游樂設(shè)施紅外熱像特征

葉 超，沈功田，張萬嶺，俞 躍

（1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013）

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國在用游樂設(shè)施已達(dá)2萬多臺（套），大中型游樂園200余家，每年約有4億人次以上參加游樂活動［1］。游樂設(shè)施運行中一旦出現(xiàn)故障，輕者會造成游客懸?？罩校卣邥苯油{其生命安全。目前國內(nèi)的游樂設(shè)施檢驗方法還不盡完善，受到設(shè)備規(guī)模、可拆卸性、檢驗時間等諸多限制，檢驗項目只能針對一些可拆、易觀察的重要零部件進(jìn)行常規(guī)無損探傷（如磁粉、滲透、超聲波檢測）和對一些具體子系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行檢測，對機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)缺乏全面診斷。

隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷成熟，其作為一種新興運行狀態(tài)監(jiān)測方法已逐漸深入到各個領(lǐng)域。目前，已經(jīng)在動力機械設(shè)備和高溫設(shè)備的運行過程監(jiān)測、電力和石化設(shè)備運行狀態(tài)診斷、建筑物及建材的節(jié)能評價等領(lǐng)域都得到較好的應(yīng)用［2－9］。

游樂設(shè)施中的大量材料、部件、結(jié)構(gòu)的絕大多數(shù)故障都以局部、整體過熱或溫度分布異常為征兆，而紅外熱成像檢測技術(shù)在游樂設(shè)施上的應(yīng)用還未見報道。筆者試圖將紅外熱成像檢測技術(shù)引入游樂設(shè)施運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方面。通過紅外熱成像設(shè)備采集反映設(shè)備運行中部件溫度分布的熱圖像，為今后紅外熱成像技術(shù)用于游樂設(shè)施運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及安全評價打下基礎(chǔ)。

1 游樂設(shè)施關(guān)鍵部件運行中溫度升高的原因分析

游樂設(shè)施主要包括機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩部分。機械系統(tǒng)主要由輪系、軸系、氣壓、液壓、制動、傳動機構(gòu)、安全裝置等組成；電氣系統(tǒng)主要包括電動設(shè)備、變壓設(shè)備和電控部件等。它們在運行中溫度正常與否與設(shè)備的運行狀態(tài)及故障會有直接的關(guān)系。

液壓系統(tǒng)可以平穩(wěn)地使設(shè)備實現(xiàn)升降運動，在游樂設(shè)施中得到了廣泛使用。工作時的機械摩擦、壓力損失都會產(chǎn)生熱量引起液壓油溫度上升。而散熱不良、液壓油選用不當(dāng)、壓力調(diào)整不當(dāng)、液壓泵吸空、元件磨損等原因則可能使油溫過高。當(dāng)油溫升高時，油液粘度會明顯下降，引起泄漏增加，元件磨損加?。?0］。當(dāng)溫度過高時，由于液壓元件熱膨脹系數(shù)不同，相對運動元件之間的間隙和運行狀態(tài)將發(fā)生異常變化，元件間可能會 “卡死”，還會引起機器的熱變形。

車輪在設(shè)備運行中高速重載，與軌道之間劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量。生產(chǎn)膠輪時根據(jù)不同設(shè)備的運行時間及速度要求，采用不同材料和助劑配比，達(dá)到耐熱性能和強度要求。如果設(shè)計時過多考慮強度要求而耐熱性能不夠，或者運行時間過長、環(huán)境溫度過高，可能出現(xiàn)車輪材料熔化，威脅車輛安全運行。

減速機廣泛應(yīng)用于游樂設(shè)施動力機械部分，承擔(dān)著較重的載荷。減速機包括大量傳動軸機構(gòu)，正常狀態(tài)下軸承回轉(zhuǎn)也會發(fā)熱，而工作中承受的高速重載、震動和軸承磨損、超負(fù)荷運行、啟停頻率過高、電壓不穩(wěn)、裝配不良等都可能會引起異常溫升。如果減速機過熱沒有得到及時處理，會造成斷齒、軸承失效或斷裂等故障威脅設(shè)備安全。

電機運行中的銅損耗、鐵損耗，以及軸承旋轉(zhuǎn)和電刷摩擦都會產(chǎn)生損耗，這些損耗均轉(zhuǎn)變成熱能使得電機溫度升高。而異常發(fā)熱則會影響電機的正常運行。電機中耐熱性最差的是絕緣材料，電機過熱會加速絕緣材料老化，同時絕緣老化也會加速電機過熱。如果溫度過高，絕緣就會損壞，導(dǎo)致電機燒毀。另外，潤滑不良或軸未對中也可引起軸承、聯(lián)軸器過熱。

2 游樂設(shè)施關(guān)鍵部件紅外熱像特征

截至目前，通過采用美國FLIR公司生產(chǎn)的PM595和E50紅外熱像儀對全國五個游樂園的三十余臺各類游樂設(shè)施在運行過程中進(jìn)行紅外熱成像觀察，得到了機械系統(tǒng)中的輪系、減速機、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)中的電機、變壓器的紅外熱像特征圖。

2.1 液壓系統(tǒng)紅外熱像特征

通過對多臺游樂設(shè)備液壓系統(tǒng)進(jìn)行觀察，得到設(shè)備運行中液壓系統(tǒng)的紅外熱像特征。圖1是某游樂園歡樂風(fēng)火輪的液壓泵紅外熱像圖。在環(huán)境溫度30℃，設(shè)備運行大于4h時進(jìn)行紅外熱像觀測。通過紅外熱像圖可以直觀看出：① 熱像圖中最高溫度為57℃，通過與實物圖對比，得知此處為油泵電機的外殼。②除油泵電機外最高溫出現(xiàn)在液壓泵入油口，觀測值為44.1℃。③ 設(shè)備液壓泵的入油口油溫明顯高于出油口油溫，溫差大約在7℃左右。④油箱箱體中心比油箱周邊的溫度要高，溫差在6℃以內(nèi)。

圖1 液壓泵紅外熱像圖

2.2 車輪系紅外熱像特征

聚氨酯材料憑借優(yōu)異的耐熱性、耐磨性、耐水性、阻燃性，在車輪制造中得到了廣泛的采用。聚氨酯材料主要分為甲苯二異氰酸酯（TDI）和1，5－萘二異氰酸酯（NDI）兩種，在紅外熱成像檢測中針對不同材料需要區(qū)別對待。圖2是某游樂園懸掛過山車TDI材料車輪在環(huán)境溫度23℃，運行4h時采集的紅外熱像圖。從圖中可以直觀看出：① 輪系溫升最高點出現(xiàn)在車輪外圈與軌道摩擦的中心處，實測值52℃，溫升30℃。② 輪圈處溫升較均勻，實測值30℃，溫升7℃。③ 輪系軸實測值26℃，溫升只有3℃。

圖2 過山車輪系紅外熱像圖

2.3 減速機

圖3 是某臺激流勇進(jìn)設(shè)備提升段減速機在環(huán)境溫度30℃，運行4h時采集的紅外熱像圖。從圖中可以看出：①溫度最高點在減速機高速軸端軸承孔處，實測值62℃，溫升32℃。由于高速軸的承載大，安裝精度要求高，所以此處是減速機紅外熱像檢測的重點。②傳動軸近電機部溫升小于近減速機部，兩端溫差13℃。③聯(lián)軸器溫升較小，實測值35℃，溫升約為5℃。

圖3 減速機輸入軸端熱像圖

圖4 是某摩托過山車設(shè)備的減速機在運行前和連續(xù)運行80次后的紅外熱像對比圖。減速機左側(cè)是減速輸入端，右側(cè)是輸出端。左側(cè)上下兩根黑色膠皮管外接油液散熱器，對減速機中油液進(jìn)行降溫。從紅外對比圖中可以看出：① 試驗環(huán)境溫度約為25℃，減速機整體溫升基本都在30℃以上。② 減速機機體熱分布并不均勻，冷卻油導(dǎo)出處實測約52℃，減速機中部實測約55℃，右端機體實測58℃。從左側(cè)輸入端到右側(cè)輸出端溫升依次增加。③雖然減速機由于散熱器的作用，整體熱分布不均勻，但機體溫度基本都在（55±4）℃，溫差不大。

圖4 減速機整體運行前后紅外熱像對比圖

2.4 電機紅外熱像特征

圖5 電機運行前、運行中、運行后紅外熱像對比圖

圖5 是某摩托過山車設(shè)備F級電機在運行前，運行40次及運行80次后的紅外熱像對比圖。從圖中可以看出：① 運行前電機的紅外熱像特征基本均勻，與環(huán)境溫度25℃相近。② 運行40次后，電機溫升迅速增加，最熱點實測值58℃，出現(xiàn)在電機散熱片位置。③電機箱體溫升不均勻，溫差在10℃之內(nèi)。④電機箱體溫升大于電機輸出軸位置溫升。⑤ 運行40～80次的過程中，電機溫升繼續(xù)增加，但溫度升高速度降低，溫升接近飽和。

3 結(jié)論

（1）游樂設(shè)施中大量采用的機械和電氣部件由于其高速重載、頻繁啟動，在工作中常有較明顯的溫升，如果溫升異常，說明設(shè)備運行存在故障。液壓系統(tǒng)油溫過高會增加泄漏量，影響系統(tǒng)性能；車輪溫升過高會造成車輪化膠；減速機過熱會造成斷齒，軸承失效或斷裂；電機溫度過高會損壞絕緣。

（2）通過采集及分析部分運行中游樂設(shè)施的液壓系統(tǒng)、車輪、減速機、電機的紅外熱像圖，初步得到各工作部件的紅外熱像特征。液壓泵入油口、車輪外圈、減速機高速軸承、電機外殼等是溫度升高較明顯的部位。

（3）紅外熱像技術(shù)是適用于游樂設(shè)施運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的一種潛在方法。

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