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。
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。
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。
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。
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。
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?!皃lay”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
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。
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。
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。
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。