對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析

baihanfeng

! E4 N, q( L" C
6 i+ I3 O# {9 i+ ^9 V: J同行相互學習！
. T$ ?. L5 Q; @
6 c0 i3 X5 k! K* C7 M; t對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析
For woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
& l9 i4 f" F8 }# \* Cparameters of dynamic stifness
3 D+ p+ }/ S) V4 j. z7 }郝敬冬王正 韓江梁金輝 ’
; J( }# a, B& K. b; ^( G(南京林業大學木材工業學院南京210037)
( }! ~2 g. p7 M$ n" P, x+ o摘要：基于滿足木工圓鋸片優化設計與應用，提高對木工圓鋸機及圓鋸片系統的動態特性檢測
水平等需要。本文依據結構動力學原理，采用隨機激勵振動測量法，分別對自由懸掛和安裝在圓鋸機
上兩種支撐方式的木工圓鋸片，進行其系統的動剛度特性參數進行測量。結論表明，圓鋸片系統動剛
度頻譜為一條隨頻率變化的曲線，且有多個峰值，每個峰值處動剛度值相對較大；某一系統的動剛度
9 m, |2 d! V: f+ h# c大，代表其振動響應小，即意味著該系統在單位力作用下產生的變形就小。
關鍵詞：木工圓鋸片；頻響函數；動剛度；試驗；分析
中圖分類號：TS643
在木工機械行業，木工圓鋸片在鋸切過程中，
5 ~1 O1 s2 h# a普遍存在機械振動問題。振動不僅會產生噪聲污
# V' D% ?7 b. i* }/ X染、縮短圓鋸片的使用壽命、降低鋸切質量、增
; D" s$ F' ], @* m4 H大鋸路，還會加劇圓鋸片的變形失效，甚至引起
安全事故。在實際使用過程中，圓鋸片的動態穩
定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題，有
! L+ I. t+ ^; {必要對其振動特性進行研究。機械系統的振動特
性，主要決定于系統本身的慣性、彈性和阻尼參
4 J0 q3 Y8 _% F  s; P9 D9 X3 l% r( J數。圓鋸片系統的動剛度為其線性定常機械系統
中激勵力相量與響應的加速度向量之比，反映其
# p( X9 s! u% B在特定的動態激擾下抵抗變形的能力，即引起單
7 I/ X0 X/ }% p* U3 g: ^位振幅所需要的動態力。圓鋸片系統的動剛度越
6 f9 ?% y. k/ \大，其抗變形能力就越大。因此，實際工作中，
  Z! [- S( x6 n' x' M* r( E2 I! r# J1 a5 n對木工圓鋸片的動剛度研究工作顯得尤為重要。
' g/ F* b5 r& I4 s國內外同行對圓鋸片的動剛度特性的基礎應
: b" n$ P8 x5 ?6 N. [2 R用研究成果較多，但主要集中在改變諸如鋸身結
8 T' ?/ T/ D/ J6 b) e8 p構，如減振槽、卸荷槽等方面，本課題以結構力
學和機械振動機理為基礎，利用先進的振動信號
數據采集與分析測量系統，對木工圓鋸片及其圓
0 K) I$ ^; y8 z' i0 N鋸片系統的動剛度(或動柔度)進行測量及相關
$ @" p  C: j! z; P+ K. y分析，并通過其模型計算，驗證它們的相關性等，
以期通過理論計算與試驗驗證分析，達到對木工
圓鋸片的事先優化設計目的，同時對提高木工圓
  H7 L2 P& w# [6 e鋸機及圓鋸片的綜合動態特性檢測水平提供借
鑒。
1 材料和儀器設備
7 p' J  R. @1 n& B本文試驗設備為500mm萬能木工圓鋸機，使
+ @* P+ n* L1 m" A7 |2 z" @, U; a  n用的木工圓鋸片主要參數：外徑300mm、齒寬
; ]) x& O- F' S8 b, m3．2mm、齒厚2．2ram、內徑30mm、齒數96、最高
轉速6800r／min；其測量儀器為南京安正軟件工程
有限公司產的振動及動態信號采集分析系統l
9 z. l2 r% j% u- ^; D8 y6 [套，包括調理箱、采集箱、信號與數據分析軟件
及計算機，并主要配置：江蘇聯能電子技術有限
! U. ^& i' n6 |$ I1 I公司產的LC1301力錘l把，量程500N，包括
CL—YD一303型力傳感器1把，靈敏度3．89pc／N，
6 h) M9 e8 M+ y' T* f! s; H1 ~選用橡膠頭；CA—YD一185型壓電式加速度傳感器
. m: T" @4 q1 w4 p1只，電荷靈敏度4．89pc／N，質量4g。
2 測試原理與過程
4 L; Q) [9 f4 }% g5 S: f" w/ z2．1測試原理
+ l2 m" `3 w$ A7 y4 j# J  `& |' w動剛度為線性定常機械系統中激勵力向量與
' D9 t: y1 B- m' T4 U響應的加速度向量之比。本試驗采用機械動力學
的瞬態激勵法，其頻響函數為輸出的傅里葉變換
! ~# T! a; e) M4 }4 N與輸入的傅里葉變換之比。主要測量原理是：通
過實現圓鋸片測試系統的動態信號調理箱和采集
箱上的雙通道(CHI為力通道，CH2為加速度傳
- ~  _1 w( M# O, t% h' C感器通道)的測量連接，再敲擊圓鋸片，使其產
生橫向自由振動，通過加速度傳感器接受機械受
力信號并將其變為電信號，再經信號調理儀放大、
. o* o9 f1 w  w* y% l) w8 v$ `濾波后，對其進行信號的A／D 集及譜分析，從
1／H 頻譜中可得出圓鋸片系統的階次頻響函數
譜、一條隨頻率變化的動剛度曲線和階次動剛度
& x$ @/ V& b6 i' {2 U幅值。
2．2測量過程
3 d5 Y: E: q% P6 S: h3 eAdCras數據采集及處理參數設置：采樣頻率
1000Hz；CH1單位設為(N)、CH2單位設為
! O2 H# S; z7 T" O( V+ _2 D$ @(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
& I, b- l4 g+ j2 a  a& O: p0 kStandard and test標準與檢溺
SsCras信號與系統分析參數設置：分析頻率為
500Hz，頻響函數類型為1／Ht，頻譜類型為線性譜；
為防止頻率混迭，本試驗選擇低通濾波器的頻率
5 g/ V& a$ O' f0 r上限，濾波頻率設為1000Hz。
本試驗對在自由懸掛和安裝在圓鋸機上兩種
  f2 w" k8 N& k3 O$ ?不同狀態下的圓鋸片系統進行動剛度特性參數的
+ X" _0 t1 X6 c7 D" a" g測量。試驗中，力錘上安裝橡膠頭產生激勵信號
+ {* q* H) H% m. X(CH1)；將1只加速度傳感器牢固安裝在圓鋸片
9 l5 g! B( x) b0 X上，接受響應信號(CH2)。其試驗框圖見圖1、
8 C& [8 e$ x2 x7 l, [( I圖2。
5 {& D$ E4 k, A/ w* x圖l 圓鋸片系統自由式懸掛狀態動剛度試驗框圖
# `( s2 ?/ K6 s- D' T) z- ]: E圖2 安裝在圓鋸機系統上測量圓鋸片動剛度框圖
實測前，進入示波方式，每敲擊圓鋸片一次后
要等待鋸片穩定后再進行第二次敲擊，檢查儀器
連接線是否接通，波形是否合理等，不合理時將重
7 Y+ |( r7 c* A% n新設置之；正式測量時，用帶塑料頭的力錘敲擊圓
8 M+ m, A& k7 P7 Y8 Q鋸片，激起圓鋸片系統振動，以觸發方式采集數
據，進行動態信號頻譜分析，由此得到系統各階
5 q- e* l( @  T, B9 `的動剛度幅值。
3 結果與分析
木工機床2011 No．2
; B) W# t- {- o1 _3．1數據結果
圖3為懸掛系統中圓鋸片的固有頻率頻譜圖
) H1 V% H6 Y  p以及測量數據；圖4為固定在圓鋸機系統中的固
; ]( O2 }" Z+ y0 b& H有頻率頻譜圖以及測量數據；圖4為懸掛系統中
1／H 頻譜及測量數據；圖6為固定在圓鋸機系統
6 F' q' @5 V5 C中1／H 頻譜及測量數據；1／H 頻譜中的橫坐標表
示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU)。

3．2數據計算及分析
通過分析圓鋸片在兩種不同狀態下的1／H 頻
2 Y4 P, M6 \. _! F9 |/ L譜及測量數據(圖5和圖6)我們可以得出，動
8 y) R+ V) x0 a4 B2 O剛度頻譜是一條隨頻率變化的曲線。1／H。頻譜中
的橫坐標表示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU o
; o. y  e& t& m根據動剛度計算公式 ： 計算出前十階
  N( M: T5 f1 U/ D$ o固有頻率對應的動剛度的值，見表1。
8 F7 N1 K1 e2 E2 c0 F& W: Z) g表1圓鋸片系統兩種狀態下的各階動剛度值計算表
. K4 K# }! S6 z9 T  _; _固有頻率 幅階次 值 動剛度值 階次 固有頻率 幅值 動剛度值
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
1 |8 X7 t# m) A. U  ]8 t4 P3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
5 ?/ b9 Z$ y8 c7 u# }! }/ 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
1 A1 Q" J- B7 K* X1 i6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
) o% |6 ]2 n( k7 ]1 X; X8 q7 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
9 @1 e7 ^( u2 t$ \& V9 m9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
5 F( B7 j3 L; [, e; J+ t6 V1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
懸掛自由系統中圓鋸片的動剛度值計算 安裝在 圓鋸機系統狀態下圓鋸片的動剛度值計算
" `3 S  x$ V5 e3 k/ @4 結論與建議
4．1根據動剛度1／H1頻譜得知，動剛度頻譜是一
! E  u. b* K8 G' a# m. V條隨頻率變化的曲線。某一結構系統的動剛度大，
$ i& ]5 [" f% [# @. s' p代表其振動響應小，即意味著該系統在單位力作
2 p5 z2 ]& B4 W; K用下產生的變形就小。
4．2 表1表明，兩種狀態系統的第一階固有頻率
9 @5 x7 M% @1 E" V1 H9 ]& B所對應的動剛度值最大。其固有頻率的階數越大，
其動剛度值均呈依次減小的規律。
  R& r5 r9 [# M% F; R4．3 圖3、圖4頻譜中，當系統的激勵頻率與其
固有頻率發生耦合時，易發生共振現象，此時其
動剛度值為最小，易產生變形。在木工圓鋸片的
設計及生產中，建議注重圓鋸片的固有頻率和動
0 ]9 }: Z' b5 h2 g剛度動態參數特性問題，提高圓鋸片動剛度的值，
如在鋸切的時候，應盡量調整圓鋸機系統的振動
# ^) I# T8 R" l+ H2 o9 S5 Z頻率，使頻率接近動剛度值較大時的固有頻率，
這樣可以減少因圓鋸片的振動而帶來的損害，提
$ \, D% o% g7 K& b高其使用壽命和產品質量等。
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% V$ ]  X4 R1 C0 h/ \' o擊》，20Q9，28(2)：124～127
第一作者：郝敬冬南京林業大學木材工業學院工業裝
備與過程自動化專業090421班學生
' O' \' A( q4 b* f4 {- S) e& l通訊作者：王正南京林業大學木材工業學院高級工程師
! }- j- a; X: r. ?博士
( ^1 @% q. P' l; [; s5 Y# j: Q(投稿日期：2011．6．9)