范昱

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471099）

基于紅外熱成像檢測技術(shù)的設(shè)備預(yù)知性維修

范昱

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471099）

基于紅外熱成像檢測技術(shù)構(gòu)建設(shè)備預(yù)知性維修模式，借助熱成像儀開展以精密點檢為主要手段的預(yù)知性維修活動，實現(xiàn)故障的早期發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)監(jiān)測；根據(jù)缺陷程度提前展開檢修工作或制定維修策略和備件準(zhǔn)備；從而降低設(shè)備故障損失，提高設(shè)備運行可靠性和綜合利用率。

紅外熱成像檢測；預(yù)知性維修；精密點檢

1 紅外熱成像檢測技術(shù)原理

自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度（-273.15℃），就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內(nèi)發(fā)射能量，產(chǎn)生電磁波（輻射能），紅外輻射與光波和無線電波一樣，是一種電磁波。紅外熱像檢測技術(shù)是使用紅外熱像儀來檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系的科學(xué)，是一種非接觸、直觀、準(zhǔn)確、高靈敏度、快速、安全、應(yīng)用范圍廣的測定物體表面溫度場分布的方法?，F(xiàn)代紅外熱像儀的工作原理是使用光電設(shè)備來檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。紅外熱像儀通俗講就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況，從而進行下一步工作的判斷，其原理示意如圖1所示。

圖1 紅外熱成像技術(shù)原理示意圖

紅外探測器把入射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電子線路放大處理后以熱電平UΔλ形式輸出，進而被處理成可見圖像在監(jiān)視器上顯示出來。熱電平UΔλ值與被測目標(biāo)的輻射溫度T值的關(guān)系式如公式（1）所示。

式中B，R，F(xiàn)——熱像儀系統(tǒng)的標(biāo)定常數(shù)，僅與熱像儀的波段、濾光片、孔徑、紅外元件響應(yīng)率及電路放大系統(tǒng)等因素有關(guān)，在儀器出廠時，一般由廠方設(shè)定；T——目標(biāo)等效黑體輻射溫度，K。

2 基于紅外熱像檢測技術(shù)的預(yù)知性維修模式

為保持生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運行，提高設(shè)備可靠性避免高費用停機是企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中重點關(guān)注并急需解決的課題。為此需開展以先進的狀態(tài)監(jiān)測手段，以可靠的評價手段和壽命預(yù)知手段來判斷設(shè)備的狀態(tài)，對故障的部位、嚴重程度、發(fā)展趨勢，作出判斷“可識別故障的早期征兆”并根據(jù)分析診斷結(jié)果；在設(shè)備性能下降到一定程度或故障將要發(fā)生之前進行預(yù)知維修。

預(yù)知性維修是一種以運轉(zhuǎn)狀況驅(qū)動的維護程序，它不依賴于工業(yè)或工廠內(nèi)平均壽命統(tǒng)計數(shù)據(jù)（平均無故障時間）來計劃安排維護活動，而是對運轉(zhuǎn)狀況、效率、熱量分布和其他指標(biāo)進行直接監(jiān)視，以確定實際的平均無故障時間或?qū)⑽：Φ焦S或設(shè)施內(nèi)所有關(guān)鍵系統(tǒng)裝置運轉(zhuǎn)的效率損失。當(dāng)今在各行各業(yè)中紅外熱成像檢測技術(shù)已無可爭議的成為現(xiàn)代預(yù)知性維修中最行之有效的診斷方式。設(shè)備預(yù)知性維修流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備預(yù)知維修流程圖

基于紅外熱像檢測技術(shù)的設(shè)備預(yù)知性維修工作有2種基本方法。

（1）一般檢測（巡檢）。指按時進行巡檢，以發(fā)現(xiàn)問題點為主要目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)后進行及時匯報，并對問題熱圖進行保存。一般檢測基本由設(shè)備巡檢操作人員完成。

（2）精確檢測（精密點檢）。指定期對所有需要檢測的設(shè)備的運行狀態(tài)進行熱圖拍攝、保存和分析，并對巡檢人員上報的問題點進行判斷、解決，及早把設(shè)備存在的隱患排查出。精確檢測一般由設(shè)備維護工程師或以上級別人員完成。紅外熱像點檢流程圖如圖3所示。

3 紅外熱像檢測技術(shù)應(yīng)用范圍

3.1 設(shè)備電氣系統(tǒng)檢測

可用于電氣柜和電機控制中心的定期檢查，對于連接松動、負載失衡、腐蝕以及阻抗增加等問題，熱檢測均可通過紅外圖像和可見光圖像快速定位“準(zhǔn)確診斷”及時維修，避免因過熱導(dǎo)致連接件熔斷，甚至發(fā)生火災(zāi)。

中低壓設(shè)備常見的紅外熱像診斷故障包括：連接件電阻高、連接件被腐蝕、內(nèi)部保險絲損壞、內(nèi)部斷路器故障、連接不良及內(nèi)部缺陷等。

3.2 電機和機械系統(tǒng)檢測

電機失準(zhǔn)或失衡通常會導(dǎo)致過高的溫度，電機的電刷觸點磨損和電樞短路故障發(fā)生前會產(chǎn)生過多熱量，熱成像技術(shù)能夠給出全面的信息常見的紅外熱像診斷故障，包括電機過熱、泵過載、電機軸過熱和軸承溫度高等。在機械部件受到磨損并且效率降低時，釋放的熱量將增加系統(tǒng)中對準(zhǔn)失當(dāng)引起振動增加，將導(dǎo)致傳動機構(gòu)升溫；借助熱性圖、線溫分布圖等功能，可顯示存在的問題；從而為機械系統(tǒng)正常運作提供保障。

3.3 其他項目

其他常見的紅外熱像檢測包括：冶金、熱處理等高溫設(shè)備隔熱破損檢測：如爐中出現(xiàn)的熱點、耐火材料絕熱受損等；電子及機電產(chǎn)品制造業(yè)對產(chǎn)品外殼的溫度場分布分析檢測；電路研發(fā)過程中元器件發(fā)熱、電路板熱分布情況測試；LED、鋰電池、太陽能等新能源相關(guān)制造業(yè)對產(chǎn)品和質(zhì)量控制過程中的溫度檢測；儲液罐內(nèi)液位檢測；建筑物外墻、屋頂和熱力管道保溫性能質(zhì)量檢測等。

4 紅外熱成像檢測在各類設(shè)備預(yù)知性維修中的應(yīng)用

4.1 紅外熱像儀現(xiàn)場檢測操作要點

紅外熱像儀在開機后需進行內(nèi)部溫度校準(zhǔn)，待圖像穩(wěn)定后即可開始工作。一般先遠距離對所有被測設(shè)備進行全面掃描，發(fā)現(xiàn)有異常后，再有針對性地近距離對異常部位和重點被測設(shè)備進行準(zhǔn)確檢測。儀器的調(diào)色板溫度量程宜設(shè)置在環(huán)境溫度加10～20℃左右的溫升范圍。盡量選擇高對比度顯示方式，調(diào)節(jié)圖像使其具有清晰的溫度層次顯示。被測設(shè)備的發(fā)射率ε一般設(shè)置為0.95。紅外熱像儀在實際使用中，需要經(jīng)過參數(shù)設(shè)置、對焦、設(shè)置溫度水平和跨度、設(shè)置混合水平條等步驟后才能進行測溫。

4.2 設(shè)備電氣系統(tǒng)檢測檢測實例

某電氣設(shè)備點檢中發(fā)現(xiàn)三相進線空氣開關(guān)下端頭L3電纜發(fā)熱異常，溫度超過88.2℃且比L1，L2兩相溫度高出近一倍多，根據(jù)DL/T 664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》屬于嚴重?zé)崛毕?。檢測三相電流平衡后檢修發(fā)現(xiàn)電纜老化、L3端子接觸電阻過大，更換后該電纜恢復(fù)正常，三相溫度接近。維修前、后對比熱像圖如圖4所示。某設(shè)備電控柜內(nèi)印制板保險管發(fā)熱異常，中間的保險管下端溫度達75.9℃，檢查發(fā)現(xiàn)保險座彈性下降接觸不良，維修后恢復(fù)；維修前后對比熱像圖如圖5所示。某設(shè)備電控柜一個大功率電阻溫度偏低，熱像圖如圖6所示，檢查發(fā)現(xiàn)電阻燒斷，在設(shè)備故障停機前及時進行維修更換。

圖3 紅外熱像檢測精密點檢流程圖

4.3 電機、機械系統(tǒng)檢測實例

某真空泵檢測熱像圖如圖7所示，可見最高溫度70.8℃出現(xiàn)在傳動軸上，可能電機軸承潤滑不良或磨損，需進一步跟蹤記錄溫度趨勢，根據(jù)劣化情況及時安排檢修。某進口立式加工中心點檢中發(fā)現(xiàn)Z軸伺服電機溫度表面溫度為64.7℃，比較同類設(shè)備Z軸伺服電機溫度偏高，持續(xù)檢測該部位溫度，發(fā)現(xiàn)溫度有上升趨勢。檢修該電機后發(fā)現(xiàn)其尾部軸流風(fēng)機損壞，更換后檢測溫度降為45.6℃且溫升穩(wěn)定。由此避免了該設(shè)備較大的故障損失，維修前后的熱像圖對比如圖8所示。

4.4 壓縮機、真空泵檢測實例

紅外熱成像檢測真空泵、壓縮機等大型部件，熱像圖可顯示其整體溫度分布情況，由此快速發(fā)現(xiàn)熱缺陷或確定需關(guān)注的具體部位，開展持續(xù)監(jiān)測，追蹤溫度趨勢。某步進式氣候箱壓縮機溫度分布熱像圖如圖9所示。某真空爐擴散泵溫度分布熱像如圖10所示，可見其中一段泵壁溫度異常（69℃），與相鄰的區(qū)域比較偏高近30℃，需安排進一步檢修查明原因。某設(shè)備羅茨真空泵溫度分布熱像圖如圖11所示。

4.5 水冷設(shè)備冷卻效果檢測實例

熱像圖可顯示水冷大型設(shè)備整體溫度分布情況以及各個管路水溫，評估設(shè)備整體水冷卻效果，從而快速定位缺陷部位。某真空爐路蓋、爐體溫度分布熱像圖如圖12所示。熱像圖可顯示多根交織在一起的冷卻軟管溫度（圖13），可快速定位其中水溫過高者，安排檢修。

圖4 空氣開關(guān)三相電纜熱像圖

圖5 印制板保險管熱像圖

圖6 大功率電阻熱像圖

圖7 真空泵熱像圖

圖8 伺服電機熱像圖

圖9 壓縮機熱像圖

圖10 擴散泵熱像圖

圖11 羅茨真空泵熱像圖

5 結(jié)論

基于熱成像檢測技術(shù)構(gòu)建設(shè)備預(yù)知性維修模式，開展以精密點檢為主要手段的預(yù)知性維修活動。對數(shù)控機床、真空鍍膜、真空熱處理、真空焊接設(shè)備、高低溫、振動、沖擊等環(huán)境試驗設(shè)備等多種類設(shè)備的紅外熱成像檢測，達到故障的早期發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)檢測。點檢人員通過對熱像圖進行分析判斷，并根據(jù)設(shè)備發(fā)熱的發(fā)展趨勢、設(shè)備負荷大小、環(huán)境溫度等情況進行綜合分析，提前開展檢修或制定維修策略，使預(yù)知性維修工作做到有的放矢。不僅大大降低了設(shè)備故障損失和維修停機時間，并為維修計劃和備件采購計劃提供科學(xué)的依據(jù)。通過熱像圖數(shù)據(jù)庫建立和相關(guān)預(yù)知性維修制度的不斷完善，將進一步提升企業(yè)的設(shè)備保障效率，消除故障隱患，提高設(shè)備運行可靠性和綜合利用率。

圖12 真空爐熱像圖

圖13 冷卻軟管熱像圖

〔編輯 凌瑞〕

TH17

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.02.14