鄭　皓， 趙統(tǒng)武， 甘海仁， 陽(yáng)　寧， 高　波

（長(zhǎng)沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙，410012）

?

高速攝影測(cè)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(yáng)寧， 高波

（長(zhǎng)沙礦冶研究院深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)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(guò)程，同時(shí)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，繪制釬桿在旋沖鉆進(jìn)過(guò)程中的沖擊振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及試驗(yàn)臺(tái)架在沖擊過(guò)程中的受迫振動(dòng)的曲線，得到釬桿沖擊頻率和扭振頻率、釬桿及試驗(yàn)臺(tái)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(cè)結(jié)果基本一致，但與傳統(tǒng)傳感器測(cè)量比較，高速圖像采集分析技術(shù)是一種無(wú)接觸、全局化、適用范圍廣、自動(dòng)化程度高，精度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的量測(cè)手段，能夠更直觀充分地描述旋沖鉆進(jìn)中釬桿振動(dòng)變化過(guò)程。

旋沖鉆進(jìn)；高速相機(jī)；沖擊振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

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(dòng)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(duì)巖石聯(lián)合作用的結(jié)果。高瀾慶等［2］對(duì)國(guó)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(guò)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(cè)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(shí)測(cè)試活塞與閥的運(yùn)動(dòng)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(lèi)：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(dòng)的活塞沖擊釬桿時(shí)，活塞的動(dòng)能就會(huì)通過(guò)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(cè)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(cè)定沖擊能［3-4］，利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)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(guò)傳感器直接測(cè)定沖擊活塞沖程階段的末速度，然后通過(guò)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(lèi)［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(cè)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(cè)試方法，利用日益進(jìn)步的軟硬件技術(shù)，搭建測(cè)試平臺(tái)，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(dòng)化和高精度要求，依然難以達(dá)到對(duì)液壓沖擊器的實(shí)時(shí)、直觀、精確的測(cè)量要求。

高速攝影測(cè)量法在過(guò)去因成本高、拍攝過(guò)程復(fù)雜和膠片沖洗過(guò)程困難等原因在實(shí)際鑿巖測(cè)量分析應(yīng)用中比較少見(jiàn)，但隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步和高速相機(jī)國(guó)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(guò)程中開(kāi)展光學(xué)測(cè)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(shí)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(duì)高速旋轉(zhuǎn)沖擊過(guò)程中對(duì)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(shí)間參數(shù)獲取其各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)。同傳統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量方式相比，其具有全局化、非接觸、自動(dòng)化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)采集、跟蹤和傳輸，已被越來(lái)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(guò)高速攝影試驗(yàn)觀察和分析16 mm斷藥導(dǎo)爆管傳爆過(guò)程，研究斷藥的規(guī)整導(dǎo)爆管在傳爆過(guò)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(shí)的傳爆速度隨時(shí)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(dòng)空氣-水界面的不穩(wěn)定性清晰圖像，得到氣炮尖頂運(yùn)動(dòng)速度及湍流混合層高度增長(zhǎng)速度與時(shí)間關(guān)系曲線。唐孝容等［14］利用S-150型相機(jī)開(kāi)展了水中射流運(yùn)動(dòng)的圖像和彈丸著靶及侵徹靶板的圖像觀測(cè)試驗(yàn)，其結(jié)果表明，高速相機(jī)能夠滿(mǎn)足高速動(dòng)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(duì)水力提升系統(tǒng)中大顆粒的運(yùn)動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到了單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和顆粒群分布規(guī)律，同時(shí)獲得了顆粒軸向速度、徑向速度等各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并分析了顆粒粒徑對(duì)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(dòng)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(cè)量是研究高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一種行之有效的方法，為高速動(dòng)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(duì)液壓鑿巖機(jī)撞擊釬桿產(chǎn)生旋沖鉆進(jìn)的過(guò)程進(jìn)行量測(cè)分析，不僅能測(cè)量出釬桿鑿巖破碎時(shí)的位移變化、瞬時(shí)沖擊速度、沖擊頻率等情況，還能測(cè)算出其扭振速度、頻率和長(zhǎng)時(shí)域的轉(zhuǎn)速曲線，同時(shí)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(tái)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(cè)量

1.1攝影測(cè)量設(shè)備簡(jiǎn)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(mǎn)足釬桿沖擊振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)高速測(cè)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(shí)傳輸?shù)诫娔X主機(jī)的內(nèi)存中，可以通過(guò)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(shí)間。其具體性能參數(shù)如下。

傳感器為CMOS型號(hào)；最大分辨率為2 320× 1 720像素點(diǎn)；動(dòng)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(mén)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(guò)程標(biāo)示手段和圖像識(shí)別分析方法

攝影測(cè)量中，人工標(biāo)示的應(yīng)用是提高測(cè)量速度和精度的手段之一。根據(jù)測(cè)試平臺(tái)工作特點(diǎn)和測(cè)量?jī)?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(cè)量參照物，釬桿一圈共有15個(gè)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(guò)記錄水平線的移動(dòng)即可。右側(cè)機(jī)架上為由銀粉漆畫(huà)上標(biāo)示線。這樣可以直觀地跟蹤測(cè)量平臺(tái)機(jī)架的豎直方向位移。

圖1　高速相機(jī)拍攝實(shí)時(shí)畫(huà)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(jiǎn)介

本文將以搭建巖石破碎試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展液壓旋沖鉆進(jìn)過(guò)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(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和機(jī)架的受迫振動(dòng)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(shí)間內(nèi)其作用力會(huì)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(dòng)也不是整體一致的速度。應(yīng)變和速度都有一個(gè)傳播過(guò)程，傳統(tǒng)的研究方式為采用波動(dòng)力學(xué)理論來(lái)研究其能量的傳遞。液壓沖擊器工作時(shí)，釬桿端部受到?jīng)_擊活塞的沖擊時(shí)，該處的應(yīng)變突然升高，與周?chē)橘|(zhì)間產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致周?chē)橘|(zhì)的質(zhì)點(diǎn)微動(dòng)，處于微動(dòng)質(zhì)點(diǎn)微團(tuán)的前進(jìn)，又進(jìn)一步把動(dòng)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(dòng)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(lèi)。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(chēng)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(shí)，將隨著接觸面狀況出現(xiàn)不同的過(guò)程。如釬桿和介質(zhì)表面在應(yīng)力波到達(dá)時(shí)并沒(méi)有接觸，壓應(yīng)力波將全部從釬頭端面反射回來(lái)（稱(chēng)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(dòng)時(shí)可以看到，在單次沖擊后釬桿會(huì)產(chǎn)生一定程度的反彈和振動(dòng)［3］。同時(shí)在沖擊過(guò)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)勻速的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而釬桿底端在沖巖石時(shí)會(huì)受到巖石的強(qiáng)大阻力而不能動(dòng)彈，所以這過(guò)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(guò)觀測(cè)釬桿中部位置的旋轉(zhuǎn)速度，研究釬桿的扭振過(guò)程。

2.2試驗(yàn)臺(tái)架搭建

為開(kāi)展巖石旋沖切削試驗(yàn)，進(jìn)行各項(xiàng)性能觀測(cè)，搭建如圖2所示試驗(yàn)臺(tái)架。將5-導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)放置于4-臺(tái)架導(dǎo)軌上，臺(tái)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(dòng)力來(lái)源，并可拖動(dòng)鑿巖機(jī)上下移動(dòng)。臺(tái)架導(dǎo)軌固定在3-橫向移動(dòng)架上，并隨橫向移動(dòng)架橫向移動(dòng)變更作業(yè)方位。橫向臺(tái)架固定在1-旋沖平臺(tái)支架上，支架中心放置2-巖石箱體，將巖石放在箱體內(nèi)，開(kāi)展旋沖切削模擬實(shí)驗(yàn)。

1-旋沖切削平臺(tái)支架；2-巖石箱體；3-橫向移動(dòng)架；4-臺(tái)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(chǎng)，試驗(yàn)臺(tái)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(duì)著被測(cè)釬桿，對(duì)旋沖鉆進(jìn)過(guò)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(shí)傳輸?shù)诫娔X主機(jī)的內(nèi)存中，通過(guò)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(shí)間，用于觀測(cè)其在不同工況下旋轉(zhuǎn)沖擊對(duì)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(dòng)力和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，并為鑿巖機(jī)頂部的推進(jìn)油缸提供推進(jìn)動(dòng)力。

2.3試驗(yàn)過(guò)程分析

為了測(cè)試釬桿在不同工作參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，針對(duì)以下兩種典型運(yùn)行參數(shù)來(lái)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(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)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(dòng)為一非平穩(wěn)動(dòng)態(tài)隨機(jī)過(guò)程，可近似視為一個(gè)線性函數(shù)（勻速運(yùn)動(dòng)）和一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)的疊加。

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

高速攝影分析的主要運(yùn)動(dòng)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(dòng)參數(shù)及鉆孔電測(cè)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(dòng)速度（鉆速）和鉆孔試驗(yàn)結(jié)果基本相符；其振動(dòng)基頻和鑿巖機(jī)沖擊頻率一致。

3）釬桿隨機(jī)振動(dòng)的產(chǎn)生來(lái)源于巖石的彈性，釬桿在沖擊鑿入時(shí)為一在沖擊活塞激勵(lì)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(dòng)，振動(dòng)的隨機(jī)性反映了破巖過(guò)程的隨機(jī)特性。

試驗(yàn)1的釬桿軸向振動(dòng)速度曲線如圖6所示：

圖6　釬桿軸的振動(dòng)速度曲線（試驗(yàn)序號(hào)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(guò)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(dòng)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(dòng)的高速攝影分析

試驗(yàn)1的釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)長(zhǎng)0.37 s）。

圖7　釬桿轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 The speed curve of the drill rod

通過(guò)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(zhǎng)時(shí)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(shí)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(cè)試驗(yàn)結(jié)果（134.8 r/min）基本一致。

2）釬桿在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)過(guò)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(gè)振動(dòng)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(dòng)呈現(xiàn)顯著的周期性互相關(guān)特性，在沖擊后會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)短暫停滯或反向旋轉(zhuǎn)過(guò)程，這在本質(zhì)上也反映了旋轉(zhuǎn)-沖擊破巖過(guò)程作用的相關(guān)性。

3）在一個(gè)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(dòng)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(huì)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(dòng)過(guò)程。

2.3.3機(jī)架振動(dòng)分析

在觀測(cè)釬桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程的同時(shí)對(duì)其機(jī)架的振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試分析：圖9和10分別為試驗(yàn)序號(hào)1，2的機(jī)架振動(dòng)位移曲線的比較：

圖9　機(jī)架和釬桿振動(dòng)位移曲線的比較（試驗(yàn)序號(hào)：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(dòng)位移曲線的比較（試驗(yàn)序號(hào)：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(shí)長(zhǎng)0.523 9 s。

取樣間隔2幀，共1 010幀，總時(shí)長(zhǎng)0.515 s。

可以看出機(jī)架振動(dòng)基頻和釬桿振動(dòng)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(dòng)為沖擊運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的受迫振動(dòng)，其振幅和頻率均受沖擊參數(shù)影響，其振動(dòng)特性可為巖石鉆探裝備整體動(dòng)載確定提供依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)液壓旋沖鉆進(jìn)過(guò)程中釬桿標(biāo)定點(diǎn)的瞬時(shí)和長(zhǎng)時(shí)鉆進(jìn)速度、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng)和釬桿振動(dòng)的互相關(guān)性。高速攝影測(cè)量應(yīng)用簡(jiǎn)單，能準(zhǔn)確捕獲被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)信息，且不接觸被測(cè)物體，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生干擾，自動(dòng)化程度高，相對(duì)于其他傳統(tǒng)測(cè)試方法來(lái)講，測(cè)試成本低，觀測(cè)細(xì)節(jié)豐富，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

［1］ 李軍.液壓鑿巖機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.有色金屬（礦山部分），2008，60（3）：36-38. Li Jun.Development and application of hydraulic rock drill［J］.Nonferrous Metals（Mining Section），2008，60（3）：36-38.（in Chinese）

［2］ 高瀾慶，郭孝先.液壓鑿巖機(jī)理論、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：1-20.

［3］ 趙統(tǒng)武.沖擊鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996：10-12.

［4］ 熊家澤，于嘉君，王筑生，等.釬桿工作應(yīng)力的隨機(jī)分析［J］.礦冶工程，2013，33（6）：10-12. Xiong Jiaze，Yu Jiajun，Wang Zhusheng，et al.Random analysis of operating stress of drill rod［J］.Mining and Metallurgical Engineering，2013，33（6）：10-12.（in Chinese）

［5］ 狄志勇.液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試方法的對(duì)比分析［J］.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，1995（3）：30-36. Di Zhiyong.Comparative analysis of measurement methods of hydraulic rock drill impact performance［J］.Rock Drilling Machinery and Pneumatic Tools，1995（3）：30-36.（in Chinese）

［6］ 郭孝先，王路，狄志勇，等.液壓鑿巖機(jī)沖擊性能及其試驗(yàn)方法［J］.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，1994（1）：54-60. Guo Xiaoxian，Wang Lu，Di Zhiyong，et al.Impact performance and its test method of hydraulic rock drill［J］.Drilling Machinery and Pneumatic Tools，1994（1）：54-60.（in Chinese）

［7］ 黃志強(qiáng)，宋嘉寧，卜艷，等.沖擊器性能測(cè)試方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2008（4）：1-5. Huang Zhiqiang，Song Jianing，Bu Yan，et al.Research condition and developmental direction of the test method of impactor performance［J］.Drilling Machinery and Pneumatic Tools，2008（4）：1-5.（in Chinese）

［8］ 許勤.液壓沖擊器系統(tǒng)性能的測(cè)試與分析［D］.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［9］ 劉忠，伍勁松，李偉.液壓沖擊機(jī)械測(cè)試原理與方法及試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（15）：1769-1772，1818. Liu Zhong，Wu Jinsong，Li Wei.Research on testing principles&methods and experimental research on hydraulic impact machine［J］.China Mechanical Engineering，2007，18（15）：1769-1772，1818.（in Chinese）

［10］丁沖沖，楊國(guó)平，梁翠平，等.液壓沖擊器性能測(cè)試方法的研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（4）：56-58. Ding Chongchong，Yang Guoping，Liang Cuiping，et al.Research on performance testing method for hydraulic impactor［J］.Machine Tool&Hydraulics，2011，39（4）：56-58.（in Chinese）

［11］譚顯詳，韓立石.高速攝影技術(shù)［M］.北京：原子能出版社，1990：1-6.

［12］廖小翠，郭學(xué)彬.斷藥導(dǎo)爆管傳爆過(guò)程的高速攝影試驗(yàn)研究［J］.爆破，2009，26（1）：89-91，95. Liao Xiaocui，Guo Xuebing.Experiment study of high-speed photography on detonation propagating of explosive faults nonel［J］.Blasting，2009，26（1）：89-91，95.（in Chinese）

［13］暢里華，李作友，肖正飛，等.高速攝影在流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2012，24（6）：1479-1482. Chang Lihua，Li Zuoyou，Xiao Zhengfei，et al.Application of high-speed photography to hydrodynamic instability research［J］.High Power Laser and Particle Beams，2012，24（6）：1479-1482.（in Chinese）

［14］唐孝容，高寧，郝建中，等.高速攝影技術(shù)在常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30（3）：105-106. Tang Xiaorong，Gao Ning，Hao Jianzhong，et al.Application of high-speed photography to warhead［J］. Journal of Projects，Rockets，Missiles and Guidance，2010，30（3）：105-106.（in Chinese）

［15］王英杰，陽(yáng)寧，金星.水力提升管道大顆粒運(yùn)動(dòng)特性的高速攝影分析［J］.泥沙研究，2012（3）：64-69. Wang Yingjie，Yang Ning，Jin Xing.High speed photographic analysis of characteristics of large particle movement in hydraulic lifting system［J］.Journal of Sediment Research，2012（3）：64-69.（in Chinese）

［16］趙征，蘇生華.高速攝影在焊接技術(shù)中的應(yīng)用［C］∥第15次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，青海西寧：［s.n.］，2010：827-831.

［17］肖定軍，郭學(xué)彬，劉愷德，等.爆破作用下巖體層間充填土運(yùn)動(dòng)的高速攝影試驗(yàn)［J］.西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（3）：33-37. Xiao Dingjun，Guo Xuebin，Liu Kaide，et al.Highspeed photography test on the motion of interlayer fill soil of rock mass under the action of blasting［J］. Journal of Southwest University of Science and Technology，2008，23（3）：33-37.（in Chinese）

［18］吝曼卿，夏元友，肖正學(xué)，等.彈丸侵徹高強(qiáng)度混凝土的高速攝影試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（S2）：178-184. Lin Manqing，Xia Yuanyou，Xiao Zhengxue，et al. Experimental investigation of projectile penetrating high strength concrete target with high-speed photography［J］.Rock and Soil Mechanics，2012，33（S2）：178-184.（in Chinese）

TD41

鄭皓，男，1981年6月生，博士生、高級(jí)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51304030）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（863計(jì)劃）（2012AA091201）；國(guó)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