王尊祥 趙 偉 孫藝峰

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

大型游樂設(shè)施被行業(yè)內(nèi)稱為特種設(shè)備中的“特種設(shè)備”，其安全平穩(wěn)運(yùn)行得到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。使用單位和檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在日常維護(hù)保養(yǎng)、年度檢驗(yàn)過程中有時(shí)需要對(duì)設(shè)備停機(jī)拆卸檢查，不僅給使用單位帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失，也增加了維保人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此尋找一種不停機(jī)、簡便的檢測(cè)技術(shù)具有廣泛的需求，紅外檢測(cè)技術(shù)由于具有非接觸、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量范圍大、掃描速度快、操作簡便和檢測(cè)效率高的優(yōu)點(diǎn)，在無損檢測(cè)方面具有巨大的潛力，本文對(duì)紅外熱成像技術(shù)在大型游樂設(shè)施檢驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

1 紅外檢測(cè)技術(shù)概述

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)主要基于紅外光波的理論，即任何高于絕對(duì)零度（-273 ℃）的物質(zhì)都會(huì)連續(xù)的向周圍發(fā)射紅外線能量，紅外光波是一種帶能量的電磁波，它的波長大部分處于0.75～1 000 μm之間，頻率為3×1011～4×1014Hz，覆蓋了可見光和不可見光波段[1]，如圖1所示。為了研究輻射現(xiàn)象，科學(xué)家定義了一個(gè)理想化的物體“黑體”，史蒂芬-玻爾茲曼定律定量地描述了黑體紅外輻射的能量與黑體本身的溫度之間的關(guān)系，見式（1）。

圖1 電磁波譜圖

式中：

W——黑體輻射率，W／m2；

σ——史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.669 7×10-8W／（m2.K4)；

wλ——波長為λ的黑體光譜輻射率；

c——光速，3×108m／s；

h——普朗克常數(shù)，6.626 2×10-34J·s；

K——玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J／K；

λ——波長，μm；

T——黑體的熱力學(xué)溫度，K。

從史蒂芬-玻爾茲曼定律公式可以看出黑體輻射的功率與黑體本身的熱力學(xué)溫度的四次方成正比，表明物體較小的溫度變化就能引起較大的熱效應(yīng)變化。

2 紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

紅外檢測(cè)目前主要應(yīng)用在電力系統(tǒng)、軍事領(lǐng)域、食品農(nóng)業(yè)、特種設(shè)備行業(yè)以及其他工業(yè)與民用領(lǐng)域，如設(shè)備故障診斷、目標(biāo)識(shí)別、無損探傷、建筑物保溫和滲漏等方面。沈功田[2]等人介紹了國內(nèi)外紅外檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)應(yīng)用情況，指出了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。余長國[3]等人提出了以專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)紅外成像故障識(shí)別與分析方法，實(shí)現(xiàn)了輸變電站的自動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)，提高了工作效率。馮輔周[4]等人采用紅外熱波技術(shù)對(duì)裝甲車的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足問題和底板裂紋問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高信噪比和采用合適熱激勵(lì)條件可以獲得良好的檢測(cè)效果。展慧[5]等人將近紅外光譜和機(jī)器視覺融合用來檢驗(yàn)板栗的質(zhì)量。

在特種設(shè)備行業(yè)領(lǐng)域，紅外檢測(cè)常用于高溫或低溫承壓設(shè)備內(nèi)部保溫層狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)價(jià)，沈功田[6-7]等人對(duì)典型高溫容器的襯里缺陷和壓力容器的高應(yīng)力部分采用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，取得了良好的檢測(cè)效果，通過試驗(yàn)表明，紅外熱成像技術(shù)十分適用于檢測(cè)高溫壓力管道內(nèi)部腐蝕缺陷。葉超[8]等人對(duì)多種游樂設(shè)備進(jìn)行了紅外圖像、數(shù)據(jù)采集，分析后得出了初步的溫升規(guī)律，并研究了不同工況下對(duì)溫升的影響。

3 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)在大型游樂設(shè)施中的應(yīng)用探索

3.1 在過山車輪系中的應(yīng)用

過山車是游樂場中最驚險(xiǎn)刺激的明星游樂設(shè)施之一，深受大家喜愛。國內(nèi)運(yùn)行速度最快的過山車為瑞士INTAMIN公司生產(chǎn)的Ultrahigh Roller Coaster （超高過山車)，見圖2，其軌道高度達(dá)到了82.8 m，運(yùn)行速度最高為136 km／h。不斷提高的運(yùn)行速度給設(shè)備車輪帶來的最直接的影響就是溫度的快速提升，因此一些使用單位甚至?xí)谙募驹O(shè)備運(yùn)行高峰期，對(duì)過山車輪系采用灑水等方式降溫，以保證過山車的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 超高過山車

●3.1.1 輪系介紹

過山車輪系結(jié)構(gòu)見圖3，行走輪承受軌道對(duì)其的反作用力（軌道平直段反作用大小為車體和乘客的重力，曲線段則需要考慮車體的向心力），側(cè)輪的主要作用是防止車體在轉(zhuǎn)彎過程中受離心力作用被甩出，底輪則是防止車體在翻滾過程中脫離軌道。聚氨酯、尼龍等材料因其具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、吸震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前過山車車輪表面包覆材料的常用選擇。車輪在長期運(yùn)行過程中，由于受熱應(yīng)力影響，可能會(huì)出現(xiàn)車輪內(nèi)部開裂、跑膠等缺陷，影響過山車的安全運(yùn)行。

圖3 過山車輪系結(jié)構(gòu)圖

●3.1.2 輪系熱像圖

過山車輪系的調(diào)節(jié)會(huì)影響運(yùn)行過程中熱能損耗，當(dāng)車輪與軌道間調(diào)節(jié)過緊時(shí)，車輪與軌道間的壓力會(huì)增加，導(dǎo)致兩者之間摩擦力增大，從而導(dǎo)致車輪的產(chǎn)熱增加，在紅外熱像圖中的溫度就會(huì)升高，調(diào)節(jié)不合理甚至?xí)苯佑绊戃囕v回站。圖4為某國產(chǎn)過山車的輪系可見光圖及紅外熱像圖，從圖中可看出側(cè)輪2的溫度要高于側(cè)輪1的溫度，經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，側(cè)輪2與軌道間調(diào)節(jié)間隙過小。此外，當(dāng)車輪軸承轉(zhuǎn)動(dòng)存在異常（如內(nèi)部滾動(dòng)體破損、內(nèi)部潤滑不當(dāng)）時(shí)，該車輪與軌道間的產(chǎn)熱與正常車輪相比也會(huì)有差異。

圖4 國產(chǎn)過山車輪系及紅外熱像圖

3.2 在聯(lián)軸器中的應(yīng)用

聯(lián)軸器被廣泛應(yīng)用于游樂設(shè)施的機(jī)械傳動(dòng)裝置，當(dāng)聯(lián)軸器發(fā)生故障失效時(shí)，不能繼續(xù)提供動(dòng)力輸出，甚至引發(fā)事故。游樂設(shè)施常用的彈性柱銷聯(lián)軸器，其彈性柱銷安裝于聯(lián)軸器內(nèi)部，見圖5，不便于日常的觀察和維護(hù)保養(yǎng)，通過紅外熱像儀可以解決這一問題，由于柱銷發(fā)生斷裂后，不會(huì)傳遞力，在熱像儀下該處的溫度也要低于正常工作狀態(tài)下柱銷的溫度。通過紅外熱像儀能夠提前對(duì)聯(lián)軸器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖6為典型的聯(lián)軸器紅外熱像圖，可以經(jīng)過長時(shí)間的大量圖譜積累，獲取該部位正常運(yùn)行工況下的紅外圖譜，檢驗(yàn)時(shí)，通過與現(xiàn)場的紅外熱像圖比較，可判定聯(lián)軸器的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。

圖5 高空飛翔聯(lián)軸器

圖6 聯(lián)軸器紅外熱像圖

3.3 在電氣裝置中的應(yīng)用

大型游樂設(shè)施電氣系統(tǒng)中有大量電氣元件，如空氣開關(guān)、接觸器、繼電器等，一些旋轉(zhuǎn)類設(shè)備具有負(fù)載高、頻繁啟動(dòng)的特點(diǎn)，電氣元件若出現(xiàn)連接松動(dòng)、接觸不良、老化、過載、三相負(fù)載不平衡問題會(huì)引起電氣元件的溫升異常，甚至導(dǎo)致起弧、短路、燒毀、起火等事故。在對(duì)大型游樂設(shè)施的延壽過程中對(duì)電氣系統(tǒng)的評(píng)估是延壽工作的重點(diǎn)內(nèi)容，電氣元件在長時(shí)間使用后存在較大的安全隱患。因此在延壽工作中紅外熱成像技術(shù)在評(píng)估電氣元件運(yùn)行狀態(tài)方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

為了量化電氣元件的異常溫升，可采用溫差率進(jìn)行判斷，見式（2）：

式中：

δ——溫差率；

Tf——異常部位最高溫度；

Tn——基準(zhǔn)溫度。

圖7為典型的電氣元件紅外熱像圖，其中大擺錘電器柜中空氣溫度為20 ℃，斷路器A相、B相、C相的溫度分別為160.1 ℃、77.3 ℃、106.7 ℃，以B相溫度為基準(zhǔn)溫度，A相、C相的溫差率分別高達(dá)107%、38%，A相、C相溫升異常，后經(jīng)停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)是由于長期使用線路老化所致。同樣，高空飛翔接觸器中A相、B相的溫度分別達(dá)到了55.4 ℃、46.4 ℃，以其余各相的平均溫度37.1 ℃為基準(zhǔn)溫度，A相、B相的溫差率分別達(dá)到了49%、25%，需停機(jī)檢查，排除安全隱患。溫差率可作為一個(gè)監(jiān)測(cè)的參數(shù)，若某電氣元件溫差率在監(jiān)測(cè)過程有增大的趨勢(shì)，則該電氣元件的運(yùn)行狀況有惡化的趨勢(shì)，需停機(jī)檢查。

圖7 典型電氣元件紅外熱像圖

國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 36668.3—2018《游樂設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監(jiān)測(cè)方法》已經(jīng)頒布實(shí)施，可通過對(duì)游樂設(shè)施關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基于設(shè)備運(yùn)行特征或歷史檔案的典型的故障診斷。兩者都需要確定不同狀態(tài)運(yùn)行時(shí)部件的預(yù)期溫度以及分布，然后確定各種狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的嚴(yán)重等級(jí)判據(jù)，記錄當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，確定此時(shí)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給出故障診斷的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文介紹了紅外熱成像技術(shù)在大型游樂設(shè)施過山車輪系、聯(lián)軸器、電氣元件中的應(yīng)用探索，同時(shí)還指出了后續(xù)需更進(jìn)一步的研究內(nèi)容。

1）簡要介紹了典型的過山車車輪紅外熱像特征，指出通過紅外熱成像技術(shù)可以間接地分析過山車輪系是否調(diào)整合理，下一步可開展不同材質(zhì)、不同生產(chǎn)工藝的車輪在不同車輪間隙、不同壓力下的溫升規(guī)律及最高允許使用溫度的研究工作。

2）介紹了聯(lián)軸器的典型紅外熱像圖，指出了紅外熱成像技術(shù)在監(jiān)測(cè)聯(lián)軸器運(yùn)行狀況方面的應(yīng)用前景，游樂設(shè)施常用的不同類型聯(lián)軸器的典型紅外熱像圖還有待進(jìn)一步研究。

3）介紹了游樂設(shè)施常用的電氣元件紅外熱像圖，指出紅外熱成像技術(shù)在檢測(cè)電氣元件故障方面的應(yīng)用前景。后續(xù)可通過大量數(shù)據(jù)積累工作建立大型游樂設(shè)施典型電氣元件的壽命模型。