对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析

baihanfeng

; g: F4 @8 N0 b& E' T% V
2 B5 h% V' G1 c# z. u! S. y同行相互学习！
% Y1 S; I& Z" d" \' v& t
3 ]  P; A8 ^5 K对木工圆锯片系统动刚度特性参数的试验分析
5 u+ W; E( o. O' J( K3 w% kFor woodworking circular saw blade system test and analysis of characteristic
. _: K7 `( h1 ^; k% Iparameters of dynamic stifness
/ G. Z( C" A  z6 Y5 m: H. k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)
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
' w/ g7 u0 ^' ~* a5 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
; ^( Q. T& Q, 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
% F# M9 i) b, c) I" L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。
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
在木工机械行业，木工圆锯片在锯切过程中，
普遍存在机械振动问题。振动不仅会产生噪声污
6 c6 Y) ~/ d/ ]7 O染、缩短圆锯片的使用寿命、降低锯切质量、增
; u7 m( `& Z$ |! ~* W大锯路，还会加剧圆锯片的变形失效，甚至引起
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
/ F; U. m# |2 x# t9 c+ Q' K8 b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
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
: E7 c) C/ {- x7 c位振幅所需要的动态力。圆锯片系统的动刚度越
4 `4 t* ?4 ^4 W4 {  Y1 n' I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。
1 u$ K; U# }( N3 K* C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
构，如减振槽、卸荷槽等方面，本课题以结构力
) T2 Y& D  O2 \; d8 L/ A# i9 b% \学和机械振动机理为基础，利用先进的振动信号
- a6 j9 e  ]% ^! o/ P. `2 [数据采集与分析测量系统，对木工圆锯片及其圆
7 v% N; L! ]# d7 e* C6 P; {锯片系统的动刚度(或动柔度)进行测量及相关
; t! E7 `5 \9 r分析，并通过其模型计算，验证它们的相关性等，
以期通过理论计算与试验验证分析，达到对木工
- Q5 x) {; V# `0 }; \, e6 x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
% J1 _, L8 |0 ~' Y$ D$ q鉴。
: Y5 X! ]  L& U% u+ I# q9 O1 材料和仪器设备
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
8 q. j- o  a; q! e9 ~3．2mm、齿厚2．2ram、内径30mm、齿数96、最高
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
1 Y2 z: {7 S% y4 A5 r套，包括调理箱、采集箱、信号与数据分析软件
, S$ R5 o7 U& _. B8 A/ c及计算机，并主要配置：江苏联能电子技术有限
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
% E( H0 `* {. \8 `1只，电荷灵敏度4．89pc／N，质量4g。
  Q8 }  l$ P: {& K: c: l2 测试原理与过程
3 M# r$ t. M$ U9 a' U) c7 L1 J0 o! Q* ~2．1测试原理
* q5 Z( x# j+ A4 V4 X1 @. 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
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
& i- L, \9 i1 `# C! [3 I过实现圆锯片测试系统的动态信号调理箱和采集
) i$ L$ [. a/ X% w0 X6 v1 c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
* U% y/ r; B  y8 ]. }3 D生横向自由振动，通过加速度传感器接受机械受
  n! p1 e5 d- a  z力信号并将其变为电信号，再经信号调理仪放大、
: f) G( @: z( ~滤波后，对其进行信号的A／D 集及谱分析，从
2 \) [1 S, H2 j2 Q" X1／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
% i9 |  H) r2 k. y! s幅值。
8 _3 C; a& M, f- r% |# T9 `2．2测量过程
AdCras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
(mm／s )； CH1放大100倍CH2放大100倍。
7 ~& `+ w. A3 j. j/ A! aStandard and test标准与检溺
; h. j$ T; \* K7 C3 u2 M; ZSsCras信号与系统分析参数设置：分析频率为
0 V" x+ W5 m: Y" c: y  K+ Q9 i500Hz，频响函数类型为1／Ht，频谱类型为线性谱；
2 m  m8 ]' c/ [, ]9 O为防止频率混迭，本试验选择低通滤波器的频率
3 m5 [3 ^/ X. s3 A0 {9 \( G6 s. \上限，滤波频率设为1000Hz。
' u/ D- K* @1 s# z  G本试验对在自由悬挂和安装在圆锯机上两种
4 b8 {9 a6 k$ x) R0 [' B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
: i9 o. l9 |) n$ T( E(CH1)；将1只加速度传感器牢固安装在圆锯片
- G' R( ?/ C  q9 u上，接受响应信号(CH2)。其试验框图见图1、
. `# f3 o$ \% q& `# L图2。
图l 圆锯片系统自由式悬挂状态动刚度试验框图
: I5 d" K, D2 z( [0 J. u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
: l* R$ v' p) a0 A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
+ c2 E' |3 K4 L' \4 X. ]& z锯片，激起圆锯片系统振动，以触发方式采集数
: B: v+ q, H- G( D( M3 M1 H据，进行动态信号频谱分析，由此得到系统各阶
$ X+ N' h! f5 S1 F的动刚度幅值。
2 h' n: E2 @8 l2 Y) i3 结果与分析
; D" z" p; ?1 \9 [5 G( `( T6 e! R木工机床2011 No．2
) Y/ ]7 L* Z% [# ]5 ?$ z3．1数据结果
图3为悬挂系统中圆锯片的固有频率频谱图
8 C% y! f& G& h3 c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
4 g) r( ?: q9 U( C- \: M1／H 频谱及测量数据；图6为固定在圆锯机系统
; [4 J# X5 V1 N: r+ o: z" u" {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)。
- w9 O( A. j$ I
6 a# C; Q8 u8 [6 ~2 U$ @: r3 C3．2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
, p, U" x7 x8 g, D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。
  E9 l4 i) ^) N* r' Y$ U表1圆锯片系统两种状态下的各阶动刚度值计算表
) Y2 o+ q  ]9 q固有频率 幅阶次 值 动刚度值 阶次 固有频率 幅值 动刚度值
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
3 10．O1 27．23 0．00689 3 16．85 41．44 0．00370
: k4 K* s1 P0 M  g, K* y4 17．09 27．81 O．OD241 4 19．78 40．o7 0．OO26O
$ |8 g# Z+ O& V2 n# ]* ]5 19．78 27．9 0．0o181 5 26．86 41．58 0．00146
' d3 d* ^( P( i/ b% J* V8 M6 30．03 29．71 0．000835 6 30．O3 48．76 0．oo137
, i* n# S2 Y/ V: r/ e6 j; k8 ]% [) c7 31．49 31．46 0．O0o804 7 35．89 47．3 0．000931
' {0 x/ l- D7 j* }8 J2 q8 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
0 a8 F; C; ~4 Z, h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
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
" S/ Z) Y9 q$ f$ a! O1 }用下产生的变形就小。
4．2 表1表明，两种状态系统的第一阶固有频率
/ t! k* {# l4 G所对应的动刚度值最大。其固有频率的阶数越大，
5 e3 ^6 I5 h% ~+ {其动刚度值均呈依次减小的规律。
4 Z0 s5 j# e' ~( M' o& B5 |8 S4．3 图3、图4频谱中，当系统的激励频率与其
) c2 P' `: }, L+ ?! e2 m) A% C固有频率发生耦合时，易发生共振现象，此时其
5 E% \5 B  n2 @9 {& A7 @! X# h动刚度值为最小，易产生变形。在木工圆锯片的
4 \& t$ n- o6 `+ S, n( G& y& y# k$ n设计及生产中，建议注重圆锯片的固有频率和动
& x' E) i/ ], {4 t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
* H) o1 l: i6 a3 |* F高其使用寿命和产品质量等。
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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
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
(投稿日期：2011．6．9)