红外测温技术在TBM设备故障诊断中的应用

王艳波

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

红外测温技术以往主要用于军事，如夜视瞄准仪，卫星观察系统等。随着微电子技术的迅猛发展，红外测温技术的应用越来越广泛，尤其在产品质量控制和监测、设备的在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥着重要的作用［1］。目前，美、英等一些发达国家正致力于加强红外系统的信息处理能力与发展，通过便携式个人计算机产生实时、高分辨图像来解决研究领域和工业领域中的问题;然而，在红外测温技术的发展过程中，水蒸气、灰尘对红外光线能量的吸收、背景的反射以及材料表面的辐射率变化所造成的干扰仍是影响其发展的重要因素［2］。TBM作为大型隧道掘进设备，因其施工的特殊性，要求进行设备的状态监测与故障预报，红外测温技术是TBM在线故障诊断的重要手段之一。本文结合几个工地红外测温技术在TBM中的应用实例，并根据红外测温技术的研究方向和应用特点，探求红外测温技术在TBM中的应用方法和发展道路。

1 概述

温度是表征物体内部冷热状态的物理量，测量人体温度可以了解人体的健康状况，测量机械温度同样可反映机械运行状态的优劣，说明机械有无发热、过热现象，若出现发热、过热现象，则表明机械可能存在某种故障。

温度测量按测量方式可分为接触式和非接触式。通常接触式测温仪表比较简单、可靠、测量精度较高，是通过测温元件与被测机械相互接触而测温，主要有膨胀式温度计、压力表式温度计、电阻温度计、热电偶温度计等。其在TBM上的应用包括对液压油温度的检测、润滑油温度的检测、冷却水温度的检测、变频器温度检测等，检测数据实时反映在TBM操作室内并与TBM相关程序形成互锁。接触式测温必须置身于测量温度场中，对一些特殊场合，如温度特别高、温度特别低、腐蚀介质、导电介质、导热性差的机械等无法测温。

由于接触式测温带来的局限性，促进了非接触测温方法的迅速发展。非接触式测温可用于测量温度很高的的目标、距离很远的目标、很小的目标、小热容量的物体、运动中的物体和温度动态过程及带电物体等。非接触式测温中的红外测温使用最广。

2 红外测温技术

红外测温是一种在线监测式高科技检测技术，集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况［3］。目前使用红外技术的测试仪器较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等。鉴于TBM工作环境、检测设备等条件的影响，目前多采用红外测温仪。

2.1 红外测温仪结构原理

红外测温仪又称红外点温仪，通过接收物体自身发射出的不可见红外能量而工作，随着温度的升高，物体的辐射能量越强，这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据［4］。红外测温仪由光学系统、红外探测器、电信号处理器、温度指示器及附属瞄准器、电源及机械结构等组成(见图1)。

图1 红外测温仪组成Fig.1 Components of infrared ray temperature detection device

2.2 红外测温仪性能

红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中，激光瞄准器只做瞄准使用。红外测温仪性能说明如表1。

表1 红外测温仪性能Table 1 Functions of infrared ray temperature detection device

为了获得精确的温度读数，测温仪与测试目标之间的距离必须在合适的范围之内。光点尺寸(spotsize)是测温仪测量点的面积，距离目标越远，光点尺寸就越大。距离与光点尺寸的比率，用D∶S表示。在激光瞄准器型测温仪上，激光点在目标中心的上方，有12 mm的偏置距离。

在定测量距离时，应确保目标直径大于或等于受测的光点尺寸，因为目标小于受测的光点尺寸，即测温仪同在测量背景物体，会降低读数的精确性。

2.3 红外测温仪正确选择

选择红外测温仪可分为3个方面:

1)性能指标方面，如温度范围、光斑尺寸、工作波长、测量精度、窗口、显示和输出、响应时间、保护附件等;

2)环境和工作条件方面，如环境温度、窗口、显示和输出、保护附件等;

3)其他选择方面，如使用方便、维修和校准性能以及价格等，也对测温仪的选择产生一定的影响。

随着技术的不断发展，红外测温仪最佳设计和新进展为用户提供了各种功能和多用途的仪器，扩大了选择余地。其他选择方面有如使用方便、维修和校准性能以及价格等。在选择测温仪型号时应首先确定测量要求，如被测目标温度、被测目标大小、测量距离、被测目标材料、目标所处环境、响应速度、测量精度、用便携式还是在线式等;在现有各种型号的测温仪对比中，选出能够满足上述要求的仪器型号;在诸多能够满足上述要求的型号中选择出在性能、功能和价格方面的最佳搭配。

3 红外测温仪在TBM故障诊断中的应用

TBM自20世纪90年代引入中国以来，红外测温技术在其故障预报与排除方面已发挥了巨大的作用。以在秦岭、磨沟岭、中天山、西秦岭隧道TBM施工过程中，设备所出现的部分故障为例，叙述红外测温仪在TBM故障监测中的应用。

3.1 检测对象

机械和液压方面主要包括:主轴承、主电机减速箱、主电机、润滑泵站(包括泵、电机、滤芯、油箱)、钻机泵站、主液压泵站、主机皮带机滚筒、仰拱吊机、喷混系统、除尘风机、清水泵、空压机等。

电器方面包括:各变压器、变频器、配电柜及各短路保护开关等。

3.2 检测方法

温度异常是机械故障的“热信号”。温度诊断是以温度、温差、温度场、热像等热力学参数为检测目标，查找机件缺陷和诊断各种热应力引起的故障。

1)方法1。一般电机、空压机等设备在出厂时厂家能够给出其相应的工作温度，可根据其给定值判断设备运转状态下温度值是否正常。

2)方法2。经过一定时间的积累和记录，确定各设备上某一位置在某种工况下的正常运行温度，制定标准，然后根据标准判断设备的运行温度是否正常。这是常用的方式和方法，也是比较准确和有效的方法。

3)方法3。工件在相互接触、摩擦的位置是工件的热源，每个热源都均匀地向四周散发热量，可以绘制出等温线，根据等温线的疏密来判断设备性能的好坏。

4)方法4。利用红外测温仪进行红外无损探伤:加热或冷却试件，在一个显著区别于室温的温度下保温到热平衡，利用被测物体自身的红外辐射不同于环境辐射的特点来检测物体温度或温度分布，表面温度梯度不正常则表明试件中存在缺陷。

3.3 通过测温仪测量所能发现的常见故障

1)TBM滚筒轴承损坏。

2)TBM流体系统故障。

3)TBM主液压泵、电机发热量异常。

4)液压管路滤芯、油箱内污染物质积聚。

5)TBM主减速箱异常磨损

6)TBM电气元件故障。

7)冷却系统部件的故障。

8)机件内部缺陷。

9)裂纹探测。

3.4 应用实例

1)实例1。

现象:2010年7月27日，西秦岭TBM主液压泵站上M21电机右侧定量泵，温度测量值达110℃，严重超高，泵站上其他泵的温度多为48～62℃，测量M21泵振动也偏大。

处理:更换备用泵后，温度减少到45℃左右。

原因:泵体内部受损，导致发热异常。

2)实例2。

现象:2009年6月7日，某工地TBM，上午停机测温发现1号减速箱温度异常，比其它减速箱温度高出5～6℃，通知保养组检查无发现问题，开机掘进时，变速箱内部发出强烈的撞击声，数十秒后，变速箱开始冒烟。

处理:拆除变速箱，更换轴承、修补齿圈。

原因:变速箱内缺油，导致发热增大，齿轮升温后变形，冷却后再次启动变速箱打齿。

3)实例3。

表2为西安—安康线秦岭隧道与西安—南京磨沟岭隧道红外测温技术对TBM设备的部分诊断结果［5］及处理情况。

表2 红外测温仪的应用举例Table 2 Applications of infrared ray temperature detection device

4 红外测温技术在TBM故障监测中的发展

红外测温技术几乎从一诞生就以其强大的技术优势逐步占领了世界军事和商用市场，其在生产加工、天文、医学、法律及消防等方面都得到了广泛的应用，在世界经济的发展中发挥着举足轻重的作用。

目前红外测温技术在TBM故障诊断与监测中的应用，基本仅限于使用红外测温仪进行局部温度的测量，红外热像仪、红外热电视等更为先进的测温技术尚未得以推广和应用;因此，红外测温技术在TBM中的应用尚有巨大的发展空间。

5 结束语

要想使设备达到预知和维修的目的，必须用科学的手段处理问题。只要善于借助先进的科学仪器，在实际工作中，就能及早发现事故的隐患，找出问题的症结，并能快速地处理，为生产的顺利进行创造有利条件。

［1］ 倪雪飞.浅谈红外测温及其应用［J］.计量与测试技术，2009，36(7):7 － 8.(NI Xuefei.Superficially discuss the infrared radiation thermomfer and use［J］.Metrology ＆Measurement Technique，2009，36(7):7 －8.(in chinese))

［2］ 王洪涛，郑中兴.红外测温技术的进展及其应用［J］.无损探伤，2007(4):4－8.

［3］ 张梅军.状态监测与故障诊断［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［4］ 刘树田.红外测温的原理是什么［J］.中学科技，2009(10):23－24.

［5］ 赵华.全断面隧道掘进机(TBM)的状态监测与故障诊断［D］.北京:北京交通大学，2002.