機械摩擦和過熱表面對粉塵層著火溫度的影響

葛安卡，張禮敬，邢樹鵬

（1.南京工業大學安全科學與工程學院，江蘇南京 210009；2.上海應用技術大學城市建設與安全工程學院，上海 201418）

粉塵爆炸的機理非常復雜，對其發展和演化規律的研究起源經歷了一定的歷史發展時期[1-3]。粉塵爆炸控制以及防范技術措施的研究一直在推進，但是研究各種粉體或粉塵的物理化學性質，粉塵著火燃燒規律，不同粉塵屬性影響因素，是粉塵爆炸基礎研究與應用研究的關鍵環節[4-5]。常見的點火源形式有沖擊或摩擦、靜電火花、熔接或熔斷火花、自燃火花、明火、金屬過熱、電氣設備等[6-7]。點火源是粉塵爆炸的必要條件，研究點火源形式對控制粉塵爆炸發生具有直接指導意義。根據相關研究，不同的點火源引發粉塵事故的頻率不同，其中，點火源沖擊或摩擦引發的粉塵爆炸占比最高，為29.19%，靜電火花占比17.70%、熔接熔斷火花占比11.96%、自燃火花占比11.00%[7]。

從統計結果可以看出，沖擊或摩擦引發粉塵事故的可能性最大。機械設備在運轉過程中由于缺乏潤滑而摩擦生熱[8-9]，物料、硬性雜質或脫落的零件與設備內壁撞擊會產生火星，表面粗糙的堅硬物體相互猛烈撞擊或摩擦時，也會產生火星。燃燒后空氣產生膨脹波，造成沉積的粉塵飛揚，形成粉塵云，粉塵云達到爆炸極限，就可能會產生粉塵爆炸[10-11]，大量研究將粉塵層過熱表面作為粉塵點燃的主要原因，對機械摩擦產生的摩擦熱研究甚少[12-14]。故此，本課題對生產過程中機械摩擦產生的摩擦熱與過熱表面著火溫度進行對比研究，主要通過實驗對比分析，研究機械摩擦對粉塵點燃溫度的影響，以避免類似事故的發生，為企業預防粉塵爆炸事故提供理論指導。

1 實驗

1.1 實驗操作平臺

實驗中將摩擦棒與砂輪石固定，利用摩擦棒作為轉動部件與砂輪石進行摩擦。將粉塵放入儲粉凹槽中，實驗過程中可能會由于轉動部件的動力將粉塵旋轉溢出凹槽，但可在加料口另外加入適量的粉塵。實驗裝置中的擋粉套筒主要是防止轉動部件轉動過程中帶動粉塵溢出，使粉塵積聚在套筒內，選用透明的材料可以更直觀清楚地觀察到實驗過程中出現的現象。實驗操作平臺示意圖如圖1所示。

圖1 實驗操作平臺示意圖Fig.1 Experimental operating platform

摩擦傳動實驗的目的是利用轉動部件摩擦傳動生熱，影響摩擦生熱的基本參數包括試驗臺工作運轉變量、加載變量、時間變量[15]。工作運轉變量指電機轉速、扭矩、功率、主軸振動頻率；加載變量指加載載荷的大小；時間變量指實驗時間。摩擦傳動實驗主要測試參數包括摩擦力f、摩擦系數μ。

1）摩擦力f。滾動摩擦力大小的計算公式為

式中：M為負載力矩，R為負載力矩M與滾動物體質心的力臂之比。當摩擦棒表面與砂輪石內粉塵接觸時，過物體質心的力臂大小數值上等于物體的回轉半徑r，實驗所用摩擦棒直徑為14 mm。

2）摩擦系數μ。摩擦系數是摩擦實驗中非常重要的一個測試參數，根據摩擦定律可知，摩擦系數等于摩擦力與物體所受正壓力F之比。因而要得出某一狀態下摩擦力的摩擦系數就要知曉此時的摩擦力和正壓力，即

電動機功率損耗：

式中，PL為電動機功率損耗；P為電動機的輸出功率；Em為電磁損耗；Eke為動能損耗；PLe為電損；b1為電動機載荷損耗系數。

忽略機械傳輸系統的功率損耗，根據能量守恒定律[15-16]，摩擦熱為

式中T為時間。

1.2 實驗儀器及設備

1）NEC紅外熱像儀，該儀器的基本特性參數如表1所示。

2）粉塵層著火溫度測試裝置，其裝置的示意圖如圖2所示。

表1 紅外熱像儀的基本特性參數Tab.1 Basic characteristics of infrared camera

圖2 粉塵層著火溫度測試裝置示意圖Fig.2 Dust layer fire temperature test device diagram

1.3 實驗材料

實驗選用的摩擦部件為砂輪石和摩擦棒（直徑為14 mm的鐵棒），通過鐵棒旋轉（轉速為1 540 rad/min）與砂輪石接觸進行摩擦。粉塵為面粉、獸藥粉塵、聚酰胺纖維粉塵，平均粒徑均為16～18 μm。樣粉均在干燥箱內60℃下烘2 h，樣粉濕度為5%；環境溫度為20℃，環境濕度為46%。

2 結果與分析

2.1 摩擦熱點燃粉塵測試

2.1.1 機械摩擦熱點燃面粉分析測試

在同樣的條件下，進行2組重復實驗，分別測試機械摩擦熱對面粉點燃的影響，實驗測試現象如表2所示。

表2 摩擦熱點燃面粉實驗Tab.2 Friction hot-lit flour experiment

在實驗中，2次通過紅外熱像儀測得的不同溫度下面粉摩擦熱的溫度場圖像如圖3與圖4所示。

由測試結果可知：當摩擦溫度達到155℃左右時，面粉就會緩慢反應，有異味出現；當摩擦溫度在170～280℃時，隨著溫度的逐漸增加，面粉的顏色由最開始的白色漸漸變為淺黃色、深黃色、黑色；當摩擦溫度達到300℃之后，面粉就開始冒煙，出現焦味。因此，可以得出，當面粉機械摩擦產生的摩擦熱達到臨界溫度300℃時，極易引起面粉點燃的火災爆炸事故。

圖3 測試1不同溫度下面粉摩擦熱的溫度場圖像（測試1）Fig.3 Temperature field image of frictional heat of flour at different temperatures

圖4 測試2不同溫度下面粉摩擦熱的溫度場圖像Fig.4 Temperature field image of frictional heat of flour at different temperatures

2.1.2 機械摩擦熱點燃獸藥粉分析測試

在同樣條件下，進行了2組重復實驗，分別測試了機械摩擦熱對獸藥粉的影響，測試現象如表3所示。

在實驗過程中，通過紅外熱像儀測得的溫度場如圖5、圖6所示。

表3 摩擦熱點燃獸藥粉實驗Tab.3 Friction hot spots Veterinary powder test

圖5 測試1不同溫度下獸藥粉的摩擦熱的溫度場圖像Fig.5 Temperature field image of frictional heat of veterinary powder at different temperatures

由測試可知：當機械摩擦溫度達到194℃左右時，獸藥粉開始發生變化，有輕微的異味產生；當機械摩擦溫度達到226℃左右時，獸藥粉顏色開始發生變化，由淺黃色轉變為深黃色，再逐漸轉變為黑色；當機械摩擦溫度達到231℃左右時，獸藥粉由粉狀慢慢轉變成融化狀；當機械摩擦熱累積至391℃左右時，獸藥粉的顏色與狀態分別變為黑色與融化狀，具有火災燃燒蔓延風險。

圖6 測試2不同溫度下獸藥粉的摩擦熱的溫度場圖像Fig.6 Temperature field image of frictional heat of veterinary powder at different temperatures

2.1.3 機械摩擦熱點燃聚酰胺纖維粉測試

在同樣條件下，進行了2組重復實驗，分別測試了機械摩擦熱對聚酰胺纖維粉的影響，測試結果如表4所示。

在實驗過程中，通過紅外熱像儀測得的溫度場如圖7、圖8所示。

表4 摩擦熱點燃聚酰胺纖維粉實驗Tab.4 Friction heat-ignited polyamide fiber powder test

圖7 測試1不同溫度下聚酰胺纖維粉摩擦熱溫度場Fig.7 Triction temperature field of polyamide fiber powder at different temperatures

圖8 測試2不同溫度下聚酰胺纖維粉摩擦熱溫度場Fig.8 Friction temperature field of polyamide fiber powder at different temperatures

由測試可知：當機械摩擦溫度達到167℃左右時，聚酰胺纖維粉開始出現異味；當機械摩擦溫度達到194℃左右時，聚酰胺纖維粉的顏色發生變化，變為淺黃色；當機械摩擦溫度達到245℃左右時，聚酰胺纖維粉最終變為黑色，并且此時還伴隨著焦味與黑煙；當機械摩擦溫度達到300℃左右時，在機械摩擦下的聚酰胺纖維粉已經開始出現火星。綜上可以得出，當聚酰胺纖維粉機械摩擦產生的摩擦熱達到300℃時，同時也存在粉塵積累的情況下，摩擦熱點燃聚酰胺纖維粉造成事故發生的可能性增大。

2.2 粉塵層最低著火溫度測試

分別測試面粉、聚酰胺纖維粉、獸藥粉的粉塵層最低著火溫度，測試數據見表5—7。由表5、6、7可知：在粉塵層厚度和金屬環內徑相同的情況下，獸藥粉的粉塵層最低著火溫度最高，在389℃著火，并有少量煙與較濃的焦味；在395℃時，有輕微火星與較濃烈的焦味出現。聚酰胺纖維粉塵的粉塵層最低著火溫度最低，在288℃時著火，并有火星和焦味；在315℃時，有較明顯火星出。面粉的粉塵層最低著火溫度位于兩者之間，在298℃時，有輕微的火星并且伴隨少量的煙生成；在315℃時，火星比較明顯。

表5 面粉最低著火溫度測試數據Tab.5 Determination of minimum ignition temperature of flour

表6 聚酰胺纖維粉最低著火溫度測定Tab.6 Polyamide fiber powder minimum ignition temperature determination

表7 獸藥粉最低著火溫度測定Tab.7 Determination of minimum ignition temperature for Agita powder

3 結論

通過對面粉、聚酰胺纖維粉、獸藥粉機械摩擦過程中摩擦熱和粉塵層最低著火溫度的研究可得以下結論：

1）在選用砂輪石與摩擦棒（直徑為14 mm的鐵棒，轉速為1 540 rad/min）機械摩擦的條件下，面粉、聚酰胺粉塵、獸藥粉出現點燃現象的溫度分別為310.5、308.5、400.3 ℃。

2）面粉、聚酰胺纖維粉、獸藥粉的粉塵層最低著火溫度分別為298、288、389℃。

3）面粉、聚酰胺纖維粉、獸藥粉在機械摩擦過程產生的摩擦熱和粉塵層的最低著火溫度相差不大，而且機械摩擦造成熱積累一直蓄積，在實際生產過程中摩擦熱如果導出不及時可能引發燃燒、爆炸事故。

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