基于高速摄像法的液压凿岩机冲击性能测试技术研究

张振林

（煤科（北京）检测技术有限公司，北京 100013）

液压凿岩机是高能量输出、高技术难度的机械设备，起源于二十世纪七十年代初期，1970 年法国Montabert 公司研制出世界上第一台液压凿岩机，装配在液压钻车上用于矿山凿孔。鉴于液压凿岩机的技术性能及作业效率的优越性，世界各国掀起了研制液压凿岩机及其相关设备的高潮[1]。随着凿岩机在近几十年的迅速发展，其关键性能指标的测试技术也在不断进步，高精度的测试技术能够为研制高效的液压凿岩机提供科学依据。

性能参数测试是检验产品设计水平和质量优劣的科学方法。冲击能量是液压凿岩机冲击机构最重要的性能参数，目前国内对冲击能量的测量还处于一个困难的阶段，虽然方法很多，但很少能测量出精确值[2]。目前国内主要的测量方法有：冲击变形法、应力波法、受冲器法、末速度法、位移微分法、高速摄像法等。其中，前三种方法都需要采用自由落锤试验来标定，所以必须建立落锤试验装置，从而增加了测试设备的投资和成本。位移微分法传感元件精度的高低，是此试验方法的关键[2]。目前使用的传感方式主要有差动变压器式、电容式和光电位移式，精度与高速摄像仪相比还是偏低，本文重点介绍VEO 340L 高速摄像机在测试系统中的应用。

1 VEO 340L 高速摄像机简介

VEO 340L 高速摄像机可以在很短时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速摄像机具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出特点[3]。

一套完整的高速摄像机成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成[3]。高速摄像机成像系统的工作原理，本文不作介绍。

2 需要测试的液压凿岩机基本性能参数

下面我们通过VEO 340L 高速摄像机实测Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液压凿岩机，来展现液压凿岩机中冲击频率、冲击能等被测量，转换为可检测、传输、处理分析、显示或记录的量，再与标准量比较的测试技术过程。

YYG-18/950（B）（COP 1838HD+）型液压凿岩机主要技术特征见表1。

在这个测试系统中，高速摄像机通过对运动目标进行实时捕获，将捕获的轨迹图像快速记录，经信号处理后传输至电脑中，最后在电脑上进行数据操作和分析。

3 液压凿岩机检测过程

3.1 准备工作

高速摄像机采样时按照图1 位置安装。为了取得被测试样机在模拟工矿条件下的冲击参数，将样机固定在带有推进装置的台架上，凿岩钎尾连接钎杆，将钎杆顶紧受冲油缸。

图1

将采集信号的所有尼龙杆安装在凿岩机冲击活塞尾部，并预留采集位置段，见图2。最后设置好网络IP，确认高速摄像机通过以太网与电脑连接成功。

参数设定：

吞吐量/拍摄速度：3 Gpx/秒；全分辨率：2560×1600 时最大速度为800 fps；最小帧速率为24 fps。

传感器参数：2560×1600 像素；12 位深度。

曝光：≤1 微秒。

台架系统参数：推进装置推进力12～13 kN；系统流量78～82 L/min；系统压力20.5～21.2 MPa。

3.2 测试信号采集、传输

准备工作完毕后，使被测试凿岩机按照设定参数运行，活塞运行稳定后，进入测试流程界面（Live 选项框）。Live 界面是高速摄像机进行各种参数设置与拍摄的界面，绝大部分操作都在这里进行。

待凿岩机冲击活塞运行稳定后，点击“Live”键后，再点击“Capture”键，进入视频保存准备阶段，点击“yes”键后，继续点击“Trigger”键进入视频拍摄保存阶段。

4 数据处理

当测试视频保存结束后，进入“play”界面中对拍摄图像进行回放、编辑、存储。“play”标签界面见图3。

图3

（1） 在Cine 选项框中对图像进行回放、快放、单张图片播放等操作。

（2）在Jump 选项框下，对拍摄影像进行编辑剪切，见图4。

图4

（3）在Play Speed&Options 选项框下设置播放速率，见图5。

图5

显示已记录数据的图像状态信息：

（1）Frame info 选项框显示已记录数据的图像状态信息，如当前的时间、帧频间隔、曝光时间等，见图6。

图6

（2）Cine info 选项框显示视频信息的各种参数信息，如视频的起始/结束范围、记录的起始/结束范围、彩色或黑白等,见图7。

图7

Measurements 参数测量显示框见图8，框中各参数的设定：

图8

（1）Calibration 校准框在完成相关的设定后，系统提示校准完毕。

（2） 设定“Axes”轴及坐标原点。

（3）选择跟踪点文件生成位置及跟踪点数。

（4）点击“Active”激活跟踪测量工具，然后在图像中选择要跟踪的点。

（5）选择“Autotracki”按钮，可对目标点进行自动跟踪。

（6）设定“tracking sensitivity（跟踪灵敏度）”。设定好后，跟踪轨迹如图9 所示。

图9

图10

5 显示

5.1 在实测曲线上读取活塞冲击频率数值

通过测量波形曲线的两波峰之间的点数差，通过相关公式计算。光标所在波峰位置处帧数为565，移动光标至左侧临近波峰处，实测帧数为546，测杆在一个运动周期内的帧数为19 帧。

计算公式为：1/（19×1000）×106，冲击频率≈52.6 Hz。1000 为每帧间隔时间，单位为μs。

5.2 读取活塞冲击速度数值

在 “手动跟踪标记点” 界面中，点击“Save File”按钮，选择“Compute Speed File…”进行保存。操作位置如图11 所示。

图11

在WPS 表格中，打开保存的冲击速度记录，根据坐标设置的曲线，取“XO”坐标数值，在冲击活塞运动一个周期内，取最大数值作为活塞的冲击速度值。表中冲击速度最大值为11.47 m/s，按照动能公式E=mv2/2 即可算出冲击能量E=5.0×11.472/2=328.9 焦耳。

6 标准量的计算

根据YYG-18/950（B）（COP1838HD+）型液压凿岩机活塞冲程设计工艺原理，在运行过程中，活塞受到的作用力包括绝热膨胀后引起的作用力、液压力、活塞自重等。由于活塞是在油液中往复运动，故可以略去摩擦力的影响，因此，凿岩机活塞做工理论计算公式可为

式中 P0--氮气室充气压力，Pa

V0--原始氮气容积，m3

A3--活塞上端面的面积，m2

x--活塞冲击到某一位置时的行程，m

将P0=0.8 MPa，V0=0.0157 m3，A3=0.0053 m2，x=0.08 m 带入公式可得COP1838HD+的冲击能量E=332.9 J。

7 与标准量的比较

通过VEO 340L 高速摄像机实测Epiroc Rock Drills Aktiebolag 公司 YYG -18/950 （B）（COP1838HD+）型液压凿岩机的冲击能数，测量结果误差在±4 J 内。设备测试精度及结果满足规定要求。