紅外成像在艦艇機電設備故障診斷中的應用

馬秋平，于 濤

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

紅外成像在艦艇機電設備故障診斷中的應用

馬秋平1，于 濤2

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

文章依據紅外熱成像用于設備故障診斷的理論支持，重點介紹了紅外熱成像在艦艇設備上應用及故障診斷方法，列舉了兩例故障診斷實例，證明了應用紅外熱成像技術發現機電設備故障的可行性。

紅外熱成像；機電設備；故障診斷

紅外熱成像技術是一種非接觸式技術,通過接收目標輻射的紅外線進行探測，利用獲得目標的輻射差，并將其轉換為可見光，從而獲得目標特征的一種先進技術。紅外熱成像技術廣泛地應用于軍事、醫療、生物等諸多領域，特別是其在諸多領域中的故障診斷功能得到了廣泛的應用[1]，本文結合實際工作經驗，主要介紹了熱成像技術在艦艇機電設備故障診斷中的實際應用。

1 設備故障診斷的理論支持

紅外檢測技術能夠在包括設備故障診斷等實際使用中得到廣泛應用，主要依賴于紅外光譜的輻射和設備狀態與溫度的固有關系。

1)物體紅外輻射與溫度的關系。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系。

(1)任何物體的溫度只要高于絕對零度(-273 ℃),該物體就向外部發射由熱能轉變的熱輻射。

(2) 物體溫度不同，其輻射出的能量不同，且輻射波的波長也不同，但總是包含著紅外輻射在內，溫度與輻射能量有著固定的數學關系。

(3) 物體溫度在1 000 ℃以下時，其熱輻射中最強的電磁波是紅外輻射。

紅外輻射與物體溫度的這些關系奠定了紅外測溫技術在設備故障診斷領域的應用基礎。

2)設備狀態與表面溫度的關系。運用熱像儀檢測設備可以獲得設備表面溫度場的分布情況圖，如果設備出現磨損、腐蝕、疲勞、變形、老化、接觸不良、異常震動和污染等故障，或者是設備的零部件本身存在缺陷時，在設備表面溫度場的分布情況圖中就會出現明顯的“熱點”高溫區和“冷點”低溫區，對獲得的相關數據應用相應的故障診斷方法，可進行故障診斷[2]。

2 在設備故障診斷中的應用

1)艦艇柴油機紅外檢測。艦艇的推進柴油機和發電柴油機在艦艇航行期間將連續不斷工作，隨著運行工況逐漸的穩定，柴油機產生的熱量和有關零部件的溫度也將保持在一定的穩定范圍內。當柴油機內部出現故障或零部件出現缺陷時，將會導致局部零部件表面溫度產生突變，通過對柴油機表面溫度檢測能夠及時掌握柴油機工作狀態，并及時發現柴油機故障和缺陷，從而避免嚴重事故的發生，確保柴油機正常運轉[3]。

2)艦艇軸系紅外檢測。 艦艇軸系一般包括軸、聯軸節、變速齒輪箱、支點軸承、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行檢測外，其他軸系裝置在艦艇內部，均可以進行紅外檢測。通過對軸系其他裝置進行外熱像測溫檢測，可以全面了解掌握軸系工作狀態，及時發現軸系故障，保證艦艇航行安全。

3)艦艇電機和泵的紅外檢測。艦艇上電動機一般為三相異步電動機，為各種泵浦提供動力，與各種泵浦連接后拖動泵浦運轉，在電機和泵運轉的過程中，通過檢測電機和泵的表面溫度可以反映出電機和泵的工作狀態，并及時發現故障和缺陷，從而實現對電機和泵的有效監控[4]。

4)艦艇電氣設備的紅外檢測。艦艇電氣設備，主要包括電動機、電纜、變壓器、控制箱和配電屏，其中控制箱和配電屏內部包含開關、接觸器、繼電器和匯流排等。由于艦艇航行過程中產生振動及高溫高濕的工作環境，這些設備經常會發生接觸不良、接線松動和絕緣值低及線路提前老化等故障，通過紅外熱像儀檢測設備溫度變化，可以有效地檢測電氣設備的故障，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現有標準，對獲取的設備溫度過高的部位按相關的規定判斷其狀態正常與否。

2)相對溫差判斷法。相對溫差判斷法是針對設備負荷不同、環境溫度不同，對紅外檢測和診斷結果會造成影響而提出的。“相對溫差”是指2臺設備狀況相同或基本相同(指設備型號、安裝地點、環境溫度、表面狀況和負荷大小)的2個對應測點之間的溫差，與其中較熱測點溫升比值的百分數，該判斷法主要適用于電流致熱型設備。

3)同類(同相)比較法。同類比較法是指將同類被檢設備進行比較。所謂“同類”設備的含義是指它們的型號、工況、環境和背景熱噪聲等相同可以進行比較判斷的設備。具體是將同類設備的相對應部位獲取的溫度值進行比較，這樣更容易判斷出設備是否正常。在進行同類比較時，要注意不排除它們同時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比對同類設備在正常狀態和故障狀態下熱譜圖存在的差異，從而判斷設備是否正常的方法，該方法適用于電壓致熱型設備。

5)檔案分析法(歷史數據對比法 )。檔案分析法是將測量結果與設備的紅外診斷技術檔案相比較進行分析的診斷方法。該方法主要用于重要的且結構相對復雜的設備。該方法的應用前提是要為被診斷的設備建立紅外診斷技木檔案，在此基礎上，可以分析該設備在不同時期的紅外檢測結果，包括溫度、溫升和溫度場的分布及變化情況，從而全面掌握該設備熱態的變化過程并判斷趨勢，同時還應參考其它相關檢測結果以綜合分析判斷。

4 故障診斷案例

1)案例1。某型艦艇有2臺同型號的主機柴油機，分別稱為左主機和右主機，在以當前能夠運行的最高轉速運轉時，對柴油機輸出端與軸聯接部位紅外熱成像檢測，得到熱圖像，如圖1是左主機，圖2是右主機，采用同類比較法，正常情況下二者溫度相差應該不大，從熱圖可看出左主機該部位最高溫度43 ℃左右，右主機該部位最高溫度為189.3 ℃， 二者對比可見右主機溫度過高，該部位出現了故障。

圖1 左主機輸出端紅外熱像圖

圖2 右主機輸出端紅外熱像圖

2)案例2。某型艦艇消防泵電機配電箱接線排，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，達到72 ℃，采用表面溫度法，判斷該處接線有問題。

圖3 電機配電箱接線排

5 結束語

紅外成像技術能夠非常直觀、快速靈敏地捕捉到機電設備的發熱部位，通過發熱點，能夠及時、有效診斷設備故障，保障艦艇機電設備正常運行。

[1] 于澤奇.紅外熱成像技術在輪機故障診斷中的應用[D].大連：大連海事大學，2013.

[2] 楊立，楊楨，張士成，等.紅外熱成像測溫原理與技術[M].北京：科學出版社，2012.

[3] 李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社,2008.

[4] 陳海泉.船舶輔機[M].大連：大連海事大學出版社,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，大學本科，主要從事修船技術和管理工作。

2017-07-20