对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

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同行相互学习！
9 Q+ |+ K# i% N- Z) r! {; y3 l1 t
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
For woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
parameters of dynamic stifness
, _- ]2 s5 U2 {7 H郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
' Z4 l" d. m& Q. E(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
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
) @0 f( @4 p6 [4 d  P; ^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。
: X0 Y$ M/ g; I关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
中图分类号：TS643
1 q3 T% N6 i5 F在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
# T: V1 v0 b; w/ C6 b1 f' a, i普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
9 V: l5 B: U+ k4 F染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增
0 t2 |5 D. j5 j大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
  G0 e; Z$ c$ \% V2 Y% p3 f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
" u# N( U* H0 O" [( ?1 F必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统
中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其
/ K2 m) Y$ N$ W- W# T4 J在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单
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。
/ j$ n! p' s$ Y/ z国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应
用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
  p9 _: e$ h/ B% q- J8 P' `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
* F* I: j2 B- T! x锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
1 w6 P: ~7 K! Z分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
% s: {' T# x: p9 B以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆
2 l/ j3 B+ w7 S0 B" t: _. p锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
& {* N" {0 {) D2 g鉴。
0 X0 g* k; G. h- N- ^" {; |1 材料和仪器设备
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
' H6 k% d" E) h: M! ]( f用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽
3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
/ W6 t0 a  E# k$ `8 M$ }' P0 q- M有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l
套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件
: Y  T1 K, e- D. L5 @' i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
CL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
$ @$ d1 E  }  u1 K" O选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器
' [+ k% r, c! Q1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
动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
( G, h& A- @+ Z# f响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
; w& i  u. G1 i的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
, |9 V( C$ P0 s: F# u" ^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
感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
7 c# r0 V5 n3 N1 l- \力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
8 B, \/ l+ R6 I4 u  i' ~滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
1／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
& S+ m3 d2 I% X! N6 RAdCras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
/ l1 v8 Q  p& f" G(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
Standard and test标准与检溺
3 Y8 V8 V8 @! Y0 z8 {SsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
5 N  I. f. {1 Y% l3 ~$ Y) D" E500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
' {8 o7 Q5 s$ N% K为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
上限，滤波频率设为1000Hz。
. b; Z6 H: I: }$ g" u1 l本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
- [) D1 B& S5 ]& W) D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
. W9 R, x' z: q/ N" E(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、
图2。
$ e  }8 W; x/ ^6 t3 E图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
- `( n+ c/ n' l* Y% y$ X图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
6 F* {$ z8 M. k! O9 m# U' P+ v, l: h要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器
! v! h* I. h1 l" u, s$ E' k连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重
7 K8 X* v4 }, v- N5 q) Y新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆
. w1 U! o' S0 y: Y锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
  @4 _. Q: v1 N4 G  i据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
) N1 {; Z- u3 F) g+ R的动刚度幅值。
3 结果与分析
. V( v& k# Q* ~; x+ H木工机床2011 No．2
. a- u3 r$ }& z  z4 y3．1数据结果
图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
' R& {! K# L  s2 O6 w+ _0 h有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
8 r8 {9 h6 r4 ~. |1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
8 |: j9 O1 u! o8 \2 L- T3 T5 M4 ~中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表
- H, a. v- L# b( ]5 U& W) \8 m示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。

+ E" X6 |2 @* K# j3．2数据计算及分析
4 x3 P: B9 X) Q! Z% @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
9 `! w1 |7 _) ?; v2 p/ w4 t刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中
0 [& F, C- |( ~的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
& \  `% w0 j' k$ y4 R+ Z根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
! z9 f4 f- s  j7 j+ I固有频率对应的动刚度的值，见表1。
, i9 H$ f" A% b; R* }表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
) b/ }2 e6 q7 \6 [' d, R) G$ h固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
8 K# ~: r5 K( ?: F- _* _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
+ {2 d" v) z3 m6 Z2 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
. j- n% O$ _4 b) {8 s. _/ `& V5 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
, {; U. I6 b; ~% H$ |; i! @7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
1 o5 g+ U; j! _( k2 D8 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
* W# s, B( H7 c: U' r1 s0 X; T0 ~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
* i# V/ F$ P, G3 D0 K4 结论与建议
* Q, A% B' H+ @2 f0 \  O& r4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一
7 q! G8 v( @3 @% i1 O条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
  L' \- F) E. q' m% x/ A: ^代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作
. T+ C  X3 F% k* G5 }1 A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
! S; {$ v' |/ F  C! v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
设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
% k" S9 e  k) W7 l3 [. e刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动
频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
* ?( j$ \  u/ g: a高其使用寿命和产品质量等。
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% A, g4 r" t; `1 Q: _" [9 C* {% I( K击》，20Q9，28(2)：124～127
第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
2 b- g3 U- i3 K/ t# V. {& [备与过程自动化专业090421班学生
' c2 T1 ^9 y3 e4 Z' j通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
5 |. E6 U) j0 H& o. j8 T9 M+ y  \博士
(投稿日期：2011．6．9)