紅外熱成像檢測技術在大型游樂設施檢驗檢測中的應用探索

王尊祥 趙 偉 孫藝峰

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設施被行業內稱為特種設備中的“特種設備”，其安全平穩運行得到了全社會的廣泛關注。使用單位和檢驗機構在日常維護保養、年度檢驗過程中有時需要對設備停機拆卸檢查，不僅給使用單位帶來直接的經濟損失，也增加了維保人員的勞動強度。因此尋找一種不停機、簡便的檢測技術具有廣泛的需求，紅外檢測技術由于具有非接觸、測量距離遠、測量范圍大、掃描速度快、操作簡便和檢測效率高的優點，在無損檢測方面具有巨大的潛力，本文對紅外熱成像技術在大型游樂設施檢驗檢測中的應用進行了探索。

1 紅外檢測技術概述

紅外熱成像檢測技術主要基于紅外光波的理論，即任何高于絕對零度（-273 ℃）的物質都會連續的向周圍發射紅外線能量，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。為了研究輻射現象，科學家定義了一個理想化的物體“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，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，6.626 2×10-34J·s；

K——玻爾茲曼常數，1.38×10-23J／K；

λ——波長，μm；

T——黑體的熱力學溫度，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變化。

2 紅外檢測技術應用進展

紅外檢測目前主要應用在電力系統、軍事領域、食品農業、特種設備行業以及其他工業與民用領域，如設備故障診斷、目標識別、無損探傷、建筑物保溫和滲漏等方面。沈功田[2]等人介紹了國內外紅外檢測設備和檢測標準、技術應用情況，指出了該技術的發展趨勢。余長國[3]等人提出了以專家系統為基礎的電力系統紅外成像故障識別與分析方法，實現了輸變電站的自動狀態檢測，提高了工作效率。馮輔周[4]等人采用紅外熱波技術對裝甲車的發動機動力不足問題和底板裂紋問題進行研究，發現提高信噪比和采用合適熱激勵條件可以獲得良好的檢測效果。展慧[5]等人將近紅外光譜和機器視覺融合用來檢驗板栗的質量。

在特種設備行業領域，紅外檢測常用于高溫或低溫承壓設備內部保溫層狀態的檢測與評價，沈功田[6-7]等人對典型高溫容器的襯里缺陷和壓力容器的高應力部分采用紅外熱成像技術進行試驗，取得了良好的檢測效果，通過試驗表明，紅外熱成像技術十分適用于檢測高溫壓力管道內部腐蝕缺陷。葉超[8]等人對多種游樂設備進行了紅外圖像、數據采集，分析后得出了初步的溫升規律，并研究了不同工況下對溫升的影響。

3 紅外熱成像檢測技術在大型游樂設施中的應用探索

3.1 在過山車輪系中的應用

過山車是游樂場中最驚險刺激的明星游樂設施之一，深受大家喜愛。國內運行速度最快的過山車為瑞士INTAMIN公司生產的Ultrahigh Roller Coaster （超高過山車)，見圖2，其軌道高度達到了82.8 m，運行速度最高為136 km／h。不斷提高的運行速度給設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會在夏季設備運行高峰期，對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運行。

圖2 超高過山車

●3.1.1 輪系介紹

過山車輪系結構見圖3，行走輪承受軌道對其的反作用力（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），側輪的主要作用是防止車體在轉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度高、耐腐蝕、吸震能力強等優點，已成為目前過山車車輪表面包覆材料的常用選擇。車輪在長期運行過程中，由于受熱應力影響，可能會出現車輪內部開裂、跑膠等缺陷，影響過山車的安全運行。

圖3 過山車輪系結構圖

●3.1.2 輪系熱像圖

過山車輪系的調節會影響運行過程中熱能損耗，當車輪與軌道間調節過緊時，車輪與軌道間的壓力會增加，導致兩者之間摩擦力增大，從而導致車輪的產熱增加，在紅外熱像圖中的溫度就會升高，調節不合理甚至會直接影響車輛回站。圖4為某國產過山車的輪系可見光圖及紅外熱像圖，從圖中可看出側輪2的溫度要高于側輪1的溫度，經現場確認，側輪2與軌道間調節間隙過小。此外，當車輪軸承轉動存在異常（如內部滾動體破損、內部潤滑不當）時，該車輪與軌道間的產熱與正常車輪相比也會有差異。

圖4 國產過山車輪系及紅外熱像圖

3.2 在聯軸器中的應用

聯軸器被廣泛應用于游樂設施的機械傳動裝置，當聯軸器發生故障失效時，不能繼續提供動力輸出，甚至引發事故。游樂設施常用的彈性柱銷聯軸器，其彈性柱銷安裝于聯軸器內部，見圖5，不便于日常的觀察和維護保養，通過紅外熱像儀可以解決這一問題，由于柱銷發生斷裂后，不會傳遞力，在熱像儀下該處的溫度也要低于正常工作狀態下柱銷的溫度。通過紅外熱像儀能夠提前對聯軸器的運行狀態進行監測，圖6為典型的聯軸器紅外熱像圖，可以經過長時間的大量圖譜積累，獲取該部位正常運行工況下的紅外圖譜，檢驗時，通過與現場的紅外熱像圖比較，可判定聯軸器的運行狀態是否正常。

圖5 高空飛翔聯軸器

圖6 聯軸器紅外熱像圖

3.3 在電氣裝置中的應用

大型游樂設施電氣系統中有大量電氣元件，如空氣開關、接觸器、繼電器等，一些旋轉類設備具有負載高、頻繁啟動的特點，電氣元件若出現連接松動、接觸不良、老化、過載、三相負載不平衡問題會引起電氣元件的溫升異常，甚至導致起弧、短路、燒毀、起火等事故。在對大型游樂設施的延壽過程中對電氣系統的評估是延壽工作的重點內容，電氣元件在長時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在評估電氣元件運行狀態方面具有較高的應用價值。

為了量化電氣元件的異常溫升，可采用溫差率進行判斷，見式（2）：

式中：

δ——溫差率；

Tf——異常部位最高溫度；

Tn——基準溫度。

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相溫度為基準溫度，A相、C相的溫差率分別高達107%、38%，A相、C相溫升異常，后經停機檢查，發現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相的溫度分別達到了55.4 ℃、46.4 ℃，以其余各相的平均溫度37.1 ℃為基準溫度，A相、B相的溫差率分別達到了49%、25%，需停機檢查，排除安全隱患。溫差率可作為一個監測的參數，若某電氣元件溫差率在監測過程有增大的趨勢，則該電氣元件的運行狀況有惡化的趨勢，需停機檢查。

圖7 典型電氣元件紅外熱像圖

國家標準GB／T 36668.3—2018《游樂設施狀態監測與故障診斷 第3部分：紅外熱成像監測方法》已經頒布實施，可通過對游樂設施關鍵部件的運行狀態進行監測，然后依據標準進行基于設備運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運行時部件的預期溫度以及分布，然后確定各種狀態運行時的嚴重等級判據，記錄當前運行狀態，確定此時設備的運行狀態，給出故障診斷的結果。

4 結論

本文介紹了紅外熱成像技術在大型游樂設施過山車輪系、聯軸器、電氣元件中的應用探索，同時還指出了后續需更進一步的研究內容。

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可以間接地分析過山車輪系是否調整合理，下一步可開展不同材質、不同生產工藝的車輪在不同車輪間隙、不同壓力下的溫升規律及最高允許使用溫度的研究工作。

2）介紹了聯軸器的典型紅外熱像圖，指出了紅外熱成像技術在監測聯軸器運行狀況方面的應用前景，游樂設施常用的不同類型聯軸器的典型紅外熱像圖還有待進一步研究。

3）介紹了游樂設施常用的電氣元件紅外熱像圖，指出紅外熱成像技術在檢測電氣元件故障方面的應用前景。后續可通過大量數據積累工作建立大型游樂設施典型電氣元件的壽命模型。