦热量主要部分；另一部分是摩擦材料在高温下的热降解产生的热量。文献[38]提出以棉花为研究对象，摩擦过程中出现的能量消耗形式主要有热能和机械能，给出了热能计算公式及产热因素，但未做具体热能计算，未明确给出摩擦与温度变化关系。

4 结论与展望

本文重点阐述了采棉机起火机理，该机理需从1）分析采棉机采摘过程中的棉花燃烧特性；2）探明采棉机采摘机构关键部件高温节点所释放化学组分及其含量以及火灾发生原因入手。通过分析棉花与高速旋转的采摘部件摩擦蓄热特性、棉花与采棉机采摘部件的热量变化规律，利用热传导模型及基于摩擦碰撞振动系统的动力学模型，进而揭示棉花在机械摩擦及冲击摩擦状态下的物理特性及起火机理，此起火机理可为建立多特征量融合的采棉机火灾预测模型及火灾预警装置提供理论基础。