對(duì)木工圓鋸片系統(tǒng)動(dòng)剛度特性參數(shù)的試驗(yàn)分析

baihanfeng

% C/ Q5 B  V/ ~# h  Y# P* T
同行相互學(xué)習(xí),！

% k! \) x( a, c8 o' r, p對(duì)木工圓鋸片系統(tǒng)動(dòng)剛度特性參數(shù)的試驗(yàn)分析
. Z, U  d- {9 a# W, bFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
, H, u% L( m  ~$ \  O4 nparameters of dynamic stifness
: P3 S; O' j* z! F郝敬冬王正 韓江梁金輝 ’
6 V# m+ h; p6 p, P(南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院南京210037)
摘要：基于滿足木工圓鋸片優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用,，提高對(duì)木工圓鋸機(jī)及圓鋸片系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)
水平等需要,。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理,，采用隨機(jī)激勵(lì)振動(dòng)測(cè)量法,，分別對(duì)自由懸掛和安裝在圓鋸機(jī)
上兩種支撐方式的木工圓鋸片,，進(jìn)行其系統(tǒng)的動(dòng)剛度特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,。結(jié)論表明,，圓鋸片系統(tǒng)動(dòng)剛
0 |: b; g) E8 V! T  e度頻譜為一條隨頻率變化的曲線，且有多個(gè)峰值,，每個(gè)峰值處動(dòng)剛度值相對(duì)較大,；某一系統(tǒng)的動(dòng)剛度
大，代表其振動(dòng)響應(yīng)小,，即意味著該系統(tǒng)在單位力作用下產(chǎn)生的變形就小,。
關(guān)鍵詞：木工圓鋸片；頻響函數(shù),；動(dòng)剛度,；試驗(yàn)；分析
中圖分類號(hào)：TS643
! `6 y0 @# O$ V/ c( M7 n0 Z- q在木工機(jī)械行業(yè),，木工圓鋸片在鋸切過(guò)程中,，
2 P& H; z* V3 P" d) w: y! K普遍存在機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題,。振動(dòng)不僅會(huì)產(chǎn)生噪聲污
; l  f7 u! j! j9 c染、縮短圓鋸片的使用壽命,、降低鋸切質(zhì)量,、增
- A$ |$ Q* d; O# ~大鋸路，還會(huì)加劇圓鋸片的變形失效,，甚至引起
安全事故,。在實(shí)際使用過(guò)程中，圓鋸片的動(dòng)態(tài)穩(wěn)
; o7 w- [1 N8 {, t) W' k) b% e) H+ q; o定性問(wèn)題是一個(gè)不容忽視的普遍存在的問(wèn)題,，有
必要對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行研究,。機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特
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(dòng)剛度為其線性定常機(jī)械系統(tǒng)
中激勵(lì)力相量與響應(yīng)的加速度向量之比，反映其
/ _; a( Y8 k- F, C$ g在特定的動(dòng)態(tài)激擾下抵抗變形的能力,，即引起單
位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力,。圓鋸片系統(tǒng)的動(dòng)剛度越
0 s; |, q  r+ C* {! j大，其抗變形能力就越大,。因此,，實(shí)際工作中，
9 H2 {; ~% B/ s, u對(duì)木工圓鋸片的動(dòng)剛度研究工作顯得尤為重要,。
% K. M3 [. V2 Z, f$ O% h國(guó)內(nèi)外同行對(duì)圓鋸片的動(dòng)剛度特性的基礎(chǔ)應(yīng)
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
4 c! G9 N; O% v- g2 ~學(xué)和機(jī)械振動(dòng)機(jī)理為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的振動(dòng)信號(hào)
( @- C7 g0 R2 w7 d9 c數(shù)據(jù)采集與分析測(cè)量系統(tǒng),，對(duì)木工圓鋸片及其圓
鋸片系統(tǒng)的動(dòng)剛度(或動(dòng)柔度)進(jìn)行測(cè)量及相關(guān)
分析,，并通過(guò)其模型計(jì)算，驗(yàn)證它們的相關(guān)性等,，
! ?5 v+ t4 x% `3 I  w6 L7 u以期通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證分析,，達(dá)到對(duì)木工
2 H8 t& S+ E7 [: L圓鋸片的事先優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，同時(shí)對(duì)提高木工圓
- T# e! d  o/ D2 }鋸機(jī)及圓鋸片的綜合動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)水平提供借
. i- P( p# y" }鑒,。
6 e5 _, H, O* n* A' \1 材料和儀器設(shè)備
& Z& v! u# H3 R, e本文試驗(yàn)設(shè)備為500mm萬(wàn)能木工圓鋸機(jī)，使
8 ]" K- W) w8 l( C: O* b; s2 T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(cè)量?jī)x器為南京安正軟件工程
有限公司產(chǎn)的振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)l
- T! s1 u! R$ l* ?套，包括調(diào)理箱,、采集箱,、信號(hào)與數(shù)據(jù)分析軟件
及計(jì)算機(jī)，并主要配置：江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限
公司產(chǎn)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(zhì)量4g,。
: W# f+ _* g  L6 e- K, n6 L" k% s2 測(cè)試原理與過(guò)程
2．1測(cè)試原理
6 X0 ?/ `" q1 g6 m動(dòng)剛度為線性定常機(jī)械系統(tǒng)中激勵(lì)力向量與
. _( U; l! D# i3 ^% m響應(yīng)的加速度向量之比。本試驗(yàn)采用機(jī)械動(dòng)力學(xué)
的瞬態(tài)激勵(lì)法,，其頻響函數(shù)為輸出的傅里葉變換
與輸入的傅里葉變換之比,。主要測(cè)量原理是：通
過(guò)實(shí)現(xiàn)圓鋸片測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信號(hào)調(diào)理箱和采集
箱上的雙通道(CHI為力通道，CH2為加速度傳
感器通道)的測(cè)量連接,，再敲擊圓鋸片,，使其產(chǎn)
生橫向自由振動(dòng)，通過(guò)加速度傳感器接受機(jī)械受
力信號(hào)并將其變?yōu)殡娦盘?hào),，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理儀放大,、
6 o* l1 j. ?& f濾波后，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)的A／D 集及譜分析,，從
' M9 u$ V& Y* P5 c# ?1／H 頻譜中可得出圓鋸片系統(tǒng)的階次頻響函數(shù)
譜,、一條隨頻率變化的動(dòng)剛度曲線和階次動(dòng)剛度
  K) y. @1 C4 w! e: S% V3 C) P幅值。
+ B. X4 J- c! D, ~4 t" j2．2測(cè)量過(guò)程
AdCras數(shù)據(jù)采集及處理參數(shù)設(shè)置：采樣頻率
1000Hz,；CH1單位設(shè)為(N),、CH2單位設(shè)為
( f, c# N7 S/ {, v(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍,。
5 l, X# D4 A7 Q9 @6 ?% {* \Standard and test標(biāo)準(zhǔn)與檢溺
SsCras信號(hào)與系統(tǒng)分析參數(shù)設(shè)置：分析頻率為
7 ]% {) ~8 I5 u. o% o# v500Hz,，頻響函數(shù)類型為1／Ht，頻譜類型為線性譜,；
  G2 c4 g! J8 i3 |! k( ]& t為防止頻率混迭,，本試驗(yàn)選擇低通濾波器的頻率
2 g! T. I$ K  K上限，濾波頻率設(shè)為1000Hz,。
本試驗(yàn)對(duì)在自由懸掛和安裝在圓鋸機(jī)上兩種
7 I" o) f7 [8 _# @/ j" I. j不同狀態(tài)下的圓鋸片系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)剛度特性參數(shù)的
7 D6 E- q' w( C6 ^4 V- z1 `測(cè)量,。試驗(yàn)中，力錘上安裝橡膠頭產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)
; N1 C' k4 f3 E* H( A(CH1),；將1只加速度傳感器牢固安裝在圓鋸片
上,，接受響應(yīng)信號(hào)(CH2),。其試驗(yàn)框圖見(jiàn)圖1、
圖2,。
" W( o( Y1 L  G/ _# F* ^+ T- }0 T/ e# R圖l 圓鋸片系統(tǒng)自由式懸掛狀態(tài)動(dòng)剛度試驗(yàn)框圖
& A" Z0 J+ |8 i$ ~! B7 B$ f; ^圖2 安裝在圓鋸機(jī)系統(tǒng)上測(cè)量圓鋸片動(dòng)剛度框圖
實(shí)測(cè)前,，進(jìn)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(jìn)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(shí)將重
新設(shè)置之,；正式測(cè)量時(shí),，用帶塑料頭的力錘敲擊圓
8 N' Y* j' b0 c* ^鋸片，激起圓鋸片系統(tǒng)振動(dòng),，以觸發(fā)方式采集數(shù)
據(jù),，進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)頻譜分析，由此得到系統(tǒng)各階
的動(dòng)剛度幅值,。
3 結(jié)果與分析
) v" }- H' y( G+ m# ?* C; Z木工機(jī)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
$ r$ j, V5 ~5 b  E5 c+ `3 b以及測(cè)量數(shù)據(jù),；圖4為固定在圓鋸機(jī)系統(tǒng)中的固
有頻率頻譜圖以及測(cè)量數(shù)據(jù)；圖4為懸掛系統(tǒng)中
1／H 頻譜及測(cè)量數(shù)據(jù),；圖6為固定在圓鋸機(jī)系統(tǒng)
9 `$ D% n, ^' T$ Q中1／H 頻譜及測(cè)量數(shù)據(jù),；1／H 頻譜中的橫坐標(biāo)表
示頻率(Hz)，縱坐標(biāo)表示振幅(EU),。

2 g' P( h; R5 Q8 M, i; ^. W. Q3．2數(shù)據(jù)計(jì)算及分析
通過(guò)分析圓鋸片在兩種不同狀態(tài)下的1／H 頻
' ~' Y7 V7 P9 x  s譜及測(cè)量數(shù)據(jù)(圖5和圖6)我們可以得出,，動(dòng)
剛度頻譜是一條隨頻率變化的曲線。1／H,。頻譜中
的橫坐標(biāo)表示頻率(Hz),，縱坐標(biāo)表示振幅(EU o
根據(jù)動(dòng)剛度計(jì)算公式 ： 計(jì)算出前十階
固有頻率對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度的值，見(jiàn)表1,。
表1圓鋸片系統(tǒng)兩種狀態(tài)下的各階動(dòng)剛度值計(jì)算表
固有頻率 幅階次 值 動(dòng)剛度值 階次 固有頻率 幅值 動(dòng)剛度值
( R; l# e6 l* x2 x# }7 Zf(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
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
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
. e, q+ ?7 |& D. t5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146
' E% [4 P; [  b# ?$ b  ?6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
3 f; L& u+ k! Z: m4 h# a7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
& k6 v2 E# r5 M- p8 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
; T( f/ W0 v  R1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
" T# |6 y3 c3 I2 h懸掛自由系統(tǒng)中圓鋸片的動(dòng)剛度值計(jì)算 安裝在 圓鋸機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)下圓鋸片的動(dòng)剛度值計(jì)算
0 F# p: S5 e- ^. g' Q$ ^% k  i4 結(jié)論與建議
  T6 \6 k! a& s- C$ I4．1根據(jù)動(dòng)剛度1／H1頻譜得知,，動(dòng)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(dòng)剛度大,，
; r4 |! N4 E9 k0 ^  @* G代表其振動(dòng)響應(yīng)小,，即意味著該系統(tǒng)在單位力作
2 m& q' u+ c* x2 O/ _, g; J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
所對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度值最大,。其固有頻率的階數(shù)越大，
其動(dòng)剛度值均呈依次減小的規(guī)律,。
4 N: F- h  M# m3 j4．3 圖3,、圖4頻譜中，當(dāng)系統(tǒng)的激勵(lì)頻率與其
$ h& e( K# K. ~7 X2 H6 t固有頻率發(fā)生耦合時(shí)，易發(fā)生共振現(xiàn)象,，此時(shí)其
- y' M: k9 f! G動(dòng)剛度值為最小，易產(chǎn)生變形,。在木工圓鋸片的
設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中,，建議注重圓鋸片的固有頻率和動(dòng)
剛度動(dòng)態(tài)參數(shù)特性問(wèn)題，提高圓鋸片動(dòng)剛度的值,，
如在鋸切的時(shí)候,，應(yīng)盡量調(diào)整圓鋸機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)
頻率，使頻率接近動(dòng)剛度值較大時(shí)的固有頻率,，
: p  N+ k6 R% s5 ~& E這樣可以減少因圓鋸片的振動(dòng)而帶來(lái)的損害,，提
高其使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量等。
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第一作者：郝敬冬南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院工業(yè)裝
  E  W) W; ^, A備與過(guò)程自動(dòng)化專業(yè)090421班學(xué)生
通訊作者：王正南京林業(yè)大學(xué)木材工業(yè)學(xué)院高級(jí)工程師
0 y* W! T5 B& d: a: A博士
(投稿日期：2011．6．9)