游樂設施紅外熱像特征

葉 超，沈功田，張萬嶺，俞 躍

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

據不完全統計，目前我國在用游樂設施已達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］。游樂設施運行中一旦出現故障，輕者會造成游客懸停空中，重者會直接威脅其生命安全。目前國內的游樂設施檢驗方法還不盡完善，受到設備規模、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行常規無損探傷（如磁粉、滲透、超聲波檢測）和對一些具體子系統的指標進行檢測，對機械系統和電氣系統的運行狀態缺乏全面診斷。

隨著紅外熱成像技術的不斷成熟，其作為一種新興運行狀態監測方法已逐漸深入到各個領域。目前，已經在動力機械設備和高溫設備的運行過程監測、電力和石化設備運行狀態診斷、建筑物及建材的節能評價等領域都得到較好的應用［2－9］。

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

1 游樂設施關鍵部件運行中溫度升高的原因分析

游樂設施主要包括機械系統和電氣系統兩部分。機械系統主要由輪系、軸系、氣壓、液壓、制動、傳動機構、安全裝置等組成；電氣系統主要包括電動設備、變壓設備和電控部件等。它們在運行中溫度正常與否與設備的運行狀態及故障會有直接的關系。

液壓系統可以平穩地使設備實現升降運動，在游樂設施中得到了廣泛使用。工作時的機械摩擦、壓力損失都會產生熱量引起液壓油溫度上升。而散熱不良、液壓油選用不當、壓力調整不當、液壓泵吸空、元件磨損等原因則可能使油溫過高。當油溫升高時，油液粘度會明顯下降，引起泄漏增加，元件磨損加劇［10］。當溫度過高時，由于液壓元件熱膨脹系數不同，相對運動元件之間的間隙和運行狀態將發生異常變化，元件間可能會 “卡死”，還會引起機器的熱變形。

車輪在設備運行中高速重載，與軌道之間劇烈摩擦產生大量熱量。生產膠輪時根據不同設備的運行時間及速度要求，采用不同材料和助劑配比，達到耐熱性能和強度要求。如果設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、環境溫度過高，可能出現車輪材料熔化，威脅車輛安全運行。

減速機廣泛應用于游樂設施動力機械部分，承擔著較重的載荷。減速機包括大量傳動軸機構，正常狀態下軸承回轉也會發熱，而工作中承受的高速重載、震動和軸承磨損、超負荷運行、啟停頻率過高、電壓不穩、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備安全。

電機運行中的銅損耗、鐵損耗，以及軸承旋轉和電刷摩擦都會產生損耗，這些損耗均轉變成熱能使得電機溫度升高。而異常發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，導致電機燒毀。另外，潤滑不良或軸未對中也可引起軸承、聯軸器過熱。

2 游樂設施關鍵部件紅外熱像特征

截至目前，通過采用美國FLIR公司生產的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施在運行過程中進行紅外熱成像觀察，得到了機械系統中的輪系、減速機、液壓系統和電氣系統中的電機、變壓器的紅外熱像特征圖。

2.1 液壓系統紅外熱像特征

通過對多臺游樂設備液壓系統進行觀察，得到設備運行中液壓系統的紅外熱像特征。圖1是某游樂園歡樂風火輪的液壓泵紅外熱像圖。在環境溫度30℃，設備運行大于4h時進行紅外熱像觀測。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在液壓泵入油口，觀測值為44.1℃。③ 設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。

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別對待。圖2是某游樂園懸掛過山車TDI材料車輪在環境溫度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 是某臺激流勇進設備提升段減速機在環境溫度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 是某摩托過山車設備的減速機在運行前和連續運行80次后的紅外熱像對比圖。減速機左側是減速輸入端，右側是輸出端。左側上下兩根黑色膠皮管外接油液散熱器，對減速機中油液進行降溫。從紅外對比圖中可以看出：① 試驗環境溫度約為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℃。從左側輸入端到右側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℃，出現在電機散熱片位置。③電機箱體溫升不均勻，溫差在10℃之內。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，電機溫升繼續增加，但溫度升高速度降低，溫升接近飽和。

3 結論

（1）游樂設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，說明設備運行存在故障。液壓系統油溫過高會增加泄漏量，影響系統性能；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施的液壓系統、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）紅外熱像技術是適用于游樂設施運行狀態監測和故障診斷的一種潛在方法。

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