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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对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
  j" x/ a0 {; ^0 wFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
parameters of dynamic stifness
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
(南京林业大学木材工业学院南京210037)
/ [" T6 e5 p, K! L1 w. v4 g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
' N& ]7 N+ }+ q7 b. ~+ a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。
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
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
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
: I, |) B5 H. a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
必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
: {; Y  Z8 L1 V1 p! ~- z性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
5 S, y, m% U# q& O数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统
- j4 v. U$ W* R) g7 p  e7 Z+ [中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其
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。
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
学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
. j+ L+ y3 y; e/ r$ d数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
2 S1 F& O) B8 B6 Z分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
- s9 k4 g  r/ J2 P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
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
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
) v8 [3 c) [3 y, p用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽
4 s9 f- A9 x0 J. X, [3 ~1 k3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
$ I' w) C- d( s, C转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
2 `, d, b# `1 A9 b4 ^( z, Y5 l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
3 i% c  {) A1 w; e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，
选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器
& H/ n+ ]& l1 v' Q0 P* x9 j# s1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
响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
: G) I9 l7 x3 |( K+ R+ Y的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
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
7 I  I! g. b, a* d3 F: p箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传
% i+ B4 G/ J+ Z* D感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
" x0 P0 \% D, d* }生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
  _- f$ r# p' A* ^力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
: a8 W# ]: ?" w/ l7 f' [0 d* Q滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
# c* {# t) Y6 p, i. O1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
; A6 ^6 g& j, h: W2 _4 H, l$ o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
1 v. g+ _9 `- N$ Z& e8 L$ c0 tAdCras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
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
) e  @$ {8 |. H# s2 o) Z8 J# P6 x# Y7 TStandard and test标准与检溺
4 x8 a. j/ s) [$ p. \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；
+ |- k6 j2 ]/ m% C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。
* X" B* M6 I% d8 ^+ ]本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
  \" i5 o8 Q8 |1 Z' o3 S! I不同状态下的圆锯片系统进行动刚度特性参数的
9 p" S& e; h. |) |- C, r测量。试验中，力锤上安装橡胶头产生激励信号
" X7 w  B& ^* f7 Y  n(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、
# j% c1 [7 G; ?* o/ _8 y# i图2。
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
8 ]; ^5 l/ q3 k1 n; A' y- ]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
8 G' Z/ D, N0 f- u$ P1 B3 Z0 ^连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重
% j. U7 p" y; p5 U& H新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆
5 U( S* ^$ f( A7 t  C( b+ ^锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
5 r# d0 W9 ^$ u0 v# A0 p! `) G的动刚度幅值。
3 结果与分析
4 }2 m6 i" H7 a/ a木工机床2011 No．2
3．1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
4 b0 i/ f4 M5 q4 d1 O有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
+ }6 O% C2 Y0 B( |7 m1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
) u, Y0 m! o/ ]8 z, e3 _1 `7 x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)。
4 b; k. {0 p6 o+ ?) o0 `) v8 G0 T5 S
3 P+ j8 n! ]  N0 y2 G/ i/ }# S8 K2 |3．2数据计算及分析
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
7 @/ `+ }& l$ J6 a的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
+ j$ l; W/ O1 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。
表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
1 q- J8 x# P( @f(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
3 m2 n8 P8 p2 J% @! E; e1 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
- D1 K# M% N/ ?; n* u8 a3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
) }8 i3 ?- B# y# X8 Q4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146
) d2 z0 \( l  C& ?1 N6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
0 w! K! {* n: g4 X7 K+ j7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
6 {" T6 M: ~! q. q# p  G) ~8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
8 Y3 q& G. j4 J' U9 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
! P8 i" a2 f8 E/ 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
9 k5 m$ z7 g/ x6 r, g+ b4 结论与建议
$ p" s1 |8 L4 y$ R2 n: X4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一
+ A; x- i3 d- f: I条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
( K+ y9 z9 V- ]2 ?( }, F1 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。
$ s# P! |9 {$ p6 E' b4．2 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，
2 n1 }, d/ R4 D  F/ {- m1 d$ u其动刚度值均呈依次减小的规律。
& N4 e  t+ i' Y- E' Z6 n$ p- O4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
# [0 y6 z8 @. O: U& J固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
9 R1 o6 @+ q# f4 Y; v, A动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
: a6 C5 d- X6 F* C  d设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
' r+ R* M/ E. ~9 _" n. c8 ?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
) f, g3 D3 v  F- N高其使用寿命和产品质量等。
! I) a" I; R, _; L( ?- a参考文献
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8 q1 V* j& s5 C+ x# x: J击》，20Q9，28(2)：124～127
) s/ O# G# x7 Z, v* j第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
备与过程自动化专业090421班学生
1 X/ [/ `4 h( O% G1 f通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
* L' m+ ^; ^9 G& A9 d1 J6 k* s+ f' n博士
4 _) L; F% e$ Q3 Y(投稿日期：2011．6．9)