对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

- g% ~1 j& I5 j" z
同行相互学习！

  O% x3 Z" W, w0 N0 E) Y* \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
郝敬冬王正 韩江梁金辉 ’
8 p5 n* {' I) m: |: Z: |6 T(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
, |* L) }5 z  ~; a' `- ^! T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
4 Q' U' f  ]3 ]9 o- q7 G" F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。
& c/ v; E" E2 S" |0 v3 F+ j" U: \关键词：木工圆锯片；频响函数；动刚度；试验；分析
* T0 N/ g& v. T中图分类号：TS643
2 H/ p* K! T' G# b' e9 z) c/ |在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
" }$ d% f0 J7 I! D8 m& M9 G普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
  R% k+ A: c# v* U& y染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增
大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
. ^9 p7 w! U) B) x安全事故。在实际使用过程中，圆锯片的动态稳
% F% u! t# F1 M" O. U2 t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
9 n! H, L1 N5 y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
  T$ B6 k1 W; W5 [7 L" K" C! K中激励力相量与响应的加速度向量之比，反映其
4 U% w4 d# W9 D$ `8 a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，
+ z( i$ W1 _  t9 [2 N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
0 L3 u7 {$ R% d/ x  F6 z( ]% a& M用研究成果较多，但主要集中在改变诸如锯身结
/ J) }, ^# v6 K构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
3 |: [1 T: D8 c6 Z学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
& R: O2 e4 V. s5 m' B8 _数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
6 x4 _6 j3 [' g: g; ?锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
( |; |- A1 L/ D' R6 x3 A分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
, ~$ ]$ i- l$ c& P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
锯机及圆锯片的综合动态特性检测水平提供借
鉴。
9 P" [' |4 ], w1 p$ g% h" N1 材料和仪器设备
本文试验设备为500mm万能木工圆锯机，使
7 k2 {: b: t" d3 n- o2 x" x8 J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
: G, z9 p8 A5 p" W) f+ g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
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
+ Y. d2 P0 k( I, U0 ^7 T3 z9 u8 o% I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，
% e- f6 ?* a7 B" H选用橡胶头；CA—YD一185型压电式加速度传感器
: q9 F0 h# c0 E0 k& I6 V1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
2 测试原理与过程
; p9 I, _5 \0 t3 f  l( [2．1测试原理
7 ^) f; y% B$ e7 T: J1 o) c6 M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
+ {3 e; I5 u- N7 b的瞬态激励法，其频响函数为输出的傅里叶变换
( y- \2 O# q' X& O+ Y6 d2 b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
; F( h6 c8 r  f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
4 [4 l# j4 g' F1 @5 D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、
; G( N( Z& T: S滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
, o  ]! G& @6 s6 J# G1／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
幅值。
2．2测量过程
1 Z* F+ ]  r, x* G3 [# OAdCras数据采集及处理参数设置：采样频率
6 c( Q1 x) f4 R+ n  a1000Hz；CH1单位设为(N)、CH2单位设为
5 I( o, O' `8 A6 z& r9 O4 J  S( F$ x(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
/ a, I! T+ x( j' c, i& {2 JStandard and test标准与检溺
- y9 x' _) u; m# b: K$ {0 ISsCras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
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
9 `- H" Q4 M( w* E0 C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、
* a2 w/ g8 A2 v: F图2。
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
0 @) H- R- B8 x8 \5 J  h  U) j图2 安装在圆锯机系统上测量圆锯片动刚度框图
/ R. O6 `# O2 v( ]/ ^实测前，进入示波方式，每敲击圆锯片一次后
3 E1 d5 s. i4 J+ {" P$ I& ~+ Z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
# O: b0 B' P9 F( E9 V% h& l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
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。
) S+ V# c! E3 a8 Y6 ?+ `  z3 结果与分析
木工机床2011 No．2
9 j1 x4 [+ V1 ~3 J, J# J! g3．1数据结果
图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
3 b' A7 i8 e3 k7 P2 L以及测量数据；图4为固定在圆锯机系统中的固
% o3 y8 C: z* P有频率频谱图以及测量数据；图4为悬挂系统中
1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
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)。

( I$ H/ ^: I8 ]* K4 V* L! p9 S3．2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
# L7 N7 g0 {, V' m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
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
0 ]- u: [  ~* u- E固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
; Y8 u9 a' s- p2 X# L& Wf(HZ) A(dB) Enns(N／M) f(HZ) A(dB) Erms(N／M)
6 {% V; M% P( I# p1 3．42 36．83 0．0798 1 8．06 60．58 0．O236
, v# ^7 W& O) ]! `8 ?, {$ H2 5．37 34．94 0．0307 2 12．45 41．26 0．00670
, y+ U, E+ t6 ~  d5 A! n- S5 i3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
2 W8 `7 ~4 j2 y  H/ R5 m4 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
7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
7 J0 d, Z. D5 n3 _# e! h7 z6 u8 36．13 30．1 0．O0o585 8 45．17 42．59 0．00o519
9 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
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
. G! o7 B& O4 A' Y0 T$ l条随频率变化的曲线。某一结构系统的动刚度大，
7 W7 G, B) T! I: [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。
4 {3 l( p) @& J4 D. b4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率
2 R4 N) r: Q) Q7 ?所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
- m9 L3 C/ p- D5 F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
4 Z0 d, ^- w* B8 ~0 C, S- ~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
# \. T4 t% X. f0 ^4 O设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
. p1 ~  U' x, b# e4 |8 m/ E) [8 ]刚度动态参数特性问题，提高圆锯片动刚度的值，
. r  c' M9 @9 T) Z2 ~如在锯切的时候，应尽量调整圆锯机系统的振动
, G" V! E# o9 T- e频率，使频率接近动刚度值较大时的固有频率，
1 Y/ |& g6 \6 h- R这样可以减少因圆锯片的振动而带来的损害，提
/ u, V; ?' D* j7 u& N高其使用寿命和产品质量等。
参考文献
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# }; ?7 `5 ?1 s+ e的圆锯片降低振动研究fJ1．上海：《振动与冲
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
/ o: R" a) U7 c" X备与过程自动化专业090421班学生
  f3 @( V; J) W7 W! x# L( `3 l通讯作者：王正南京林业大学木材工业学院高级工程师
$ r; z& e2 g$ h1 [$ m博士
(投稿日期：2011．6．9)