對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析

baihanfeng

, X  W7 m- A3 A% O! {同行相互學習！

對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析
For woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
parameters of dynamic stifness
郝敬冬王正 韓江梁金輝 ’
(南京林業大學木材工業學院南京210037)
: i) k9 p- L+ u3 E0 X9 O  R! w摘要：基于滿足木工圓鋸片優化設計與應用，提高對木工圓鋸機及圓鋸片系統的動態特性檢測
: _2 p! _' d5 k+ H. F/ o, ?水平等需要。本文依據結構動力學原理，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
上兩種支撐方式的木工圓鋸片，進行其系統的動剛度特性參數進行測量。結論表明，圓鋸片系統動剛
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；某一系統的動剛度
大，代表其振動響應小，即意味著該系統在單位力作用下產生的變形就小。
/ b/ g, ^. C6 [/ k3 _關鍵詞：木工圓鋸片；頻響函數；動剛度；試驗；分析
2 D$ o0 {. ], i0 _, U" m, t中圖分類號：TS643
在木工機械行業，木工圓鋸片在鋸切過程中，
& X! h  X8 A4 q# R9 V) U5 ?3 T4 h普遍存在機械振動問題。振動不僅會產生噪聲污
& z* J& ]/ x, s5 o5 K: t染、縮短圓鋸片的使用壽命、降低鋸切質量、增
/ n; A) L1 n1 O大鋸路，還會加劇圓鋸片的變形失效，甚至引起
3 L' T( q1 t" i4 f: ~1 M安全事故。在實際使用過程中，圓鋸片的動態穩
定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題，有
# c" a3 e  u/ j必要對其振動特性進行研究。機械系統的振動特
7 O/ D- n  ?2 C5 l4 I2 w& G性，主要決定于系統本身的慣性、彈性和阻尼參
數。圓鋸片系統的動剛度為其線性定常機械系統
中激勵力相量與響應的加速度向量之比，反映其
" e- T+ h+ X: E6 t5 g; T$ @7 T- d- x在特定的動態激擾下抵抗變形的能力，即引起單
位振幅所需要的動態力。圓鋸片系統的動剛度越
+ w$ q/ q+ a7 U大，其抗變形能力就越大。因此，實際工作中，
+ g, Y% l# |4 u  s對木工圓鋸片的動剛度研究工作顯得尤為重要。
國內外同行對圓鋸片的動剛度特性的基礎應
用研究成果較多，但主要集中在改變諸如鋸身結
( R! G! @2 y1 w6 y構，如減振槽、卸荷槽等方面，本課題以結構力
" y0 A- h. L" a; \" ]1 T7 D/ G- l學和機械振動機理為基礎，利用先進的振動信號
: K5 q& t. q/ ~7 W: w; p$ G數據采集與分析測量系統，對木工圓鋸片及其圓
鋸片系統的動剛度(或動柔度)進行測量及相關
分析，并通過其模型計算，驗證它們的相關性等，
以期通過理論計算與試驗驗證分析，達到對木工
5 E. u* y$ e5 C圓鋸片的事先優化設計目的，同時對提高木工圓
鋸機及圓鋸片的綜合動態特性檢測水平提供借
- _! d# ?# K+ K鑒。
1 材料和儀器設備
本文試驗設備為500mm萬能木工圓鋸機，使
用的木工圓鋸片主要參數：外徑300mm、齒寬
3．2mm、齒厚2．2ram、內徑30mm、齒數96、最高
1 h8 n; d% I6 g& q0 u6 n7 b: t轉速6800r／min；其測量儀器為南京安正軟件工程
有限公司產的振動及動態信號采集分析系統l
" ?, A# N: L) X/ Q; l套，包括調理箱、采集箱、信號與數據分析軟件
  r5 \. E8 ?4 y/ P/ V9 Y1 G及計算機，并主要配置：江蘇聯能電子技術有限
) o9 n" e1 P7 y0 Y* S公司產的LC1301力錘l把，量程500N，包括
CL—YD一303型力傳感器1把，靈敏度3．89pc／N，
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，質量4g。
$ h, B4 c( x9 d: B% I1 T8 E# X2 測試原理與過程
! z2 B6 E0 d/ K8 |, V( j2．1測試原理
動剛度為線性定常機械系統中激勵力向量與
; z& h0 Q# g. W5 p$ j& i4 ]響應的加速度向量之比。本試驗采用機械動力學
3 M  O, W9 I! C2 a+ z) `. ?的瞬態激勵法，其頻響函數為輸出的傅里葉變換
與輸入的傅里葉變換之比。主要測量原理是：通
* H5 J- c% B& M1 E% m過實現圓鋸片測試系統的動態信號調理箱和采集
. ^. e+ Z6 H! B4 U# x, ^" ~7 V箱上的雙通道(CHI為力通道，CH2為加速度傳
感器通道)的測量連接，再敲擊圓鋸片，使其產
生橫向自由振動，通過加速度傳感器接受機械受
力信號并將其變為電信號，再經信號調理儀放大、
濾波后，對其進行信號的A／D 集及譜分析，從
1／H 頻譜中可得出圓鋸片系統的階次頻響函數
譜、一條隨頻率變化的動剛度曲線和階次動剛度
幅值。
: H6 u) {* h7 ]3 B1 ~2．2測量過程
AdCras數據采集及處理參數設置：采樣頻率
1000Hz；CH1單位設為(N)、CH2單位設為
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
Standard and test標準與檢溺
, r6 H  K: B5 mSsCras信號與系統分析參數設置：分析頻率為
500Hz，頻響函數類型為1／Ht，頻譜類型為線性譜；
( ~( ]7 V- R/ }6 e為防止頻率混迭，本試驗選擇低通濾波器的頻率
% p, y) L0 }1 n9 \- K4 s上限，濾波頻率設為1000Hz。
( z1 l) Q1 [2 Y* @% T/ Q) q7 G本試驗對在自由懸掛和安裝在圓鋸機上兩種
不同狀態下的圓鋸片系統進行動剛度特性參數的
8 m# r; A+ |- }7 p; k0 H測量。試驗中，力錘上安裝橡膠頭產生激勵信號
(CH1)；將1只加速度傳感器牢固安裝在圓鋸片
' a: Z( C7 k) b  k$ w. @上，接受響應信號(CH2)。其試驗框圖見圖1、
圖2。
圖l 圓鋸片系統自由式懸掛狀態動剛度試驗框圖
. g: `% n/ p$ z0 |3 F+ l# g4 e圖2 安裝在圓鋸機系統上測量圓鋸片動剛度框圖
/ I* _! T. h, ?7 D8 z實測前，進入示波方式，每敲擊圓鋸片一次后
! `* K2 Z% }- z) ^要等待鋸片穩定后再進行第二次敲擊，檢查儀器
* ~) M& l8 L( B* y. L& }連接線是否接通，波形是否合理等，不合理時將重
新設置之；正式測量時，用帶塑料頭的力錘敲擊圓
鋸片，激起圓鋸片系統振動，以觸發方式采集數
據，進行動態信號頻譜分析，由此得到系統各階
的動剛度幅值。
3 結果與分析
木工機床2011 No．2
/ a. x; w1 ~$ x' t3．1數據結果
2 M0 W, v' d7 B4 A, K+ [圖3為懸掛系統中圓鋸片的固有頻率頻譜圖
6 A0 Z6 J( x. w. Q以及測量數據；圖4為固定在圓鋸機系統中的固
. \3 @5 \% o0 P  Q9 g有頻率頻譜圖以及測量數據；圖4為懸掛系統中
* O6 U* g+ W) S1 I/ a. Y  o7 Y1／H 頻譜及測量數據；圖6為固定在圓鋸機系統
中1／H 頻譜及測量數據；1／H 頻譜中的橫坐標表
示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU)。
, |. D% {& `/ N! ~5 I- e, T" R# r
3．2數據計算及分析
通過分析圓鋸片在兩種不同狀態下的1／H 頻
譜及測量數據(圖5和圖6)我們可以得出，動
" I, a0 d8 g3 I8 q$ J6 F+ t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
根據動剛度計算公式 ： 計算出前十階
/ g+ ?( [+ b/ U/ H5 s固有頻率對應的動剛度的值，見表1。
表1圓鋸片系統兩種狀態下的各階動剛度值計算表
: R0 u: K& e0 \( B7 m2 r0 L固有頻率 幅階次 值 動剛度值 階次 固有頻率 幅值 動剛度值
f(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
7 a" e1 k! N! c. Z/ J$ G( x+ o1 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
3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
; y& o+ x4 ~# O- N1 ?, J9 |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
6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
$ P- I  v  N# T' A/ m7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
. J2 F. E8 Y6 e7 K" ^. x$ W8 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
1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
& m3 X- j; ], g懸掛自由系統中圓鋸片的動剛度值計算 安裝在 圓鋸機系統狀態下圓鋸片的動剛度值計算
- V$ |5 I3 [& o/ d) c4 結論與建議
' L' r' s6 \9 c6 _$ G4 j4．1根據動剛度1／H1頻譜得知，動剛度頻譜是一
條隨頻率變化的曲線。某一結構系統的動剛度大，
" A9 O* k6 M- |* a  Z5 K; k. x代表其振動響應小，即意味著該系統在單位力作
" p. l! b4 K8 M* y# A用下產生的變形就小。
4．2 表1表明，兩種狀態系統的第一階固有頻率
. |1 N, \; W5 v9 a  w% h) u, |所對應的動剛度值最大。其固有頻率的階數越大，
0 h0 D6 s" e0 |- P/ {) }6 Y9 z+ X其動剛度值均呈依次減小的規律。
' z& x! R8 U: ?2 b6 B: s4．3 圖3、圖4頻譜中，當系統的激勵頻率與其
2 X4 i& O6 N7 g" G" x固有頻率發生耦合時，易發生共振現象，此時其
動剛度值為最小，易產生變形。在木工圓鋸片的
+ y+ O- D& p4 z7 Y" V7 h  Q設計及生產中，建議注重圓鋸片的固有頻率和動
剛度動態參數特性問題，提高圓鋸片動剛度的值，
如在鋸切的時候，應盡量調整圓鋸機系統的振動
8 |0 L* ~" o6 y2 S頻率，使頻率接近動剛度值較大時的固有頻率，
8 t+ m* p* X) o. v: u這樣可以減少因圓鋸片的振動而帶來的損害，提
高其使用壽命和產品質量等。
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0 Z' @# H& I% y- @/ f* D擊》，20Q9，28(2)：124～127
: g1 m1 Z& U5 j! R: p0 {4 c第一作者：郝敬冬南京林業大學木材工業學院工業裝
2 Q# m% I& a1 O) C0 {" D& W2 J備與過程自動化專業090421班學生
通訊作者：王正南京林業大學木材工業學院高級工程師
. i) Y# L3 p4 E/ u0 X; K博士
7 x3 R9 d. E3 b& I4 \(投稿日期：2011．6．9)