王艷波

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

紅外測(cè)溫技術(shù)以往主要用于軍事，如夜視瞄準(zhǔn)儀，衛(wèi)星觀察系統(tǒng)等。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，紅外測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備的在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要的作用［1］。目前，美、英等一些發(fā)達(dá)國(guó)家正致力于加強(qiáng)紅外系統(tǒng)的信息處理能力與發(fā)展，通過(guò)便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)生實(shí)時(shí)、高分辨圖像來(lái)解決研究領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中的問(wèn)題;然而，在紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，水蒸氣、灰塵對(duì)紅外光線能量的吸收、背景的反射以及材料表面的輻射率變化所造成的干擾仍是影響其發(fā)展的重要因素［2］。TBM作為大型隧道掘進(jìn)設(shè)備，因其施工的特殊性，要求進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)報(bào)，紅外測(cè)溫技術(shù)是TBM在線故障診斷的重要手段之一。本文結(jié)合幾個(gè)工地紅外測(cè)溫技術(shù)在TBM中的應(yīng)用實(shí)例，并根據(jù)紅外測(cè)溫技術(shù)的研究方向和應(yīng)用特點(diǎn)，探求紅外測(cè)溫技術(shù)在TBM中的應(yīng)用方法和發(fā)展道路。

1 概述

溫度是表征物體內(nèi)部冷熱狀態(tài)的物理量，測(cè)量人體溫度可以了解人體的健康狀況，測(cè)量機(jī)械溫度同樣可反映機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣，說(shuō)明機(jī)械有無(wú)發(fā)熱、過(guò)熱現(xiàn)象，若出現(xiàn)發(fā)熱、過(guò)熱現(xiàn)象，則表明機(jī)械可能存在某種故障。

溫度測(cè)量按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式。通常接觸式測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠、測(cè)量精度較高，是通過(guò)測(cè)溫元件與被測(cè)機(jī)械相互接觸而測(cè)溫，主要有膨脹式溫度計(jì)、壓力表式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)等。其在TBM上的應(yīng)用包括對(duì)液壓油溫度的檢測(cè)、潤(rùn)滑油溫度的檢測(cè)、冷卻水溫度的檢測(cè)、變頻器溫度檢測(cè)等，檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在TBM操作室內(nèi)并與TBM相關(guān)程序形成互鎖。接觸式測(cè)溫必須置身于測(cè)量溫度場(chǎng)中，對(duì)一些特殊場(chǎng)合，如溫度特別高、溫度特別低、腐蝕介質(zhì)、導(dǎo)電介質(zhì)、導(dǎo)熱性差的機(jī)械等無(wú)法測(cè)溫。

由于接觸式測(cè)溫帶來(lái)的局限性，促進(jìn)了非接觸測(cè)溫方法的迅速發(fā)展。非接觸式測(cè)溫可用于測(cè)量溫度很高的的目標(biāo)、距離很遠(yuǎn)的目標(biāo)、很小的目標(biāo)、小熱容量的物體、運(yùn)動(dòng)中的物體和溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程及帶電物體等。非接觸式測(cè)溫中的紅外測(cè)溫使用最廣。

2 紅外測(cè)溫技術(shù)

紅外測(cè)溫是一種在線監(jiān)測(cè)式高科技檢測(cè)技術(shù)，集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況［3］。目前使用紅外技術(shù)的測(cè)試儀器較多，如紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等。鑒于TBM工作環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備等條件的影響，目前多采用紅外測(cè)溫儀。

2.1 紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)原理

紅外測(cè)溫儀又稱紅外點(diǎn)溫儀，通過(guò)接收物體自身發(fā)射出的不可見(jiàn)紅外能量而工作，隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強(qiáng)，這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，也是單波段紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)［4］。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、電信號(hào)處理器、溫度指示器及附屬瞄準(zhǔn)器、電源及機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 紅外測(cè)溫儀組成Fig.1 Components of infrared ray temperature detection device

2.2 紅外測(cè)溫儀性能

紅外測(cè)溫儀是通過(guò)接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。測(cè)溫儀內(nèi)的探測(cè)元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準(zhǔn)器的型號(hào)中，激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。紅外測(cè)溫儀性能說(shuō)明如表1。

表1 紅外測(cè)溫儀性能Table 1 Functions of infrared ray temperature detection device

為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測(cè)溫儀與測(cè)試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)。光點(diǎn)尺寸(spotsize)是測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)的面積，距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，光點(diǎn)尺寸就越大。距離與光點(diǎn)尺寸的比率，用D∶S表示。在激光瞄準(zhǔn)器型測(cè)溫儀上，激光點(diǎn)在目標(biāo)中心的上方，有12 mm的偏置距離。

在定測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)確保目標(biāo)直徑大于或等于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸，因?yàn)槟繕?biāo)小于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸，即測(cè)溫儀同在測(cè)量背景物體，會(huì)降低讀數(shù)的精確性。

2.3 紅外測(cè)溫儀正確選擇

選擇紅外測(cè)溫儀可分為3個(gè)方面:

1)性能指標(biāo)方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、窗口、顯示和輸出、響應(yīng)時(shí)間、保護(hù)附件等;

2)環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等;

3)其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等，也對(duì)測(cè)溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外測(cè)溫儀最佳設(shè)計(jì)和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。其他選擇方面有如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。在選擇測(cè)溫儀型號(hào)時(shí)應(yīng)首先確定測(cè)量要求，如被測(cè)目標(biāo)溫度、被測(cè)目標(biāo)大小、測(cè)量距離、被測(cè)目標(biāo)材料、目標(biāo)所處環(huán)境、響應(yīng)速度、測(cè)量精度、用便攜式還是在線式等;在現(xiàn)有各種型號(hào)的測(cè)溫儀對(duì)比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號(hào);在諸多能夠滿足上述要求的型號(hào)中選擇出在性能、功能和價(jià)格方面的最佳搭配。

3 紅外測(cè)溫儀在TBM故障診斷中的應(yīng)用

TBM自20世紀(jì)90年代引入中國(guó)以來(lái)，紅外測(cè)溫技術(shù)在其故障預(yù)報(bào)與排除方面已發(fā)揮了巨大的作用。以在秦嶺、磨溝嶺、中天山、西秦嶺隧道TBM施工過(guò)程中，設(shè)備所出現(xiàn)的部分故障為例，敘述紅外測(cè)溫儀在TBM故障監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

3.1 檢測(cè)對(duì)象

機(jī)械和液壓方面主要包括:主軸承、主電機(jī)減速箱、主電機(jī)、潤(rùn)滑泵站(包括泵、電機(jī)、濾芯、油箱)、鉆機(jī)泵站、主液壓泵站、主機(jī)皮帶機(jī)滾筒、仰拱吊機(jī)、噴混系統(tǒng)、除塵風(fēng)機(jī)、清水泵、空壓機(jī)等。

電器方面包括:各變壓器、變頻器、配電柜及各短路保護(hù)開(kāi)關(guān)等。

3.2 檢測(cè)方法

溫度異常是機(jī)械故障的“熱信號(hào)”。溫度診斷是以溫度、溫差、溫度場(chǎng)、熱像等熱力學(xué)參數(shù)為檢測(cè)目標(biāo)，查找機(jī)件缺陷和診斷各種熱應(yīng)力引起的故障。

1)方法1。一般電機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備在出廠時(shí)廠家能夠給出其相應(yīng)的工作溫度，可根據(jù)其給定值判斷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下溫度值是否正常。

2)方法2。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積累和記錄，確定各設(shè)備上某一位置在某種工況下的正常運(yùn)行溫度，制定標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷設(shè)備的運(yùn)行溫度是否正常。這是常用的方式和方法，也是比較準(zhǔn)確和有效的方法。

3)方法3。工件在相互接觸、摩擦的位置是工件的熱源，每個(gè)熱源都均勻地向四周散發(fā)熱量，可以繪制出等溫線，根據(jù)等溫線的疏密來(lái)判斷設(shè)備性能的好壞。

4)方法4。利用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行紅外無(wú)損探傷:加熱或冷卻試件，在一個(gè)顯著區(qū)別于室溫的溫度下保溫到熱平衡，利用被測(cè)物體自身的紅外輻射不同于環(huán)境輻射的特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)物體溫度或溫度分布，表面溫度梯度不正常則表明試件中存在缺陷。

3.3 通過(guò)測(cè)溫儀測(cè)量所能發(fā)現(xiàn)的常見(jiàn)故障

1)TBM滾筒軸承損壞。

2)TBM流體系統(tǒng)故障。

3)TBM主液壓泵、電機(jī)發(fā)熱量異常。

4)液壓管路濾芯、油箱內(nèi)污染物質(zhì)積聚。

5)TBM主減速箱異常磨損

6)TBM電氣元件故障。

7)冷卻系統(tǒng)部件的故障。

8)機(jī)件內(nèi)部缺陷。

9)裂紋探測(cè)。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

1)實(shí)例1。

現(xiàn)象:2010年7月27日，西秦嶺TBM主液壓泵站上M21電機(jī)右側(cè)定量泵，溫度測(cè)量值達(dá)110℃，嚴(yán)重超高，泵站上其他泵的溫度多為48～62℃，測(cè)量M21泵振動(dòng)也偏大。

處理:更換備用泵后，溫度減少到45℃左右。

原因:泵體內(nèi)部受損，導(dǎo)致發(fā)熱異常。

2)實(shí)例2。

現(xiàn)象:2009年6月7日，某工地TBM，上午停機(jī)測(cè)溫發(fā)現(xiàn)1號(hào)減速箱溫度異常，比其它減速箱溫度高出5～6℃，通知保養(yǎng)組檢查無(wú)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，開(kāi)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，變速箱內(nèi)部發(fā)出強(qiáng)烈的撞擊聲，數(shù)十秒后，變速箱開(kāi)始冒煙。

處理:拆除變速箱，更換軸承、修補(bǔ)齒圈。

原因:變速箱內(nèi)缺油，導(dǎo)致發(fā)熱增大，齒輪升溫后變形，冷卻后再次啟動(dòng)變速箱打齒。

3)實(shí)例3。

表2為西安—安康線秦嶺隧道與西安—南京磨溝嶺隧道紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)TBM設(shè)備的部分診斷結(jié)果［5］及處理情況。

表2 紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用舉例Table 2 Applications of infrared ray temperature detection device

4 紅外測(cè)溫技術(shù)在TBM故障監(jiān)測(cè)中的發(fā)展

紅外測(cè)溫技術(shù)幾乎從一誕生就以其強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐步占領(lǐng)了世界軍事和商用市場(chǎng)，其在生產(chǎn)加工、天文、醫(yī)學(xué)、法律及消防等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

目前紅外測(cè)溫技術(shù)在TBM故障診斷與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，基本僅限于使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行局部溫度的測(cè)量，紅外熱像儀、紅外熱電視等更為先進(jìn)的測(cè)溫技術(shù)尚未得以推廣和應(yīng)用;因此，紅外測(cè)溫技術(shù)在TBM中的應(yīng)用尚有巨大的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

要想使設(shè)備達(dá)到預(yù)知和維修的目的，必須用科學(xué)的手段處理問(wèn)題。只要善于借助先進(jìn)的科學(xué)儀器，在實(shí)際工作中，就能及早發(fā)現(xiàn)事故的隱患，找出問(wèn)題的癥結(jié)，并能快速地處理，為生產(chǎn)的順利進(jìn)行創(chuàng)造有利條件。

［1］ 倪雪飛.淺談紅外測(cè)溫及其應(yīng)用［J］.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36(7):7 － 8.(NI Xuefei.Superficially discuss the infrared radiation thermomfer and use［J］.Metrology ＆Measurement Technique，2009，36(7):7 －8.(in chinese))

［2］ 王洪濤，鄭中興.紅外測(cè)溫技術(shù)的進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.無(wú)損探傷，2007(4):4－8.

［3］ 張梅軍.狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］ 劉樹(shù)田.紅外測(cè)溫的原理是什么［J］.中學(xué)科技，2009(10):23－24.

［5］ 趙華.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷［D］.北京:北京交通大學(xué)，2002.