舰艇机电设备的红外热成像监测技术*

郑小荣　李红江　高海林

(1.92957部队　舟山　316000)(2.海军工程大学电气工程系　武汉　430033)



舰艇机电设备的红外热成像监测技术*

郑小荣1李红江2高海林2

(1.92957部队舟山316000)(2.海军工程大学电气工程系武汉430033)

红外诊断技术是近几年研究的热点，可以用来判断设备的状态是否正常、分析故障的原因并预测故障的发展趋势。论文阐述了红外监测的基本原理，在对舰艇机电设备的红外监测过程中，根据设备各种故障热特征的不同，介绍了几种不同的方法进行故障诊断，具有很好的工程意义。

红外监测; 红外诊断; 机电设备诊断

Class NumberU472.9

1　引言

红外诊断技术是设备诊断技术的一种，它是利用红外技术来了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体和局部是正常或异常，早期发现故障及原因，并能预测故障发展趋势的技术。红外热成像监测技术就是利用红外热成像仪检测设备，然后运用红外诊断技术对设备进行故障诊断[1～2]。

2　红外监测的原理

2.1普朗克定律

构成物质的原子、分子都在作热运动，并且在不时地改变其能量状态。当物质由高能量向低能量状态跃迁时就会辐射电磁波，它以光子的形式将能量带走。普朗克利用光量子理论，导出了红外辐射能与温度、波长的关系，从而奠定了红外监测的理论基础，即普朗克定律。它说明单位面积的黑体在波长为λ的单位波长间隔内辐射通量Wλb与其波长和绝对温度T的关系为

Wλb=C1λ-5(ec2/λT-1)-1W/m2

(1)

式中第一辐射常熟，C1=3.74×10-16W·m2;C2=1.44×10-2W·K。

2.2斯忒藩-波尔兹曼定律

如果将普朗克公式对波长积分，便得到辐射总功率同温度的关系，这就是斯忒藩-波尔兹曼定律：

(2)

式中斯忒藩-波尔兹曼常数，σ=5.673×10-8W·m2·K-4。

2.3维恩位移定律

将Wλb对λ微分后，可导出黑体峰值辐射波长λm随温度变化的关系式为

(3)

该定律指出，绝对黑体对应的最大幅度的波长λm与绝对温度T成反比。当温度升高时，辐射最大值对应的波长变短，即向曲线左方移，如图1所示。

图1　光谱辐射通量密度对波长的分布规律

由图1可得出如下结论：

1) 对于每一种温度都有一条辐射曲线与之相对应；

2) 辐射曲线连续、平滑、具有单一峰值；

3) 所有曲线都不相交，且随温度的增高，温度高曲线的位置都高于较低温度相对应的曲线；

4) 当温度升高时辐射幅度按指数规律增长；

5) 每条曲线下的面积，就是斯忒藩-波尔兹曼定律所表示的辐射强度W值。

以上结论是对黑体研究得出的，但对实际物体完全适用，只要乘以一个系数就可以了。因此物体的红外辐射，都遵循上述规律。即：

1)任何物体只要它的温度高于绝对零度，就有热能转变的热辐射向外部发射。

2)物体温度不同，其辐射的能量不同，且辐射波的波长也不同，但总包含着红外辐射在内。

3　红外检测与红外诊断技术

运转中的设备，当零部件产生故障时，不论是磨损、疲劳、破裂、变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、松动、熔融、材料劣化和异常震动等，这些现象的绝大部分都和其温度的变化相关。因此，设备的整体或局部的热平衡也同样要受到破坏或影响，通过热的各种传播方式，设备内部的热必然逐步达到其表面，造成温度场的变化。

利用这些红外辐射的信息，红外热成像仪可以实时显示物体的红外热像图[3～5]。从红外热像图中可以清楚地观测到物体每个部位的温度。依据红外热像图提供的红外辐射信息，结合对被诊断设备的结构原理、设计、制造、安装、运行和维修方面的实践知识，以及该设备及其零部件过热失效的机理和热力学的知识，可以判断出设备的状态是否正常，分析故障的原因，并预测故障的发展趋势。

4　红外热成像监测技术在舰艇机电设备故障诊断中的应用

在工作实际中发现根据设备各种故障热特征的不同，应使用不同的方法进行故障诊断。

1) 内部缺陷判别法：通过分析机器表面热的传导分析故障。

例如：某舰1#汽轮发电机组，在启动时发现轴承温度异常升高，但检查轴承未发现异常。利用红外热成像仪，对汽轮发电机组的启动过程进行实时跟踪监测。汽轮机轴承红外热图如图2所示(图中Sp1十字架所对的位置)，从图中可以发现轴承的发热，总是由靠近盘车装置那一端温度异常升高引起的。由此可以判断出，汽轮发电机组在启动时发现轴承温度异常升高的原因，是由盘车装置端引起的。虽然盘车装置上有盖板遮挡，不能观测到其内部温度的变化，但从启动过程中的温度传导过程，仍然可以判定盘车装置中有异常发热。通过对盘车装置的拆检，发现了大量的油泥，顺利排除了故障隐患。

图2　汽轮机轴承红外热图

2) 历史数据对比法：对同一设备在不同时间检测的热图数据进行对比，发现它们之间差异，可对设备缺陷随时间的发展变化情况做出及时诊断，这对设备故障缺陷隐患的早期诊断有重要意义[6～7]。

进行实测温度比较时，应换算到与前一次所测数据相同的条件下的温度进行对比，以便掌握缺陷的起因和发展情况，判断是新出现的缺陷，还是以前的缺陷或未发现的缺陷。

3) 热力学温升法[8～10](ΔT)：根据国标、军标规定的各个部位允许的温度极限值，当被测设备表面温度达到规定的最大值时，应停止工作，进行检查处理。例如：某舰2号工作滑油泵控制箱红外图如图3所示，箱内环境温度32℃，电阻器R1的温度为212℃。根据热力学温升法、温升为180℃故障严重程度为严重。

图3　某舰2号工作滑油泵控制箱红外热图

4) 相对温差法：为了排除负荷及环境温度不同时对红外诊断结果的影响，当环境温度低或负荷较小时设备的温度值并没有超过规范标准，但大量事实证明此时的温度值并不能说明该设备没有故障隐患。因此，对电流型设备还可以采用“相对温差”法来判别故障隐患是否存在。“相对温差”是指设备状况相同或基本相同的两个对应测点之间的温差，与其较热测点温升的比值，其数学表达式为

ΔT(%)=(T1-T2)/(T1-T0)×100%

(4)

其中：T1为温度较高点的测温，T2为温度较低点的测温，T0为环境温度。

通常判据可分为三档，当20%≤ΔT≤80%为一般缺陷；80%≤ΔT≤95%为严重缺陷；ΔT≥95%为紧急缺陷。例如：某舰1号工作水泵控制箱红外热图如图4所示，环境温度为34.3℃，正常点41.6℃，异常点53.8℃，热力学温升法ΔT(℃)12.2℃，可判定为无故障。可是相对温升法ΔT(%)为63%，故障严重程度一般故障。

图4　某舰1号工作水泵控制箱红外热图

5) 相间比较法：绝大多数高压电气设备都是三相运行，在正常状态下，作用在每一相的相电压和电流都大致相同。因此每一相电路或导线相同部位的正常温升应该一样。相间比较法是指对同一设备的三相间的温度进行比较。三相中不同相的相同设备同时出现故障几率较小，根据相间的温度差，可以比较容易判断出设备是否正常。

例如：某舰卡斯坦指挥模块开关红外热图如图5所示，电动机连接线中A相温度42.7℃，B相温度37.6℃，环境温度30℃。虽然最高温升12.7℃ 没有达到70℃的最高允许温升，但相间相对温差40.16%，属于一般缺陷，必须对接线端子进行检查。

图5　某舰1号制冷机海水泵启动箱接线头红外热图

6) 同相比较法：在进行故障诊断时，对同一设备同一相，不同部位的温度作比较，对判定故障属性和定位也很有好处。

例如：某舰1号燃油输送泵红外热图如图6所示，环境温度39℃，A相导线正常点的温度为43.6℃，异常点的温度为55.7℃，相对温升72%存在一般故障。

图6　某舰1号燃油输送泵启动箱红外热图及可见光图

5　结语

通过以上的实例可以得出，利用红外技术对设备进行监测，可以准确判断出设备是否存在热特性的异常，并能分析出故障的原因和发展趋势。红外技术不仅是一门前沿科学技术，而且是一门多学科的边缘技术，因而它也是一门正在不断发展和不断完善的高新技术[11～12]。

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Infrared Thermal Imaging Monitoring Technology of Naval Ship Electromechanical Equipment

ZHENG Xiaorong1LI Hongjiang2GAO Hailin2

(1. No. 92957 Troops of PLA, Zhoushan316000)(2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

Infrared diagnosis technology is a hot spot in recent years. It can be used to judge whether the equipment is normal or not, to analyze the cause of failure and to predict the development trend of the fault. The basic principle of infrared monitoring is described in this paper. In the process of the infrared monitoring of the electromechanical equipment of naval ships, according to the different thermal characteristics of the equipment, several different methods of fault diagnosis are introduced, which is of great significance to the engineering.

infrared monitoring, infrared diagnosis, mechanical and electrical equipment diagnosis

2016年4月10日,

2016年5月29日

郑小荣,男,硕士,高级工程师,研究方向：舰艇机电设备故障诊断。李红江,男,博士,教授,研究方向：舰船电力系统生命力与可靠性。高海林,男,硕士研究生,研究方向：电力系统保护与安全运行。

U472.9

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.037