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本帖最后由 baihanfeng 于 2014-1-15 10:37 编辑 . n: L. u5 G! B$ p0 L' f, b5 a
% n* b4 f4 }% f' t同行相互学习！/ }2 e% n6 a2 [. L% a" t
2 q9 U r" Z& K
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
9 {4 L( N0 `# }) MFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
/ W# {7 r1 f8 p: u! {parameters of dynamic stifness% Z& o* d3 b* U4 T' ^) ? V/ I
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
2 A* P ^8 U5 `5 C3 |(南京林业大学木材工业学院南京210037); }. c% R+ I# \# l- Z( P
摘要：基于满足木工圆锯片优化设计与应用，提高对木工圆锯机及圆锯片系统的动态特性检测8 x4 k# z' [ I S& o
水平等需要。本文依据结构动力学原理，采用随机激励振动测量法，分别对自由悬挂和安装在圆锯机% r" D- p9 y0 X- Y# ]. I2 m3 Q
上两种支撑方式的木工圆锯片，进行其系统的动刚度特性参数进行测量。结论表明，圆锯片系统动刚' }# d' C ?: z; b* d! D
度频谱为一条随频率变化的曲线，且有多个峰值，每个峰值处动刚度值相对较大；某一系统的动刚度& [8 e# q* U, a: W' i* s9 H* R
大，代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作用下产生的变形就小。. |5 {$ u q n
关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
6 x1 M9 S! u5 H6 b% A中图分类号：TS643: y6 X5 K* s/ x \2 f0 Q
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，0 m, T8 Z( L8 B
普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污! B! }2 K' B9 z9 }) ]& B
染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增8 G, Z" K4 }0 M% W
大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起" g0 I7 u6 `$ Q" g3 W# w
安全事故。在实际使用过程中，圆锯片的动态稳: }3 y* R' E* h
定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题，有
# a. Z! R* j$ F9 ]% y1 a% r7 ~5 h- t必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特7 o( o% J+ ~1 g! H3 v( u1 J" l
性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参1 N( S# n7 R3 N- L" u8 M- ?
数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统# a+ L' G8 C; }
中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其- P) P W/ `" r" b5 c+ H$ x# C
在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单* A. P2 e- ]% E
位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越
6 U; m0 X. }+ K大，其抗变形能力就越大。因此，实际工作中，
, c& `6 m4 [+ q0 e7 S& S对木工圆锯片的动刚度研究工作显得尤为重要。
2 l9 F8 ^3 X" n& `- U国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应* Q) G" \( {* ^( o. u$ K
用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
8 l. I& _: H+ c" Q构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
+ c; y5 i- u4 E% d学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
4 c; N7 {' E+ w) A6 z4 o0 S数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
7 b, z( P+ t4 P1 v锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
& S+ ~8 F& H8 E5 X7 `分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，% U5 h+ R+ W+ T& j3 y1 h
以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工9 u6 p$ r% J# y( O3 x1 f" P
圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆9 N8 Q5 [! C+ W4 d4 I! V7 P
锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
2 q6 \ f- C2 w鉴。& V* F9 o. D& D5 b: R& V; v9 u
1 材料和仪器设备
$ X. k5 q- G7 m本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
& c2 L5 k1 A& {' R0 R4 R用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽9 z+ J: ~9 A' M8 x6 y2 p
3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
$ C, T. Z1 j1 m) m$ V转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程) w" f8 O* k m9 L1 \% X: E2 W
有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l. w3 A9 [; Y( ?; x+ M
套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件# R q5 ~8 s8 Y4 V: n% N
及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限6 X+ g5 X; u# s9 L: Q
公司产的LC1301力锤l把，量程500N，包括
7 B) F( r1 E/ k" z8 E, |CL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
* E. J, }; k& N" I, l9 Z选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器
9 q( [! s" | ]( Q" G; S$ C" ]1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。3 u, }' H3 z9 I: N' h, |( q1 J
2 测试原理与过程/ D( F z* g" V( [5 C* m9 t
2．1测试原理
8 k1 m0 {6 K9 x) K* v动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
0 S2 [ p C! A4 ~响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学8 j3 ^) v& U, L K
的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
8 f" A# i& [6 Q( U5 W; @7 [. ?与输入的傅里叶变换之比。主要测量原理是：通
3 h4 U- x7 ~5 M/ m过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
# Z* S; t' }* J+ W0 L7 k2 g5 _箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传
S$ @" t5 W3 Y+ J% X, e( v. Q- X0 V感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产0 A: I' O% s" f% g7 K1 a" o
生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
. M2 ^- a9 t5 G力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
. B( H# }5 ^9 f8 S滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
6 J" N+ {5 v. P5 y% G1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
" i8 P& ?. Z- N0 i0 ~9 U谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
& F+ L/ P, E% L! t$ W9 W' H# }( G幅值。3 r3 q$ }" [# v! A- t( N
2．2测量过程+ @2 V! M2 Y, }# T8 u* M9 i
AdCras数据采集及处理参数设置：采样频率! y' Q$ w# c; S& Z/ H+ o
1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为, T+ b; F( }5 |' D9 `: [2 s7 F
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
+ l% Q- s$ N, ^! J: OStandard and test标准与检溺
! w% A- i/ V$ u! S8 p+ ~. HSsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
* l8 ?. s* M# f1 }2 q6 h7 v500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
' |8 X" R' L& u% k' o. G为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率- L8 x# l' F6 P; V
上限，滤波频率设为1000Hz。
9 Z; i( m2 C8 O本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
/ f& p- Z( {+ B不同状态下的圆锯片系统进行动刚度特性参数的
* ~: m$ ^/ ]! ^+ W8 y" Q测量。试验中，力锤上安装橡胶头产生激励信号
5 e* r& p$ O( w. d(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
$ k# I4 K* g- B4 D9 V上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、$ g0 R0 b2 h G& ?% _9 P4 M9 h
图2。( J1 J' Y: ~9 b! t
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图- Z! G* B4 \% ^7 u' e0 @
图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图# z' Y% z0 E6 F# J6 Y3 y+ s* v
实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
+ O; k# j3 `* ~ S1 {+ j* N要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器0 `$ ~4 T' m; Z _/ N
连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重3 h8 J: D7 u* D! z% _1 X
新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆- S( j5 s1 N; I5 H! @
锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
, ` M$ ?7 f7 o2 x+ H3 D# x9 Y据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
0 X7 K- G+ S4 D3 t8 U# R的动刚度幅值。+ G# j4 S2 q- h$ ]( U/ l, v
3 结果与分析+ \6 q: x$ }0 I4 H
木工机床2011 No．2
& c0 z) n. V/ B" m2 D3．1数据结果
$ N+ D9 X$ t% v8 ^! w& J4 D- t7 v图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
# i1 R- h- Y4 y, c5 O% c s5 Z# L以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固# d5 G4 b3 M* U
有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中 t( m# l& y: O* ~8 V8 b
1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
3 d6 C5 S4 ~7 I2 A* K5 Y中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表
- e- d7 v% e4 |$ w. g示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。/ F% u8 G9 j2 \9 j
2 N# l* j* W& a% h
3．2数据计算及分析) M" \! [7 q$ Z/ @( `: v5 F+ H& B
通过分析圆锯片在两种不同状态下的1／H 频
+ F8 D8 ?" [$ e: \8 u* ~谱及测量数据(图5和图6)我们可以得出，动0 F7 _6 b- ]5 {2 [9 ^
刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中9 z1 s) H, Q$ [
的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o+ V. E. a! V# X6 p
根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
5 ^1 q; Y8 y4 ? n& R. j9 J固有频率对应的动刚度的值，见表1。( `! y2 Z5 W" H: k; R& U# ]
表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
" G& m! Z( ]6 G7 I* d2 j固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
3 q" t! {% z' d" p% mf(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)( d; e$ C h0 S+ A( n5 ^
1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O236: C( z( n+ ]; K4 L" d7 g9 }9 \8 y
2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
" s9 `& r7 r- [' _- K/ {3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
0 ~ w. m$ J$ N& q0 S4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
; t [; q# V2 x4 n5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146, r; T% f" w* d8 x
6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
' A$ Z, h8 `! _7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．0009319 w4 V @' V- o0 n
8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519( L/ w. O) n; G6 l5 z% {
9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
4 \- A$ J2 S: _/ G& @2 _8 ]( W1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
- \' X8 j: s( G% n3 T5 G' }( {悬挂自由系统中圆锯片的动刚度值计算 安装在 圆锯机系统状态下圆锯片的动刚度值计算6 w+ M4 [' z+ Z( H
4 结论与建议- X6 v3 ?, A, F j( \1 G
4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一& q$ l5 J+ O8 r3 k% j1 u. v: q
条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
' q6 O4 G9 c5 i: J, t# T$ R4 C6 a代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作( H6 m5 o" C) o/ B$ [
用下产生的变形就小。
% x0 ]+ I5 G0 c$ G& } D0 j% j4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率% `- ?3 E! f: C8 w
所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，# Q$ N# ] l) E' Z; d# F
其动刚度值均呈依次减小的规律。
7 i; q: m8 g+ A( N- v4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
+ H% ?6 m9 h7 n. R7 i固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其. }4 W+ ~5 w' m/ H
动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的3 s* @/ b$ @( E4 V
设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
0 D+ u2 o) R s8 g7 H$ a4 X: F$ ?刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
; O: z$ B) p/ ?如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动( s/ d `3 X+ m- |" t, m# I
频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
9 `7 J( n* r2 t% Y, m" E6 p3 Y这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
: A' P, P' D& j+ `7 [高其使用寿命和产品质量等。$ n4 ^. M, ^2 X* ]2 |! [0 Y. ^ |
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击》，20Q9，28(2)：124～127
: _" ]- r- T8 I3 l4 y, l第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
- ]& [& B. O, s1 h: Q& W( \备与过程自动化专业090421班学生! \$ K9 G* I* H" k1 z3 y$ m
通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
7 k) w. I" Z1 S$ D. B6 K) x博士+ T& w. G; ]& e) M" Q" w) S4 v
(投稿日期：2011．6．9) |
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发表于 2014-1-15 10:37:22