飞机材料阻燃检测技术研究设计

1飞机内饰材料阻燃特性检测关键技术研究

1．1飞机内饰材料阻燃特性国内外检测标准对比国家标准GB/T17591—2006《阻燃织物》适用于装饰用、交通工具(包括飞机、火车、汽车和轮船)内饰用、阻燃防护服用的机织物和针织物的阻燃性能测试。该标准对机、轮船内饰用织物阻燃性能分级评定如下:①B1级:损毁长度≤150mm，续燃时间≤5s，燃烧滴落物未引起脱脂棉燃烧或阻燃;②B2级:损毁长度≤200mm，续燃时间≤15s，燃烧滴落物未引起脱脂棉燃烧或阻燃［1］。该标准规定其测试方法采用GB/T5455—1997《纺织品燃烧性能试验垂直法》。其原理是将一定尺寸的试样垂直置于规定的燃烧试验箱中，用规定的火源点燃12s，除去火源后测定试样的续燃时间和阴燃时间，阴燃停止后，按规定的方法测出损毁长度。目前，全世界通用的两个国际标准分别为美国航空管理条例FAR25．853和欧洲相应标准JAR25，这两个标准的要求基本相同。其中垂直阻燃特性测试根据飞机组件的不同分为点火时间60s和12s可燃性测试，评定指标如下:①60s测试:损毁长度≤152mm(平均)，续燃时间≤15s(平均)，有熔滴滴出的续燃时间≤3s(平均)。②12s测试:损毁长度≤203mm(平均)，续燃时间≤15s(平均)，有熔滴滴出的续燃时间≤5s(平均)［2］。我们研制的飞机内饰材料阻燃特性测试仪遵照的标准是美国波音公司企业标准BSS7230DETERMINATIONOFFLAMMABILITYPROPERTIESOFAIRCRAFTMATERIALS，其垂直阻燃特性测试方法及评定指标与FAR25．853和JAR25完全相同。中国标准(以下简称国标)与国外标准在具体技术参数方面的差异在于:(1)燃烧箱体尺寸:国标329mm×329mm×767mm;国外标准(349±25)mm×(349±25)mm×(762±25)mm。(2)燃烧器管口内径:国标11mm;国外标准9．5mm。(3)燃烧器点火位与试样之间相对角度:国标25°;国外标准90°。(4)燃烧器入口气体压力:国标(17196±1732．9)Pa;BSS7230标准(17225±1722．5)Pa;FAR25．853与JAR25没有要求。(5)火焰温度:国标与BSS7230标准没有要求;FAR25．853与JAR25为843℃。(6)火焰高度:国标(40±2)mm;国外标准38mm。(7)火焰外观:国标没有要求;FAR25．853和JAR25标准要求内焰高25mm，锥形火焰总高76mm;BSS7230标准要求明黄色内焰高22mm，锥形火焰总高38mm。

1．2检测关键技术飞机内饰材料阻燃特性检测关键技术是根据BSS7230标准要求，采用温度和高度恒定的火焰对试样下端进行点火操作，点火时间为12s或60s。点火结束后，立即将火焰撤离试样，通过观察试样续燃、阴燃、熔滴滴落情况来判定试样阻燃性能的好坏。试验的要点是:火焰高度，温度，箱体供氧量，试样固定，火焰与试样接触高度和面积等。由机内饰材料应用环境的特殊性，对这些材料的阻燃处理要求尤其严格，因此对于其垂直阻燃特性的测试除12s点火时间测试之外，还增加了60s点火时间测试。并且对于火焰内外焰的状态也有详细限定，从而限定了火焰温度。燃烧箱内部尺寸大小、通风孔大小及尺寸直接决定了试验过程中试样燃烧的供氧量，因此标准对于箱体容积也作了严格的限定。试样安装位置及火焰与试样接触高度也是标准严格限定的技术指标。主要采用以下手段实现其关键技术:(1)运用空气动力学和流体力学原理设计具有火焰温度、高度可调的负压进氧式燃气混合燃烧器。根据内饰材料的燃烧物理特性，采用可燃气体及空气流体力学等前沿技术，通过调节甲烷气体进入燃烧器喷嘴口流速，在燃烧器进氧口形成不同的负压，从而实现燃烧器进氧量的调节。经流量调定的甲烷气体、预混空气在点火装置管路系统内部产生紊流充分混合，并且结合点火装置的结构设计，以达到试验所需的特殊火焰要求。点火装置设计成遥控点火方式，使点火操作安全可靠。燃烧器本身的结构设计是决定该点火装置设计成败的关键所在。对于不同的燃料气体，燃烧器的结构要作相应的改变，否则会影响点火成功率和火焰温度。因此在仪器设计时，我们先将气源确定为热值比较高的甲烷气，燃烧器喷嘴内芯孔径与负压进氧口口径设计相匹配，实现两种气体恒定的混合比，以达到试验所需要的火焰结构。这样的设计使得点火装置产生高度可调、温度可控、重现性好的具有明亮的白色内焰和湛蓝色外焰的特殊火焰结构，满足了国际上对于内饰材料阻燃测试规定的特殊火焰需求。本文从内容到技术、方法都属于探索性和原创性研究，是气体动力学的具体应用，具有现实意义和实用价值。(2)采用精密机械传动、特殊机械结构技术，设计了稳定准确运送燃烧器到达试样底部的传动机构。基于力学效应的机械传动原理方案设计，考虑到仪器燃烧器传动低速轻载的特点，首次提出采用将连续转动转化为直线往复移动的偏心曲柄滑块传动机构，来实现燃烧器在试验起始位和试验位之间的直线往复运动，并采用开关信号控制理论实现了燃烧器的精确定位设计，满足了仪器操作自动化的需求。(3)设计了可适用多种形状内饰材料的试样定位装置，以确保与燃烧器之间形成所需要的角度和位置。

2试验装置的机械设计

2．1火焰燃烧器结构设计根据BSS7230标准所要求的火焰外观:明黄色内焰高22mm，锥形火焰总高38mm［3］。经流体动力学分析可知，该火焰应该是预混火焰。顾名思义，预混火焰代表着燃料分子和氧化物分子必须在燃烧反应之前预先混合，两者同时存在并均匀混合于预混火焰上游。因此火焰燃烧器的基本构造设计成由简易的圆管燃烧器和圆管底部的可调式空气吸入口所组成。气态燃料由圆管底部流入燃烧器，经过空气吸入口时，由于燃料气流的对流流动在空气吸入口形成局部压力低于外界大气压，带动外界空气吸入并且相互混合。燃料和空气的预混流随之喷出燃烧器，经点火而在管口产生锥形预混火焰。根据上述预混火焰形成的原理，将火焰燃烧器结构设计成由混合腔、预混腔、负压进氧口、燃烧器芯、可燃气体进口、燃烧器座组成(见图1)。考虑到火焰分层要求，将燃烧器的负压进氧口设计成大小可调式。通过旋转燃烧器混合腔圆管，实现燃烧器底部均布的三个方形负压进氧口的大小调节。由于仪器所用气源为甲烷气体，因此根据甲烷气体的燃烧热值及其物理特性，为满足标准对于火焰的特殊要求———明黄色内焰高22mm，火焰总高38mm，燃烧器芯开口直径大小的设计与负压进氧口可调区间范围相匹配。试验过程中通过微调负压进氧口大小，即可实现火焰分层的特殊要求。燃烧器所有活动连接部件均采用螺纹密封结构，确保在一定试验压力下供气管路系统无泄漏。

2．2燃烧器运动系统设计测试标准要求，在试验之前燃烧器距试样至少76mm远，因此在设计时要考虑到燃烧器试验起始位应该在距样架76mm外。另外应客户使用要求，在试验前需在起始位将燃烧器点燃，并且调整好火焰高度、内外焰状态，做好火焰温度测试等预先准备工作。正式试验时，燃烧器处于试样样架正下方中心位置，因此需要设计一套往复运动机构，将燃烧器从试验起始位平稳而准确地运送到试验点火位，试验结束再运回起始位。机械运动系统通常由动力系统、传动系统、执行系统和控制系统组成。从仪器操作方便和试验安全性方面考虑，燃烧器的动力系统即电机驱动部分需安装在仪器下部的控制箱内，而执行系统燃烧器必须安装在仪器上部的燃烧箱内，这样电机轴与燃烧器往复运动驱动点就存在偏距。鉴于该驱动机构需实现将电机的转动转变为燃烧器的双向间歇直线往复运动，因此选择采用偏置的曲柄滑块机构作为传动系统来实现(见图2)。燃烧器通过燃烧器安装板与线性往复滑动导向机构(线性滑动轴承、线性往复滑轨座、滑块连接板)组成了曲柄滑块机构中的滑块部分。电机带动曲柄旋转，通过连杆和滑块连接板带动上述滑块部分实现了燃烧器的往复运动，整个系统导向灵活安静。控制系统通过在燃烧器起始位和点火位安装行程开关，实现燃烧器往复行程的控制以及燃烧器点火位的精确定位控制。

2．3试样定位装置结构设计为保证试样安装到位后始终处于燃烧室的中心位置，将试样前夹片设计成带有4根支腿的结构。支腿安装在燃烧箱后墙板上，支腿长度的设计刚好能满足试样测试面处于燃烧室中心的要求(见图3)。在试样定位装置结构设计上，考虑到飞机内饰材料的特殊性，试样厚度从零点几毫米到十几毫米的大跨度。为保证试样在实际使用时朝向机舱内部的表面始终处于燃烧室中心位置，因此将前夹片设计成定夹片，以前夹片为基准面，后夹片设计成带有推拉手柄的结构。前后夹片四角各设计一个导向耳朵，在后夹片耳朵上钻有螺丝孔，通过螺母将导向螺柱与后夹片连接成一体，导向螺柱上安装夹紧压簧。前夹片导向耳朵配钻与导向螺柱直径滑动配合的光孔(见图4)。试样安装时，只需推动推拉手柄向后推动后夹片，将试样试验面朝向试验者塞进两夹片之间，即可靠夹紧压簧的压紧力牢固夹住试样。这样既方便了试验人员对试样燃烧情况的观察，又满足了标准BSS7230规定———燃烧器到点火位时，燃烧器口中心线与试样重合［3］。前后夹片中心部位开有51mm×305mm的矩形孔，孔中露出的为试样的试验面积。另外，由于试验过程中需要测量38mm的火焰高度，因此在前夹片下端距夹片底边19mm处焊有焰高标杆。当燃烧器到达样夹下点火位置时，燃烧器口距焰高标杆刚好38mm，因此试验时只需调整火焰高度，使得火焰尖端刚好到标杆即可。

2．4供气管路系统设计供气管路的路线为:气源瓶口减压器二级减压器压力表供气控制电磁阀火焰高度调节阀火焰燃烧器。鉴于仪器所用气源为具有一定腐蚀性的甲烷气体，因此供气管路系统选用的气动元件均为黄铜材质，所有密封件均采用耐蚀性良好的氟胶圈。另外为保证试验过程中点火安全，供气控制电磁阀选用了可燃气体专用防爆型。火焰高度调节阀选用了可精密调节型，通过旋转阀头旋钮可精密控制火焰燃烧器的供气流量，满足了标准对火焰的特殊要求。

3试验结果分析选取3种做过阻燃处理的不同材质飞机内饰材料:纯棉织物、普通化纤织物、阻燃纤维织物，在飞机内饰材料阻燃性能测试仪上分别进行了相同火焰温度下的试验测试以及相同试样在不同火焰温度下的试验。以下试验火焰高度与标准规定相同。

3．1不同材料在相同火焰温度下的试验试验结果如表1所示。试验条件:火焰温度850℃，点火时间60s。由表1可以看出，不同材质经阻燃处理的试样，它们的阻燃特性存在着一定的差异。纯棉织物的续燃时间很短，但有阴燃现象存在，它本身不会产生熔滴滴落;而普通化纤织物高温时黏度降低，有熔滴滴落产生且熔滴续燃;阻燃纤维织物既不燃烧也不产生熔滴，阻燃特性最好。由此可知，我们所设计的飞机内饰材料阻燃性能测试仪可以方便而准确地检测出不同试样的阻燃特性。

3．2相同材料在不同火焰温度下的试验选用经阻燃处理的同一批普通化纤织物进行试验，点火时间60s。试验结果如表2所示。由表2可以看出，火焰温度越高，试样的续燃时间、阴燃时间、熔滴续燃时间、损毁长度等数值越大，说明火焰温度是阻燃特性测试的关键因素。4结语飞机内饰材料阻燃特性检测关键技术研究及仪器的研制，可解决企业无法进行内饰材料阻燃性能检测的问题，确保具备阻燃性能的合格汽车、飞机内饰材料推向市场，从而确保乘客生命和国家财产的安全。该仪器于2010年通过科研成果鉴定。鉴定专家一致认为，该项目填补了国内空白，适用面广，具有较大的市场潜力。仪器的总体性能达到了国际同类仪器先进水平，荣获2011年山东纺织工程学会科学技术三等奖。