CNC精密机床安全应用技术

极早期“守门员”机床自动灭火技术

专利申请号：CN201010535142.X  201020596472.5

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一、关于CNC机床火灾

因火灾而引起机床的损坏，可以使一个机加工车间造成巨大的损失。有时候，也会使整个工厂造成整体性的毁灭。一台机床如果没有采取灭火措施，那么大火就会迅速蔓延到邻近的机械设备或建筑物。即使建筑物内的自动喷水灭火系统启动工作，也为时已晚，往往会使机床甚至更多的生产设备毁于一旦。

  大多数的铣床、车床和磨床都是尽可能以最安全的方式进行专门设计的。然而，这些机床大量地应用油基冷却液，使它们很容易受到火灾风险的威胁。过高的热量、错误的编程、刀具的故障或其他各种原因，都可以将正常的CNC操作系统瞬间变成一场灾难。而对于放电加工设备（EDM）而言，可能会由于介质液面下降或其他异常情况而造成火灾。在任何加工操作中，凡是存在着冷却油和润滑油蒸汽的地方，即使是一点火星也会引起爆燃。

  当一台机床处于自动化作业或无人化操作时，其发生火灾的风险甚至更高。即使能够迅速地检测或扑灭一场小小的火灾，但仍然会对机床造成损坏和无法预测的停机时间。如果机床在未经检查或没有发现这种火灾迹象的情况下，哪怕只是离开很短的一段时间，那么这场小小的火灾就会造成机毁，甚至是建筑物被毁灭的恶性事故。

  在使用油基冷却液的机床内发生爆燃时，要求快速果断地采取行动。然而，由于工期紧迫，迫使许多工厂不得不让某些机床实行无人化操作，这极大程度地增加了机床发生火灾的风险。然而，即使操作人员在现场的情况下，一台机床也有可能在很短时间内，完全被爆燃的火焰所吞噬。

  许多业主还期望雇员们使用便携式灭火器来控制这种失火局面，但这可能是一个不切实际的期望。即使是一个头脑最冷静的操作人员，当机床发生火灾时也会手足无措。况且，当一场火灾足以损毁一台机床时，可能会危及到工人的安全。

  专门为机床内部防火而设计的机床灭火系统，可以为机床提供一定程度的保护，这对于传统屋顶式的外部自动喷水灭火系统而言是无法达到的。该系统的成本只占数控机床中的很少一部分，远远低于修复因火灾而造成重大破坏所需的维修费用。

二、CNC机床火灾分析

可燃物分析：

对于使用油基冷却液、研磨切削油的CNC机床，通常主要可燃物为机床用油（丙类可燃液体），其它可燃物为少量电线电缆包覆用橡胶。

CNC机床火灾燃烧特性分析：

普遍用于机床的用油绝大多数为闭杯闪点60℃以上的丙类可燃液体，其燃烧特性描述为明火并伴随大量烟雾，加工点引起的热量聚集，引燃油蒸汽或油雾（气、液两相混合物），燃烧特点为闪燃，闪燃放大热能后会引燃液态油的燃烧，该类燃烧会持续扩大，并附加随着液体流淌扩大燃烧面。

CNC机床火灾温度特性曲线示意图：

 

W0-机床空间正常环境温度单位 ℃（摄氏）          T0-机床工作异常计时时间单位S（秒）

W1-机床产生明火时的空间环境温度                 T1-机床产生明火，极早期报警开始时间

W2-机床空间环境标准设定火灾报警温度W0+ 30℃    T2-守门员系统启动灭火开始时间

W3-机床重要机械部件损坏空间环境温度             T3-重大损失相对应的火灾发展时间

W4-机床达到报废标准的空间环境温度               T4-机床报废损失相对应的火灾发展时间

注：以上温度测量点均为机床内部（顶部）最不利热量传导点的空间环境温度。

三、CNC机床火灾损失分析

绿色区域

W1明火产生初期，此时着火点明火火焰外延直径≤30mm，着火点局部温度已经大于油品的闪点（闭杯），但是由于火灾初期热量发出或辐射量较小，热量传导至机床空间环境温度一般在W0+2℃～W0+5℃。

W2标准设定火灾报警温度W0+ 30℃，考虑到空间环境的温度波动以及降低误动作带来的不必要损失，以及机床火灾特点，我们设定年平均机床空间环境温度+30℃作为守门员系统火灾报警启动温度阀值，此时着火点明火火焰外延直径≤300mm，着火点局部温度可能超过220℃。

T1-T2火灾发展通常时间范围65S～185S

绿色区域阶段的机床火灾直接损失通常很小，几乎可以忽略不记，机床损失主要为因停产造成的间接损失，该阶段的生产恢复通常需要0h～2h。

该阶段为最好的灭火阶段，该阶段灭火损失最少、灭火效率最高。

黄色区域

W2火灾发展期，此时着火点明火火焰外延直径≥300mm，着火点局部温度可能超过300℃。

W3通常定为机床重要精密机械的退火温度-120℃，超过此温度可能会对机床重要精密机械部分造成不可恢复的损害，例如机床的精度无法满足加工要求等。此时着火点明火火焰外延直径≤600mm，着火点局部温度可能超过600℃。

T2-T3火灾发展通常时间范围55S～245S

黄色区域阶段的机床火灾直接损失通常为机床内部电器及其配线收到损害，机床重要精密机械未受到不可恢复的损害，以及为因停产造成的间接损失，该阶段的生产恢复通常需要1day～7 day。

该阶段为传统灭火技术的灭火阶段，该阶段灭火损失少、灭火效率高。

红色区域

W3火灾扩大期，此时着火点明火火焰外延直径≥600mm，着火点局部温度可能超过600℃。

W4通常定为机床重要精密机械的退火温度+120℃，此温度可能会对机床重要精密机械部分造成不可恢复的损害，例如机床的精度无法满足加工要求等。此时着火点明火火焰外延填满所有油浸区域，着火点局部温度可能超过900℃。

T3-T4火灾发展通常时间范围35S～125S

红色区域阶段的机床火灾直接损失通常为接近购置新机床费用，以及为因停产造成的间接损失，该阶段的生产恢复通常需要大修20day～90 day。

黑色区域

黑色区域阶段的机床火灾直接损失通常为机床报废。

四、极早期“受门员”机床自动灭火技术

专门为机床内部防火而设计的机床灭火系统，为机床提供可靠的火灾极早期保护。

1、极早期“受门员”火灾自动探测及控制系统技术

采用早发现早控制的控制原理，结合火焰光谱探测技术、图象传输技术、在线温度监测技术以及先进计算算法软件，针对机床火灾特点，实现极早期火灾 探测，主动调整受门员系统状态，实时机床内部红外图像报警传送等先进技术，科学解决了极早期快速火灾探测与误动作的技术矛盾，大大缩短了火灾探测报警时间，为成功无损机床灭火创造了极为有利的条件。

2、先进基本灭火单元技术

装置简单可靠，系统综合响应时间短、可实现控制喷放灭火剂，可根据软件设置实现间断喷放、连续喷放、延时喷放等精确喷放灭火功能；

清洁灭火剂采用二氧化碳、六氟丙烷等，电器绝缘性好，使整个灭火过程不会产生二次污染；

可根据不同需要选用以下类型灭火剂

D类金属灭火剂；

厨房专用灭火剂；

超细干粉灭火剂；

干粉灭火剂；

水基灭火剂；

泡沫灭火剂。

通用标准的灭火器，任何消防器材维修维护单位均可更换和维护，单次灭火换装成本小于100元（二氧化碳为例）。

四、关键技术参数

二氧化碳灭火剂本体技术规格及主要性能参数表

规格型号	ZWMT/2	ZWMT/3	ZWMT/5	ZWMT/7
灭火药剂	二氧化碳CO2
药剂储量	2Kg	3Kg	5Kg	7Kg
灭火性能	2B/1立方	3B/1.5立方	4B/2.5立方	5B/3.5立方
本体尺寸	（长*宽*高）单位mm 220*260*620		（长*宽*高）单位mm 270*300*820
工作电源	AC180～240V   50～60HZ
工作压力	5.17MPa   (20℃)
工作温度	-10℃～50℃
总重量	约18Kg	约20Kg	约28Kg	约35Kg
通讯接口	232/485	232/485	232/485	232/485
联动输出	有	有	有	有

温度火灾探测器功能参数表

探测物理类型	温度-火灾报警类型
信号输出类型	开关量		模拟量
探测类型	双金属温度探测	温度开关探测	PT100	PT100-KS
报警值设定	现场手动设定	出厂设定	现场软件设定	现场软件设定
报警值类型	定温		在线监测可通过软件计置报警等
测温范围	0℃～500℃	0℃～130℃	0℃～500℃	0℃～1000℃

紫外复合红外视频火灾探测器功能参数表

探测物理类型	紫外-红外视频图像复合报警类型
信号输出类型	开关量紫外线、数字量红外视频图像
探测类型	紫外光谱+红外视频图像
报警值设定	出厂设定
报警响应时间	5米烛光火焰   ≤0.5S
图像输出时间	≤3S
综合响应时间	5米烛光火焰  ≤4S