对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

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( t' f+ W9 ?' v9 m; s
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
4 [2 [3 S9 J# a" E4 @6 G+ D郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
(南京林业大学木材工业学院南京210037)
  a$ l4 X# C! |, X1 _) u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
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
0 i" t0 x  i% r9 o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
8 z6 ~; n5 z5 V( N1 O/ s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 v$ q& z, d. N7 G6 M* Y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
- r% L' L% v9 X$ i  C在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
' L3 B& Y5 z2 h0 f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
  C2 S/ U& e6 g4 Q6 T大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
$ F* y  H1 {& K2 n6 ^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
- U% U  j: |0 c; B必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
6 X" |  z! ]# u+ R- B4 S' b& ?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
0 S4 i8 K$ f" G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，
0 I5 _0 u4 @* H% O% ^4 A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
用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
% I* O/ u% i! m2 g" B. c构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
7 b% M: r5 M* T- B# K/ z, ^. @/ g1 h学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
4 s( U, k+ s( i9 i数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
7 W8 _' q2 l; h' D/ Z: ?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，
+ ~$ B- O0 K1 u# T  m  |以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
3 u9 a- ?: z3 `$ R2 _圆锯片的事先优化设计目的，同时对提高木工圆
9 a, b' w" a( E( j( z* i1 ]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
2 w4 w& Y& n; s( n. S" R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
* N: \% J" o  E/ ~转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l
' v5 k) D2 ^; g8 g( r+ H4 `; _套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件
: K' H! W! Z5 F7 G! y4 I及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限
4 D. ]' w* Y% C) r1 f$ D4 P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。
1 M+ g! x* u! S% |: {5 s0 ?/ O2 测试原理与过程
2．1测试原理
动刚度为线性定常机械系统中激励力向量与
响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
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
4 Q$ C. h4 a* v. c+ S箱上的双通道(CHI为力通道，CH2为加速度传
5 t, j3 R& n% ~' ]% F感器通道)的测量连接，再敲击圆锯片，使其产
生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
5 f1 p! W: M- s& M: V* A力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
) q+ S- D4 y; X  |" `滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
& T3 S1 @7 S7 n$ \6 _7 v% ]幅值。
. j- J1 X5 e+ ^# j; Z3 N( K" m3 H2．2测量过程
0 O9 b- U: k3 rAdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为
8 T' E2 e. R2 V' r8 V(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
# F% z2 y" E$ P2 |2 A% w, F" YStandard and test标准与检溺
& A$ v% H! d5 n8 p' M9 T' TSsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
5 c2 @9 z+ B, d* `. s7 ]500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
' u% e6 `* O( [& K+ A为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
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
& Z, I9 q) q1 P上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、
图2。
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
2 h. `+ I, Q# u6 z- F( ^图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
# t' K5 C' @! @8 M实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
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
! `% v2 s) L7 B7 W据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
4 \# W5 }9 F. Q的动刚度幅值。
3 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
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
% a3 y' r% l! p: c' Q5 n) o: Q1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
9 ^9 |0 g8 a, G) c中1／H 频谱及测量数据；1／H 频谱中的横坐标表
示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU)。

3．2数据计算及分析
1 a3 Y6 o/ ~& L* F" f- r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
' A: }4 m" B% X9 i刚度频谱是一条随频率变化的曲线。1／H。频谱中
5 [$ r" u: Q8 C. `- j的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
固有频率对应的动刚度的值，见表1。
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
% H) ?' i6 K$ |0 P5 y; w  kf(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
  G6 a; V7 ]1 j' Y8 u$ g* G$ ?; t1 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
; D) B( G7 k0 R9 J3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
, ?9 ?) y1 F0 {1 v. e4 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
5 Z! h1 ?0 k2 z/ Q; F  b# t6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
7 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
7 \2 Z) a, C- G: K3 }: A5 a9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
1O 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
5 B9 x4 V1 W6 r. i4 结论与建议
, ?* x& g# w3 `2 q8 L; }$ e4．1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，
9 B4 `  z4 _; ]3 x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。
( `. R4 U% y1 [) B0 b  M4．2 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，
其动刚度值均呈依次减小的规律。
4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
$ s4 f- F9 S, U& y! y! Q固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
  G2 [( Z$ V$ u' a  S9 Q. C动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
% J7 n( L- t9 P( i( Q4 v设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
) T' F8 L* x4 |. M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
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。
参考文献
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# r/ Z5 T* z( s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
备与过程自动化专业090421班学生
, Y: c8 L3 R1 O# ?' D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
) F' a% z  s& O/ ?  H, w(投稿日期：2011．6．9)