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本帖最后由 baihanfeng 于 2014-1-15 10:37 编辑 & X9 ?4 r6 U" Y; O# d
* C9 h+ n$ C% J2 E2 c6 S同行相互学习！/ v5 e# T6 J0 g
# C1 g9 y- u6 D4 L
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
& B; V. R& B. H1 `. K1 lFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic3 D1 @! F, ~4 `& f O8 @
parameters of dynamic stifness; ]) T+ ?- t' o5 ~( R
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’: s5 }1 U/ q. ]7 s
(南京林业大学木材工业学院南京210037)- o' B* Y# e1 k# E
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
' c) t5 z* p" t2 O) l) p* y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
3 |( D" N! L0 Z$ q/ _7 F6 H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
( Z' u% H" Q! e1 R6 j! {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
9 K2 t6 F& y" V/ q& F1 O5 W6 _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。1 Q9 h; f8 ~6 \- l
关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
% k4 Q7 D$ M) Z: Y2 l中图分类号：TS643& m+ f& W" U. I. b( d
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，. S% ^# B0 T$ v
普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污. l4 e; Y! \' i" C, B: v
染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增% i3 {% P+ U" }4 j9 E
大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
! ]/ c8 W; A5 ^ v ]* j3 z安全事故。在实际使用过程中，圆锯片的动态稳5 X8 |( @; H+ \3 ?3 A( {
定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题，有
+ X6 F9 d& g8 `! l必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
+ N- Y* R8 s, O4 R% F0 L性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
9 d% Q2 ~+ N" i8 @) ?. D3 Y s% y) p ^数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统
( L5 y6 G) \$ n8 n0 C( O中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其& S4 e2 l& E, c2 s/ @. I# V) ]
在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单) j5 u1 `/ S" o7 |- ~/ q( R
位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越/ K, J" w! b& y
大，其抗变形能力就越大。因此，实际工作中，8 Q" n5 D2 A2 s! I/ U
对木工圆锯片的动刚度研究工作显得尤为重要。/ b* {& |6 V9 B# L, L( }! I! b& C
国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应
, n3 G2 l* z' Y& L4 R用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结: h) T# l. l$ `: O
构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力4 }+ a8 I2 @0 _8 B/ l) L
学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
/ i$ F8 |& l. @+ j: H数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆# h9 b, c9 E5 D6 d# b, }
锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关1 F. ]$ p% S9 X! _/ ^" g0 M8 @
分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，1 ~3 U* _8 Q0 t+ |- i
以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
" t) Y% F. X6 G. K% l( t' D, I圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆- k) D2 t, P' G* {# a0 H' v2 N
锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借2 m6 T' g" a- L
鉴。3 \: ?) A( U+ D
1 材料和仪器设备* M3 C3 Z$ }! U( n6 t
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
/ k0 W% i h7 M p; Z# k$ N用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽# z* A; R3 l* @
3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
! u# {4 k! _; ? w Z转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
8 P3 L/ `; w2 {9 K5 c6 f0 b9 g |有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l5 Q$ W# a! _6 z- ^
套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件1 p5 t9 g6 G5 B& f: V2 Y
及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限
) B( d# ]5 M( f公司产的LC1301力锤l把，量程500N，包括( X# P4 o6 {. l- g% s
CL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
# F- I8 q! ^9 }# V/ Z# e0 S8 [选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器 k8 ~9 P4 a1 z+ f4 A8 d
1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
8 Z3 b" S; Q3 V1 H; ?2 测试原理与过程
3 ?+ E5 r1 K5 b2．1测试原理
' \% x7 k L" W! W s% w: R1 G动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与2 }: t' V4 O) O- d
响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
1 G% o7 r6 k: P) _的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
& A% u( O8 N) s. c% H与输入的傅里叶变换之比。主要测量原理是：通
3 d8 V/ O. |; L+ g& N- O; l I过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集+ K3 F3 Y" H: l2 P
箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传; x, \/ O% t; E B+ X0 E7 N f
感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
; b- @4 E i, d0 M I2 E( p生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受/ d' |0 O0 O5 E2 J/ t
力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
Z$ ~( R# ?: g+ {1 G% H l滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
; @: C, q) b( X2 S1 h; t1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
$ r ^ l) X" s谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
; o7 I u# {# n. B( q+ D" _幅值。& u9 O# s% D, N( x( P) o
2．2测量过程
0 A( o V& s" KAdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
# W! y5 A# ]1 I( d6 z! E2 L+ R; E1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为0 \7 ~8 Y) b' L, H5 H! ]
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。# l4 @3 h7 z$ y# r# {8 h; {. P
Standard and test标准与检溺3 d1 h4 ~0 t3 O8 D, @
SsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
5 V2 l, x" H: a4 o4 ^% E8 n' Q500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
/ S9 E! Z( z4 U/ U! K: f为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
+ D; A6 J; E7 A3 i1 W. `! F上限，滤波频率设为1000Hz。
( u+ G; A7 I+ ^$ V本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
6 f- ]3 G$ M3 C9 H/ S/ O+ Y不同状态下的圆锯片系统进行动刚度特性参数的
8 B& ?- Z6 @; S2 C* H4 J# z3 r2 j7 R测量。试验中，力锤上安装橡胶头产生激励信号* L& P I# I" e9 ^
(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
( O. n* H+ V( D9 O8 P0 h# _, `上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、
2 X e5 P* @$ I' N# K图2。; d* ?/ }- u$ P
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
/ U* e2 g/ a' }% l4 a+ G/ b& Z图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图; v( P1 |5 |$ ?# }
实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后% _; [7 u0 L* R
要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器# L: C9 q `$ J' C! \) f3 h
连接线是否接通，波形是否合理等，不合理时将重( u$ t! b* o7 C S
新设置之；正式测量时，用带塑料头的力锤敲击圆# Q$ x, P5 t) T0 a
锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数+ }- Q$ E) ~* f0 [7 B
据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
3 a- ]: F9 {' k- O+ h4 |2 q的动刚度幅值。8 j; @* W F9 ?2 R0 ]
3 结果与分析, @ K2 M, Y2 A& R o0 \- E7 A
木工机床2011 No．21 `4 F( X2 h( g/ {( _
3．1数据结果
* v5 [$ S+ X0 X2 T3 j# z7 t$ N4 b图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图" G# I- t7 G% w& f& O/ w; F
以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
* [0 x2 y2 [, l+ I: Z+ B- m有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
: M, i: M( n' q s1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统5 l/ v. E( l" w* M. F* X. S ?
中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表- h- |1 C2 A9 |* Q) h8 _9 f0 R
示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。7 J+ Q; l, V$ Z) A3 z+ a" E7 d* X
: L# Y7 h7 ?+ B6 O$ D- g! K( X3．2数据计算及分析2 V4 U7 o! e% V
通过分析圆锯片在两种不同状态下的1／H 频
+ m# C2 f! A! l( ~谱及测量数据(图5和图6)我们可以得出，动9 k9 l- W9 o" K4 j, u
刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中
$ S) D) f6 C) U" p' A的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o2 y2 L o( j H
根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
. f2 \; e3 \( V6 m固有频率对应的动刚度的值，见表1。
6 @4 s4 z: A# G& c* q7 M! f+ g! r表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表# K% E$ ?) ~, h$ K3 E
固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值) e( S$ l+ w$ e9 r* Q4 i
f(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)3 g$ q. x/ G1 C+ \
1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O236
& ? q* y4 t" u4 K2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．006703 G( u, [# A& L; p
3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
! x! M5 J4 c- s$ S$ M5 l4 {, e4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O4 h, L; X5 D1 y+ y3 ^, X4 C
5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146- W- E$ [1 f' o' o
6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo1379 {+ K0 D& h$ }
7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．0009315 ~% [8 a" Y9 t4 |/ R( J O
8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519/ @% ~/ s6 \* ^% I* H1 U
9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
( v- a, @1 k1 O5 X9 `- y1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o2515 k r. b2 q' H% d
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 b# N g7 M/ _% o k
4 结论与建议
0 j* Q* F0 ]3 A7 D1 C& Y2 L4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一0 J/ I- c( h" n1 m9 ]7 _
条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，1 o B; `/ }# n, h8 |& P
代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作
$ h6 z; V3 f8 H$ |% C用下产生的变形就小。, h% d1 o1 k; V4 \' Z3 w
4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率# L# u% ^% H5 j) l m
所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
U0 m8 q: p4 [: l0 t. W其动刚度值均呈依次减小的规律。' s# [; X0 R7 T3 I( u# y7 T) g8 J
4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
% h) b% w$ u9 f5 {, h: m固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
2 u: i1 |# H h- C! l9 W0 ~/ q, t0 a动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
- t8 j$ c* p7 T H% F+ r0 h# ~设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动$ f& b' ]+ H+ [" D. [/ D, d" u
刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
: k% B$ f* ?/ f9 q& t* b0 v如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动) a% ~4 B0 Y6 M' i. m
频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
/ N6 |$ F6 m; }0 A+ i$ O2 D% Q这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提, S$ S" z# g V$ c6 e2 q2 i: y& a. n$ w
高其使用寿命和产品质量等。+ G; K( }8 z" |
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第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
! E6 F& C0 h$ `/ m* f2 ^备与过程自动化专业090421班学生% n8 J; T2 W6 W
通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
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(投稿日期：2011．6．9) |
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发表于 2014-1-15 10:37:22