对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

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3 M& u- D0 V! Q4 F3 i" Y
  b; L7 X4 l% W. s6 O对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
; I7 v! j1 Y# k, ]6 tFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
' T# }+ [8 |6 x2 ~& Pparameters of dynamic stifness
4 f+ T& M# d4 d7 t9 Z郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
: q) J0 o2 M7 F) s) `; K(南京林业大学木材工业学院南京210037)
+ @4 p6 m8 `& T( ]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
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
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; }. M, @2 m1 V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。
+ N; H/ V! o, |! T( f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
% t, F6 J. s, p; q9 H. ^在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
7 U: _7 M! N$ v. V9 \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
2 D- S- S( X" V( u大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
5 |% H, f- \  z, S2 c% b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
3 D* q- g$ N9 S5 f4 L( J4 ]8 C必要对其振动特性进行研究。机械系统的振动特
性，主要决定于系统本身的惯性、弹性和阻尼参
; U7 r3 q; T4 k  T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
在特定的动态激扰下抵抗变形的能力，即引起单
1 E3 M% d* X# c9 i0 v& _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。
国内外同行对圆锯片的动刚度特性的基础应
' M) Y9 u# j/ E; M) y$ R用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
: e4 i5 b# r" }4 S( u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
* K( C, f; d1 p: z! _4 \& j数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
6 j% ]3 I+ V4 c7 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，
/ Q' j1 s* c6 R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
& m$ p  y% ^, }! j锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
鉴。
3 @: T! M+ B4 w& C, z; K+ ]1 材料和仪器设备
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
+ z2 l6 N1 X2 A9 E5 D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
) F5 `' T' L4 `/ L1 L* C转速6800r／min；其测量仪器为南京安正软件工程
( q% R# I7 {+ a0 {有限公司产的振动及动态信号采集分析系统l
. @/ g% S2 V' o0 x  i2 _8 {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
+ Z) X$ R2 K8 V  v公司产的LC1301力锤l把，量程500N，包括
, h/ Q2 ~4 Z* k% Y; xCL—YD一303型力传感器1把，灵敏度3．89pc／N，
9 v  ]9 d3 v* q) C' {6 Y; 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。
; {; e( [; |! t2 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
1 A" \9 m2 o' K# v, [7 h响应的加速度向量之比。本试验采用机械动力学
$ Y5 h$ \+ a3 c9 R! s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
$ ?1 M9 Y' n* R2 i* P: Y6 R过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
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
生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
0 H6 H) z+ G2 e+ a6 M力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
' z9 y3 a1 G0 A) L7 d$ \, v滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
' }* l  e! b, [% B: C. u/ ]0 J1／H 频谱中可得出圆锯片系统的阶次频响函数
- T1 {. f( `0 p6 U' o) U) [谱、一条随频率变化的动刚度曲线和阶次动刚度
幅值。
8 V0 A. d+ }8 i: h4 B4 G2．2测量过程
AdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
3 @, Z7 {! r+ ]2 y# o& H1000Hz；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
& O7 F1 i$ u4 O6 g  k0 K  \$ pSsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
7 G% Z3 ^& V& I, u0 m! j1 R0 G500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
" d" s* E4 r  e0 Q- D2 _8 ^* F5 c为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
3 e1 x, X& w% O. `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、
, ^* N* O1 C* w, v' C5 \: b图2。
5 L6 E! b; Y1 F+ g! }) [图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
- t. J5 }( |' j# k图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
  B% V, Y6 x6 l! n* @/ ~要等待锯片稳定后再进行第二次敲击，检查仪器
0 N0 s, ~! }0 B7 u5 D- n- o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
6 g7 t" `7 A$ t% j7 x锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
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。
; m% _. [& S) T, ^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
8 l2 X* h# {& g以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
4 R9 k% V1 W$ O! u8 D6 F有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
, v5 G* U# p; T- L+ W1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
% W7 ]5 X; r" H, E% y4 j4 g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
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
的横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示振幅(EU o
0 V( Z% Z, k' I7 `4 h$ ]+ y根据动刚度计算公式 ： 计算出前十阶
* q9 G+ k- w0 v固有频率对应的动刚度的值，见表1。
9 ?# j4 P8 ^1 n  {6 |' w5 q表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
( @- N& Y( n4 S; |# @4 ~固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
& Q* Z8 a# k8 L8 b7 L; Df(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
* ^/ v8 {0 z3 @6 a" P- D5 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
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
* V+ F7 A7 F! k* C/ a% Q$ Z6 p9 38．82 28．42 O．0O0478 9 60_3 44．98 0．000314
2 z0 m9 M6 P4 p& |1O 47．85 27．38 O．0o0218 10 64．2l 40．76 0．O0o251
7 X& Q7 l% r0 q1 e! G$ p$ ^+ C* A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
- k) j7 a1 J5 E: x9 ^% G4 o. F4 结论与建议
& V; ~" N1 q0 H% a8 e; j4．1根据动刚度1／H1频谱得知，动刚度频谱是一
! ~4 G  D1 ^+ r0 R' T条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
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。
: N9 _6 H4 n8 }& w2 j4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率
7 i  S2 b9 o5 s' L; H# M' f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
: m, K7 p) T3 ]9 o% i固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
2 i. Q6 V0 q/ D! A/ ?- Q动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
  H# l* {% U! r, c0 N  Y设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
4 e& @$ S8 G5 H% ]/ k8 v. \刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
6 ^) Z* J' i2 z5 @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，
3 B* D9 n9 C0 g3 R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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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
- R/ {$ K1 H7 H' X, [" z3 }通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
/ L5 M# T  G; f# r- i0 l' z博士
, {' W* G% ~3 s  B) R6 t  \% w(投稿日期：2011．6．9)