基于高速攝像法的液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測試技術(shù)研究

張振林

（煤科（北京）檢測技術(shù)有限公司，北京 100013）

液壓鑿巖機(jī)是高能量輸出、高技術(shù)難度的機(jī)械設(shè)備，起源于二十世紀(jì)七十年代初期，1970 年法國Montabert 公司研制出世界上第一臺液壓鑿巖機(jī)，裝配在液壓鉆車上用于礦山鑿孔。鑒于液壓鑿巖機(jī)的技術(shù)性能及作業(yè)效率的優(yōu)越性，世界各國掀起了研制液壓鑿巖機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的高潮[1]。隨著鑿巖機(jī)在近幾十年的迅速發(fā)展，其關(guān)鍵性能指標(biāo)的測試技術(shù)也在不斷進(jìn)步，高精度的測試技術(shù)能夠?yàn)檠兄聘咝У囊簤鸿弾r機(jī)提供科學(xué)依據(jù)。

性能參數(shù)測試是檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量優(yōu)劣的科學(xué)方法。沖擊能量是液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)最重要的性能參數(shù)，目前國內(nèi)對沖擊能量的測量還處于一個(gè)困難的階段，雖然方法很多，但很少能測量出精確值[2]。目前國內(nèi)主要的測量方法有：沖擊變形法、應(yīng)力波法、受沖器法、末速度法、位移微分法、高速攝像法等。其中，前三種方法都需要采用自由落錘試驗(yàn)來標(biāo)定，所以必須建立落錘試驗(yàn)裝置，從而增加了測試設(shè)備的投資和成本。位移微分法傳感元件精度的高低，是此試驗(yàn)方法的關(guān)鍵[2]。目前使用的傳感方式主要有差動變壓器式、電容式和光電位移式，精度與高速攝像儀相比還是偏低，本文重點(diǎn)介紹VEO 340L 高速攝像機(jī)在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 VEO 340L 高速攝像機(jī)簡介

VEO 340L 高速攝像機(jī)可以在很短時(shí)間內(nèi)完成對高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速攝像機(jī)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出特點(diǎn)[3]。

一套完整的高速攝像機(jī)成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號傳輸、控制、圖像存儲與處理等幾部分組成[3]。高速攝像機(jī)成像系統(tǒng)的工作原理，本文不作介紹。

2 需要測試的液壓鑿巖機(jī)基本性能參數(shù)

下面我們通過VEO 340L 高速攝像機(jī)實(shí)測Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機(jī)，來展現(xiàn)液壓鑿巖機(jī)中沖擊頻率、沖擊能等被測量，轉(zhuǎn)換為可檢測、傳輸、處理分析、顯示或記錄的量，再與標(biāo)準(zhǔn)量比較的測試技術(shù)過程。

YYG-18/950（B）（COP 1838HD+）型液壓鑿巖機(jī)主要技術(shù)特征見表1。

在這個(gè)測試系統(tǒng)中，高速攝像機(jī)通過對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，將捕獲的軌跡圖像快速記錄，經(jīng)信號處理后傳輸至電腦中，最后在電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和分析。

3 液壓鑿巖機(jī)檢測過程

3.1 準(zhǔn)備工作

高速攝像機(jī)采樣時(shí)按照圖1 位置安裝。為了取得被測試樣機(jī)在模擬工礦條件下的沖擊參數(shù)，將樣機(jī)固定在帶有推進(jìn)裝置的臺架上，鑿巖釬尾連接釬桿，將釬桿頂緊受沖油缸。

圖1

將采集信號的所有尼龍桿安裝在鑿巖機(jī)沖擊活塞尾部，并預(yù)留采集位置段，見圖2。最后設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)IP，確認(rèn)高速攝像機(jī)通過以太網(wǎng)與電腦連接成功。

參數(shù)設(shè)定：

吞吐量/拍攝速度：3 Gpx/秒；全分辨率：2560×1600 時(shí)最大速度為800 fps；最小幀速率為24 fps。

傳感器參數(shù)：2560×1600 像素；12 位深度。

曝光：≤1 微秒。

臺架系統(tǒng)參數(shù)：推進(jìn)裝置推進(jìn)力12～13 kN；系統(tǒng)流量78～82 L/min；系統(tǒng)壓力20.5～21.2 MPa。

3.2 測試信號采集、傳輸

準(zhǔn)備工作完畢后，使被測試鑿巖機(jī)按照設(shè)定參數(shù)運(yùn)行，活塞運(yùn)行穩(wěn)定后，進(jìn)入測試流程界面（Live 選項(xiàng)框）。Live 界面是高速攝像機(jī)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置與拍攝的界面，絕大部分操作都在這里進(jìn)行。

待鑿巖機(jī)沖擊活塞運(yùn)行穩(wěn)定后，點(diǎn)擊“Live”鍵后，再點(diǎn)擊“Capture”鍵，進(jìn)入視頻保存準(zhǔn)備階段，點(diǎn)擊“yes”鍵后，繼續(xù)點(diǎn)擊“Trigger”鍵進(jìn)入視頻拍攝保存階段。

4 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)測試視頻保存結(jié)束后，進(jìn)入“play”界面中對拍攝圖像進(jìn)行回放、編輯、存儲?！皃lay”標(biāo)簽界面見圖3。

圖3

（1） 在Cine 選項(xiàng)框中對圖像進(jìn)行回放、快放、單張圖片播放等操作。

（2）在Jump 選項(xiàng)框下，對拍攝影像進(jìn)行編輯剪切，見圖4。

圖4

（3）在Play Speed&Options 選項(xiàng)框下設(shè)置播放速率，見圖5。

圖5

顯示已記錄數(shù)據(jù)的圖像狀態(tài)信息：

（1）Frame info 選項(xiàng)框顯示已記錄數(shù)據(jù)的圖像狀態(tài)信息，如當(dāng)前的時(shí)間、幀頻間隔、曝光時(shí)間等，見圖6。

圖6

（2）Cine info 選項(xiàng)框顯示視頻信息的各種參數(shù)信息，如視頻的起始/結(jié)束范圍、記錄的起始/結(jié)束范圍、彩色或黑白等,見圖7。

圖7

Measurements 參數(shù)測量顯示框見圖8，框中各參數(shù)的設(shè)定：

圖8

（1）Calibration 校準(zhǔn)框在完成相關(guān)的設(shè)定后，系統(tǒng)提示校準(zhǔn)完畢。

（2） 設(shè)定“Axes”軸及坐標(biāo)原點(diǎn)。

（3）選擇跟蹤點(diǎn)文件生成位置及跟蹤點(diǎn)數(shù)。

（4）點(diǎn)擊“Active”激活跟蹤測量工具，然后在圖像中選擇要跟蹤的點(diǎn)。

（5）選擇“Autotracki”按鈕，可對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動跟蹤。

（6）設(shè)定“tracking sensitivity（跟蹤靈敏度）”。設(shè)定好后，跟蹤軌跡如圖9 所示。

圖9

圖10

5 顯示

5.1 在實(shí)測曲線上讀取活塞沖擊頻率數(shù)值

通過測量波形曲線的兩波峰之間的點(diǎn)數(shù)差，通過相關(guān)公式計(jì)算。光標(biāo)所在波峰位置處幀數(shù)為565，移動光標(biāo)至左側(cè)臨近波峰處，實(shí)測幀數(shù)為546，測桿在一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)的幀數(shù)為19 幀。

計(jì)算公式為：1/（19×1000）×106，沖擊頻率≈52.6 Hz。1000 為每幀間隔時(shí)間，單位為μs。

5.2 讀取活塞沖擊速度數(shù)值

在 “手動跟蹤標(biāo)記點(diǎn)” 界面中，點(diǎn)擊“Save File”按鈕，選擇“Compute Speed File…”進(jìn)行保存。操作位置如圖11 所示。

圖11

在WPS 表格中，打開保存的沖擊速度記錄，根據(jù)坐標(biāo)設(shè)置的曲線，取“XO”坐標(biāo)數(shù)值，在沖擊活塞運(yùn)動一個(gè)周期內(nèi)，取最大數(shù)值作為活塞的沖擊速度值。表中沖擊速度最大值為11.47 m/s，按照動能公式E=mv2/2 即可算出沖擊能量E=5.0×11.472/2=328.9 焦耳。

6 標(biāo)準(zhǔn)量的計(jì)算

根據(jù)YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機(jī)活塞沖程設(shè)計(jì)工藝原理，在運(yùn)行過程中，活塞受到的作用力包括絕熱膨脹后引起的作用力、液壓力、活塞自重等。由于活塞是在油液中往復(fù)運(yùn)動，故可以略去摩擦力的影響，因此，鑿巖機(jī)活塞做工理論計(jì)算公式可為

式中 P0--氮?dú)馐页錃鈮毫?，Pa

V0--原始氮?dú)馊莘e，m3

A3--活塞上端面的面積，m2

x--活塞沖擊到某一位置時(shí)的行程，m

將P0=0.8 MPa，V0=0.0157 m3，A3=0.0053 m2，x=0.08 m 帶入公式可得COP1838HD+的沖擊能量E=332.9 J。

7 與標(biāo)準(zhǔn)量的比較

通過VEO 340L 高速攝像機(jī)實(shí)測Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司 YYG -18/950 （B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機(jī)的沖擊能數(shù)，測量結(jié)果誤差在±4 J 內(nèi)。設(shè)備測試精度及結(jié)果滿足規(guī)定要求。