紅外成像在艦艇機(jī)電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

馬秋平，于 濤

(1.92956部隊(duì)，遼寧 大連 116000；2.91315部隊(duì)，遼寧 大連 116000)

紅外成像在艦艇機(jī)電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

馬秋平1，于 濤2

(1.92956部隊(duì)，遼寧 大連 116000；2.91315部隊(duì)，遼寧 大連 116000)

文章依據(jù)紅外熱成像用于設(shè)備故障診斷的理論支持，重點(diǎn)介紹了紅外熱成像在艦艇設(shè)備上應(yīng)用及故障診斷方法，列舉了兩例故障診斷實(shí)例，證明了應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障的可行性。

紅外熱成像；機(jī)電設(shè)備；故障診斷

紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式技術(shù),通過(guò)接收目標(biāo)輻射的紅外線進(jìn)行探測(cè)，利用獲得目標(biāo)的輻射差，并將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，從而獲得目標(biāo)特征的一種先進(jìn)技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)廣泛地應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、生物等諸多領(lǐng)域，特別是其在諸多領(lǐng)域中的故障診斷功能得到了廣泛的應(yīng)用[1]，本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，主要介紹了熱成像技術(shù)在艦艇機(jī)電設(shè)備故障診斷中的實(shí)際應(yīng)用。

1 設(shè)備故障診斷的理論支持

紅外檢測(cè)技術(shù)能夠在包括設(shè)備故障診斷等實(shí)際使用中得到廣泛應(yīng)用，主要依賴于紅外光譜的輻射和設(shè)備狀態(tài)與溫度的固有關(guān)系。

1)物體紅外輻射與溫度的關(guān)系。普朗克定律、斯忒藩—波爾茲曼定律和及維恩位移定律是紅外光譜輻射理論的三大定律，這三大定律揭示了物體紅外輻射與物體表面溫度的關(guān)系。

(1)任何物體的溫度只要高于絕對(duì)零度(-273 ℃),該物體就向外部發(fā)射由熱能轉(zhuǎn)變的熱輻射。

(2) 物體溫度不同，其輻射出的能量不同，且輻射波的波長(zhǎng)也不同，但總是包含著紅外輻射在內(nèi)，溫度與輻射能量有著固定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

(3) 物體溫度在1 000 ℃以下時(shí)，其熱輻射中最強(qiáng)的電磁波是紅外輻射。

紅外輻射與物體溫度的這些關(guān)系奠定了紅外測(cè)溫技術(shù)在設(shè)備故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

2)設(shè)備狀態(tài)與表面溫度的關(guān)系。運(yùn)用熱像儀檢測(cè)設(shè)備可以獲得設(shè)備表面溫度場(chǎng)的分布情況圖，如果設(shè)備出現(xiàn)磨損、腐蝕、疲勞、變形、老化、接觸不良、異常震動(dòng)和污染等故障，或者是設(shè)備的零部件本身存在缺陷時(shí)，在設(shè)備表面溫度場(chǎng)的分布情況圖中就會(huì)出現(xiàn)明顯的“熱點(diǎn)”高溫區(qū)和“冷點(diǎn)”低溫區(qū)，對(duì)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用相應(yīng)的故障診斷方法，可進(jìn)行故障診斷[2]。

2 在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

1)艦艇柴油機(jī)紅外檢測(cè)。艦艇的推進(jìn)柴油機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)在艦艇航行期間將連續(xù)不斷工作，隨著運(yùn)行工況逐漸的穩(wěn)定，柴油機(jī)產(chǎn)生的熱量和有關(guān)零部件的溫度也將保持在一定的穩(wěn)定范圍內(nèi)。當(dāng)柴油機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障或零部件出現(xiàn)缺陷時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致局部零部件表面溫度產(chǎn)生突變，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)表面溫度檢測(cè)能夠及時(shí)掌握柴油機(jī)工作狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)故障和缺陷，從而避免嚴(yán)重事故的發(fā)生，確保柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

2)艦艇軸系紅外檢測(cè)。 艦艇軸系一般包括軸、聯(lián)軸節(jié)、變速齒輪箱、支點(diǎn)軸承、艉軸密封裝置及螺旋槳等，其中由于螺旋槳在艦艇外部水下部分，不便于使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)外，其他軸系裝置在艦艇內(nèi)部，均可以進(jìn)行紅外檢測(cè)。通過(guò)對(duì)軸系其他裝置進(jìn)行外熱像測(cè)溫檢測(cè)，可以全面了解掌握軸系工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸系故障，保證艦艇航行安全。

3)艦艇電機(jī)和泵的紅外檢測(cè)。艦艇上電動(dòng)機(jī)一般為三相異步電動(dòng)機(jī)，為各種泵浦提供動(dòng)力，與各種泵浦連接后拖動(dòng)泵浦運(yùn)轉(zhuǎn)，在電機(jī)和泵運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)和泵的表面溫度可以反映出電機(jī)和泵的工作狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和缺陷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和泵的有效監(jiān)控[4]。

4)艦艇電氣設(shè)備的紅外檢測(cè)。艦艇電氣設(shè)備，主要包括電動(dòng)機(jī)、電纜、變壓器、控制箱和配電屏，其中控制箱和配電屏內(nèi)部包含開(kāi)關(guān)、接觸器、繼電器和匯流排等。由于艦艇航行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)及高溫高濕的工作環(huán)境，這些設(shè)備經(jīng)常會(huì)發(fā)生接觸不良、接線松動(dòng)和絕緣值低及線路提前老化等故障，通過(guò)紅外熱像儀檢測(cè)設(shè)備溫度變化，可以有效地檢測(cè)電氣設(shè)備的故障，確保艦艇用電安全。

3 故障診斷方法

1)表面溫度判斷法。表面溫度判斷法是依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)獲取的設(shè)備溫度過(guò)高的部位按相關(guān)的規(guī)定判斷其狀態(tài)正常與否。

2)相對(duì)溫差判斷法。相對(duì)溫差判斷法是針對(duì)設(shè)備負(fù)荷不同、環(huán)境溫度不同，對(duì)紅外檢測(cè)和診斷結(jié)果會(huì)造成影響而提出的。“相對(duì)溫差”是指2臺(tái)設(shè)備狀況相同或基本相同(指設(shè)備型號(hào)、安裝地點(diǎn)、環(huán)境溫度、表面狀況和負(fù)荷大小)的2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差，與其中較熱測(cè)點(diǎn)溫升比值的百分?jǐn)?shù)，該判斷法主要適用于電流致熱型設(shè)備。

3)同類(同相)比較法。同類比較法是指將同類被檢設(shè)備進(jìn)行比較。所謂“同類”設(shè)備的含義是指它們的型號(hào)、工況、環(huán)境和背景熱噪聲等相同可以進(jìn)行比較判斷的設(shè)備。具體是將同類設(shè)備的相對(duì)應(yīng)部位獲取的溫度值進(jìn)行比較，這樣更容易判斷出設(shè)備是否正常。在進(jìn)行同類比較時(shí)，要注意不排除它們同時(shí)存在熱故障的可能性。

4)圖像特征判斷法。圖像特征判斷法是通過(guò)比對(duì)同類設(shè)備在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下熱譜圖存在的差異，從而判斷設(shè)備是否正常的方法，該方法適用于電壓致熱型設(shè)備。

5)檔案分析法(歷史數(shù)據(jù)對(duì)比法 )。檔案分析法是將測(cè)量結(jié)果與設(shè)備的紅外診斷技術(shù)檔案相比較進(jìn)行分析的診斷方法。該方法主要用于重要的且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的設(shè)備。該方法的應(yīng)用前提是要為被診斷的設(shè)備建立紅外診斷技木檔案，在此基礎(chǔ)上，可以分析該設(shè)備在不同時(shí)期的紅外檢測(cè)結(jié)果，包括溫度、溫升和溫度場(chǎng)的分布及變化情況，從而全面掌握該設(shè)備熱態(tài)的變化過(guò)程并判斷趨勢(shì)，同時(shí)還應(yīng)參考其它相關(guān)檢測(cè)結(jié)果以綜合分析判斷。

4 故障診斷案例

1)案例1。某型艦艇有2臺(tái)同型號(hào)的主機(jī)柴油機(jī)，分別稱為左主機(jī)和右主機(jī)，在以當(dāng)前能夠運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)柴油機(jī)輸出端與軸聯(lián)接部位紅外熱成像檢測(cè)，得到熱圖像，如圖1是左主機(jī)，圖2是右主機(jī)，采用同類比較法，正常情況下二者溫度相差應(yīng)該不大，從熱圖可看出左主機(jī)該部位最高溫度43 ℃左右，右主機(jī)該部位最高溫度為189.3 ℃， 二者對(duì)比可見(jiàn)右主機(jī)溫度過(guò)高，該部位出現(xiàn)了故障。

圖1 左主機(jī)輸出端紅外熱像圖

圖2 右主機(jī)輸出端紅外熱像圖

2)案例2。某型艦艇消防泵電機(jī)配電箱接線排，如圖3所示，由熱像圖可以看出接線排上有一相溫度明顯較高，達(dá)到72 ℃，采用表面溫度法，判斷該處接線有問(wèn)題。

圖3 電機(jī)配電箱接線排

5 結(jié)束語(yǔ)

紅外成像技術(shù)能夠非常直觀、快速靈敏地捕捉到機(jī)電設(shè)備的發(fā)熱部位，通過(guò)發(fā)熱點(diǎn)，能夠及時(shí)、有效診斷設(shè)備故障，保障艦艇機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)行。

[1] 于澤奇.紅外熱成像技術(shù)在輪機(jī)故障診斷中的應(yīng)用[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[2] 楊立，楊楨，張士成，等.紅外熱成像測(cè)溫原理與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[3] 李斌.船舶柴油機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2008.

[4] 陳海泉.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2010.

As the theoretical support to the fault diagnosis with infrared thermography,infrared thermography is introduced mainly to apply in fault diagnosis for marine equipments with two cases,which proves feasible.

infrared thermography;electromechanical equipment;fault diagnosis

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.008

馬秋平(1976-)，男，遼寧東港人，工程師，大學(xué)本科，主要從事修船技術(shù)和管理工作。

2017-07-20