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機械社區
標題:
對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析
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作者:
baihanfeng
時間:
2014-1-15 10:37
標題:
對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析
本帖最后由 baihanfeng 于 2014-1-15 10:37 編輯
# V6 G7 \' ^$ A/ t! D
+ o% F7 C6 {/ x8 s1 m: t5 M
同行相互學習！
# G2 G" j% M6 \
/ Q' A8 a8 F0 n8 F6 N" d1 y
對木工圓鋸片系統動剛度特性參數的試驗分析
0 U2 e" z5 A7 R. Q
For woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
" _5 Z' T2 T4 U- {
parameters of dynamic stifness
, O6 S' g0 ^. c" m6 y
郝敬冬王正 韓江梁金輝 ’
) O' Q3 y) D* m1 z( u, i
(南京林業大學木材工業學院南京210037)
* Z" h- Z. e, I8 N7 l+ v
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
0 W. G* R, J0 b% l. c$ K0 A7 Q# Q
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
3 C% S0 p) V+ {) N. y: L8 T
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
) ~& u" y {& }
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
$ W! }5 v; y" 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。
/ g2 Y* C# C: n \+ k+ S
關鍵詞：木工圓鋸片；頻響函數；動剛度；試驗；分析
" i" Z, d, @/ m4 D
中圖分類號：TS643
; p0 R$ c9 `" G3 ^4 G2 Y
在木工機械行業，木工圓鋸片在鋸切過程中，
/ {; b9 H3 e: {, ^
普遍存在機械振動問題。振動不僅會產生噪聲污
6 L2 u( L4 Y. v* I z. u
染、縮短圓鋸片的使用壽命、降低鋸切質量、增
1 E1 \: x* a* E( L" Z
大鋸路，還會加劇圓鋸片的變形失效，甚至引起
4 e) |% Y0 w/ E1 i
安全事故。在實際使用過程中，圓鋸片的動態穩
5 _* H8 `! Y E
定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題，有
# c C7 m' e: o8 f4 ^) f$ U2 C
必要對其振動特性進行研究。機械系統的振動特
" r3 H% \& u$ M' Z2 A/ U
性，主要決定于系統本身的慣性、彈性和阻尼參
) u0 v5 {9 b* \. A7 t1 ^
數。圓鋸片系統的動剛度為其線性定常機械系統
- R! M \' {* I `; y3 O
中激勵力相量與響應的加速度向量之比，反映其
9 [% o! }/ y% f- _
在特定的動態激擾下抵抗變形的能力，即引起單
* {8 n0 A( u0 q' N, ^
位振幅所需要的動態力。圓鋸片系統的動剛度越
& m' T: ^, a' L0 z N7 J, C
大，其抗變形能力就越大。因此，實際工作中，
7 I" n* ?$ v' l; l
對木工圓鋸片的動剛度研究工作顯得尤為重要。
3 i E) t. i6 H
國內外同行對圓鋸片的動剛度特性的基礎應
5 `; } a8 Y: a0 _- |; g
用研究成果較多，但主要集中在改變諸如鋸身結
/ w/ g2 v' U' `, T1 p$ l5 t
構，如減振槽、卸荷槽等方面，本課題以結構力
8 |" A/ Q: [) y+ p! d4 o
學和機械振動機理為基礎，利用先進的振動信號
2 V; B6 ^ t! K" Z' i8 G' O6 H
數據采集與分析測量系統，對木工圓鋸片及其圓
& h7 K% Q9 k, L& \
鋸片系統的動剛度(或動柔度)進行測量及相關
2 h0 D$ T; Q5 q0 u5 u `
分析，并通過其模型計算，驗證它們的相關性等，
3 @0 S7 j% p& p' E* \) {3 g
以期通過理論計算與試驗驗證分析，達到對木工
J! c( q, V' b+ b
圓鋸片的事先優化設計目的，同時對提高木工圓
- f. R! g) Y+ s M6 P5 R
鋸機及圓鋸片的綜合動態特性檢測水平提供借
9 y% _2 w G" f/ l
鑒。
' k- g0 k2 q6 u
1 材料和儀器設備
8 |* ^ n) ]2 ^: n
本文試驗設備為500mm萬能木工圓鋸機，使
7 Y* Z6 z+ ~3 t: Y' z0 z
用的木工圓鋸片主要參數：外徑300mm、齒寬
2 @# e0 M0 ~* U% W) b; Y
3．2mm、齒厚2．2ram、內徑30mm、齒數96、最高
1 i/ g- d, c( D& K w" Q4 w
轉速6800r／min；其測量儀器為南京安正軟件工程
! k) o& w& ]2 N4 C
有限公司產的振動及動態信號采集分析系統l
9 T' P; Z3 {9 I; U1 M) v' Q
套，包括調理箱、采集箱、信號與數據分析軟件
7 d( Z2 @- P w, o. d
及計算機，并主要配置：江蘇聯能電子技術有限
+ G9 T! Q: U5 {5 _3 v% s% ?
公司產的LC1301力錘l把，量程500N，包括
4 g5 {1 l" @. Q* V: | l& }7 r9 S; M
CL—YD一303型力傳感器1把，靈敏度3．89pc／N，
5 v7 h: @# _' I6 ~
選用橡膠頭；CA—YD一185型壓電式加速度傳感器
: F7 {9 E% Z" @# o
1只，電荷靈敏度4．89pc／N，質量4g。
1 R. F$ o$ i- T
2 測試原理與過程
" a1 {4 [' Q) q( {9 k( B; ?+ L
2．1測試原理
% N6 z% W6 ^/ M. D6 }7 e3 A, v& f
動剛度為線性定常機械系統中激勵力向量與
& Y. |6 w- {4 s$ b# w. T! C b
響應的加速度向量之比。本試驗采用機械動力學
) _7 z! W5 ?2 u5 O: }
的瞬態激勵法，其頻響函數為輸出的傅里葉變換
X7 m6 n1 n8 N. N: }. S0 A6 o8 [
與輸入的傅里葉變換之比。主要測量原理是：通
- \, V7 z8 p( q0 Q5 o
過實現圓鋸片測試系統的動態信號調理箱和采集
4 I8 G( l$ Z( g" f7 t# s
箱上的雙通道(CHI為力通道，CH2為加速度傳
" g9 ]) S- s6 ?+ [
感器通道)的測量連接，再敲擊圓鋸片，使其產
/ U2 _* F) q g3 |
生橫向自由振動，通過加速度傳感器接受機械受
* `2 B! x0 r; D
力信號并將其變為電信號，再經信號調理儀放大、
! F8 j9 H1 I8 X, i4 q
濾波后，對其進行信號的A／D 集及譜分析，從
( S* j9 T' ^- G d1 A6 w4 V5 \
1／H 頻譜中可得出圓鋸片系統的階次頻響函數
: q6 `6 I# g, H
譜、一條隨頻率變化的動剛度曲線和階次動剛度
& M# ~& t* |- a
幅值。
1 P# F q* ~9 A5 w, b7 `* x
2．2測量過程
% S7 B. }8 `8 q2 n, c% b8 N! v1 c
AdCras數據采集及處理參數設置：采樣頻率
/ C( o9 J/ J7 a2 ]
1000Hz；CH1單位設為(N)、CH2單位設為
" I: r+ ?3 n4 P' ?3 X" F9 a& c
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
# i: d6 H( h* |0 @ b
Standard and test標準與檢溺
, f0 o; c z7 B
SsCras信號與系統分析參數設置：分析頻率為
+ l, J) f3 R* \" b& v8 S9 a7 o
500Hz，頻響函數類型為1／Ht，頻譜類型為線性譜；
" p( f. T8 M2 `4 w1 N7 G
為防止頻率混迭，本試驗選擇低通濾波器的頻率
9 x- O. j2 T9 d4 N: D$ {$ `
上限，濾波頻率設為1000Hz。
. |+ z5 x) |+ Y+ w5 R
本試驗對在自由懸掛和安裝在圓鋸機上兩種
. K5 H/ _4 G- W1 r+ [9 A
不同狀態下的圓鋸片系統進行動剛度特性參數的
@. L1 G7 T ^/ C9 |8 f7 o8 W+ i
測量。試驗中，力錘上安裝橡膠頭產生激勵信號
; w& L. Q* w0 h7 q: c& X
(CH1)；將1只加速度傳感器牢固安裝在圓鋸片
9 g8 S6 c9 X% R
上，接受響應信號(CH2)。其試驗框圖見圖1、
7 ?( D) b( V7 C2 a" H
圖2。
, G$ _3 w) \# |2 h7 ~( P+ Z
圖l 圓鋸片系統自由式懸掛狀態動剛度試驗框圖
2 D" i+ r, k+ F9 Z6 L4 |: _
圖2 安裝在圓鋸機系統上測量圓鋸片動剛度框圖
9 D: T7 H0 i( U" x3 J
實測前，進入示波方式，每敲擊圓鋸片一次后
4 W# \2 G3 Y. F
要等待鋸片穩定后再進行第二次敲擊，檢查儀器
2 ? h+ b% h0 l5 q
連接線是否接通，波形是否合理等，不合理時將重
* {5 f! u& Q% j1 U+ d
新設置之；正式測量時，用帶塑料頭的力錘敲擊圓
5 H8 N. V; p/ ~; R( [5 c, k2 {
鋸片，激起圓鋸片系統振動，以觸發方式采集數
f# p" j% w: _7 A$ X
據，進行動態信號頻譜分析，由此得到系統各階
. @9 f* R( G7 v! h% H( D
的動剛度幅值。
% Y! {' A: g) b' H
3 結果與分析
. H6 j' O! L6 i
木工機床2011 No．2
# P: Y, b! R- W4 R' X5 h
3．1數據結果
- R4 L- l4 L4 C# z% c; G
圖3為懸掛系統中圓鋸片的固有頻率頻譜圖
) N& f1 Q0 |4 J
以及測量數據；圖4為固定在圓鋸機系統中的固
" P4 X" z* f& D
有頻率頻譜圖以及測量數據；圖4為懸掛系統中
+ E( H: t8 @4 a& p0 g) n' o6 K, \
1／H 頻譜及測量數據；圖6為固定在圓鋸機系統
+ U. @1 _- l, X. Q+ F( {. R
中1／H 頻譜及測量數據；1／H 頻譜中的橫坐標表
, A& A9 V- I2 [
示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU)。
! N: S6 l% _1 u y
% K4 Y: T9 n2 D. q- d) k/ Z
3．2數據計算及分析
% j! t: t6 h/ Q0 }
通過分析圓鋸片在兩種不同狀態下的1／H 頻
7 m( ~; B O; d! a7 Y6 p; X" w
譜及測量數據(圖5和圖6)我們可以得出，動
|9 M9 d! g& M8 c
剛度頻譜是一條隨頻率變化的曲線。1／H。頻譜中
$ y; p8 C0 c6 n8 w0 `, E3 J6 z
的橫坐標表示頻率(Hz)，縱坐標表示振幅(EU o
5 o, q! i: N+ Y1 [3 K. E' ?
根據動剛度計算公式 ： 計算出前十階
/ a$ u" h, {, T9 t n, [+ W7 M* k
固有頻率對應的動剛度的值，見表1。
8 W& }( {+ y1 S4 o! t3 m
表1圓鋸片系統兩種狀態下的各階動剛度值計算表
0 o2 e Q% O0 y
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" s, W: M$ N9 N7 w" o/ p: S
f(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
: p4 K( K" w, {
1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O236
, D, @7 {0 {% M$ t r
2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
% X' s8 A4 U$ M P
3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
" j' @ C7 v# o" }( ?- ?) }% m
4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
- r/ J+ i9 ~/ B8 }5 K* h; z6 l
5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146
8 O/ _1 q. I* h6 e, U: |' |6 p% q
6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
1 y3 M5 Z, l' f0 _. p5 s
7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
2 G4 T& l! A# G" t$ y
8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
3 [9 N( r3 T1 G7 I% E/ x
9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
9 c( H# c5 o" d
1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
# _4 f7 X1 s( V+ w& S- t9 q$ V
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
( P3 ^: \% m' T/ e1 P# D
4 結論與建議
( t1 X4 t% ?; \; G. q4 h
4．1根據動剛度1／H1頻譜得知，動剛度頻譜是一
( N& K5 I. X/ q5 e7 K3 m" l: ]
條隨頻率變化的曲線。某一結構系統的動剛度大，
/ V8 u8 K' E/ m0 Z" X, E% L
代表其振動響應小，即意味著該系統在單位力作
+ G" f7 ]) }: u4 W4 W
用下產生的變形就小。
, ^+ x4 a3 q: M% A2 `3 F$ x1 R
4．2 表1表明，兩種狀態系統的第一階固有頻率
0 i3 W' ~. C$ N; o4 r8 b1 R
所對應的動剛度值最大。其固有頻率的階數越大，
: n$ V; c3 W' J' C- I
其動剛度值均呈依次減小的規律。
8 C' p" `1 r1 n
4．3 圖3、圖4頻譜中，當系統的激勵頻率與其
9 s3 l, O# f5 b. n5 U9 T$ g1 y* U
固有頻率發生耦合時，易發生共振現象，此時其
2 D. o. l, s, L, t$ ^1 L: j$ |
動剛度值為最小，易產生變形。在木工圓鋸片的
6 }0 j, D9 F: r# p" {) j
設計及生產中，建議注重圓鋸片的固有頻率和動
9 p9 X4 n) o, l; @( m
剛度動態參數特性問題，提高圓鋸片動剛度的值，
5 }8 z j; d0 P0 {" n6 W& k+ X/ M
如在鋸切的時候，應盡量調整圓鋸機系統的振動
9 H5 Q3 M3 \4 V2 I! x3 ?3 `7 M
頻率，使頻率接近動剛度值較大時的固有頻率，
% R) c$ p1 r4 x) f3 g" j
這樣可以減少因圓鋸片的振動而帶來的損害，提
+ @3 S7 b& _1 y: u* b# m5 s
高其使用壽命和產品質量等。
" z2 j$ s$ {' H* O9 G9 e; r
參考文獻
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的圓鋸片降低振動研究fJ1．上海：《振動與沖
. L) T2 L. m |1 J* w* Y' n4 o9 M
擊》，20Q9，28(2)：124～127
+ b5 {4 p9 X; k. N+ U: h
第一作者：郝敬冬南京林業大學木材工業學院工業裝
6 b3 l3 n/ U: A9 w; S
備與過程自動化專業090421班學生
1 \" V+ |. K& m+ x
通訊作者：王正南京林業大學木材工業學院高級工程師
& ]0 K( L, l9 V p
博士
) z) ^' ]' b" k6 y7 `
(投稿日期：2011．6．9)
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