紅外測溫技術在TBM設備故障診斷中的應用

王艷波

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

紅外測溫技術以往主要用于軍事，如夜視瞄準儀，衛星觀察系統等。隨著微電子技術的迅猛發展，紅外測溫技術的應用越來越廣泛，尤其在產品質量控制和監測、設備的在線故障診斷、安全保護以及節約能源等方面發揮著重要的作用［1］。目前，美、英等一些發達國家正致力于加強紅外系統的信息處理能力與發展，通過便攜式個人計算機產生實時、高分辨圖像來解決研究領域和工業領域中的問題;然而，在紅外測溫技術的發展過程中，水蒸氣、灰塵對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展的重要因素［2］。TBM作為大型隧道掘進設備，因其施工的特殊性，要求進行設備的狀態監測與故障預報，紅外測溫技術是TBM在線故障診斷的重要手段之一。本文結合幾個工地紅外測溫技術在TBM中的應用實例，并根據紅外測溫技術的研究方向和應用特點，探求紅外測溫技術在TBM中的應用方法和發展道路。

1 概述

溫度是表征物體內部冷熱狀態的物理量，測量人體溫度可以了解人體的健康狀況，測量機械溫度同樣可反映機械運行狀態的優劣，說明機械有無發熱、過熱現象，若出現發熱、過熱現象，則表明機械可能存在某種故障。

溫度測量按測量方式可分為接觸式和非接觸式。通常接觸式測溫儀表比較簡單、可靠、測量精度較高，是通過測溫元件與被測機械相互接觸而測溫，主要有膨脹式溫度計、壓力表式溫度計、電阻溫度計、熱電偶溫度計等。其在TBM上的應用包括對液壓油溫度的檢測、潤滑油溫度的檢測、冷卻水溫度的檢測、變頻器溫度檢測等，檢測數據實時反映在TBM操作室內并與TBM相關程序形成互鎖。接觸式測溫必須置身于測量溫度場中，對一些特殊場合，如溫度特別高、溫度特別低、腐蝕介質、導電介質、導熱性差的機械等無法測溫。

由于接觸式測溫帶來的局限性，促進了非接觸測溫方法的迅速發展。非接觸式測溫可用于測量溫度很高的的目標、距離很遠的目標、很小的目標、小熱容量的物體、運動中的物體和溫度動態過程及帶電物體等。非接觸式測溫中的紅外測溫使用最廣。

2 紅外測溫技術

紅外測溫是一種在線監測式高科技檢測技術，集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術于一身，通過接收物體發出的紅外線(紅外輻射)，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況［3］。目前使用紅外技術的測試儀器較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等。鑒于TBM工作環境、檢測設備等條件的影響，目前多采用紅外測溫儀。

2.1 紅外測溫儀結構原理

紅外測溫儀又稱紅外點溫儀，通過接收物體自身發射出的不可見紅外能量而工作，隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強，這是紅外輻射理論的出發點，也是單波段紅外測溫儀的設計依據［4］。紅外測溫儀由光學系統、紅外探測器、電信號處理器、溫度指示器及附屬瞄準器、電源及機械結構等組成(見圖1)。

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

2.2 紅外測溫儀性能

紅外測溫儀是通過接收目標物體發射、反射和傳導的能量來測量其表面溫度。測溫儀內的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉換成溫度讀數顯示。在帶激光瞄準器的型號中，激光瞄準器只做瞄準使用。紅外測溫儀性能說明如表1。

表1 紅外測溫儀性能Table 1 Functions of infrared ray temperature detection device

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

在定測量距離時，應確保目標直徑大于或等于受測的光點尺寸，因為目標小于受測的光點尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，會降低讀數的精確性。

2.3 紅外測溫儀正確選擇

選擇紅外測溫儀可分為3個方面:

1)性能指標方面，如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、窗口、顯示和輸出、響應時間、保護附件等;

2)環境和工作條件方面，如環境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等;

3)其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產生一定的影響。

隨著技術的不斷發展，紅外測溫儀最佳設計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。其他選擇方面有如使用方便、維修和校準性能以及價格等。在選擇測溫儀型號時應首先確定測量要求，如被測目標溫度、被測目標大小、測量距離、被測目標材料、目標所處環境、響應速度、測量精度、用便攜式還是在線式等;在現有各種型號的測溫儀對比中，選出能夠滿足上述要求的儀器型號;在諸多能夠滿足上述要求的型號中選擇出在性能、功能和價格方面的最佳搭配。

3 紅外測溫儀在TBM故障診斷中的應用

TBM自20世紀90年代引入中國以來，紅外測溫技術在其故障預報與排除方面已發揮了巨大的作用。以在秦嶺、磨溝嶺、中天山、西秦嶺隧道TBM施工過程中，設備所出現的部分故障為例，敘述紅外測溫儀在TBM故障監測中的應用。

3.1 檢測對象

機械和液壓方面主要包括:主軸承、主電機減速箱、主電機、潤滑泵站(包括泵、電機、濾芯、油箱)、鉆機泵站、主液壓泵站、主機皮帶機滾筒、仰拱吊機、噴混系統、除塵風機、清水泵、空壓機等。

電器方面包括:各變壓器、變頻器、配電柜及各短路保護開關等。

3.2 檢測方法

溫度異常是機械故障的“熱信號”。溫度診斷是以溫度、溫差、溫度場、熱像等熱力學參數為檢測目標，查找機件缺陷和診斷各種熱應力引起的故障。

1)方法1。一般電機、空壓機等設備在出廠時廠家能夠給出其相應的工作溫度，可根據其給定值判斷設備運轉狀態下溫度值是否正常。

2)方法2。經過一定時間的積累和記錄，確定各設備上某一位置在某種工況下的正常運行溫度，制定標準，然后根據標準判斷設備的運行溫度是否正常。這是常用的方式和方法，也是比較準確和有效的方法。

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

4)方法4。利用紅外測溫儀進行紅外無損探傷:加熱或冷卻試件，在一個顯著區別于室溫的溫度下保溫到熱平衡，利用被測物體自身的紅外輻射不同于環境輻射的特點來檢測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 通過測溫儀測量所能發現的常見故障

1)TBM滾筒軸承損壞。

2)TBM流體系統故障。

3)TBM主液壓泵、電機發熱量異常。

4)液壓管路濾芯、油箱內污染物質積聚。

5)TBM主減速箱異常磨損

6)TBM電氣元件故障。

7)冷卻系統部件的故障。

8)機件內部缺陷。

9)裂紋探測。

3.4 應用實例

1)實例1。

現象:2010年7月27日，西秦嶺TBM主液壓泵站上M21電機右側定量泵，溫度測量值達110℃，嚴重超高，泵站上其他泵的溫度多為48～62℃，測量M21泵振動也偏大。

處理:更換備用泵后，溫度減少到45℃左右。

原因:泵體內部受損，導致發熱異常。

2)實例2。

現象:2009年6月7日，某工地TBM，上午停機測溫發現1號減速箱溫度異常，比其它減速箱溫度高出5～6℃，通知保養組檢查無發現問題，開機掘進時，變速箱內部發出強烈的撞擊聲，數十秒后，變速箱開始冒煙。

處理:拆除變速箱，更換軸承、修補齒圈。

原因:變速箱內缺油，導致發熱增大，齒輪升溫后變形，冷卻后再次啟動變速箱打齒。

3)實例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溫技術對TBM設備的部分診斷結果［5］及處理情況。

表2 紅外測溫儀的應用舉例Table 2 Applications of infrared ray temperature detection device

4 紅外測溫技術在TBM故障監測中的發展

紅外測溫技術幾乎從一誕生就以其強大的技術優勢逐步占領了世界軍事和商用市場，其在生產加工、天文、醫學、法律及消防等方面都得到了廣泛的應用，在世界經濟的發展中發揮著舉足輕重的作用。

目前紅外測溫技術在TBM故障診斷與監測中的應用，基本僅限于使用紅外測溫儀進行局部溫度的測量，紅外熱像儀、紅外熱電視等更為先進的測溫技術尚未得以推廣和應用;因此，紅外測溫技術在TBM中的應用尚有巨大的發展空間。

5 結束語

要想使設備達到預知和維修的目的，必須用科學的手段處理問題。只要善于借助先進的科學儀器，在實際工作中，就能及早發現事故的隱患，找出問題的癥結，并能快速地處理，為生產的順利進行創造有利條件。

［1］ 倪雪飛.淺談紅外測溫及其應用［J］.計量與測試技術，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.紅外測溫技術的進展及其應用［J］.無損探傷，2007(4):4－8.

［3］ 張梅軍.狀態監測與故障診斷［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［4］ 劉樹田.紅外測溫的原理是什么［J］.中學科技，2009(10):23－24.

［5］ 趙華.全斷面隧道掘進機(TBM)的狀態監測與故障診斷［D］.北京:北京交通大學，2002.