大型養(yǎng)路機械發(fā)動機防火措施研究

郭 濤

(中國鐵建高新裝備股份有限公司，云南 昆明 650215)

0 引 言

大型養(yǎng)路機械是用于鐵路線路的搗固、穩(wěn)定、配砟、清篩、鋼軌打磨、鋼軌銑磨等作業(yè)的設備。目前我國大型養(yǎng)路機械保有量在 3 000 臺左右，在鐵路線路養(yǎng)護中發(fā)揮著不可替代的作用。

近年來，大型養(yǎng)路機械火災事故頻繁發(fā)生，給鐵路安全帶來了嚴重威脅。2015年8月6日，鷹潭工務機械段DWL-48搗穩(wěn)車發(fā)生火災；2018年3月29日，上海大機運用檢修段DWL-48搗穩(wěn)車發(fā)生火災；2018年11月1日，上海大機運用檢修段CMC-20 道岔打磨車發(fā)生火災。事故均造成不同程度經濟損失，影響鐵路運輸安全和生產經營管理。

1 大型養(yǎng)路機械發(fā)動機工況

大型養(yǎng)路機械發(fā)動機在工作時噪音較大，一般處于密閉或半密閉狀態(tài)，散熱通風條件較差，在整機作業(yè)時難以通過視覺觀察到發(fā)動機工作狀態(tài)。

大型養(yǎng)路機械發(fā)動機在工作時形成高溫熱源，渦輪增壓器、排氣歧管表面溫度高達 650 ℃，發(fā)動機間的空氣溫度高達 80 ℃。渦輪增壓器、排氣歧管、排氣管、消音器等為大型養(yǎng)路機械的火災熱源。

大型養(yǎng)路機械發(fā)動機的高壓柴油管路在正常工作時壓力可達 20 MPa,若柴油管路或油管接頭泄露導致霧狀噴射，由于柴油燃點為 220 ℃，接觸到高溫部件后極易發(fā)生火災。發(fā)動機間的柴油管、潤滑油管、液壓油管及其接頭泄露噴射出的油液為大型養(yǎng)路機械的火災危險源。

目前，部分型號的大型養(yǎng)路機械(如DWL-48搗穩(wěn)車、CDW-32Ⅱ道岔搗穩(wěn)車、QS-1200Ⅱ清篩機)在發(fā)動機主要熱源部位安裝了熱電阻傳感器，用于監(jiān)測發(fā)動機異常升溫，對發(fā)動機運行狀態(tài)監(jiān)測起到了一定作用，卻不能有效預防火災發(fā)生。

大型養(yǎng)路機械發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)采用水冷或風冷方式，均有散熱風扇對冷卻水或發(fā)動機機體進行降溫。水冷發(fā)動機的散熱風扇采用帶輪驅動，風冷發(fā)動機的散熱風扇采用液壓耦合器驅動[1]。由于散熱風扇轉速較高，發(fā)動機間的實測風速可達 35 m/s。發(fā)動機間空氣濾清器、進氣管、排氣管等部件互相影響，造成空氣流動方向復雜。

大型養(yǎng)路機械在作業(yè)時會產生一定的灰塵，車型、作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境等因素決定了灰塵濃度。灰塵進入到發(fā)動機間后，在一定程度上影響了感煙探測器正常工作。

2 大型養(yǎng)路機械發(fā)動機防火措施

針對大型養(yǎng)路機械發(fā)動機工況，采取熱源危險源隔離、防火報警監(jiān)控、固定式滅火裝置預防火災發(fā)生。

2.1 熱源危險源隔離

發(fā)動機的渦輪增壓器、渦輪后歧管、波紋管、排氣管、消音器等部件用隔熱套包裹。隔熱套為3層材料結構：內襯材料為鎳合金耐高溫板，燃燒性能等級為不燃級(A1級)，工作溫度>1 000 ℃；中間層隔熱材料為隔熱棉，燃燒性能等級為不燃級(A1級)，工作溫度>650 ℃；外層包裹材料為玻璃纖維布和硅膠涂層，燃燒性能等級為不燃級(A2級)，玻璃纖維布工作溫度>650 ℃，硅膠涂層工作溫度>260 ℃。3層材料使用金屬絲網包邊進行包裹，并用金屬縫紉線進行縫合，采用彈簧和彈簧拉環(huán)將防火隔熱套固定在高溫部件外部。發(fā)動機滿負荷工作達到熱平衡后，隔熱套表面溫度≤ 160 ℃。

發(fā)動機的排氣歧管部位安裝防護罩，用來隔離泄露噴出的油液，防護罩使用鋁板材料。

發(fā)動機間的柴油管、潤滑油管、液壓油管接頭使用高壓油管套包裹，防止高壓油液泄露噴射后呈霧狀擴散。高壓油管套材料為阻燃芳綸橡膠布，燃燒性能等級為難燃級(B1級)，耐壓能力高于 50 kPa。

圖1 防火報警監(jiān)控總體設計Fig.1 Overall design of fire alarm monitoring

2.2 防火報警監(jiān)控

2.2.1 防火報警監(jiān)控功能需求

根據大型養(yǎng)路機械發(fā)動機工況，防火報警監(jiān)控具有以下功能需求：

1)煙霧報警功能，煙霧報警傳感器能耐高溫，避免粉塵誤報警，能在高風速下正常工作。

2)視頻監(jiān)控功能，系統(tǒng)報警后視頻能夠自動切換，視頻攝像頭能耐高溫。

3)發(fā)動機間照明功能，對視頻監(jiān)控進行補光，照明燈能耐高溫。

2.2.2 防火報警監(jiān)控設計

防火報警監(jiān)控總體設計如圖1所示。系統(tǒng)的監(jiān)測對象包括：發(fā)動機間的煙霧信號、火焰信號、視頻畫面。系統(tǒng)的主要硬件包括：感煙探測器、火焰探測器、視頻攝像頭、照明燈。

結合大型養(yǎng)路機械發(fā)動機工況及防火報警監(jiān)控功能需求，主要硬件選型如表1所示。

表1 防火報警監(jiān)控硬件選型

感煙探測器采用金屬外殼包裝，殼體內部集成動車專用感煙探頭、高速風扇、電路板、耐高溫過濾棉。風扇用于產生負壓，將遠處的煙霧吸入到探測器內部。耐高溫過濾棉用來過濾作業(yè)環(huán)境中的粉塵，避免粉塵引起的誤報警。感煙探測器安裝于發(fā)動機間外面，通過金屬軟管連接到發(fā)動機間的空氣采樣管，空氣采樣管為金屬材質，能耐發(fā)動機間的高溫?？諝獠蓸庸苌嫌腥舾蓴盗康牟蓸涌?，用于吸取煙霧[2-3]。

火焰探測器采用廣角型火焰探測器，安裝于發(fā)動機間，用于檢測火焰信號。其工作原理是:檢測火焰中的紫外光波段，敏感波長范圍為185～260 nm，靈敏度達到GB12791—2006點型紫外火焰探測器標準中規(guī)定的Ⅰ級靈敏度，能在高溫環(huán)境中長時間工作。

視頻攝像頭采用模擬信號攝像頭，能夠與大部分型號大型養(yǎng)路機械的視頻監(jiān)控系統(tǒng)兼容。該型號的視頻攝像頭與配套的風冷系統(tǒng)配合工作，工作環(huán)境溫度最高可達 90 ℃，滿足發(fā)動機的高溫工況。風冷系統(tǒng)主要由鼓風機、風管等組成，可將冷風送入到視頻攝像頭的風冷護罩，并從排風口帶走視頻攝像頭的熱量，從而使視頻攝像頭的溫度降低至正常工作的溫度。

根據發(fā)動機間的溫度工況，視頻照明采用耐高溫LED照明燈，工作環(huán)境溫度最高可達100℃。

2.3 固定式滅火裝置

固定式滅火裝置通過自動或人工方式觸發(fā)，能夠及時撲滅初期火情，保證人員和設備的安全，避免重大損失，是大型養(yǎng)路機械發(fā)動機防火的最后一道防線。

在中國消防產品強制認證目錄中，根據滅火劑種類，常用的滅火系統(tǒng)有：氣體滅火、干粉滅火、泡沫滅火、噴水滅火；代表性產品分別有：七氟丙烷滅火裝置、超細干粉滅火裝置、泡沫噴霧滅火裝置、細水霧滅火裝置。通過滅火原理、滅火效果、安全環(huán)保、滅火損失、應用場合、維護成本等方面對各產品進行對比，如表2所示。

表2 滅火裝置對比Tab.2 Comparison of fire extinguishing devices

圖2 細水霧滅火裝置框圖Fig.2 Block diagram of water mist fire extinguishing device

從上述對比及發(fā)動機工況等方面來考慮，大型養(yǎng)路機械發(fā)動機固定式滅火宜采用細水霧滅火裝置。

細水霧滅火裝置由細水霧滅火瓶組、控制主機、操作終端、管路、細水霧噴頭等組成[4]。以DWL-48搗穩(wěn)車為例，細水霧滅火裝置框圖如圖2所示?？刂浦鳈C由蓄電池提供24VDC電源；操作終端安裝于前、后司機室，可通過自動、手動方式啟動滅火；細水霧滅火瓶組包含貯氣瓶組、貯水瓶組、集流閥塊、安全泄放裝置、減壓裝置、分區(qū)閥等組件；細水霧噴頭由本體、霧化芯、噴嘴、過濾網、防塵罩等部件組成，具有流量小、霧化均勻、霧滴細密等特點；加熱控制器用于環(huán)境溫度較低時，對貯水瓶組進行加熱；控制主機預留有信號輸入輸出通道，用于系統(tǒng)的擴展，如采集傳感器信號、自動滅火信號、輸出報警信號、視頻控制信號。

3 裝機實驗

按照上述防火措施，在DWL-48搗穩(wěn)車上進行了裝機實驗。

熱源危險源隔離實施效果如圖3所示。熱源包裹和隔離使熱源表面溫度顯著降低，實測溫度<160 ℃，低于柴油燃點溫度；油管接頭的包裹減少了油液噴濺可能性，對危險源進行了有效控制。

圖3 熱源危險源隔離Fig.3 Isolation of heat source and danger source

防火報警監(jiān)控與固定式滅火裝置的操作流程如圖4所示。當防火監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生報警，監(jiān)控視頻畫面自動切換到發(fā)生報警的發(fā)動機間，作業(yè)人員通過視頻觀察是否發(fā)生火情。若沒有發(fā)生火情(即誤報警)，可人工切除報警聲音；若發(fā)生火情，在停止發(fā)動機的同時，人工啟動固定式滅火裝置滅火?；鹎橄螅谐龍缶曇?。

在DWL-48搗穩(wěn)車的前、后發(fā)動機進行了煙霧測試和火焰測試。結果表明：在發(fā)動機停機狀態(tài)、怠速狀態(tài)(800 r/min)、最高轉速狀態(tài)(2 200 r/min)下，感煙探測器能夠在 60 s 內檢測到煙霧信號，火焰探測器能夠在 5 s 內檢測到火焰信號，從而觸發(fā)系統(tǒng)聲光報警，同時監(jiān)控視頻畫面自動切換到發(fā)動機間。

對固定式滅火裝置進行了滅火實驗，如圖5所示。啟動滅火后，系統(tǒng)能夠在 2 s 內響應，噴霧可覆蓋發(fā)動機機體表面，發(fā)動機間溫度在 10 s 內持續(xù)下降，明火在 15 s 內被撲滅，發(fā)動機間溫度在 60 s 內降低到 48 ℃，滅火劑累計噴射時間可達 300 s。

圖4 防火操作流程 圖5 滅火實驗 Fig.4 Flowchart of fire operation Fig.5 Experiment of fire extinguishing

4 結 語

大型養(yǎng)路機械的消防安全重于泰山。分析大型養(yǎng)路機械發(fā)動機防火隱患，采取了熱源危險源隔離、加裝防火報警監(jiān)控系統(tǒng)對發(fā)動機間進行監(jiān)控、加裝固定式滅火裝置對初期火情進行控制，最后在DWL-48搗穩(wěn)車上進行裝機實驗。實驗表明，上述措施有效、可行，能有效預防火災事故，可進行大規(guī)模推廣應用。