关键词 机车；性能化防火设计；结构耐火性能；计算模型
0引言
机车作为列车运行最主要的牵引动力，其防火特性有别于其后牵引的载人车厢和载重的车辆。机车结构从功能实现上分为动力系统、牵引系统、传动系统、制动系统、控制系统、电气系统、走行等，从其荷载设备的类型不同车上部分一般又划分为司机室、动力室、制动室、冷却室、辅助室等，平稳性、安全性、可靠性的要求，都使得机车防火设计要求严格，装载设备的多样性复杂性交叉性，决定了一旦发生火灾灭火设施的选择上就极其困难，运行环境、车速等对其火速蔓延的影响，区域位置对迅速救援的障碍，新材料、新技术的不断应用，使其在新的标准出来之前进行局部甚至整车的性能化防火设计成为必要性，运用数学模型模拟计算机车火灾发展过程，对认识机车火灾特点和开展机车性能化防火设计评估尤为重要。本文从模型计算角度提出了列车性能化防火设计需要研究的方向。
1 机车的传统防火设计与性能化防火设计的区别
机车的传统设计首先是基于规范、标准进行设计，根据其运行区域、销售区域、客户要求在机车设计之初就要将其设计的国家法规、行业规范标准进行转化输入，并设计好其后要进行的实验指导、评估指导，整个过程包括主动防火和被动防火、安全疏散三方面内容，其中机车的主动防火机车框架结构、防火间隔、防火间距、线路管路、机车内饰、设备保温防冻、车门过滤等，被动防火包括自动灭火系统、灭火器布置计算、防排烟、报警系统，安全疏散包括逃生、通道、照明标识等。目前主要有美国、欧洲、日本等国家在防火试验模拟计算方面做了大量的研究推出了一系列铁路防火标准体系，如UIC 564、UIC 617、DIN 5510、EN 45545 等，涉及了机车防火的设计、检测及评估等，进入本世纪后我国也在参考国外标准的基础上相继推出防火标准GB 6771—2000、TB 3138—2006等。而机车的性能化防火设计必须是在没有标准可依、标准依据不足的情况下才可以采取的一种全新设计方法。
2 机车性能化防火设计模拟计算初步研究
在火灾科学的研究方法中，采用模拟计算研究实现火灾过程或某火灾分过程阶段是机车性能化设计的一个飞跃，其核心是火灾模型的构建，由机车火灾各分过程子模型在特定的模拟平台上融合，对机车的各种工况进行混合、重复模拟建立场景模型，进而进一步简化计算得出结论。
但因机车造价高昂、设计生产周期长，点燃整个机车去测试其各个工况的数据形成积累是不现实的。而机车型号不同如内燃机车、电力机车、动车等，机车上的火灾载荷是有很大差别的，即使同一类型的内燃机车因其轴距、依据设计标准等的不同，其上车体内饰、走线、燃油管路、冷却室位置等布置也不是完全相同的，借鉴性只限于局部。普通的铁路防火设计体系标准不能完全满足已有车型的防火设计仍需对一些局部采取性能化设计评估，新型机车则需要在研发过程中全部采用性能化设计，利用模型计算去分析可能出现的机车火灾特性从而实现机车的主、被动防火设计和安全疏散设计。
2.1机车火灾危险源分析
火灾过程是可燃物在热作用下发生的复杂物理化学过程，与周围的环境有着密切的相互作用。任何一种火灾模型都以对实际火灾过程的分析为依据，各种火灾模型的有效性取决于对实际过程分析的合理性。
火灾危险源客观因素：电气火灾、易燃易爆物品、气象因素、运行环境等。包括接头接触不良导致电阻增大发热起火。原油静压机变压器油温过高，导致起火。高压开关的油断路器中油量过高或过低引起爆炸，起火时熔断器熔体熔断产生电火花引燃周围可燃物，无使用电加热装置时不慎放入高温易爆物品导致爆炸起火。机械撞击损坏线路导致漏电起火设备过载导致线路温度升高，线路铺设防护条件不好，长时间的过热，导致电缆起火或引燃，照明灯具的内部漏电或发热，引起燃烧或引燃周围可燃物。动力室铜排梁放电间距。如果是柴油机车还要注意存放柴油的油箱是否过满没有预留一定的空间，则在高温环境下柴油机故障发生爆炸。如果油箱密封不严造成存放的柴油泄漏挥发或油箱内的柴油蒸气向外挥发。柴油蒸气达到其爆炸极限的情况下遇到明火或金属撞击形成的话都会产生爆炸。注意排尘装置防止极限状态下出现粉尘爆炸。气象因素引起火灾主要有大风降水高温以及雷电。就需要考虑机车实际运行的应用环境。 机车行驶环境，铁轨的静电跨接线连接牢固静电接地线接地是否良好。主观人为因素包括用户不慎、不安全，吸烟，人为纵火。
2.2机车火灾模型选择
在开展机车火灾危险性分析时，应当综合考虑火灾发展的确定性和随机性的特点，单纯依据任何一种模型都难以全面反映火灾的真实过程。出于火灾研究的定量分析和定性分析需要，人们更关心的是火灾过程的确定性数学模型，包括经验模型、区域模型、场模型和场区混合模型。
2.3计算分析模型
机车火灾的计算模型有随机性模型和确定性模型两类。随机性模型把火灾的发展看成一系列连续的事件或状态，由一个事件转变到另一个事件、如由引燃到稳定燃烧等。而由一种状态转变到另一种状态有一定的概率，在分析有关的试验数据和火灾事故数据的基础上，通过这种事件概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布，建立概率与时间的函数关系。而确定性模型是以物理和化学定律（如质量守恒定律、动量守恒定律和能量守值定律等基本物理定律）为基础，用相互关联的数学公式来表示机车的火灾发展过程。如果给定有关空间的几何尺寸、物性参数、相应的边界条件和初始条件，利用这种模型就可以得到相当准确的计算结果。
人员疏散分析模型。包括离散理想化性模型和连续性模型两类。理想化模型，又可以分为初网格模型和精细网格模型。连续性模型又称为社会力模型。其中要考虑烟气流动的计算方法及模型选用原则，一般采用经验模型、区域模型场、混合模型。
结构耐火性能分析的目的及判定标准就是验证结构和构件的耐火性能是否达到结构耐火极限和构件抗火极限状态的设计要求。标准EN45545-3 中6.5.4列出了一些典型的在轨道车辆中使用的的隔火设施产品的估计的耐火性能。可作为防火传统设计及性能化设计的参考依据。如某出口柴油机机车火灾载荷分布见图1，从左至右分别是制动室、司机室、柴油机机械间、动力室、冷却室、辅助室，根据表1中一些隔火设施产品的典型耐火性能，隔火性能可以达到E60，满足EN45545-3表1中第10项、第9项、第4项的要求（见表）。
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2.4机车结构耐火性能计算模型
一般有三种方法，第一种方法是采取整体结构的计算模型，第二种方法是采取子结构的计算模型，第三种方法是采取单一构件计算模型。在实际基础结构中构件是相互作用的，独立构件是不存在的，因此研究构件的耐火性能，还需要考虑构件的边界条件，进行构件耐火性能分析，构件的边界条件可取涉火前的边界条件，并在售后过程中保持不变。整体结构耐火性能评估模型是一种非线性分析，计算难度较高，结构耐火性能分析，包括温度场分析和高温下结构的安全性分析。材料的力学性能是结构高温下安全性分析的基础，同时进行结构高温下安全性分析还需要确定火灾时的荷载。确定上述基础计算后就可按照一定的步骤进行高温下结构的抗火验算、结构温度场分析。在进行构件温度场分析分布的分析时涉及的材料，热工性能有三项即热导率、质量热容和密度，其他参数可由正向推导出高温性能。
火灾极限状态下荷载组合，整体结构抗火设计原理，根据既有规范和实验数据，基于计算的抗火设计方法要求结构设计内力组合小于结构或构件的抗力。在火灾高温作用下结构的材料力学性质发生较大变化，基于防火设计性能化的要求，对于一些复杂且重要性高的结构要单独进行抗火验算和结构温度场分析。
3机车性能化防火设计问题
实际机车的情况千差万别，在设计过程中应积极分析研究国外的相关火灾发展蔓延，烟气运动，人员疏散和结构耐火分析方面的模型方法，开发具有自主知识产权的分析与计算工具。进行隔离场所内火车站和调查各种典型火灾场景的火灾，经试验丰富目前的火灾事件数据库。
4结语
随着流体数学物理模型进一步完善，运用模型设计、模拟计算将成为未来研究机车性能化防火设计的主要手段。综合实际计算要求和客观条件限制，对火灾过程的同一个分过程进行模拟时，各火灾模型采用的子模型形式是不同的。各子模型形式从不同的角度、不同的程度对分过程采用合理的简化形式进行模化。
论文作者:王语博
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：机车论文; 火灾论文; 模型论文; 性能论文; 结构论文; 耐火论文; 构件论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;