對木工圓鋸片系統(tǒng)動剛度特性參數(shù)的試驗分析

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$ Z* _% A' C3 ~; G
; ~; Z* j4 F$ S0 r% ^對木工圓鋸片系統(tǒng)動剛度特性參數(shù)的試驗分析
For woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
/ ?: M" o. Z/ }, vparameters of dynamic stifness
$ m  ~/ c- |1 M( t4 Q* W4 ~8 V郝敬冬王正 韓江梁金輝 ’
8 {* R( q5 W! M4 w3 j" N5 k' [# Q(南京林業(yè)大學木材工業(yè)學院南京210037)
( @7 D. ?' C6 _9 K摘要：基于滿足木工圓鋸片優(yōu)化設(shè)計與應用，提高對木工圓鋸機及圓鋸片系統(tǒng)的動態(tài)特性檢測
水平等需要。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)動力學原理，采用隨機激勵振動測量法，分別對自由懸掛和安裝在圓鋸機
" l4 @& Q! A6 j$ H# e上兩種支撐方式的木工圓鋸片，進行其系統(tǒng)的動剛度特性參數(shù)進行測量。結(jié)論表明，圓鋸片系統(tǒng)動剛
度頻譜為一條隨頻率變化的曲線，且有多個峰值，每個峰值處動剛度值相對較大；某一系統(tǒng)的動剛度
- F: v- t! H' h4 \大，代表其振動響應小，即意味著該系統(tǒng)在單位力作用下產(chǎn)生的變形就小。
, {3 e- g" a* \關(guān)鍵詞：木工圓鋸片；頻響函數(shù)；動剛度；試驗；分析
中圖分類號：TS643
  W3 ?# C+ {$ ~7 [0 v# f% S在木工機械行業(yè)，木工圓鋸片在鋸切過程中，
普遍存在機械振動問題。振動不僅會產(chǎn)生噪聲污
染、縮短圓鋸片的使用壽命、降低鋸切質(zhì)量、增
) h" w3 z+ ], i$ H大鋸路，還會加劇圓鋸片的變形失效，甚至引起
+ ~3 H( f# a$ {1 m- R安全事故。在實際使用過程中，圓鋸片的動態(tài)穩(wěn)
& y6 J' L, ~6 t: U- V定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題，有
必要對其振動特性進行研究。機械系統(tǒng)的振動特
+ i" B7 K# ~; B: q. Y性，主要決定于系統(tǒng)本身的慣性、彈性和阻尼參
數(shù)。圓鋸片系統(tǒng)的動剛度為其線性定常機械系統(tǒng)
# |& R7 v) h: }  o9 [中激勵力相量與響應的加速度向量之比，反映其
1 [! S1 J" X* J4 R2 i在特定的動態(tài)激擾下抵抗變形的能力，即引起單
位振幅所需要的動態(tài)力。圓鋸片系統(tǒng)的動剛度越
( E3 f( [+ O$ }: X% Q大，其抗變形能力就越大。因此，實際工作中，
% V3 F  p" ^& D9 `& j2 |! w" v8 h對木工圓鋸片的動剛度研究工作顯得尤為重要。
國內(nèi)外同行對圓鋸片的動剛度特性的基礎(chǔ)應
用研究成果較多，但主要集中在改變諸如鋸身結(jié)
構(gòu)，如減振槽、卸荷槽等方面，本課題以結(jié)構(gòu)力
學和機械振動機理為基礎(chǔ)，利用先進的振動信號
數(shù)據(jù)采集與分析測量系統(tǒng)，對木工圓鋸片及其圓
0 E: _  A  f8 W* W' ^& d鋸片系統(tǒng)的動剛度(或動柔度)進行測量及相關(guān)
分析，并通過其模型計算，驗證它們的相關(guān)性等，
以期通過理論計算與試驗驗證分析，達到對木工
0 }4 u" p( W' j9 T7 i* n' G, g圓鋸片的事先優(yōu)化設(shè)計目的，同時對提高木工圓
, s% t% N* |. f! Q% H5 c2 @( b4 s鋸機及圓鋸片的綜合動態(tài)特性檢測水平提供借
' @) m& u! A" @# `0 m+ e" ~7 o鑒。
1 材料和儀器設(shè)備
本文試驗設(shè)備為500mm萬能木工圓鋸機，使
用的木工圓鋸片主要參數(shù)：外徑300mm、齒寬
3．2mm、齒厚2．2ram、內(nèi)徑30mm、齒數(shù)96、最高
轉(zhuǎn)速6800r／min；其測量儀器為南京安正軟件工程
有限公司產(chǎn)的振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)l
5 |4 j& _, W5 T" @8 `, j; L套，包括調(diào)理箱、采集箱、信號與數(shù)據(jù)分析軟件
5 N& f' f5 o% a; Z5 S0 q及計算機，并主要配置：江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限
5 M. q6 Z5 _4 |. L- b公司產(chǎn)的LC1301力錘l把，量程500N，包括
  h4 n' c0 p; A1 _  wCL—YD一303型力傳感器1把，靈敏度3．89pc／N，
/ @$ T; o# l; n2 F* {選用橡膠頭；CA—YD一185型壓電式加速度傳感器
1只，電荷靈敏度4．89pc／N，質(zhì)量4g。
2 測試原理與過程
2．1測試原理
/ x- B) Z$ h2 U5 p) G4 w6 \3 I動剛度為線性定常機械系統(tǒng)中激勵力向量與
) ]8 @" ?; }& P. [7 L響應的加速度向量之比。本試驗采用機械動力學
的瞬態(tài)激勵法，其頻響函數(shù)為輸出的傅里葉變換
  j2 t2 G5 R3 X7 a  C+ m9 ~與輸入的傅里葉變換之比。主要測量原理是：通
過實現(xiàn)圓鋸片測試系統(tǒng)的動態(tài)信號調(diào)理箱和采集
箱上的雙通道(CHI為力通道，CH2為加速度傳
0 l0 D4 ^. a, C3 ^& B感器通道)的測量連接，再敲擊圓鋸片，使其產(chǎn)
: n. O5 j# g6 a0 h, \生橫向自由振動，通過加速度傳感器接受機械受
, I2 |# U% N$ R( K  h7 i力信號并將其變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)信號調(diào)理儀放大、
. e+ V9 v2 d* ?! T濾波后，對其進行信號的A／D 集及譜分析，從
5 u! B$ x1 V( o! w1／H 頻譜中可得出圓鋸片系統(tǒng)的階次頻響函數(shù)
3 v, d3 M' x1 l5 ^譜、一條隨頻率變化的動剛度曲線和階次動剛度
  C! t+ A- Y  [  `幅值。
2．2測量過程
8 G& m8 t6 Q4 u* o6 z$ xAdCras數(shù)據(jù)采集及處理參數(shù)設(shè)置：采樣頻率
. O  u: {8 g" ^1000Hz；CH1單位設(shè)為(N)、CH2單位設(shè)為
! n5 a2 G! @' m5 d9 }0 Z- Z" _3 t- f(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
Standard and test標準與檢溺
SsCras信號與系統(tǒng)分析參數(shù)設(shè)置：分析頻率為
- H8 H9 N- [; A7 v/ b/ \5 u500Hz，頻響函數(shù)類型為1／Ht，頻譜類型為線性譜；
為防止頻率混迭，本試驗選擇低通濾波器的頻率
上限，濾波頻率設(shè)為1000Hz。
本試驗對在自由懸掛和安裝在圓鋸機上兩種
. F6 K3 f" O4 h不同狀態(tài)下的圓鋸片系統(tǒng)進行動剛度特性參數(shù)的
測量。試驗中，力錘上安裝橡膠頭產(chǎn)生激勵信號
(CH1)；將1只加速度傳感器牢固安裝在圓鋸片
上，接受響應信號(CH2)。其試驗框圖見圖1、
圖2。
) K4 ~  x) I) j: U) {1 u) U0 v( B' ^% F! t7 ]圖l 圓鋸片系統(tǒng)自由式懸掛狀態(tài)動剛度試驗框圖
& g; x$ Z) J# F2 G' _圖2 安裝在圓鋸機系統(tǒng)上測量圓鋸片動剛度框圖
2 G( ?3 A& `1 @" u實測前，進入示波方式，每敲擊圓鋸片一次后
要等待鋸片穩(wěn)定后再進行第二次敲擊，檢查儀器
連接線是否接通，波形是否合理等，不合理時將重
/ J. q1 u* V, g# l3 f1 c& s& y新設(shè)置之；正式測量時，用帶塑料頭的力錘敲擊圓
- T2 r' }) U1 q. ^鋸片，激起圓鋸片系統(tǒng)振動，以觸發(fā)方式采集數(shù)
據(jù)，進行動態(tài)信號頻譜分析，由此得到系統(tǒng)各階
的動剛度幅值。
& W& |% }2 R% A: F3 結(jié)果與分析
木工機床2011 No．2
3．1數(shù)據(jù)結(jié)果
圖3為懸掛系統(tǒng)中圓鋸片的固有頻率頻譜圖
以及測量數(shù)據(jù)；圖4為固定在圓鋸機系統(tǒng)中的固
" p9 x* o) |) v" k3 O, b6 ^有頻率頻譜圖以及測量數(shù)據(jù)；圖4為懸掛系統(tǒng)中
1／H 頻譜及測量數(shù)據(jù)；圖6為固定在圓鋸機系統(tǒng)
- I4 C- o" M# B  O中1／H 頻譜及測量數(shù)據(jù)；1／H 頻譜中的橫坐標表
9 b. W+ S! R3 p( a, b  Q/ d示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU)。
+ t6 a0 e$ R  u. B/ u# ^, f+ L
, \8 M/ S+ h  ^8 u3．2數(shù)據(jù)計算及分析
通過分析圓鋸片在兩種不同狀態(tài)下的1／H 頻
0 T& I0 X7 X- {; U/ Y* g譜及測量數(shù)據(jù)(圖5和圖6)我們可以得出，動
6 `* t/ b- t! J$ ?. U5 A剛度頻譜是一條隨頻率變化的曲線。1／H。頻譜中
的橫坐標表示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU o
$ G! J7 H' _( S" C根據(jù)動剛度計算公式 ： 計算出前十階
, ?  D, P1 i& ^4 a固有頻率對應的動剛度的值，見表1。
表1圓鋸片系統(tǒng)兩種狀態(tài)下的各階動剛度值計算表
固有頻率 幅階次 值 動剛度值 階次 固有頻率 幅值 動剛度值
: M5 e1 X* E/ j9 `6 f' k  hf(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
2 A8 o4 ?) v6 b& _: q$ p, H4 T7 l$ }1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O236
2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
! ]8 E6 y3 b' s8 A9 X" ~3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146
) Q8 n  k, L: G: o4 s' h+ X3 w3 g- Q6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
( g" ~& e* X$ R, e7 g% i# K2 I7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
. P2 h. U( ^6 {: q8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
: J; z) k6 Q0 x5 h9 b* }; ]! H1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
' }6 ~$ ~  L( M' {8 O% q) J& w懸掛自由系統(tǒng)中圓鋸片的動剛度值計算 安裝在 圓鋸機系統(tǒng)狀態(tài)下圓鋸片的動剛度值計算
/ L+ g* h: w2 X7 v8 e1 Y* n6 `4 結(jié)論與建議
4．1根據(jù)動剛度1／H1頻譜得知，動剛度頻譜是一
條隨頻率變化的曲線。某一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動剛度大，
; D" p% ]1 A" W1 {  c% R代表其振動響應小，即意味著該系統(tǒng)在單位力作
用下產(chǎn)生的變形就小。
4．2 表1表明，兩種狀態(tài)系統(tǒng)的第一階固有頻率
% A- @. I+ ]% o$ V! N, [所對應的動剛度值最大。其固有頻率的階數(shù)越大，
其動剛度值均呈依次減小的規(guī)律。
4．3 圖3、圖4頻譜中，當系統(tǒng)的激勵頻率與其
固有頻率發(fā)生耦合時，易發(fā)生共振現(xiàn)象，此時其
) D  N1 F5 ?! l/ ]( B) d: E動剛度值為最小，易產(chǎn)生變形。在木工圓鋸片的
/ `$ |2 f" B1 N8 Y設(shè)計及生產(chǎn)中，建議注重圓鋸片的固有頻率和動
9 ^7 U0 T: X; ^6 P3 ^; {# b9 k剛度動態(tài)參數(shù)特性問題，提高圓鋸片動剛度的值，
如在鋸切的時候，應盡量調(diào)整圓鋸機系統(tǒng)的振動
, f, Z( o8 [. L2 q3 |- T) x7 r頻率，使頻率接近動剛度值較大時的固有頻率，
這樣可以減少因圓鋸片的振動而帶來的損害，提
2 {! d+ `+ l: ?' q6 z0 B' P高其使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量等。
) o4 b- i. @- Y$ z9 H參考文獻
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6 D7 `! i1 F7 t! G/ N2 h; M( I: n擊》，20Q9，28(2)：124～127
第一作者：郝敬冬南京林業(yè)大學木材工業(yè)學院工業(yè)裝
6 x- G1 e" B  x6 x: m備與過程自動化專業(yè)090421班學生
. r/ R+ s$ v( S' u; b" v/ O通訊作者：王正南京林業(yè)大學木材工業(yè)學院高級工程師
6 v+ u" J/ I  V  W% p- F博士
% P0 D. z3 u8 C' S# g(投稿日期：2011．6．9)