对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

  v+ N' _' f% H- Q8 m& M+ r+ D同行相互学习！
9 a- g, Q: d% B9 t" m
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
+ B: i$ O) R7 U7 _' _4 o1 hFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
1 i0 O% a$ E4 @1 Y2 Tparameters of dynamic stifness
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
8 |( a% C/ [! v- G9 Q(南京林业大学木材工业学院南京210037)
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
. U! l% B+ n" S3 a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
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
1 ]' `4 \3 p) p2 _0 ?0 G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
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。
3 A$ s6 J/ C$ e& B! x关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
- u, U9 U/ @3 W# q; v中图分类号：TS643
, d4 c2 H$ Y. D2 K% d( b% e在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
- y/ s) i/ B2 V! l, b3 O: s普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
' }# [* o% l! _+ o6 d; N! {染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增
大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
安全事故。在实际使用过程中，圆锯片的动态稳
定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题，有
' J3 V' A. A7 b/ D9 P必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
' ~0 j7 n; }3 R% f' k性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
+ @4 Z3 X' J2 t. N) a2 |3 b数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统
  {- t3 K. D" N+ G3 r中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其
1 G  I$ N5 u- V  ?在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单
! ^, i; Q6 Q7 N+ B0 V位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越
大，其抗变形能力就越大。因此，实际工作中，
对木工圆锯片的动刚度研究工作显得尤为重要。
国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应
2 Z6 J1 `4 F- [9 `. c. N) p用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
) E: A% ^1 R- e% w1 |7 a! x  P, m构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
: b3 }, ?5 t* J- A1 r6 s# c学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
: o6 h1 q/ m( d' Q+ ?  k* S锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
% T6 T7 v5 F& m7 ?/ G/ k以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
6 i: }* J& Q) i5 G! h圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆
锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
鉴。
1 材料和仪器设备
2 ~( r4 z# e) C* V0 y' |本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
6 K; r6 c. Y; ?2 H: P! t. w4 m6 e用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽
! C+ ~$ {, Z5 r3 G/ U$ a$ O& Y# i3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
  J  T# N) A( \2 ]! q4 ]. p# K转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l
- \# N9 l4 q- r, L6 i" s- n& M/ f套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件
( g6 D4 {* E; z/ W及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限
公司产的LC1301力锤l把，量程500N，包括
  y" J) s7 z/ L; ?% D5 JCL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器
! q; G; B& U. F8 @" @& I  A1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
2 测试原理与过程
2．1测试原理
" Q7 k! C4 o! r; y4 P3 h" y动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
) P8 _0 W1 q$ H$ b5 R# ^与输入的傅里叶变换之比。主要测量原理是：通
过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传
2 i9 ?% `8 ^( C8 A! W+ C( H% o  S" W感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
, X* _! N* v% P' _& ^' ]0 }生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
; b( C+ k, I6 F) Z7 D/ _- l3 q: R力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
- U+ P( u9 b/ f; Q滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
/ N5 c) a; G8 `& e+ H/ J6 N3 s( u6 e1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
幅值。
2．2测量过程
AdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为
( }$ Y. u2 |- R+ E) N  ?(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
Standard and test标准与检溺
SsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
4 g8 r7 n6 v# m# s6 ~2 m7 g4 @" U上限，滤波频率设为1000Hz。
本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
不同状态下的圆锯片系统进行动刚度特性参数的
测量。试验中，力锤上安装橡胶头产生激励信号
: g# b. u, j% F2 w; ~(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、
) M' `% j2 [" _5 Z# a  S- A1 S图2。
/ T5 N' P" }! |3 T, o/ W- K图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
- e& i; v6 G" M0 q图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
: d5 R$ }! b, x0 J. D7 I4 l实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器
连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重
新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆
锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
4 @; I- K7 l/ ^9 {* ~据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
的动刚度幅值。
3 结果与分析
木工机床2011 No．2
1 A& t; x/ a& t+ l: M  l. m3．1数据结果
) w# [& O0 T& B% L图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
3 B1 j6 K2 |# i  r2 h  Z以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
4 D( @% f) Z; g1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表
示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。

9 u5 I& ~2 j8 c0 b/ [3．2数据计算及分析
' F. @2 y& ~0 x通过分析圆锯片在两种不同状态下的1／H 频
谱及测量数据(图5和图6)我们可以得出，动
刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中
的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
固有频率对应的动刚度的值，见表1。
) b. _5 t. z6 R0 O表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
. U4 Z) [  P3 Q- Q$ \, B固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
f(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
& }4 A0 E6 x' _% M2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
; b8 o( E) @+ G- U: U( y# U; k' k. \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
9 g# ^/ ^- D; K5 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
7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
% }' }; J  M& r+ \8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
* i# X; E* V1 `2 R8 z9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
6 j9 P2 h5 j+ B. o1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
& S! H& H/ d% X" L: ?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
. y2 b) Y. @' O* L4 结论与建议
4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一
% e* ]% a, p. J; w! L条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
5 h4 R1 ~  w. g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。
4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率
所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
其动刚度值均呈依次减小的规律。
4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
; G1 {0 j5 F0 P2 T4 \8 |设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
* }( b0 @. M1 U* R如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动
2 \0 N9 i9 f# ^6 g: J7 \& I频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
7 A) c: D" v/ M( n1 l这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
8 R8 P) h; j( D! ]2 W高其使用寿命和产品质量等。
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. a: e9 o, g3 ~  a4 J. W第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
- C! _- v5 h6 m) g备与过程自动化专业090421班学生
7 ^' r% t" v# {! K( ?4 {# F/ \# h% y通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
% c0 ]2 h8 E8 H$ R& n% k博士
9 r/ E* H8 y/ O% y(投稿日期：2011．6．9)