高速攝影測量在旋沖鉆進(jìn)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究*

鄭　皓， 趙統(tǒng)武， 甘海仁， 陽　寧， 高　波

（長沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙，410012）

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高速攝影測量在旋沖鉆進(jìn)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究*

鄭皓， 趙統(tǒng)武， 甘海仁， 陽寧， 高波

（長沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙，410012）

利用高速相機(jī)記錄液壓旋沖鉆進(jìn)中釬桿不同沖擊壓力、旋轉(zhuǎn)壓力和推進(jìn)力情況下的作業(yè)過程，同時采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，繪制釬桿在旋沖鉆進(jìn)過程中的沖擊振動、扭轉(zhuǎn)振動以及試驗(yàn)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(yàn)臺架的振幅及其相關(guān)性等重要數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果同傳統(tǒng)電測結(jié)果基本一致，但與傳統(tǒng)傳感器測量比較，高速圖像采集分析技術(shù)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(yàn)要求的量測手段，能夠更直觀充分地描述旋沖鉆進(jìn)中釬桿振動變化過程。

旋沖鉆進(jìn)；高速相機(jī)；沖擊振動；扭轉(zhuǎn)振動

引 言

液壓鑿巖機(jī)因鉆孔速度快、效率高且容易實(shí)現(xiàn)自動化，作為重要的鑿巖設(shè)備廣泛應(yīng)用于采掘、建筑、地質(zhì)鉆探及工程等行業(yè)中各種爆破孔的鉆鑿［1］。其旋沖鉆進(jìn)作業(yè)是在一定條件下沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)和沖洗多重功能對巖石聯(lián)合作用的結(jié)果。高瀾慶等［2］對國內(nèi)外液壓鑿巖理論和設(shè)備做出研究和分析，提出液壓鑿巖機(jī)的沖擊性能和回轉(zhuǎn)性能在其高效完成鉆進(jìn)作業(yè)過程中起到關(guān)鍵作用［2］。

液壓鑿巖機(jī)沖擊性能試驗(yàn)主要是測定在設(shè)定流量下沖擊能與沖擊頻率，并計(jì)算沖擊功率、能量利用率等，必要時測試活塞與閥的運(yùn)動規(guī)律、壓力變化規(guī)律、流量變化規(guī)律等。目前常用的方法大致可分為兩類：應(yīng)力波法和末速度法。根據(jù)沖擊碰撞的機(jī)理，當(dāng)高速運(yùn)動的活塞沖擊釬桿時，活塞的動能就會通過碰撞在釬桿內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，以應(yīng)力波的形式由釬尾傳遞給釬頭，再傳遞給受沖體，最終轉(zhuǎn)化為破碎物體的能量，達(dá)到工作目的。應(yīng)力波法是靠測定受沖擊活塞沖擊的釬桿上所產(chǎn)生的應(yīng)力波形的方法測定沖擊能［3-4］，利用超動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)捕獲釬桿上任意一點(diǎn)的應(yīng)力歷程，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速運(yùn)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(jì)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(yīng)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(jié)果。此外還有觸點(diǎn)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(jìn)步的軟硬件技術(shù)，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(dá)到對液壓沖擊器的實(shí)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(fù)雜和膠片沖洗過程困難等原因在實(shí)際鑿巖測量分析應(yīng)用中比較少見，但隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步和高速相機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)，其成本和拍攝便利性有了極大的提高，為其在鑿巖鉆進(jìn)過程中開展光學(xué)測量提供了基礎(chǔ)?；诟咚贁z影技術(shù)的圖像采集處理系統(tǒng)能在采樣率和數(shù)據(jù)實(shí)時處理速率在1 000幀/s以上的狀態(tài)下進(jìn)行圖像采集和處理工作［11］，能對高速旋轉(zhuǎn)沖擊過程中對釬桿和機(jī)架上標(biāo)定點(diǎn)的空間位置做出準(zhǔn)確捕捉，并基于空間和時間參數(shù)獲取其各項(xiàng)運(yùn)動性能指標(biāo)。同傳統(tǒng)振動測量方式相比，其具有全局化、非接觸、自動化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對高速運(yùn)動目標(biāo)的實(shí)時采集、跟蹤和傳輸，已被越來越廣泛的應(yīng)用于軍事、航天、工業(yè)生產(chǎn)及科研等領(lǐng)域［12-18］。廖小翠［12］通過高速攝影試驗(yàn)觀察和分析16 mm斷藥導(dǎo)爆管傳爆過程，研究斷藥的規(guī)整導(dǎo)爆管在傳爆過程中爆轟波的傳播特征，并得到規(guī)整導(dǎo)爆管存在斷藥時的傳爆速度隨時間變化的規(guī)律。暢里華等［13］用高速攝影技術(shù)研究高壓氣體膨脹驅(qū)動空氣-水界面的不穩(wěn)定性清晰圖像，得到氣炮尖頂運(yùn)動速度及湍流混合層高度增長速度與時間關(guān)系曲線。唐孝容等［14］利用S-150型相機(jī)開展了水中射流運(yùn)動的圖像和彈丸著靶及侵徹靶板的圖像觀測試驗(yàn)，其結(jié)果表明，高速相機(jī)能夠滿足高速動態(tài)攝影的要求，可以獲得清晰的實(shí)驗(yàn)圖像，在常規(guī)兵器戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用。王英杰等［15］還利用高速相機(jī)拍攝對水力提升系統(tǒng)中大顆粒的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，觀察了顆粒及顆粒群體的運(yùn)動狀態(tài)，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到了單顆粒的運(yùn)動軌跡和顆粒群分布規(guī)律，同時獲得了顆粒軸向速度、徑向速度等各種運(yùn)動參數(shù)，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(shù)、爆破作用下巖體層間天沖突運(yùn)動和彈丸侵徹高強(qiáng)度混凝土試驗(yàn)中運(yùn)用了高速攝影技術(shù)，并獲得了較理想的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。可以看出高速攝影測量是研究高速運(yùn)動過程的一種行之有效的方法，為高速動態(tài)試驗(yàn)提供豐富的試驗(yàn)信息。

筆者引入高速攝影法對液壓鑿巖機(jī)撞擊釬桿產(chǎn)生旋沖鉆進(jìn)的過程進(jìn)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(zhuǎn)速曲線，同時利用在高速圖像采集系統(tǒng)中多點(diǎn)采集技術(shù)，獲取釬桿和試驗(yàn)臺架標(biāo)定點(diǎn)的位移和速度曲線，進(jìn)而求得其互相關(guān)性。

1 高速攝影測量

1.1攝影測量設(shè)備簡介

高速圖像采集使用的是千眼狼2F04型高速相機(jī)，為一款基于高端CMOS圖像傳感器的數(shù)字化高性能、高清、高幀率相機(jī)，具有體積小、功耗低、噪聲低等特點(diǎn)，在640×480分辨率下最高采樣頻率可達(dá)1 000幀/s以上，能滿足釬桿沖擊振動和扭轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)诫娔X主機(jī)的內(nèi)存中，可以通過增加電腦主機(jī)的內(nèi)存的方式很方便地增加相機(jī)連續(xù)采集的時間。其具體性能參數(shù)如下。

傳感器為CMOS型號；最大分辨率為2 320× 1 720像素點(diǎn)；動態(tài)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(xù)可調(diào)；數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為8 bit。

1.2拍攝過程標(biāo)示手段和圖像識別分析方法

攝影測量中，人工標(biāo)示的應(yīng)用是提高測量速度和精度的手段之一。根據(jù)測試平臺工作特點(diǎn)和測量內(nèi)容，分別在釬桿和機(jī)架上作出如圖1所示標(biāo)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(jì)算出釬桿每旋轉(zhuǎn)一格為24°，從而能夠計(jì)算出其旋轉(zhuǎn)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(cè)機(jī)架上為由銀粉漆畫上標(biāo)示線。這樣可以直觀地跟蹤測量平臺機(jī)架的豎直方向位移。

圖1　高速相機(jī)拍攝實(shí)時畫面Fig.1 Real-time picture of the high-speed camera

2 旋沖鉆進(jìn)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)簡介

本文將以搭建巖石破碎試驗(yàn)平臺，開展液壓旋沖鉆進(jìn)過程研究。分析在液壓鑿巖機(jī)的高頻沖擊、低頻扭轉(zhuǎn)和油缸推進(jìn)的聯(lián)合作用下釬桿的沖擊振動、扭轉(zhuǎn)振動和機(jī)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(nèi)其作用力會發(fā)生急劇的變化。物體在急劇變化的載荷作用下，它的應(yīng)變就不是整體的均勻應(yīng)變，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動也不是整體一致的速度。應(yīng)變和速度都有一個傳播過程，傳統(tǒng)的研究方式為采用波動力學(xué)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?jīng)_擊活塞的沖擊時，該處的應(yīng)變突然升高，與周圍介質(zhì)間產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致周圍介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)微動，處于微動質(zhì)點(diǎn)微團(tuán)的前進(jìn)，又進(jìn)一步把動量傳遞給后面的質(zhì)點(diǎn)微團(tuán)，并使后者變形，由近及遠(yuǎn)，不斷擴(kuò)展，這種擾動的傳播現(xiàn)象就是應(yīng)力波。固體中的應(yīng)力波通常分為縱波和橫波兩大類。釬桿內(nèi)應(yīng)力波的傳播屬于縱波，它包括壓縮波（壓應(yīng)力波）和拉伸波（拉應(yīng)力波）。當(dāng)釬桿端部受到?jīng)_擊后，它以壓應(yīng)力波（稱入射波）的形式向釬頭方向傳播。當(dāng)壓應(yīng)力波到達(dá)釬桿頭與工作介質(zhì)的接觸表面時，將隨著接觸面狀況出現(xiàn)不同的過程。如釬桿和介質(zhì)表面在應(yīng)力波到達(dá)時并沒有接觸，壓應(yīng)力波將全部從釬頭端面反射回來（稱自由端反射），并以拉應(yīng)力波的形式迅速向釬桿方向返回。所以當(dāng)觀察釬桿運(yùn)動時可以看到，在單次沖擊后釬桿會產(chǎn)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(zhuǎn)，由于釬桿頂端受液壓鑿巖機(jī)釬尾的作用會產(chǎn)生一個勻速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，而釬桿底端在沖巖石時會受到巖石的強(qiáng)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(chǎn)生周期性扭振。本實(shí)驗(yàn)還將通過觀測釬桿中部位置的旋轉(zhuǎn)速度，研究釬桿的扭振過程。

2.2試驗(yàn)臺架搭建

為開展巖石旋沖切削試驗(yàn)，進(jìn)行各項(xiàng)性能觀測，搭建如圖2所示試驗(yàn)臺架。將5-導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)放置于4-臺架導(dǎo)軌上，臺架導(dǎo)軌頂端設(shè)有推進(jìn)油缸作為液壓鑿巖機(jī)的推進(jìn)動力來源，并可拖動鑿巖機(jī)上下移動。臺架導(dǎo)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(yè)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(nèi)，開展旋沖切削模擬實(shí)驗(yàn)。

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

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

圖3所示為旋沖切削試驗(yàn)現(xiàn)場，試驗(yàn)臺架兩側(cè)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(jī)對著被測釬桿，對旋沖鉆進(jìn)過程進(jìn)行高速圖像采集。其采用USB 3.0接口，可將采集的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)诫娔X主機(jī)的內(nèi)存中，通過增加電腦主機(jī)的內(nèi)存可以很方便地增加相機(jī)連續(xù)采集的時間，用于觀測其在不同工況下旋轉(zhuǎn)沖擊對于巖石的破碎效果。圖2（b）為試驗(yàn)用液壓鑿巖機(jī)，2（c）表示配套液壓系統(tǒng)，為液壓鑿巖機(jī)提供沖擊動力和旋轉(zhuǎn)動力，并為鑿巖機(jī)頂部的推進(jìn)油缸提供推進(jìn)動力。

2.3試驗(yàn)過程分析

為了測試釬桿在不同工作參數(shù)下的運(yùn)動狀態(tài)，針對以下兩種典型運(yùn)行參數(shù)來進(jìn)行高速圖像采集試驗(yàn)：

試驗(yàn)1：旋轉(zhuǎn)壓力4.0 MPa，沖擊壓力8.5 MPa，推進(jìn)力1.47 k N；

試驗(yàn)2：旋轉(zhuǎn)壓力8.5 MPa，沖擊壓9.0 MPa，推進(jìn)力2.36 k N。

2.3.1釬桿位移分析

圖4，5給出了試驗(yàn)1，2的釬桿軸向位移曲線。

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

試驗(yàn)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(yàn)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(jié)果：

1）釬桿軸向運(yùn)動為一非平穩(wěn)動態(tài)隨機(jī)過程，可近似視為一個線性函數(shù)（勻速運(yùn)動）和一個隨機(jī)振動的疊加。

其中：v為釬桿下向移動速度（鉆速）；g（t）為隨機(jī)振動函數(shù)。

高速攝影分析的主要運(yùn)動參數(shù)及鉆孔試驗(yàn)的有關(guān)結(jié)果列于表1。

表1　高速攝影主要運(yùn)動參數(shù)及鉆孔電測試驗(yàn)的有關(guān)結(jié)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(yàn)結(jié)果基本相符；其振動基頻和鑿巖機(jī)沖擊頻率一致。

3）釬桿隨機(jī)振動的產(chǎn)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(qiáng)振系統(tǒng)，未被巖石吸收的能量反射回釬桿構(gòu)成釬桿的振動，振動的隨機(jī)性反映了破巖過程的隨機(jī)特性。

試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(dá)3.4，該值隨被沖擊鑿入巖石的力學(xué)特性不同而變化。

2.3.2釬桿轉(zhuǎn)動的高速攝影分析

試驗(yàn)1的釬桿轉(zhuǎn)動高速攝影轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速曲線Fig.7 The speed curve of the drill rod

通過Savitzky-Golay平滑處理，平滑系數(shù)為20，其轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。

圖8　平滑處理后轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 The smoothed speed curve

由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，其平均周期為

平均轉(zhuǎn)速為136 r/min，這和鉆孔電測試驗(yàn)結(jié)果（134.8 r/min）基本一致。

2）釬桿在旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)速并非恒定不變，其轉(zhuǎn)速在9.6～-4.7 r/s間變化，為一窄帶隨機(jī)振動過程，從圖上看，在0.004 5～0.348 9 s之間，0.344 4 s內(nèi)出現(xiàn)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(zhuǎn)速和釬桿軸向位移的隨機(jī)振動呈現(xiàn)顯著的周期性互相關(guān)特性，在沖擊后會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)短暫停滯或反向旋轉(zhuǎn)過程，這在本質(zhì)上也反映了旋轉(zhuǎn)-沖擊破巖過程作用的相關(guān)性。

3）在一個釬桿旋轉(zhuǎn)周期中，前半周（沖擊活塞回程）為加速段，由棘輪機(jī)構(gòu)帶動釬桿旋轉(zhuǎn)；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(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)速，將釬桿視為彈性扭桿，實(shí)質(zhì)上為扭轉(zhuǎn)振動過程。

2.3.3機(jī)架振動分析

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

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

圖10　機(jī)架和釬桿振動位移曲線的比較（試驗(yàn)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(jī)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(jī)架振動為沖擊運(yùn)動帶來的受迫振動，其振幅和頻率均受沖擊參數(shù)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(jù)。

3 結(jié)束語

筆者用高速攝像技術(shù)研究用于液壓旋沖鉆進(jìn)試驗(yàn)中，能夠準(zhǔn)確地觀測液壓旋沖鉆進(jìn)過程中釬桿標(biāo)定點(diǎn)的瞬時和長時鉆進(jìn)速度、軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動變化，能準(zhǔn)確讀出釬桿鉆進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度，并得出機(jī)架振動和釬桿振動的互相關(guān)性。高速攝影測量應(yīng)用簡單，能準(zhǔn)確捕獲被測物體的運(yùn)動信息，且不接觸被測物體，不會對被測物體產(chǎn)生干擾，自動化程度高，相對于其他傳統(tǒng)測試方法來講，測試成本低，觀測細(xì)節(jié)豐富，測試結(jié)果準(zhǔn)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?yàn)椴傻V工程。曾發(fā)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(xué)基金資助項(xiàng)目（51304030）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2012AA091201）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（973計(jì)劃）（2012CB724205）

2014-02-17；

2014-04-18