对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

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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
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
1 H, T( ], B8 n" I4 H; P(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
% Z* b& j- z1 ]. ~( e# v$ G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
7 z$ o" b5 v+ o! [. J: [4 c( e1 D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
+ H% u2 ], h" k) }& G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
$ F( ^% ]( N. _8 S0 I在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
& @, ~1 v" z+ r普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
. J7 X$ }& O2 [& l# u- A* R, _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
6 C7 @# M8 o! S+ `必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
( B8 ?( p5 u: Q" [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
& d% I! C( u4 F+ \; w; _: c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。
3 r' P) p+ C1 R* U: q4 s3 g; e; N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
! J8 B: k" O) a4 j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
8 K' g' }: E" l数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
8 F' c/ w. o* U  \3 R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，
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 R+ l0 E2 s" p# y% _2 s( y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
: J8 d1 o' m  c( t3 X本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
) I( j7 e" {- D0 J( e用的木工圆锯片主要参数：外径300mm、齿宽
$ C. _! [! G5 t1 G( s- J3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
5 N5 E" X8 a* b/ w7 F( a转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
" X$ m) X+ K+ Y2 ~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
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
1 ?/ d' V" E. w& s: e* I/ r2 uCL—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
9 c7 V  f1 a* T; F, a0 M1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
2 测试原理与过程
1 P4 [) F! z  k6 I2．1测试原理
' n0 {7 `! X* a动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
# e0 q  _* x- l# W! |响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
* J9 Y8 M/ y& }6 o/ J& M的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
0 r/ Y  e& o( E1 o1 t与输入的傅里叶变换之比。主要测量原理是：通
: P! D  ?6 ^8 u过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
: a4 V7 V# Z# C0 [4 Z8 f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
5 j8 ]0 P5 r: z4 I, o+ F9 S生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
( B) j+ [9 l* E, M- r0 i2 R2 s1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
+ q7 F( t( c$ r! w' r9 z% O谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
幅值。
4 I) X6 [' G4 K' V5 A2．2测量过程
AdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
# W3 l5 t5 L4 Z/ A5 P/ N6 m1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
Standard and test标准与检溺
' y7 n7 ~, T) [' zSsCras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；
# J$ b. R9 G1 s! {& y# R& k  c  ~* s为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
/ Z1 X" ?- t/ A. v" p上限，滤波频率设为1000Hz。
# _. s% [! v' h: c8 b7 ]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
(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
6 H9 _  m# x+ ~; j# m$ b9 A5 ~; }$ a上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、
) e* B9 d' u% x: \2 f7 N图2。
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
& F- e# J; w* z图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
5 j( Q/ i# V' B0 j实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
/ B! A$ i. }: w& n) H( _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
# i/ T6 {1 f" i1 P1 {, N$ y/ D# Y据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
$ X8 L! p1 M- A9 Q0 \0 `2 ~1 O的动刚度幅值。
3 结果与分析
木工机床2011 No．2
3 s8 {$ i; P  Q6 {3．1数据结果
& J9 i( q8 D# J! C! W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
; q/ v7 }! @  p( s& y! m, q有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
7 E7 D8 I! {. D' `1／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
' Z, }% d: \4 I5 O* T* t2 c示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。
# h& n) B2 ]% C+ g  D
3．2数据计算及分析
8 F6 l% x6 }4 i: a6 X% j- o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
/ J; y3 A) \* W) E  Z4 d3 m; M的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
8 C  O2 V* s  U% Q6 d根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
( o0 O: U$ a5 K1 q. g固有频率对应的动刚度的值，见表1。
* U" I6 a: O  a$ U8 l  i% k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
* S3 E# o2 v; {1 o9 _4 |- o' Cf(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
* g/ X; U: l/ ~. H8 W, h: L/ L2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
. S+ m; I' E) G& j/ p2 p* w3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
& j% k8 p9 M3 J3 K" L4 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
' ?, n% U  C  w/ \6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
( e$ m( i5 h; B1 ^9 B7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
5 X4 y: S6 y8 a2 {4 J8 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
$ K9 W$ R5 f  X1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
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
4 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
条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
% p0 ?: {" z) F+ |9 D" p% I4 {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
0 `1 x; c" y' e+ k6 w所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
* Q/ [- l! T; b5 ]其动刚度值均呈依次减小的规律。
" I+ F  m$ E" T2 x4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
% n6 {, H3 N+ L) u5 u: [固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
/ I6 U: {, W5 p) C; T5 g3 e* X动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
, t; d" U: J4 m% r4 }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，
如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动
. ]% N8 g3 F3 u. k. P: p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
高其使用寿命和产品质量等。
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& m- l7 E5 H- G9 ?; W9 |; _第一作者：郝敬冬南京林业大学木材工业学院工业装
+ g! }4 s* J- P$ Z2 v$ U/ z备与过程自动化专业090421班学生
+ E& ]% @. }( P3 Z% n通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
博士
# S/ `: p0 A7 ], j; q(投稿日期：2011．6．9)