基于正交试验的建材燃烧烟密度测试装置参数组合优化

欧 凯 1袁 洪晓斌 1袁 文泽贵 1袁 季 勇 2袁 刘桂雄 1（1. 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2. 广州信禾检测设备有限公司，广东 广州 510000）

摘 要院为提高烟密度测试精度，用三水平三因素的正交设计方法对烟密度测试系统参数（包括辐射板黑体温度、点火

器的点火火焰高度、烟道中烟气流速）进行组合优化设计。通过对试验结果、极差值和方差值的分析，得出对材料产烟

影响的主次因素。实验结果表明：采用辐射板黑体温度为 505益、点火器的点火火焰高度为 12mm、烟道中烟气流速为

2.5m/s 的系统参数组合，可得到最大的烟气总值和光的最大衰减率，为提高烟密度测试精度提供依据。

关键词院烟密度；烟气总值；最大衰减率；正交试验

中图分类号院U469.638曰X830.2曰X701.2曰O659.36 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2014冤04-0128-04

Parameter combination optimization of smoke density test apparatus for buildingmaterials combustion based on orthogonal experiment design

OU Kai1，HONG Xiao-bin1，WEN Ze-gui1，JI Yong2，LIU Gui-xiong1

（1. School of Mechanical & Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；

2. Guangzhou Sunho Testing Equipment Co.，Ltd，Guangzhou 510000，China）

Abstract: In order to improve the measuring accuracy of smoke density，three parameters and threelevels orthogonal table were adopted to confirm the optimal combination parameter of smoke densitytest，where the three parameters were respectively blackbody temperature of radiant panel，flameheight of igniter，velocity of flue gas. The range analysis of experimental results showed the relativeimportance of different parameters affecting the smoke production. Under the similar experimentconditions as described in this paper，the optimized parameter combination for the smoke densitytest apparatus was confirmed that blackbody temperature was 505益，flame height was 12 mm andflue gas velocity was 2.5m/s，which established the basis for improving the measurement accuracy.Key words: smoke density；total cost of flue gas；maximum attenuation；orthogonal design

收稿日期院2014-01-19曰收到修改稿日期院2014-02-24基金项目院国家科技部科技型中小型企业创新基金项目

（12C26214405145）；广东省中国科学院全面战略合作项目

（2012B091100224）；广州市中小型企业创新基金项目（201114200202）

作者简介：欧 凯（1990-），男，湖北石首市人，硕士研究生，

专业方向为智能传感技术。

0 引 言

从建筑物发生火灾事故分析报告和有关火灾伤

亡研究情况来看，火灾事故致命的罪魁祸首往往不是

火，而是烟气，在火灾致死人数中，超过 2/3 的死亡是

由烟气窒息中毒导致[1]。建筑材料烟密度测试，对于

保证建筑物内人的生命财产安全非常重要，开展建

筑材料烟密度测试研究具有重要意义。

目前，国内外关于建筑材料烟密度检测的影响

因素的研究中，匹兹堡州立大学的 Christopher（2007）[2]

研究了环氧纳米复合材料的阻燃性能中引火时间等

因素对于烟密度测试结果的影响；英国博尔顿大学

的 B.K.Kandola 和 A.R.HorroCks（2008）[3]利用不同的

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.40 No.4July，2014第 40 卷第 4 期2014 年 7 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.032

第 40 卷第 4 期

测试方法测试不饱和聚酯树脂烟密度的影响；日

本林业研究所川大辅等（2009）[4]采用锥形量热计估

算出不同的测量方法对木屑颗粒烟密度的影响；维

尔纽斯技术大学 Romualdas Ma c姚 iulaitis 和 VladasPraniauskas（2010）[5]进行了 3 种不同厚度、材料的木

制品在不同热通量试验条件下的防火测试，利用锥

形量热仪确定这些因素对木制品防火测试的影响关

系及权重；中南大学田文利等（2009）[6]利用正交试验

法研究了浓度、温度、压力、浸泡时间 4 个因素对木

材烟密度的影响；广州市建筑材料及构件检测技术

与评价重点实验室赵侠等（2010）[7]分析了试验测量

装置、试验环境、样品的状态调节、样品厚度等因素

对建材烟密度测试的影响；广州市质量监督检测研

究院陈宏业等（2011）[8]研究了试样尺寸（厚度）、试验

环境、试样点燃方式等因素对橡胶材料烟密度测试

的影响。

本文在自主研发的建材燃烧烟密度测试装置基

础上，通过设计正交实验 [9]，有效地确定上述不同因

素对木板材料产烟的影响，大大缩短了实验次数，为

装置的推广应用奠定了基础 。

1 建材燃烧烟密度测试系统自主研发的建材燃烧烟密度测试装置整体结构

如图 1 所示。装置主要由箱体、辐射板、试样夹具、烟

气集中道、抽风装置、光学结构等组成。由图 1 可知

系统产烟由装置（图中 6、7）中的辐射板黑体、点火

器（图中 6、7）构成，通过辐射板热辐射和点火器引

火结合的燃烧试样（图中 9），使得试样燃烧和热分解

进而产生烟气，然后通过抽烟系统（图中 2）将所产生的

烟气向外抽取进入烟气集中区，再通过光电测量系统

（图中 1、3）对所通过的烟气量进行测量，图中 4 代表

燃烧箱体、5 代表烟罩、10 代表空气入口，8 代表钢

尺，用来测量试样的燃烧长度。测试装置采集到传感信

息可通过上位机的建筑材料燃烧性能试验软件 [10]，测定建材燃烧的烟气总值以及光的最大衰减率。

2 试验方法2.1 正交试验设计

建材燃烧烟密度测试系统产烟的平稳性，是决定

测量精度十分重要的一个因素，也是本正交试验的评

价指标。在此测试系统中系统产烟平稳性的评价指

标主要由材料燃烧产生的烟气总值以及燃烧过程中

光的最大衰减率组成。烟气总值表征了材料在不同

参数组合下的产烟量，是判断建筑材料是否符合消

防标准的主要指标；光的最大衰减率表征了最大烟

密度值，也是判断建筑材料是否符合消防标准的重

要指标。在材料燃烧过程中，当烟气总值越大，光的

最大衰减率越小时，测试系统产烟就会越平稳，整个

测试过程中光衰减曲线起伏程度越小，测试系统的

测量精确也就会越高。

在图 1 所示的测试装置上检测建筑材料烟密

度，根据试验平台上影响材料产烟的燃烧条件，选取

辐射板的辐射通量（辐射板的黑体温度表示）、点火

器的点火火焰高度、烟道中烟气流速作为 3 个因素，

通过正交试验，选取出 3 个因素的最优组合。

根据 GB 11785-2005《铺地材料的燃烧性能测

定 辐射热源法》规定，本试验选用辐射板黑体温度

的 3 个水平分别为 480，505，530益，选用点火器点火

火焰高度 3 个水平分别为 6，9，12 mm，烟道中烟气

流速的 3 个水平分别为 2.0，2.5，3.0m/s。因此采用拟

水平正交设计方法，分别用 A、B、C 表示黑体温度、

火焰高度、烟气流速，填入各水平因素后，正交试验

因素如表 1 所示。

2.2 试验方法

本实验在建筑材料燃烧性能测定装置上进行，

控制黑体温度、火焰高度、烟气流速 3 个因素，选取

不同的水平，通过装置软件得到试验评价指标即烟

气总值和光的最大衰减率。根据正交试验因素水平

表，选用试验次数较少的正交表 L9（34）。2.3 试验过程

试样选取 9 块同种材料、同样大小的木板，其尺

水平因素

黑体温度/益 火焰高度/mm 烟气流速/渊m窑s-1冤1 480 6 2.02 505 9 2.53 530 12 3.0

表 1 正交试验因素水平

欧 凯等：基于正交试验的建材燃烧烟密度测试装置参数组合优化

图 1 测试装置的整体结构

9 10

5678

12

3 4

129

中国测试 2014 年 7 月

寸为 40 mm伊21.5 mm伊7mm，通过控制辐射板的燃气

与空气比例改变辐射板的黑体温度；通过控制点火

器的燃气与空气比例改变点火器的点火火焰高度；

通过控制抽风机频率改变烟道中烟气流速。

下面以第 8组试验为例，试验因素组合为 A3B2C1，即是黑体温度为 530益，火焰高度为 9mm，烟气流速

为 2.0 m/s。第 1 步取出 40 mm伊21.5 mm伊7 mm 的试

样，并编号；第 2 步通过调整辐射板的燃气与空气比

例、点火器的燃气与空气比例、抽风机频率，使 A、B、C 3 个因素为 A3B2C1；第 3 步是木板燃烧试验产烟；

第 4 步是在整个燃烧过程中，画出光衰减率曲线，表

征着每一时刻的烟密度，如图 2 所示。

3 试验结果与分析3.1 试验结果

采用上述正交试验方法对 L9（34）中的不同系统

参数组合进行 9组试验，得到表 2的正交试验结果。

3.2 极差分析法

3.2.1 烟气总值的极差分析

此部分目的是分离影响算法复杂度的主次

因素。根据表 2 中的结果绘制因素与效应关系，如

图3 所示。

从极差 R j 大小可知，因素主次顺序为：黑体温

度对烟气总值的影响最大，火焰高度对烟气总值的

影响次之，而烟气流速对烟气总值的影响最小。

根据因素与效应关系图可知，使材料产生烟气

总值最多的系统参数组合为：黑体温度 A 为 530益、

火焰高度 B 为 12 mm、烟气流速 C 为 2.5 m/s 的参数

试验号因素

烟气总值 光的最大衰减率/%黑体温度/益 火焰高度/mm 烟气流速/渊m窑s-1冤 空列

1 1 1 1 11.68 15.452 1 2 2 12.69 17.963 1 3 3 13.34 12.404 2 1 2 13.75 13.085 2 2 3 14.81 13.866 2 3 1 15.65 16.407 3 1 3 15.09 23.248 3 2 1 22.09 20.469 3 3 2 24.47 22.61

烟气总值效应 棕1j 12.57 13.51 16.47烟气总值效应 棕2j 14.74 16.53 16.97烟气总值效应 棕3j 20.55 17.82 14.41烟气总值极值 R j 7.98 4.31 2.58光的最大衰减率效应 棕1j 15.27 17.26 17.44光的最大衰减率效应 棕2j 14.45 17.43 17.88光的最大衰减率效应 棕3j 22.10 17.14 16.50光的最大衰减率极值 Rj 7.65 0.29 1.38

表 2 正交试验结果 1冤

注:1冤院棕ij 为第 j 列因素第 i 水平的效应曰R j 为极差院R j=渊棕ij冤max-渊棕ij冤min遥

图 3 烟气总值的因素与效应关系图

1 2 3

黑体温度

火焰高度

烟气流速

烟气总值素水平

12131415161718192021

图 2 光衰减曲线

605040302010000颐00 00颐10 00颐20 00颐30 00颐40 00颐50 01颐00

燃烧测试时间

130

第 40 卷第 4 期

组合；而使材料产生的烟气总值最少的系统参数组

合为：黑体温度 A 为 480益、火焰高度 B 为 6 mm、烟

气流速 C 为 3m/s 的参数组合。

3.2.2 光最大衰减率的极差分析

根据表 3 中的结果绘制光最大衰减率因素与效

应关系，如图 4 所示。

从极差 R j 大小可知，因素主次顺序为：黑体温

度对光最大衰率值的影响最大，烟气流速对光最大衰

减率的影响次之，而火焰高度对光最大衰减率的影

响最小。

根据因素与效应关系图可知，使光最大衰减率

最多的系统参数组合为：黑体温度 A 为 530益、火焰

高度 B 为 9 mm、烟气流速 C 为 2.5 m/s 的参数组合；

而使光最大衰减率最少的系统参数组合为：黑体温

度 A 为 505益、火焰高度 B 为 6 mm、烟气流速 C 为

3m/s 的参数组合。

3.3 结果分析与讨论

（1）黑体温度 A。在本实验条件下，黑体温度对

于材料燃烧产生的烟气总值影响最大，黑体温度越

高，烟气总值越大；黑体温度对光最大衰减率影响最

为显著，黑体温度为 505益时，光的最大衰减率最小。

综合考虑两个评价指标，黑体温度取 505益。

（2）火焰高度 B。火焰温度对于烟气总值影响较

大，火焰高度越高，烟气总值越大；而对于光最大衰

减率影响很小，故火焰高度取 12mm。

（3）烟气流速 C。烟气流速在 2.5m/s 时烟气总值

最大；烟气流速对于光的最大衰减率影响很小，故烟

气流速取 2.5m/s。最优系统参数组合就是使得烟气总值越大同时

光的最大衰减率越小的参数组合，综合以上结论分

析，采用黑体温度为 505益、火焰高度为 12 mm、烟气

流速为 2.5m/s 的系统参数组合最合适。

4 结束语本试验实现建筑材料燃烧烟密度测试装置组合

参数的最优化，根据试验极差值和方差值的分析可

以得出各燃烧因素的主次顺序。试验结果表明：采用

正交试验所确定的最优系统参数组合，相对于最低产

烟系统参数组合，能使产烟效率提高约 26.08%；相

对于最高衰减率系统参数组合，能使光的最大衰减

率降低约 27.37%，提高了检测精度。在检测建材烟

密度过程中，采用正交试验设计方法，能够更好地确

定国标中的系统参数组合，这对于建筑材料的烟密

度检测是十分重要的，关系到所测试建材是否符合

阻燃标准。

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欧 凯等：基于正交试验的建材燃烧烟密度测试装置参数组合优化

图 4 光最大衰减率的因素与效应关系图

1 2 314151617181920212223

黑体温度

火焰高度

烟气流速

最大衰减率因素水平

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