基于燃烧假人技术的服装阻燃防护性能测试评价系统

阻燃防护服装是士兵在火灾及热辐射条件下，保持部队生存力和战斗力基本的单兵防护装备，长期以来，我国主要采用纺织品垂直燃烧试验法和限氧指数法测试评价服装的阻燃防护性能。这两种方法都只能说明服装面料是否阻燃，不能说明服装对火焰或电弧产生的高温、高热的抵抗能力。

美国、加拿大、英国等发达国家已有被公认为是先进的服装阻燃防护性能测试的定量评价技术。总后军需装备研究所2006年在国内率先开始此项技术研究，建立了“单兵装备阻燃防护性能测试实验室”，为阻燃材料研发、服装及装具的结构款式设计以及装备的整体阻燃防护性能评价提供技术支撑。

系统构成及设计原理

该系统主要由燃烧假人、数据采集装置、火焰产生与控制装置、皮肤热传递模型与烧伤评估模型以及系统集中控制与应用软件平台等构成。设计原理是通过模拟着装人体在燃烧火焰中的热暴露过程，测试假人表面温度的变化，预估可能造成皮肤的二度、三度烧伤及总烧伤面积百分比，烧伤面积百分比越大，服装的阻燃防护性能越差，系统的测试原理如图 1。

燃烧假人研究

检索国内外相关资料，采用非金属材料制作燃烧假人本体，服装测试时火焰的持续时间一般为 4 s，假人表面可能需要承受高达 300 ℃的燃烧火焰，因此，假人本体材料必须在 300 ℃以上的短时燃烧火焰下具有良好的热稳定性，能耐受恶劣火场环境；假人表面布设的传感器对燃烧火焰的反应，应与人体皮肤对燃烧火焰的反应接近；数据采集处理装置能快速采集假人表面传感器数据。

假人本体

根据以上设计要求，通过对比分析耐高温材料的物理性能，选用目前耐温等级高，力学性能、介电性能、耐腐性能好的聚酰亚胺作为燃烧假人本体主体材料，根据假人模型的外观特征，按以下工艺制造假人本体模型：合成聚酰亚胺 → 固化树脂材料 → 制作人体各解剖段模具及高温模压 → 真空固化 → 表面处理。

假人表面热传感器

假人皮肤表面热传感器的作用是感知暴露在火场环境下人体皮肤的受热程度，依此预测皮肤可能产生的烧伤程度。国外采用的热传感器主要有TPP铜片热流计传感器、绝热铜片传感器和嵌入式热电偶传感器。这 3 种传感器中，绝热铜片传感器是可靠的热传感器。实验表明：绝热铜片传感器与TPP铜片热流计传感器相似，读数稳定、反应迅速、量程宽、重复性好，同时传感器体积较TPP传感器小，所占空间和质量都比TPP铜片热流计小得多。在高热环境下，嵌入式热电偶传感器的平均反应速度比绝热铜片传感器要慢。为此，课题组研制了绝热铜片传感器，该铜片的直径为 1 cm，厚为 0.16 cm。采用钎焊工艺，将铜片与丝径为0.2 mm 的K型热电偶连接，测量精度达到了 0.2 ℃。

传感器布设

综合考虑假人面积、数据采集、烧伤评估计算等因素，在假人表面均匀布设了 120 个绝热铜片传感器。安装传感器时，用铣刀按铜片直径与深度钻孔，保证传感器表面及周纺织导报 China Textile Leader · 2011 No.9 139www.texleader.com.cn Test and Standard 标准与测试围与假人本体紧密配合，传感器的分布均匀。

数据采集装置研究

数据采集装置主要完成假人表面 120 个热电偶温度信号的采集处理。为保证 120 路温度信号的同步和高速采集，设计 20 个数据采集处理单元，每个数据采集处理单元由主控CPU、AD采集电路、实时时钟电路、电源电路、热电偶温

火焰产生与控制装置研究

火焰产生与控制装置主要产生服装阻燃防护性能测试要求的燃烧火焰。包括燃料的选用、燃气输送管道设计和燃烧器等 3 个部分。

燃料的选用

对比分析常用洁净、可燃气体理化特性，丙烷来源广泛，燃烧后形成水蒸汽和二氧化碳，是一种环保燃料，且其燃烧热值高，沸点较低，安全性好，较适合在较冷的北方实验室使用，因此测试系统的燃料选定为丙烷。

燃气输送管道设计

燃气输送管道主要用于将存储钢瓶中的丙烷液体减压气化后输送至燃烧器。根据国外同类技术要求，火焰产生与控制装置必须在 5 s燃烧时间内燃气输送管道压力波动小于10%，大热流量为 84 kW/m2，要达到此设计要求，仅采用自控技术是很难实现的，因此，采用多缓冲罐组设计，并在燃气输送管道的设计上采取多重措施，配合管道压力与流量监测，使燃气输送管道具备快速补充能力和足够的燃气输送能力。度传感器以及CAN总线通讯部分组成，实现 6 路假人表面温度信号的同步采集；采用CAN总线通讯技术，将 20 块数据采集处理板连接起来，由PC机通过PCI-1680U高速CAN通讯卡向 20 个数据采集处理单元下达采集参数和启动采集命令，实现 120 路假人表面温度信号的同步高速采集。整个系统的结构框图如图 2。通常丙烷储气罐压力为 0.5 ～ 2.5 MPa，为保证安全，燃烧器前气体压力设定为 0.1 MPa左右，因此，需要在燃气输送过程逐级降压。为此，设计三级压力调节及两级大容量储气罐缓冲回路，三级燃气输送管道工作压力分别设定为0.6 MPa、0.3 MPa和 0.1 MPa。在三级燃气输送管道上均配有压力变送器、电动调节阀、安全阀、电磁阀和截止阀，实现对管道气体压力的监测、调节和开关控制。在第三级管道上配有流量计对燃烧过程中燃气流量进行计量，在与燃烧器连接的管道上配有安全止回阀，防止关断火焰时产生回火。

燃烧器设计

设计了 12 个环喷火燃烧器，用于生成大热流量为84 kW/m2的燃烧火焰，试验时 12 个环喷火燃烧器同时被点燃，火焰从假人四周生成高热流量的燃烧火柱吞噬假人本体。同时研制了环喷火燃烧器固定装置，通过调节燃烧器高度及与假人的距离，实现火焰大小、形状和强度的调节。

应用软件开发

应用软件平台是整个系统的神经中枢，主要由数据采140 纺织导报 China Textile Leader · 2011 No.9标准与测试Test and Standard www.texleader.com.cn表 1 实验测试结果

服装

阻燃工作服

三层复膜耐

高温防火服

服装

阻燃工作服

防水阻燃服

防火服

三层复膜耐

高温防火服

防水阻燃服

防火服

服装面料

烧伤预测结果

斜纹

织物组织

斜纹

平纹

平纹

平方米重

（g/m2）

橙色

颜色

藏青

绿色

绿色

棉

腈/氯纶，39% 棉，

其它

间位芳纶，5% 对位

芳纶，2% 碳纤维

间位芳纶，5% 对位

芳纶，2% 碳纤维

二度烧伤面积

百分比（%）

三度烧伤面积

百分比（%）

总烧伤面积

百分比（%）

纤维及含量

服装阻燃防护性能测试

用本系统对某研究所研发的纯棉、芳纶/碳纤维混纺、腈氯纶/棉混纺的阻燃工作服、防水阻燃服、三层复膜耐高温防火服以及单层连体式防火服的阻燃防护性能进行了定量测试和比较分析，在 84 kW/m2的燃烧火焰下，进行 4 s的服装阻燃防护性能测试，测试结果见表 1。从表 1 可知，平方米重为 416 g/m2的纯棉阻燃工作服的阻燃防护性能与平方米重为 319 g/m2的腈/氯纶/棉混纺的防水阻燃服的阻燃防护性能相当，三层复膜耐高温防火服的阻燃防护性能好于相同面料的单层结构连体式防火服。尽管芳纶面料的阻燃防护性能非常好，但面料较薄时，服装阻燃防护性能还是比较厚的纯棉和腈/氯纶/棉混纺服装的阻燃防护性能差。以上测试试验表明，本系统能较好地测试评价不同材料和结构服装的阻燃防护性能。集模块、监测与控制模块、矩阵运算模块、烧伤预测分析处理模块和系统资源管理模块构成，实现 120 路假人温度信号的采集处理、燃烧过程和所有仪器设备的监测与控制、计算皮肤烧伤程度Ω值、二度烧伤面积百分比、三度烧伤面积百分比和总烧伤面积百分比，评估服装的整体阻燃防护性能。

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