高速攝影測量在旋沖鉆進試驗中的應用研究*

鄭　皓， 趙統武， 甘海仁， 陽　寧， 高　波

（長沙礦冶研究院深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室 長沙，410012）

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高速攝影測量在旋沖鉆進試驗中的應用研究*

鄭皓， 趙統武， 甘海仁， 陽寧， 高波

（長沙礦冶研究院深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室 長沙，410012）

利用高速相機記錄液壓旋沖鉆進中釬桿不同沖擊壓力、旋轉壓力和推進力情況下的作業過程，同時采用數字圖像處理技術，繪制釬桿在旋沖鉆進過程中的沖擊振動、扭轉振動以及試驗臺架在沖擊過程中的受迫振動的曲線，得到釬桿沖擊頻率和扭振頻率、釬桿及試驗臺架的振幅及其相關性等重要數據。試驗結果同傳統電測結果基本一致，但與傳統傳感器測量比較，高速圖像采集分析技術是一種無接觸、全局化、適用范圍廣、自動化程度高，精度滿足試驗要求的量測手段，能夠更直觀充分地描述旋沖鉆進中釬桿振動變化過程。

旋沖鉆進；高速相機；沖擊振動；扭轉振動

引 言

液壓鑿巖機因鉆孔速度快、效率高且容易實現自動化，作為重要的鑿巖設備廣泛應用于采掘、建筑、地質鉆探及工程等行業中各種爆破孔的鉆鑿［1］。其旋沖鉆進作業是在一定條件下沖擊、回轉、推進和沖洗多重功能對巖石聯合作用的結果。高瀾慶等［2］對國內外液壓鑿巖理論和設備做出研究和分析，提出液壓鑿巖機的沖擊性能和回轉性能在其高效完成鉆進作業過程中起到關鍵作用［2］。

液壓鑿巖機沖擊性能試驗主要是測定在設定流量下沖擊能與沖擊頻率，并計算沖擊功率、能量利用率等，必要時測試活塞與閥的運動規律、壓力變化規律、流量變化規律等。目前常用的方法大致可分為兩類：應力波法和末速度法。根據沖擊碰撞的機理，當高速運動的活塞沖擊釬桿時，活塞的動能就會通過碰撞在釬桿內產生應力波，以應力波的形式由釬尾傳遞給釬頭，再傳遞給受沖體，最終轉化為破碎物體的能量，達到工作目的。應力波法是靠測定受沖擊活塞沖擊的釬桿上所產生的應力波形的方法測定沖擊能［3-4］，利用超動態應變測試系統捕獲釬桿上任意一點的應力歷程，然后用計算機進行快速運算；末速度法是通過傳感器直接測定沖擊活塞沖程階段的末速度，然后通過計算公式確定沖擊能的方法。末速度法分為接觸式與非接觸式兩大類［5］。接觸式中有電容式傳感器法和感應式速度傳感器法；非接觸式中有活塞端面反射光測法和光電位移微分法［6］，都能取得比較理想的結果。此外還有觸點法、氣壓法［7］、示功圖法等［8］。此外劉忠［9］、丁沖沖［10］等都先后提出多種新的沖擊器性能測試方法，利用日益進步的軟硬件技術，搭建測試平臺，取得了一定的效果。但這些方法限于其非全局性和適用范圍較窄，很難做到高度自動化和高精度要求，依然難以達到對液壓沖擊器的實時、直觀、精確的測量要求。

高速攝影測量法在過去因成本高、拍攝過程復雜和膠片沖洗過程困難等原因在實際鑿巖測量分析應用中比較少見，但隨著數字技術的進步和高速相機國產化進程的推進，其成本和拍攝便利性有了極大的提高，為其在鑿巖鉆進過程中開展光學測量提供了基礎。基于高速攝影技術的圖像采集處理系統能在采樣率和數據實時處理速率在1 000幀/s以上的狀態下進行圖像采集和處理工作［11］，能對高速旋轉沖擊過程中對釬桿和機架上標定點的空間位置做出準確捕捉，并基于空間和時間參數獲取其各項運動性能指標。同傳統振動測量方式相比，其具有全局化、非接觸、自動化程度高、環境適應性強等特點，可以實現對高速運動目標的實時采集、跟蹤和傳輸，已被越來越廣泛的應用于軍事、航天、工業生產及科研等領域［12-18］。廖小翠［12］通過高速攝影試驗觀察和分析16 mm斷藥導爆管傳爆過程，研究斷藥的規整導爆管在傳爆過程中爆轟波的傳播特征，并得到規整導爆管存在斷藥時的傳爆速度隨時間變化的規律。暢里華等［13］用高速攝影技術研究高壓氣體膨脹驅動空氣-水界面的不穩定性清晰圖像，得到氣炮尖頂運動速度及湍流混合層高度增長速度與時間關系曲線。唐孝容等［14］利用S-150型相機開展了水中射流運動的圖像和彈丸著靶及侵徹靶板的圖像觀測試驗，其結果表明，高速相機能夠滿足高速動態攝影的要求，可以獲得清晰的實驗圖像，在常規兵器戰斗部實驗中具有廣泛的應用。王英杰等［15］還利用高速相機拍攝對水力提升系統中大顆粒的運動規律進行了試驗研究，觀察了顆粒及顆粒群體的運動狀態，通過數字圖像處理技術，得到了單顆粒的運動軌跡和顆粒群分布規律，同時獲得了顆粒軸向速度、徑向速度等各種運動參數，并分析了顆粒粒徑對其軸向速度的影響。此外，趙征、肖定軍等［16-18］分別在焊接技術、爆破作用下巖體層間天沖突運動和彈丸侵徹高強度混凝土試驗中運用了高速攝影技術，并獲得了較理想的數據采集結果。可以看出高速攝影測量是研究高速運動過程的一種行之有效的方法，為高速動態試驗提供豐富的試驗信息。

筆者引入高速攝影法對液壓鑿巖機撞擊釬桿產生旋沖鉆進的過程進行量測分析，不僅能測量出釬桿鑿巖破碎時的位移變化、瞬時沖擊速度、沖擊頻率等情況，還能測算出其扭振速度、頻率和長時域的轉速曲線，同時利用在高速圖像采集系統中多點采集技術，獲取釬桿和試驗臺架標定點的位移和速度曲線，進而求得其互相關性。

1 高速攝影測量

1.1攝影測量設備簡介

高速圖像采集使用的是千眼狼2F04型高速相機，為一款基于高端CMOS圖像傳感器的數字化高性能、高清、高幀率相機，具有體積小、功耗低、噪聲低等特點，在640×480分辨率下最高采樣頻率可達1 000幀/s以上，能滿足釬桿沖擊振動和扭轉振動高速測量采樣要求。其采用USB 3.0接口，可將采集的圖像數據實時傳輸到電腦主機的內存中，可以通過增加電腦主機的內存的方式很方便地增加相機連續采集的時間。其具體性能參數如下。

傳感器為CMOS型號；最大分辨率為2 320× 1 720像素點；動態范圍為60 d B；模擬增益為1～8；靈敏度為5200DN/Lux.s，550 nm；接口為Camera-Link 80 bit/USB3.0；快門速度為2μs～30 ms，2μs連續可調；數據傳輸用USB3.0接口；光譜范圍為400～1000 nm；拍攝速度在640×480分辨率下可獲得1 000幀/s的幀率；A-D轉換為8 bit。

1.2拍攝過程標示手段和圖像識別分析方法

攝影測量中，人工標示的應用是提高測量速度和精度的手段之一。根據測試平臺工作特點和測量內容，分別在釬桿和機架上作出如圖1所示標示，釬桿上為固定一圈刻度尺作為測量參照物，釬桿一圈共有15個粗線刻度，這樣可以計算出釬桿每旋轉一格為24°，從而能夠計算出其旋轉速度。釬桿的豎直方向位移，則可直接通過記錄水平線的移動即可。右側機架上為由銀粉漆畫上標示線。這樣可以直觀地跟蹤測量平臺機架的豎直方向位移。

圖1　高速相機拍攝實時畫面Fig.1 Real-time picture of the high-speed camera

2 旋沖鉆進試驗

2.1試驗簡介

本文將以搭建巖石破碎試驗平臺，開展液壓旋沖鉆進過程研究。分析在液壓鑿巖機的高頻沖擊、低頻扭轉和油缸推進的聯合作用下釬桿的沖擊振動、扭轉振動和機架的受迫振動情況。

液壓高頻沖擊力不同于靜力，其明顯的特征是：在很短的時間內其作用力會發生急劇的變化。物體在急劇變化的載荷作用下，它的應變就不是整體的均勻應變，質點的運動也不是整體一致的速度。應變和速度都有一個傳播過程，傳統的研究方式為采用波動力學理論來研究其能量的傳遞。液壓沖擊器工作時，釬桿端部受到沖擊活塞的沖擊時，該處的應變突然升高，與周圍介質間產生壓力差，導致周圍介質的質點微動，處于微動質點微團的前進，又進一步把動量傳遞給后面的質點微團，并使后者變形，由近及遠，不斷擴展，這種擾動的傳播現象就是應力波。固體中的應力波通常分為縱波和橫波兩大類。釬桿內應力波的傳播屬于縱波，它包括壓縮波（壓應力波）和拉伸波（拉應力波）。當釬桿端部受到沖擊后，它以壓應力波（稱入射波）的形式向釬頭方向傳播。當壓應力波到達釬桿頭與工作介質的接觸表面時，將隨著接觸面狀況出現不同的過程。如釬桿和介質表面在應力波到達時并沒有接觸，壓應力波將全部從釬頭端面反射回來（稱自由端反射），并以拉應力波的形式迅速向釬桿方向返回。所以當觀察釬桿運動時可以看到，在單次沖擊后釬桿會產生一定程度的反彈和振動［3］。同時在沖擊過程中還伴隨著扭轉，由于釬桿頂端受液壓鑿巖機釬尾的作用會產生一個勻速的回轉運動，而釬桿底端在沖巖石時會受到巖石的強大阻力而不能動彈，所以這過程中在釬桿中部上將不可避免地產生周期性扭振。本實驗還將通過觀測釬桿中部位置的旋轉速度，研究釬桿的扭振過程。

2.2試驗臺架搭建

為開展巖石旋沖切削試驗，進行各項性能觀測，搭建如圖2所示試驗臺架。將5-導軌式液壓鑿巖機放置于4-臺架導軌上，臺架導軌頂端設有推進油缸作為液壓鑿巖機的推進動力來源，并可拖動鑿巖機上下移動。臺架導軌固定在3-橫向移動架上，并隨橫向移動架橫向移動變更作業方位。橫向臺架固定在1-旋沖平臺支架上，支架中心放置2-巖石箱體，將巖石放在箱體內，開展旋沖切削模擬實驗。

1-旋沖切削平臺支架；2-巖石箱體；3-橫向移動架；4-臺架導軌；5-液壓鑿巖機圖2　破碎試驗裝置（單位：cm）Fig.2 Device of the crushing test（Unit：cm）

圖3　高速圖像采集系統布置Fig.3 The layout of the high-speed image acquisition system

圖3所示為旋沖切削試驗現場，試驗臺架兩側為直流照明燈，為高速攝影提供足夠的光源，中間為高速相機對著被測釬桿，對旋沖鉆進過程進行高速圖像采集。其采用USB 3.0接口，可將采集的圖像數據實時傳輸到電腦主機的內存中，通過增加電腦主機的內存可以很方便地增加相機連續采集的時間，用于觀測其在不同工況下旋轉沖擊對于巖石的破碎效果。圖2（b）為試驗用液壓鑿巖機，2（c）表示配套液壓系統，為液壓鑿巖機提供沖擊動力和旋轉動力，并為鑿巖機頂部的推進油缸提供推進動力。

2.3試驗過程分析

為了測試釬桿在不同工作參數下的運動狀態，針對以下兩種典型運行參數來進行高速圖像采集試驗：

試驗1：旋轉壓力4.0 MPa，沖擊壓力8.5 MPa，推進力1.47 k N；

試驗2：旋轉壓力8.5 MPa，沖擊壓9.0 MPa，推進力2.36 k N。

2.3.1釬桿位移分析

圖4，5給出了試驗1，2的釬桿軸向位移曲線。

試驗1：高速攝影采樣間隔2幀，共2 806幀，總時長1.557 s。

圖4　試驗1釬桿軸向位移曲線Fig.4 Test 1 The axial displacement curve of drill rod

試驗2：高速攝影取樣間隔2幀，共2 936幀，總時長1.499 s。

圖5　試驗2釬桿軸向位移曲線Fig.5 Test 2 The axial displacement curve of drill rod

從釬桿軸向位移曲線可以得出以下結果：

1）釬桿軸向運動為一非平穩動態隨機過程，可近似視為一個線性函數（勻速運動）和一個隨機振動的疊加。

其中：v為釬桿下向移動速度（鉆速）；g（t）為隨機振動函數。

高速攝影分析的主要運動參數及鉆孔試驗的有關結果列于表1。

表1　高速攝影主要運動參數及鉆孔電測試驗的有關結果Tab.1 The main motion parameters of high speed photography and the related results of electrical test

2）兩種工況的釬桿軸向移動速度（鉆速）和鉆孔試驗結果基本相符；其振動基頻和鑿巖機沖擊頻率一致。

3）釬桿隨機振動的產生來源于巖石的彈性，釬桿在沖擊鑿入時為一在沖擊活塞激勵下的強振系統，未被巖石吸收的能量反射回釬桿構成釬桿的振動，振動的隨機性反映了破巖過程的隨機特性。

試驗1的釬桿軸向振動速度曲線如圖6所示：

圖6　釬桿軸的振動速度曲線（試驗序號1）Fig.6 The vibration velocity curves of the drill rod（Test 1）

速度曲線表明：釬桿在旋沖鉆進過程中其速度呈周期性變化，最大速度基頻同沖擊頻率一致，為33.28 Hz；振動幅度較大，其最大變幅接近2 m/s；下向速度峰值顯著高于上向速度峰值，下向和上向幅值比（1435.68/421.681）達3.4，該值隨被沖擊鑿入巖石的力學特性不同而變化。

2.3.2釬桿轉動的高速攝影分析

試驗1的釬桿轉動高速攝影轉速曲線如圖7所示（取樣間隔2幀，共658幀，總時長0.37 s）。

圖7　釬桿轉速曲線Fig.7 The speed curve of the drill rod

通過Savitzky-Golay平滑處理，平滑系數為20，其轉速曲線如圖8所示。

圖8　平滑處理后轉速曲線Fig.8 The smoothed speed curve

由轉速曲線分析得出：

1）從長時域上看，釬桿分別在600，1 420，2 280，3 120，3 960，4 780，5 600，6 369，7 100，7 800幀時完成一圈旋轉，其平均周期為

平均轉速為136 r/min，這和鉆孔電測試驗結果（134.8 r/min）基本一致。

2）釬桿在旋轉過程中，轉速并非恒定不變，其轉速在9.6～-4.7 r/s間變化，為一窄帶隨機振動過程，從圖上看，在0.004 5～0.348 9 s之間，0.344 4 s內出現11個振動周期，其基頻為

這和沖擊頻率31.74 Hz基本一致，即轉速和釬桿軸向位移的隨機振動呈現顯著的周期性互相關特性，在沖擊后會出現旋轉短暫停滯或反向旋轉過程，這在本質上也反映了旋轉-沖擊破巖過程作用的相關性。

3）在一個釬桿旋轉周期中，前半周（沖擊活塞回程）為加速段，由棘輪機構帶動釬桿旋轉；后半周（沖擊活塞回程）為慣性段，在阻尼和旋切巖石阻力的作用下逐漸減速至0，且會出現負轉速，將釬桿視為彈性扭桿，實質上為扭轉振動過程。

2.3.3機架振動分析

在觀測釬桿運動過程的同時對其機架的振動特性進行測試分析：圖9和10分別為試驗序號1，2的機架振動位移曲線的比較：

圖9　機架和釬桿振動位移曲線的比較（試驗序號：1）Fig.9 Comparison of vibration displacement curve of the frame and the drill rod（Test No.：1）

圖10　機架和釬桿振動位移曲線的比較（試驗序號：2）Fig.10 Comparison of vibration displacement curve of the frame and the drill rod（Test No.：2）

取樣間隔2幀，共930幀，總時長0.523 9 s。

取樣間隔2幀，共1 010幀，總時長0.515 s。

可以看出機架振動基頻和釬桿振動基頻一樣，均和沖擊頻率一致；其振幅分別為0.5和0.7 mm，為釬桿振幅（1.7，2.5 mm）的29.4％和28％，可以看出機架振動為沖擊運動帶來的受迫振動，其振幅和頻率均受沖擊參數影響，其振動特性可為巖石鉆探裝備整體動載確定提供依據。

3 結束語

筆者用高速攝像技術研究用于液壓旋沖鉆進試驗中，能夠準確地觀測液壓旋沖鉆進過程中釬桿標定點的瞬時和長時鉆進速度、軸向振動和扭轉振動變化，能準確讀出釬桿鉆進速度和旋轉速度，并得出機架振動和釬桿振動的互相關性。高速攝影測量應用簡單，能準確捕獲被測物體的運動信息，且不接觸被測物體，不會對被測物體產生干擾，自動化程度高，相對于其他傳統測試方法來講，測試成本低，觀測細節豐富，測試結果準確。

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TD41

鄭皓，男，1981年6月生，博士生、高級工程師。主要研究方向為采礦工程。曾發表《Simulation of fuzzy PID Control of heave compensation system for deep-ocean mining》（《World Journal of Modelling and Simulation》，2012，Vol.8，No.1）等論文。

E-mail：13786187617@126.com

*國家自然科學基金資助項目（51304030）；國家高技術研究發展計劃資助項目（863計劃）（2012AA091201）；國家重點基礎研究發展計劃資助項目（973計劃）（2012CB724205）

2014-02-17；

2014-04-18