对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

3 _6 N6 x5 o$ Q, R" M' l
. ]2 d9 Z/ H+ j1 S( h9 Q- y同行相互学习！
/ l- ^: \3 p4 ?2 U" s3 V
对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
, c" J! T' t: j! N! O0 J% u4 z1 j8 mFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
" W  [5 p1 R2 C, Vparameters of dynamic stifness
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
9 X) e" P  z0 h+ x! y% ?/ g+ N(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
, A; ^4 Q4 t, k# o  t% ]7 ?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
( Z2 C* ]; E. w( b0 S& J' M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。
0 \* A: r5 ~3 w6 r3 H关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
9 E+ W# A3 i/ N9 W3 s# V# L; J- C中图分类号：TS643
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
4 V- N2 n0 j* l8 E3 ^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
; N5 g  s% P& \1 L2 G: Y8 s+ o大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
( \) J  k& X0 o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
: O' {' Y  Z1 E' ~2 l* h性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
2 ^( a9 m; a' |9 `数。圆锯片系统的动刚度为其线性定常机械系统
4 Y  W" a% `7 \8 L0 B. D& b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
* T' m) b2 }! u$ x5 ^! @位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越
" H  j+ P: Z6 P6 w8 }* ^( ^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
+ h, X0 f6 p. H- W& F, W6 c6 T用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
( t8 X% J+ n- h, G; Z6 i* c7 b构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
: l: J; h$ c8 J1 |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: [: E2 @+ f0 b8 O3 r锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
+ J$ g4 F6 s4 n; C. n: _/ e分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
0 h7 c! ?4 J8 r& g) s! |以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
3 |6 A: G" R/ j" h' @, t2 D" O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。
( k+ Q& {- U0 e1 材料和仪器设备
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
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
1 Q, b3 ^# z$ D/ X9 P) D5 U0 y. b转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
9 @+ j, s6 y/ Q* ?- e, j有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l
- M3 @8 w3 d& I( J; S( \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
) M8 f3 T, Y, s# Y' w( s4 Q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
1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
( R3 J" j# R6 u& \5 {7 z2 测试原理与过程
5 h( k! F, P; Y- Q  S2．1测试原理
! m3 w$ F2 y$ h( J  T5 p动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
" G+ W7 F/ y7 _* Q! ?响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
# R- x" ^4 K, x. L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
+ G  \3 S! ?+ D% |" h7 h0 L$ U箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传
) I  Q$ I; b' @* v+ ~# N感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
4 O! P8 R1 t- }# \3 f9 Q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、
0 w1 _  x2 W5 r* Z0 u滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
( N' ~1 S- R/ e1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
; a& Y! q- N/ ]+ Q+ I5 j+ K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
' u5 u6 w) r4 t, q9 O) t, e: m- G- c1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为
/ ~! C: k  q1 Q1 D(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
- I; T9 k0 D+ z2 P  r$ tStandard 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
& j( z. f1 r( l0 D1 a# O) ]8 t5 ~; V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
(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、
( U# a' t7 U! M0 O图2。
( o, s  C# @+ H0 u1 r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
% B9 U. Q0 u- i- b: p6 X. _实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
5 {0 p1 ^: T4 x# ~* L: o( q* }& w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
) I8 h! p% O# V2 \4 i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
6 M, D" }  r1 l& e9 q& V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。
% V( `6 W: \/ q9 N3 结果与分析
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
- u1 {) q  o1 I4 J  l6 E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 C+ \7 L6 q& \1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
- X6 G3 o6 T7 _- o9 [) j中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表
  [5 E5 G) m2 G* M* p示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。
! g, |4 n! G, X! ]" ~6 f6 l
' B9 F3 ?* q( s# b) A6 f3．2数据计算及分析
2 Y& f! e, @  h1 l% M9 g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
- W. ?1 k  L) m4 J3 j5 E/ [刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中
& f! `( m- P. q& V% ]  a6 W5 ?7 m的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
  }) f- n6 Y; z. X  [* _根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
" H* I" s+ T% U! F! B固有频率对应的动刚度的值，见表1。
! b1 D' E* W. N/ f2 n表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
. {' h; C, r- ?3 m7 F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
2 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
5 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
( ]5 p9 p( Z1 _( [' K3 U7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
$ w9 e4 M7 s0 g5 w7 ]: p$ N! r9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
, F0 F) `7 T( l8 f, R1O 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
% D2 F6 G; K& I$ D# {4 \条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
% g+ n1 W3 \/ B( v- C6 t代表其振动响应小，即意味着该系统在单位力作
# k( E0 e8 M' j: P$ V2 B8 p$ _: 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，
1 H' s; L, Q, @9 ^4 S; t+ U其动刚度值均呈依次减小的规律。
3 g6 j3 o* J% {8 P/ |4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
3 J" o( K7 x( F. L) }9 I% o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
  t( ]9 z9 ]9 a8 M设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
7 c' ^( A; u3 R" Q% @$ d5 j刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
+ h. ?8 I  a) k9 m; X- t' F" H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，
  B. Q- S4 y3 q' V0 Q- L这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
- z5 Q3 ]) F3 P- S4 i* {高其使用寿命和产品质量等。
参考文献
[1] 1 易良榘．简易振动诊断现场实用技术[M】．北京：机械工
业出版社，2003．4
f2]吴正毅．测试技术与测试信号处理【M 】．北京：清华
大学出版社，1991
  b0 d$ M, x, I  l8 _) E5 ^/ z, G【3】王正．木工机床旋转机械故障机理与诊断技术[J】．福州：
1 J+ t1 M" |! \0 s! H7 o" \《木工机床》，2010(4)：36～42
[4】王正；何继龙；黄飞．木工圆锯片固有频率测试方法研究
[J]．北京：《木材加工机械》，2006(3)：31～33
[5] 5 骆志高；李举；王祥；范彬彬；郭啸栋．基于试验模态分析
" N# u/ t* g4 b3 C6 b: X0 X的圆锯片降低振动研究fJ1．上海：《振动与冲
9 j" X; y- a2 w# n1 `- C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
. c+ p; f/ g4 u3 S" L# s1 {" C+ F) k备与过程自动化专业090421班学生
; {* s9 U* R5 F. Y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
, R& z% p0 k9 y3 h(投稿日期：2011．6．9)