红外热成像检测技术在大型游乐设施检验检测中的应用探索

王尊祥 赵 伟 孙艺峰

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

大型游乐设施被行业内称为特种设备中的“特种设备”，其安全平稳运行得到了全社会的广泛关注。使用单位和检验机构在日常维护保养、年度检验过程中有时需要对设备停机拆卸检查，不仅给使用单位带来直接的经济损失，也增加了维保人员的劳动强度。因此寻找一种不停机、简便的检测技术具有广泛的需求，红外检测技术由于具有非接触、测量距离远、测量范围大、扫描速度快、操作简便和检测效率高的优点，在无损检测方面具有巨大的潜力，本文对红外热成像技术在大型游乐设施检验检测中的应用进行了探索。

1 红外检测技术概述

红外热成像检测技术主要基于红外光波的理论，即任何高于绝对零度（-273 ℃）的物质都会连续的向周围发射红外线能量，红外光波是一种带能量的电磁波，它的波长大部分处于0.75～1 000 μm之间，频率为3×1011～4×1014Hz，覆盖了可见光和不可见光波段[1]，如图1所示。为了研究辐射现象，科学家定义了一个理想化的物体“黑体”，史蒂芬-玻尔兹曼定律定量地描述了黑体红外辐射的能量与黑体本身的温度之间的关系，见式（1）。

图1 电磁波谱图

式中：

W——黑体辐射率，W／m2；

σ——史蒂芬-玻尔兹曼常数，5.669 7×10-8W／（m2.K4)；

wλ——波长为λ的黑体光谱辐射率；

c——光速，3×108m／s；

h——普朗克常数，6.626 2×10-34J·s；

K——玻尔兹曼常数，1.38×10-23J／K；

λ——波长，μm；

T——黑体的热力学温度，K。

从史蒂芬-玻尔兹曼定律公式可以看出黑体辐射的功率与黑体本身的热力学温度的四次方成正比，表明物体较小的温度变化就能引起较大的热效应变化。

2 红外检测技术应用进展

红外检测目前主要应用在电力系统、军事领域、食品农业、特种设备行业以及其他工业与民用领域，如设备故障诊断、目标识别、无损探伤、建筑物保温和渗漏等方面。沈功田[2]等人介绍了国内外红外检测设备和检测标准、技术应用情况，指出了该技术的发展趋势。余长国[3]等人提出了以专家系统为基础的电力系统红外成像故障识别与分析方法，实现了输变电站的自动状态检测，提高了工作效率。冯辅周[4]等人采用红外热波技术对装甲车的发动机动力不足问题和底板裂纹问题进行研究，发现提高信噪比和采用合适热激励条件可以获得良好的检测效果。展慧[5]等人将近红外光谱和机器视觉融合用来检验板栗的质量。

在特种设备行业领域，红外检测常用于高温或低温承压设备内部保温层状态的检测与评价，沈功田[6-7]等人对典型高温容器的衬里缺陷和压力容器的高应力部分采用红外热成像技术进行试验，取得了良好的检测效果，通过试验表明，红外热成像技术十分适用于检测高温压力管道内部腐蚀缺陷。叶超[8]等人对多种游乐设备进行了红外图像、数据采集，分析后得出了初步的温升规律，并研究了不同工况下对温升的影响。

3 红外热成像检测技术在大型游乐设施中的应用探索

3.1 在过山车轮系中的应用

过山车是游乐场中最惊险刺激的明星游乐设施之一，深受大家喜爱。国内运行速度最快的过山车为瑞士INTAMIN公司生产的Ultrahigh Roller Coaster （超高过山车)，见图2，其轨道高度达到了82.8 m，运行速度最高为136 km／h。不断提高的运行速度给设备车轮带来的最直接的影响就是温度的快速提升，因此一些使用单位甚至会在夏季设备运行高峰期，对过山车轮系采用洒水等方式降温，以保证过山车的安全平稳运行。

图2 超高过山车

●3.1.1 轮系介绍

过山车轮系结构见图3，行走轮承受轨道对其的反作用力（轨道平直段反作用大小为车体和乘客的重力，曲线段则需要考虑车体的向心力），侧轮的主要作用是防止车体在转弯过程中受离心力作用被甩出，底轮则是防止车体在翻滚过程中脱离轨道。聚氨酯、尼龙等材料因其具有强度高、耐腐蚀、吸震能力强等优点，已成为目前过山车车轮表面包覆材料的常用选择。车轮在长期运行过程中，由于受热应力影响，可能会出现车轮内部开裂、跑胶等缺陷，影响过山车的安全运行。

图3 过山车轮系结构图

●3.1.2 轮系热像图

过山车轮系的调节会影响运行过程中热能损耗，当车轮与轨道间调节过紧时，车轮与轨道间的压力会增加，导致两者之间摩擦力增大，从而导致车轮的产热增加，在红外热像图中的温度就会升高，调节不合理甚至会直接影响车辆回站。图4为某国产过山车的轮系可见光图及红外热像图，从图中可看出侧轮2的温度要高于侧轮1的温度，经现场确认，侧轮2与轨道间调节间隙过小。此外，当车轮轴承转动存在异常（如内部滚动体破损、内部润滑不当）时，该车轮与轨道间的产热与正常车轮相比也会有差异。

图4 国产过山车轮系及红外热像图

3.2 在联轴器中的应用

联轴器被广泛应用于游乐设施的机械传动装置，当联轴器发生故障失效时，不能继续提供动力输出，甚至引发事故。游乐设施常用的弹性柱销联轴器，其弹性柱销安装于联轴器内部，见图5，不便于日常的观察和维护保养，通过红外热像仪可以解决这一问题，由于柱销发生断裂后，不会传递力，在热像仪下该处的温度也要低于正常工作状态下柱销的温度。通过红外热像仪能够提前对联轴器的运行状态进行监测，图6为典型的联轴器红外热像图，可以经过长时间的大量图谱积累，获取该部位正常运行工况下的红外图谱，检验时，通过与现场的红外热像图比较，可判定联轴器的运行状态是否正常。

图5 高空飞翔联轴器

图6 联轴器红外热像图

3.3 在电气装置中的应用

大型游乐设施电气系统中有大量电气元件，如空气开关、接触器、继电器等，一些旋转类设备具有负载高、频繁启动的特点，电气元件若出现连接松动、接触不良、老化、过载、三相负载不平衡问题会引起电气元件的温升异常，甚至导致起弧、短路、烧毁、起火等事故。在对大型游乐设施的延寿过程中对电气系统的评估是延寿工作的重点内容，电气元件在长时间使用后存在较大的安全隐患。因此在延寿工作中红外热成像技术在评估电气元件运行状态方面具有较高的应用价值。

为了量化电气元件的异常温升，可采用温差率进行判断，见式（2）：

式中：

δ——温差率；

Tf——异常部位最高温度；

Tn——基准温度。

图7为典型的电气元件红外热像图，其中大摆锤电器柜中空气温度为20 ℃，断路器A相、B相、C相的温度分别为160.1 ℃、77.3 ℃、106.7 ℃，以B相温度为基准温度，A相、C相的温差率分别高达107%、38%，A相、C相温升异常，后经停机检查，发现是由于长期使用线路老化所致。同样，高空飞翔接触器中A相、B相的温度分别达到了55.4 ℃、46.4 ℃，以其余各相的平均温度37.1 ℃为基准温度，A相、B相的温差率分别达到了49%、25%，需停机检查，排除安全隐患。温差率可作为一个监测的参数，若某电气元件温差率在监测过程有增大的趋势，则该电气元件的运行状况有恶化的趋势，需停机检查。

图7 典型电气元件红外热像图

国家标准GB／T 36668.3—2018《游乐设施状态监测与故障诊断 第3部分：红外热成像监测方法》已经颁布实施，可通过对游乐设施关键部件的运行状态进行监测，然后依据标准进行基于设备运行特征或历史档案的典型的故障诊断。两者都需要确定不同状态运行时部件的预期温度以及分布，然后确定各种状态运行时的严重等级判据，记录当前运行状态，确定此时设备的运行状态，给出故障诊断的结果。

4 结论

本文介绍了红外热成像技术在大型游乐设施过山车轮系、联轴器、电气元件中的应用探索，同时还指出了后续需更进一步的研究内容。

1）简要介绍了典型的过山车车轮红外热像特征，指出通过红外热成像技术可以间接地分析过山车轮系是否调整合理，下一步可开展不同材质、不同生产工艺的车轮在不同车轮间隙、不同压力下的温升规律及最高允许使用温度的研究工作。

2）介绍了联轴器的典型红外热像图，指出了红外热成像技术在监测联轴器运行状况方面的应用前景，游乐设施常用的不同类型联轴器的典型红外热像图还有待进一步研究。

3）介绍了游乐设施常用的电气元件红外热像图，指出红外热成像技术在检测电气元件故障方面的应用前景。后续可通过大量数据积累工作建立大型游乐设施典型电气元件的寿命模型。