基于高速攝像法的液壓鑿巖機沖擊性能測試技術研究

張振林

（煤科（北京）檢測技術有限公司，北京 100013）

液壓鑿巖機是高能量輸出、高技術難度的機械設備，起源于二十世紀七十年代初期，1970 年法國Montabert 公司研制出世界上第一臺液壓鑿巖機，裝配在液壓鉆車上用于礦山鑿孔。鑒于液壓鑿巖機的技術性能及作業效率的優越性，世界各國掀起了研制液壓鑿巖機及其相關設備的高潮[1]。隨著鑿巖機在近幾十年的迅速發展，其關鍵性能指標的測試技術也在不斷進步，高精度的測試技術能夠為研制高效的液壓鑿巖機提供科學依據。

性能參數測試是檢驗產品設計水平和質量優劣的科學方法。沖擊能量是液壓鑿巖機沖擊機構最重要的性能參數，目前國內對沖擊能量的測量還處于一個困難的階段，雖然方法很多，但很少能測量出精確值[2]。目前國內主要的測量方法有：沖擊變形法、應力波法、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來標定，所以必須建立落錘試驗裝置，從而增加了測試設備的投資和成本。位移微分法傳感元件精度的高低，是此試驗方法的關鍵[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，本文重點介紹VEO 340L 高速攝像機在測試系統中的應用。

1 VEO 340L 高速攝像機簡介

VEO 340L 高速攝像機可以在很短時間內完成對高速目標的快速、多次采樣，當以常規速度放映時，所記錄目標的變化過程就清晰、緩慢地呈現在我們眼前。高速攝像機具有實時目標捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等突出特點[3]。

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

2 需要測試的液壓鑿巖機基本性能參數

下面我們通過VEO 340L 高速攝像機實測Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機，來展現液壓鑿巖機中沖擊頻率、沖擊能等被測量，轉換為可檢測、傳輸、處理分析、顯示或記錄的量，再與標準量比較的測試技術過程。

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

在這個測試系統中，高速攝像機通過對運動目標進行實時捕獲，將捕獲的軌跡圖像快速記錄，經信號處理后傳輸至電腦中，最后在電腦上進行數據操作和分析。

3 液壓鑿巖機檢測過程

3.1 準備工作

高速攝像機采樣時按照圖1 位置安裝。為了取得被測試樣機在模擬工礦條件下的沖擊參數，將樣機固定在帶有推進裝置的臺架上，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沖擊活塞尾部，并預留采集位置段，見圖2。最后設置好網絡IP，確認高速攝像機通過以太網與電腦連接成功。

參數設定：

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

傳感器參數：2560×1600 像素；12 位深度。

曝光：≤1 微秒。

臺架系統參數：推進裝置推進力12～13 kN；系統流量78～82 L/min；系統壓力20.5～21.2 MPa。

3.2 測試信號采集、傳輸

準備工作完畢后，使被測試鑿巖機按照設定參數運行，活塞運行穩定后，進入測試流程界面（Live 選項框）。Live 界面是高速攝像機進行各種參數設置與拍攝的界面，絕大部分操作都在這里進行。

待鑿巖機沖擊活塞運行穩定后，點擊“Live”鍵后，再點擊“Capture”鍵，進入視頻保存準備階段，點擊“yes”鍵后，繼續點擊“Trigger”鍵進入視頻拍攝保存階段。

4 數據處理

當測試視頻保存結束后，進入“play”界面中對拍攝圖像進行回放、編輯、存儲。“play”標簽界面見圖3。

圖3

（1） 在Cine 選項框中對圖像進行回放、快放、單張圖片播放等操作。

（2）在Jump 選項框下，對拍攝影像進行編輯剪切，見圖4。

圖4

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

圖5

顯示已記錄數據的圖像狀態信息：

（1）Frame info 選項框顯示已記錄數據的圖像狀態信息，如當前的時間、幀頻間隔、曝光時間等，見圖6。

圖6

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

圖7

Measurements 參數測量顯示框見圖8，框中各參數的設定：

圖8

（1）Calibration 校準框在完成相關的設定后，系統提示校準完畢。

（2） 設定“Axes”軸及坐標原點。

（3）選擇跟蹤點文件生成位置及跟蹤點數。

（4）點擊“Active”激活跟蹤測量工具，然后在圖像中選擇要跟蹤的點。

（5）選擇“Autotracki”按鈕，可對目標點進行自動跟蹤。

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

圖9

圖10

5 顯示

5.1 在實測曲線上讀取活塞沖擊頻率數值

通過測量波形曲線的兩波峰之間的點數差，通過相關公式計算。光標所在波峰位置處幀數為565，移動光標至左側臨近波峰處，實測幀數為546，測桿在一個運動周期內的幀數為19 幀。

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

5.2 讀取活塞沖擊速度數值

在 “手動跟蹤標記點” 界面中，點擊“Save File”按鈕，選擇“Compute Speed File…”進行保存。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，根據坐標設置的曲線，取“XO”坐標數值，在沖擊活塞運動一個周期內，取最大數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 標準量的計算

根據YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機活塞沖程設計工藝原理，在運行過程中，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運動，故可以略去摩擦力的影響，因此，鑿巖機活塞做工理論計算公式可為

式中 P0--氮氣室充氣壓力，Pa

V0--原始氮氣容積，m3

A3--活塞上端面的面積，m2

x--活塞沖擊到某一位置時的行程，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 與標準量的比較

通過VEO 340L 高速攝像機實測Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司 YYG -18/950 （B）（COP1838HD+）型液壓鑿巖機的沖擊能數，測量結果誤差在±4 J 內。設備測試精度及結果滿足規定要求。