帶鋸條產生裂紋前后的振動對比分析

高金貴，鄒志平，王立影，張 健，姜兆方，趙洪剛，齊華春，吳俊華，孫 可，張 盼，丁春龍

(1.北華大學，吉林 吉林 132013； 2.吉林森工金橋地板集團，吉林 長春 130000)

帶鋸條產生裂紋前后的振動對比分析

高金貴1，鄒志平2，王立影2，張 健1，姜兆方1，趙洪剛1，齊華春1，吳俊華1，孫 可1，張 盼1，丁春龍1

(1.北華大學，吉林 吉林 132013； 2.吉林森工金橋地板集團，吉林 長春 130000)

以MJ345A型木工帶鋸機為研究對象，空載下，運用先進的北京波普振動分析儀和Vib’sys振動信號采集、處理和分析軟件進行振動信號采集和分析，通過鋸條橫向振動位移、自功率譜分析得出：對鋸條橫向振動位移影響最為顯著的因素為主軸轉速，其次為鋸條張緊力，皮帶張緊力為不顯著因素；最佳工藝參數(shù)為鋸輪主軸轉速831 r·min-1、鋸條張緊力22 N、皮帶張緊力34.9394 N。在調鋸最佳工藝參數(shù)下，使用寬度16 mm、厚度0.7 mm的帶鋸條的MJ345A型細木工帶鋸機，對鋸條產生裂紋前后的振動信號進行相關分析表明：橫向振動位移如果在0.65～0.77 μm之間，振動主頻率在420～446 Hz之間，則說明鋸條已經(jīng)產生至少1條超過3 mm裂紋缺陷，需要及時更換帶鋸條。

帶鋸機；帶鋸條振動；裂紋；振動特性

由于帶鋸條切削在木材切削中是屬于閉式切削，其切削刃的變化狀態(tài)很難用肉眼適時觀察，無法適時確定換鋸時間。根據(jù)調查，木材加工企業(yè)通常采用2種方法：一是采用限時換鋸法。即根據(jù)經(jīng)驗每隔一段時間就換下鋸條，用粉筆涂抹鋸條根部位置，之后借助光線來判斷裂紋產生的情況；二是根據(jù)切削時產生聲音的情況來判斷鋸條工作情況和裂紋產生情況。第一種方法，由于按經(jīng)驗強制停機來判斷裂紋是否產生，及采取相應的措施，但由于經(jīng)驗不夠有時可能裂紋沒有產生就卸下鋸條而耽誤生產；有時已經(jīng)產生，由于沒有及時處理會產生“放炮”現(xiàn)象，易產生人身傷害事故、影響生產。第二種方法，完全憑聲音來判斷，對于經(jīng)驗不足的青年工人又難于實施，為此，此項措施又等于沒有進行判斷鋸條裂紋的產生和發(fā)展及裂斷[1]。關于帶鋸條裂紋的深入研究——裂紋產生規(guī)律和識別的研究，國內外未見有報道，從試驗中研究其裂紋判定依據(jù)的結果更未見到[2-16]。本文著重在空載下，對帶鋸條產生裂紋前后進行對比試驗。

1 儀器與設備

1.1 儀器

試驗中使用的儀器見表1。

表1 主要儀器設備

1.2 設備組成及其參數(shù)

1.2.1 機床組成 研究設備為北華大學林學院木工機械實驗室MJ345A型細木工帶鋸機。其結構由上、下鋸輪，帶鋸條，鋸條導向裝置，張緊機構，動力系統(tǒng)，機架，安全罩等組成(圖1)。

1.2.2 機床參數(shù) 鋸輪直徑：500 mm，鋸輪轉速：739、782、831、887、950 r·min-1，電機轉速：1400 r·min-1。

1.3 鋸條主要參數(shù)

3550 mm×16 mm×0.7 mm(長×寬×厚)[17]；楔角53°，后角30°，前角7°。

1.4 振動測試系統(tǒng)組成

振動測試系統(tǒng)組成框架圖見圖2。探頭(傳感器)安裝后示意圖見圖3。前置器與數(shù)據(jù)采集儀和晶體管直流穩(wěn)壓電源安裝后示意圖見圖4。

圖1 細木工帶鋸機圖2 振動測試系統(tǒng)組成框架圖

圖3 探頭(傳感器)安裝后示意圖圖4 前置器與數(shù)據(jù)采集儀和晶體管直流穩(wěn)壓電源安裝后示意圖

2 試驗方法

根據(jù)對試驗用細木工帶鋸機結構與運動的分析，選取主軸轉速(A)、皮帶張緊力(B)、鋸條張緊力(C)為試驗因素，進行3因素3水平L9(34)正交試驗，試驗時鋸條厚度為0.7 mm，試驗是在空載下進行，因素位級見表2。

表2 正交試驗因素及水平

3 結果與分析

3.1 正交試驗結果及顯著性分析

由表3可知，因為R1>R3>R2，故各因素的主次順序為主→次：A(鋸輪主軸轉速)→C(鋸條張緊力)→B(皮帶張緊力)；A(鋸輪主軸轉速)、C(鋸條張緊力)為顯著因素，B(皮帶張緊力)為不顯著因素；最優(yōu)方案為A3B3C2，即鋸輪主軸轉速831 r·min-1、皮帶張緊力34.9394 N、鋸條張緊力22 N。

表3 產生裂紋鋸條橫向振動正交試驗表

圖5 完好鋸條、產生裂紋缺陷鋸條橫向振動的位移圖6 完好鋸條、產生裂紋缺陷鋸條振動的主頻率

3.2 鋸輪主軸轉速對裂紋鋸條的橫向振動位移及主頻率的影響

在帶鋸機鋸條張緊力為22 N，皮帶張緊力為34.9394 N的條件下，對完好鋸條、產生3 mm長的裂紋缺陷鋸條的橫向振動位移及主頻率進行測定，結果見圖5、圖6。由圖5、圖6可見，鋸輪主軸轉速對帶鋸條橫向振動位移、主頻率大小影響非常明顯，鋸輪主軸轉速小于831 r·min-1時，隨著鋸輪轉速的增加，鋸條的橫向振動位移和振動頻率隨之減小；鋸輪主軸轉速大于831 r·min-1時，隨著鋸輪轉速的增加，鋸條的橫向振動位移和振動主頻率隨之增大；在鋸輪主軸轉速在831 r·min-1時，鋸機達到最佳工作狀態(tài)。有裂紋鋸條橫向振動位移在0.65～0.72 μm之間，振動主頻率在420～445 Hz之間。產生裂紋后鋸條的橫向振動位移明顯大于完好鋸條的橫向振動位移，而產生裂紋后鋸條的橫向振動主頻率明顯小于完好鋸條的橫向振動主頻率。

3.3 鋸條張緊力對裂紋的鋸條橫向振動位移及主頻率的影響

帶鋸機主軸轉速為831 r·min-1，皮帶張緊力為34.9394 N的條件下，對產生3 mm裂紋缺陷的鋸條進行數(shù)據(jù)采集，帶鋸條橫向振動位移、主頻率變化見圖7、圖8。由圖7可知，產生裂紋的帶鋸條振動位移走勢與完好鋸條基本相同，但產生裂紋后振動位移明顯大于完好鋸條的振動位移，產生裂紋缺陷鋸條的橫向振動位移在0.65～0.77 μm之間。由圖8可知，隨著鋸條張緊力增大，鋸條振動主頻率呈下降趨勢，而且產生裂紋后的振動主頻率明顯小于完好鋸條的振動頻率，其振動頻率在422～446 Hz之間。

圖7 完好鋸條、產生裂紋缺陷的鋸條橫向振動位移圖8 完好鋸條、產生裂紋缺陷的鋸條振動主頻率

3.4 產生缺陷的不同寬度的鋸條振動對比分析

在鋸輪主軸轉速831 r·min-1，鋸條張緊力22 N，皮帶張緊力34.9394 N的前提下，在空載下分別采用30、16 mm寬的完好和裂紋缺陷(鋸條裂紋為3 mm)鋸條進行試驗，鋸條橫向振動位移、主頻率測定結果見表4、表5。由表4可知，同一鋸條寬度下，完好鋸條的橫向振動位移小于有缺陷的鋸條；不論是完好鋸條還是有缺陷鋸條的寬鋸條橫向振動位移均大于窄鋸條。由表5可知，同一鋸條寬度下，有缺陷的鋸條振動主頻率明顯小于完好鋸條振動主頻率；無論是完好鋸條還是有缺陷鋸條的寬鋸條振動主頻率小于窄鋸條。所以在實際生產中判斷鋸條缺陷狀況要根據(jù)鋸條的寬度不同，從振動位移和振動主頻率2個方面分別判斷。

表4 不同鋸條寬度的鋸條橫向振動位移對比

表5 不同鋸條寬度的鋸條振動主頻率對比

3.5 切削不同樹種時對產生裂紋缺陷的鋸條振動的影響

在鋸輪主軸轉速831 r·min-1，鋸條張緊力24 N，皮帶張緊力34.9394 N的條件下，分別選擇鋸切楊木(含水率8%，弦向硬度2385 N，端面硬度3795 N，東北吉林產)、柞木(含水率8.5%，弦向硬度6535 N，端面硬度7383N，東北吉林產)對完好鋸條、產生裂紋缺陷的鋸條進行數(shù)據(jù)采集，帶鋸條橫向振動位移、主頻率測定結果見表6、表7。由表6可知，切削同一種木材時，完好鋸條的振動位移小于有缺陷鋸條的振動位移；同一種鋸條鋸切楊木時的鋸條振動位移大于鋸切柞木時候的振動位移，說明隨著被切削木材的硬度的增大，振動位移也隨之減小。從表7主頻率對比分析可知，切削同一木材時，完好鋸條的振動主頻率大于有缺陷鋸條的振動主頻率；使用同一種鋸條鋸切楊木時的主頻率大于鋸切柞木時的主頻率，說明隨著被切削木材的硬度的增大，主頻率也隨之減小。

3.6 皮帶張緊力對產生裂紋缺陷的鋸條振動的影響

在帶鋸機主軸轉速為831 r·min-1，鋸條張緊力為22 N的條件下，改變5次皮帶張緊力，分別對完好鋸條、產生裂紋缺陷的鋸條進行數(shù)據(jù)采集，帶鋸條橫向振動位移和主頻率測定結果見圖9、圖10。

由圖9可見，皮帶張緊力對鋸條橫向振動位移影響不明顯，有缺陷鋸條橫向振動位移大于完好鋸條振動位移。在皮帶張緊力試驗范圍內，隨著皮帶張緊力的增大，振動位移趨于變小。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，皮帶張緊力對振動頻率的影響非常明顯，正常鋸條與有裂紋的鋸條隨著皮帶張緊力增大，鋸條振動頻率均減??；有裂紋的鋸條振動頻率明顯小于完好鋸條的振動頻率。

表6 完好鋸條、裂紋缺陷鋸條橫向振動的位移對比

表7 完好鋸條、裂紋缺陷鋸條振動的主頻率對比

圖9 完好鋸條和產生裂紋缺陷的鋸條橫向振動位移圖10 完好鋸條和產生裂紋缺陷的鋸條振動主頻率

3.7 設備運轉時間對產生裂紋缺陷的鋸條振動的影響

在鋸輪主軸轉速831 r·min-1，鋸條張緊力24 N，皮帶張緊力34.9394 N的條件下，分別對完好鋸條、產生裂紋缺陷的鋸條每20 min采集1次數(shù)據(jù)，帶鋸條橫向振動位移、主頻率測定結果見圖11、圖12。

圖11 完好鋸條、裂紋缺陷鋸條橫向振動的位移圖12 完好鋸條、裂紋缺陷鋸條振動的主頻率

由圖11、圖12可見，在設備運行時間小于80 min時，隨時間延長，有缺陷鋸條的振動位移和主頻率逐漸減小，在運轉時間80 min時達到最佳狀態(tài)(位移幾乎接近最小)；有缺陷鋸條的橫向振動位移大于完好鋸條的橫向振動位移，而振動主頻率則小于完好鋸條的振動主頻率。在設備運行開始的瞬間，帶鋸條橫向振動位移很大，80 min后恢復到一種平穩(wěn)的狀態(tài)，然后在一定區(qū)間內波動；鋸條振動主頻率變化規(guī)律也基本如此。

切削柞木時發(fā)現(xiàn)，裂紋開始時變化比較緩慢；設備運行120 min后裂紋長度增大到了8.3 mm，經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)此時主頻率下降很快；設備運行130 min后經(jīng)停機觀察，其裂紋已經(jīng)逐步擴展到14.2 mm；設備運行140 min時，鋸條從裂紋處突然斷開，并伴有巨大的噪音，即“放炮”。分析斷裂原因，可能是帶有裂紋的鋸條裂紋長度會隨著運行的時間逐漸增加而不斷擴展，直至裂透。這是由于鋸條所受應力集中所導致的。

4 結論

1)通過正交試驗分析表明，對MJ345A型細木工帶鋸機的鋸條橫向振動位移影響最為顯著的因素為主軸轉速,其次為鋸條張緊力，皮帶張緊力為不明顯因素。MJ345A型細木工帶鋸機的調鋸最佳工藝參數(shù)為：鋸輪主軸轉速831 r·min-1、鋸條張緊力22 N、皮帶張緊力34.9394 N，此時鋸條橫向振動位移最低。

2)在調鋸最佳工藝參數(shù)下，使用寬度16 mm、厚0.7 mm的帶鋸條的MJ345A型細木工帶鋸機鋸條，空載下，產生裂紋的鋸條橫向振動位移比完好鋸條的振動位移明顯增大，而產生裂紋的鋸條的橫向振動主頻率明顯比完好鋸條的振動主頻率小，此時，所能承受的最大鋸條張緊力也減小，所以，對于MJ345A型細木工帶鋸機，判斷鋸條是否需要更換，可以從鋸條振動位移和振動主頻率的變化進行綜合判斷，當主軸轉速、皮帶張緊力、鋸條張緊力都調整到最優(yōu)狀況下，測定橫向振動位移如果在0.65～0.77 μm之間，而振動主頻率在420～446 Hz之間，則說明鋸條已經(jīng)產生至少一條超過3 mm裂紋缺陷，需要及時更換帶鋸條。

3)同一鋸條寬度下，完好鋸條的橫向振動位移小于有缺陷鋸條的振動位移，完好鋸條的振動主頻率大于有缺陷鋸條的振動頻率。有缺陷的寬鋸條橫向振動位移明顯大于有缺陷的窄鋸條的振動位移，有缺陷的寬鋸條橫向振動頻率明顯小于有缺陷的窄鋸條的振動頻率，在實際生產中判斷鋸條缺陷狀況要根據(jù)鋸條的寬度不同，從振動位移和振動主頻率2個方面綜合判斷。

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Band Saw Blade Crack before and after the Vibration of the Comparative Analysis

GAO Jin-gui1，ZOU Zhi-ping2，WANG Li-ying2，ZHANG Jian1，JIANG Zhao-fang1，ZHAO Hong-gang1，QI Hua-chun1，WU Jun-hua1，SUN Ke1，ZHANG Pan1，DING Chun-long1

(1.BeihuaUniversity，Jilin132013，Jilin，China；2.Jilingoldenbridgefloorgroup，Changchun130000，Jilin，China)

This article take the MJ345A type woodworking band saw machine as the research object，Under the light，using advanced Beijing pop vibration analyzer and the Vib sys vibration signal acquisition, processing and analysis software for vibration signal acquisition and analysis, through the saw blade transverse vibration displacement，the power spectrum analysis：the saw blade transverse vibration displacement effect on the most significant factor as the spindle speed，followed by the tension of saw blade and belt tension is not significant factors.And obtained the optimum parameters of work.Under saws best adjusting process parameters, Use 16 mm width is 0.7 mm thick band saw blade type MJ345A fine woodworking band saw machine, through to the saw blade crack before and after the vibration signal correlation analysis showed that the determination of lateral vibration displacement if between 0.65～0.77μm microns，vibration main frequency between 420～446 Hz，and is the saw blade has had at least one more than 3 mm crack defects，need to timely change the band saw blade.

band saw；saw blade vibration；flaw；vibration characteristic

10.13428/j.cnki.fjlk.2014.03.025

2013-10-15；

2013-11-01

吉林省產業(yè)技術開發(fā)項目(年產10萬立方米輥式連續(xù)壓機生產線研發(fā)，201002012)；吉林省教育廳科研項目(大中型中密度纖維板生產線節(jié)能降耗關鍵技術的優(yōu)化研究，2009106)

高金貴(1963—)，男，吉林蛟河人，南京林業(yè)大學林業(yè)工程博士后，教授，從事木工機械動態(tài)分析與設計、人造板生產工藝及理論研究。E-mail：jiangzhao_fang@126.com。

TS64

A

1002-7351(2014)03-0115-06