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本帖最后由 baihanfeng 于 2014-1-15 10:37 编辑 ' ^( }2 z$ o( Y) j' a O2 }
+ ]4 L/ ~. Y, c0 C a% O
同行相互学习！
, C3 Q/ f0 q* L; d- ?! }" ? ' V9 B4 P+ K: H: N4 f+ @% E
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
6 L9 v9 t# K+ ]- V. NFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic/ y" B, Z* s, U* p' V( L
parameters of dynamic stifness8 a) }7 J9 B z- x+ H* }
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’1 s3 y( e7 [* {& m3 k9 R+ o9 u* |/ h
(南京林业大学木材工业学院南京210037)( T$ L; V0 X/ z4 W6 f. I. Y- x
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9 j2 f5 c' h5 \6 T) W a1 E8 n
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6 O$ N' O) Q% q+ f% A
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
! R, J" D6 y# _/ P1 i6 C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
# e s( l/ g( |7 q$ K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。
+ T. H* m% x# C E( Z关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
9 o; ~3 g$ c+ V% S8 x1 y/ M% F中图分类号：TS643, s' Y7 C! H- O( n. F
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
4 A6 r( p( O, Y! S! u! F, v. D普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
' Y# _ T4 b. O$ K+ o+ \9 d4 q( H染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增7 N' x( c$ |: g s% h
大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起/ A3 _) D c- _% W! u, ]
安全事故。在实际使用过程中，圆锯片的动态稳1 z# j5 y. M0 K) I/ J
定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题，有
3 U1 A$ O1 j& J; ?+ D% `1 L5 i必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特. P1 I/ Q$ `6 _! _/ K, I3 w
性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
~8 m- s" A9 q! V7 T, R2 N& l% W数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统0 h ?8 e6 j# O/ M
中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其( T! K ^ a/ G( A! i
在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单0 j" R) D) Y5 Q0 V4 s2 ?: u3 @
位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越4 T. {+ y9 Y3 X F1 Y
大，其抗变形能力就越大。因此，实际工作中，! O, R/ r6 _ k
对木工圆锯片的动刚度研究工作显得尤为重要。
# h0 x- r& [: T" {+ |2 W国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应2 Y) \6 s; I' t c6 _+ r0 t3 d
用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
. Q: |1 o! y# p- C% S m9 B# z构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
/ ~4 Y: K- T# L, ?' ^1 q学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号: p( u' E( s3 i: L
数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆7 c# _' p* H y/ E/ |6 B; w
锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
0 E$ a- p' W: E5 H( [; n- H分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，- _# h( c$ _* f" }8 ^' J) U* y& @
以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工6 N/ e8 }/ i5 _& v& r
圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆
W! W' E4 G$ V( c锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
" w3 e% Y0 S& s* I# j/ z鉴。
# r" ~, ~/ W/ s2 c, o3 T; T1 材料和仪器设备8 a+ U1 @% n" R) d$ i% g, H
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
- Z* w& O( F2 y4 h. Z用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽; m' i$ A& \7 m/ F+ x; _6 a
3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
; M5 w7 P: j" g0 G6 ^9 P! E转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
% G7 ?+ q- ?# ~( I) A; ~有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l( t: d2 U& d- \* g. ?+ O8 k
套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件0 N, M" _: D/ t; L k; H: c
及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限
* c: }& p( i" r( R' S! G$ Y* v+ M公司产的LC1301力锤l把，量程500N，包括
# c% a" B/ t- y% lCL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
p% ^; U. q" t. l) H" S' A选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器5 W7 Y; |; i7 ^2 Y/ D/ l* c9 l+ D
1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。9 A" \6 G, X1 b
2 测试原理与过程
: u5 E9 }% @9 V1 r' V" q# ]2．1测试原理
. {# e- }; l7 Y( b' C动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与- q Z7 S: `! I' ?
响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
( A, A- E- \1 K* ? g: m. v的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
9 \4 b! m7 i$ t% M与输入的傅里叶变换之比。主要测量原理是：通- P6 f; c6 {$ Y% ]
过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
+ Z; z- N1 x, x箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传: b% p& I+ w: o/ g5 {
感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产8 k8 ~# I1 V6 }% @. Y( {; u7 Q
生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受9 e4 L2 b# I, [1 I a) C9 H
力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
: d8 |7 l8 b' @: E) V; z滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
& E5 L* p; g5 J4 C5 K/ J9 n) t1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
& e, n( _5 [9 }( A1 @谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度4 L9 }) u$ `, h( q$ N" l1 W7 O
幅值。+ d. }6 E2 C7 `6 o7 R0 g
2．2测量过程
j( o$ n6 E2 ^7 Z7 c6 D- ?- }AdCras数据采集及处理参数设置：采样频率# I |7 a! B% V7 c6 A
1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为1 m7 J/ r/ T9 ^. U4 e0 {3 G
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
7 `2 J- M3 u& R3 ^- O' mStandard and test标准与检溺
4 I2 m, S% o0 a3 g* f+ @- y5 CSsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
" i2 F o- Q9 }5 C500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；: o# c: Z$ A( m
为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率* a- h0 R7 I! l6 i
上限，滤波频率设为1000Hz。% s m: r5 Q6 t0 c i; v
本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种; t: A8 @7 p) K; n3 D" W
不同状态下的圆锯片系统进行动刚度特性参数的
4 c, v# X; d: p' k) ^( m( c8 Y测量。试验中，力锤上安装橡胶头产生激励信号* D# f+ [9 f A- K7 n& f5 O
(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
2 X; d1 a! [: [: _# y! W8 P上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、( i! h& g/ a6 h) }$ B/ }2 G
图2。* c/ X' |4 } } @! z: K
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
; C0 b# W( t0 L图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图. ?! S& W( a& Y4 ]) ~ t# `5 V
实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
6 s' K# |& O% ^! p要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器2 ?: h, m* ^5 H2 V% V7 Q0 f
连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重" i. z9 P8 o2 F$ K, V, z
新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆
: b7 P- j0 m& ^4 z e9 s. f锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数; C! W$ _; h6 Q( U: j; S7 m
据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶+ s% h* v8 y B: C# x; t7 a* p
的动刚度幅值。( N+ D0 X- G' }9 w7 A
3 结果与分析
$ U* `( ~, a8 W/ C5 l木工机床2011 No．2& L6 |) M/ o' _ X# Y- R& [
3．1数据结果
" W& c' Z4 h3 E图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
' ^) o$ E, U' w' c以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
( G+ d4 y' c" P, E) F有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中9 z' X/ X6 F% q8 W" N
1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统) x: z, h9 k9 O: o0 ]$ A$ m3 f8 E
中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表# l% Q9 r% u! C: C6 W0 ?& W
示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。, S" l1 L {1 w
2 |! r$ {) l% k/ j; K. f k
3．2数据计算及分析
4 o% Y% n6 a% d通过分析圆锯片在两种不同状态下的1／H 频
6 E/ j0 z3 j1 m5 k4 k; Q. ^3 R; ?谱及测量数据(图5和图6)我们可以得出，动' r2 x' J- b7 l7 h0 P6 R
刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中% Z- T( z: ~& K& Y2 E6 N
的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o) x7 A; i$ p* J; A
根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
& I) @ \; G6 n- }$ i固有频率对应的动刚度的值，见表1。* h: O. I" R$ S; s
表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
& \3 ~1 z% E. D固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值% Q6 a5 y; d8 T; F j- n
f(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)+ U. K) V0 z | o. |; `$ a# e
1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O2363 W0 o9 i p! [
2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670, M! y$ K& ~: B0 V5 D
3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370# w+ l5 `5 }# D6 P: O
4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
! O4 }% t& d v+ S5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．001464 G* \1 B7 X8 D" ^* Z
6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137; {3 D, C" w' H
7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
# J. r5 q l b2 K% V8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519+ S( X7 n3 Y* Z& e0 G
9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314- O. n8 j- S% [/ _( @7 B" |8 T: R
1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
. Z$ P& M! @$ }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* K7 M7 F& D+ W9 @, L2 x" y& I. N) w* I
4 结论与建议* P! H3 W; f0 z$ N5 u2 o$ f j! R
4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一
$ G- ?7 B5 b2 f7 |0 Y6 [条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，+ U3 F1 k; N$ z6 d1 |6 l/ s
代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作( S( g, V4 k" i( U
用下产生的变形就小。
1 D, |0 A4 e* s& H0 x4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率% r# w; c/ r0 R" i' C; k
所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
: `3 `4 X Y) n" S9 a/ N1 B其动刚度值均呈依次减小的规律。
6 F7 G; s' n- l9 b4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其- u0 m" R3 z: N8 J) C
固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其' g8 I, u9 p$ M o$ @4 d7 \, X
动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的# ~% Y# k4 Z' [4 b/ I
设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动0 U# F4 @6 X, X+ g+ ?; C
刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
1 {' z* u! Z9 x0 s: B9 L& P如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动8 E, F* a6 v- s) a( U2 `( G
频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
+ R- j; y3 T2 C) v0 Y6 t! q这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
" A0 C% G: i6 h5 f1 H/ G1 @高其使用寿命和产品质量等。
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击》，20Q9，28(2)：124～127
" N& w6 ?7 {2 D4 |$ j& V9 \, j( z* Q第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
+ \+ G+ Z" i* u0 p备与过程自动化专业090421班学生' @9 T4 S* \0 X8 b# Y) D1 I# W
通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
" b3 O. G/ B3 K博士0 ]3 C% Q M- p9 R) @9 r) c
(投稿日期：2011．6．9) |
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发表于 2014-1-15 10:37:22