帶鋸條工作狀態(tài)對(duì)其振動(dòng)峭度值的影響?

高金貴 吳俊華 姜兆方 張 健 趙洪剛

帶鋸機(jī)是在木材加工企業(yè)廣泛使用的機(jī)床[1]，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前對(duì)帶鋸條故障的診斷還僅是事前與事后的診斷，這嚴(yán)重影響到帶鋸的鋸割質(zhì)量，而且實(shí)際生產(chǎn)中判斷帶鋸條是否產(chǎn)生缺陷存在極大的偏差，因此很難準(zhǔn)確地把握帶鋸條的更換時(shí)間，影響帶鋸條的高效利用。實(shí)際生產(chǎn)中迫切需要一種方法或通過(guò)一種理論指標(biāo)的變化用以快速診斷出鋸條產(chǎn)生缺陷與否[2]。為此，借助國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)生產(chǎn)性試驗(yàn)，筆者擬就帶鋸條產(chǎn)生裂紋前后鋸條橫向振動(dòng)位移峭度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，找出峭度值作為判斷帶鋸條裂紋產(chǎn)生程度的依據(jù)，以為科學(xué)確定帶鋸條產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)展程度、合理更換帶鋸條時(shí)間提供技術(shù)依據(jù)。

1 主要試驗(yàn)儀器與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中使用的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要儀器設(shè)備Tab.1 Main apparatus and equipment

圖1為振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖。

圖1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 Vibration testing system composition block diagram

1.2 設(shè)備組成及其參數(shù)

1.2.1 機(jī)床組成

試驗(yàn)的研究對(duì)象為北華大學(xué)林學(xué)院木工機(jī)械實(shí)驗(yàn)室和樺甸市惠邦木業(yè)有限公司的MJ3210型跑車木工帶鋸機(jī)。其結(jié)構(gòu)由上下鋸輪、帶鋸條、鋸條導(dǎo)向裝置、張緊機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)架、安全罩、進(jìn)料跑車等組成，詳見(jiàn)圖2。

圖2 跑車木工帶鋸機(jī)Fig. 2 Sports car woodworking band saw

1.2.2 機(jī)床參數(shù)

MJ3210型跑車木工帶鋸機(jī)由福利達(dá)機(jī)械設(shè)備制造有限公司制造。其具體參數(shù)如下：適用鋸條厚度：1.0 5 mm；鋸條寬度：125 mm；鋸條最大長(zhǎng)度：6 900 mm； 鋸輪直徑：1 000 mm；鋸輪轉(zhuǎn)速：750 r/min 。機(jī)床重量：1 000 kg；機(jī)床外形尺寸：1 250 mm×1 000 mm×2 180 mm；跑車進(jìn)料速度：0～20 m/min ；鋸木最大直徑：800 mm。

1.2.3 帶鋸條參數(shù)

鋸身厚度：1.05 mm；鋸條寬度：125 mm；鋸條最大長(zhǎng)度：6 900 mm；折背齒：前角25°，楔角40°；齒距：27 mm；齒高：11 mm；齒室半徑：4.2 mm；鋸料寬度：1.75 mm[8]；鋸條張緊力8 330 N（林工牌，天津林業(yè)工具廠）。

為對(duì)各種情況帶鋸條進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇：空載完好帶鋸條，所計(jì)算的峭度值為K3；空載有裂紋帶鋸條，所計(jì)算的峭度值為K2（鋸條裂紋長(zhǎng)度為2.69、2.76、2.78 mm三種)；負(fù)載下有裂紋帶鋸條，所計(jì)算的峭度值為峭度K1（鋸條裂紋長(zhǎng)度為4.81、4.94、4.98 mm三種)。

1.3 加工材料

樹種：柞木，產(chǎn)地：吉林紅石林業(yè)局。含水率：6%～8%；加工試件長(zhǎng)度：4～6 m；鋸材厚度：40 mm。

2 峭度的定義及意義

因?yàn)樵囼?yàn)中采集的信號(hào)是時(shí)域信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析。目前在旋轉(zhuǎn)機(jī)械零部件故障診斷中應(yīng)用峭度值范圍判斷是一種科學(xué)的診斷故障的方法[3]。筆者借鑒此法，采用峭度值來(lái)評(píng)判帶鋸條故障程度。峭度值概念如下。

式中XRMS為均方根值(RMS、有效值)。

峭度指標(biāo)又稱峰態(tài)系數(shù)，是描述振動(dòng)幅值分布相對(duì)正態(tài)高斯分布的偏差程度。峭度指標(biāo)在軸承故障診斷時(shí)可根據(jù)其變化的范圍判斷缺陷種類及發(fā)展程度[6]，用峭度指標(biāo)對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行工況監(jiān)視已被國(guó)際上公認(rèn)為是一種比較簡(jiǎn)單而有效的方法。由于其對(duì)機(jī)械裂紋損壞、出現(xiàn)間隙增大等故障判別非常合適、有效，因此可選用峭度指標(biāo)等無(wú)量綱參數(shù)作為一些機(jī)械（如發(fā)動(dòng)機(jī)）在線故障診斷特征參數(shù)【4-8】。鑒于此，筆者采用峭度指標(biāo)來(lái)探討對(duì)診斷帶鋸條工作狀態(tài)的作用。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 負(fù)載下完好帶鋸條橫向振動(dòng)正交試驗(yàn)結(jié)果

為確定負(fù)載下影響帶鋸條橫向振動(dòng)位移的顯著性因素，根據(jù)對(duì)試驗(yàn)用MJ3210木工跑車帶鋸機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的分析，選取主軸轉(zhuǎn)速、鋸條張緊力、上下鋸卡距離、進(jìn)料速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行了六因素（兩個(gè)空白）、五水平L25(56)負(fù)載下（切削柞木）的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平Tab.2 Orthogonal test factors and levels

正交試驗(yàn)結(jié)果如下：各因素的主次順序?yàn)橹鳌危篈（鋸輪主軸轉(zhuǎn)速）→B（鋸條張緊力）→C（上下鋸卡距離）→D（進(jìn)料速度）；其最優(yōu)方案為A3B2C4D2, 即A：鋸輪主軸轉(zhuǎn)速831 r/min；B： 鋸條張緊力8 330 N；C：上下鋸卡距離600 mm，D： 進(jìn)料速度15 m/min。各因素顯著分析結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 負(fù)載下裂紋帶鋸條振動(dòng)位移顯著性分析表Tab. 3 Significant analysis of vibration displacement of cracked saw blade under load

由表3F值可知，因子A（鋸輪主軸轉(zhuǎn)速）高度顯著，因子B（鋸條張緊力）顯著，因子C（上下鋸卡距離）顯著 ，因子D（進(jìn)料速度）高度顯著。

3.2 鋸輪主軸轉(zhuǎn)速對(duì)帶鋸條橫向振動(dòng)峭度值的影響

在帶鋸條張緊力為8 330 N、進(jìn)料速度為15 m/min、上下鋸卡距離為600 mm、鋸輪主軸轉(zhuǎn)速不同、加工柞木的工況下，分別對(duì)完好鋸條和裂紋帶鋸條進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析后得到峭度值結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同負(fù)載下鋸輪主軸轉(zhuǎn)速對(duì)橫向振動(dòng)峭度的影響Fig.3 Effect of saw wheel spindle speed under different load on the transverse vibration kurtosis

從圖3可知，鋸輪主軸轉(zhuǎn)速對(duì)裂紋帶鋸條橫向振動(dòng)峭度值的影響非常明顯，在鋸輪轉(zhuǎn)速小于831 r/min時(shí)，隨著鋸輪主軸轉(zhuǎn)速的增加，有裂紋帶鋸條的峭度值也隨之增大；鋸輪轉(zhuǎn)速達(dá)831 r/min之后，隨著鋸輪轉(zhuǎn)速的增加，有裂紋帶鋸條的峭度值隨之減小?？蛰d完好帶鋸條隨鋸輪轉(zhuǎn)速增加其峭度值變化速率很小。其K值范圍：空載完好帶鋸條的峭度值K3在0～1之內(nèi)；空載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度2.76 mm)帶鋸條的K2在3～5.6之間；負(fù)載下有裂紋（裂紋長(zhǎng)度4.81 mm)帶鋸條，其K1值在6～15.6之間。由值區(qū)域可知各區(qū)域范圍非常明顯；空載下完好帶鋸條K值最??；負(fù)載下裂紋長(zhǎng)的K值大于裂紋短的K值；裂紋長(zhǎng)度和負(fù)載情況對(duì)帶鋸條K值影響極大；根據(jù)各區(qū)域范圍可判斷帶鋸條缺陷情況。

3.3 鋸條張緊力對(duì)帶鋸條橫向振動(dòng)峭度值的影響

在帶鋸機(jī)鋸輪主軸轉(zhuǎn)速為831 r/min、進(jìn)料速度為15 m/min、上下鋸卡距離為600 mm、切削柞木的工況下，改變帶鋸條張緊力，分別對(duì)完整鋸條和裂紋鋸條振動(dòng)位移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析得到帶鋸條橫向振動(dòng)峭度值結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同負(fù)載下鋸條張緊力對(duì)鋸條橫向振動(dòng)峭度的影響Fig.4 Effect of saw blade tension under different load on the transverse vibration kurtosis

由圖4可知，以帶鋸條張緊力8 330 N為拐點(diǎn)，在帶鋸條張緊力小于8 330 N時(shí)，隨著張緊力的增大，有裂紋帶鋸條峭度值隨之變大；當(dāng)帶鋸條張緊力大于8 330 N時(shí)，隨著張緊力的增大，裂紋帶鋸條的峭度值呈逐漸變小趨勢(shì)；空載完好帶鋸條隨鋸條張緊力增加其峭度值變化速率很小。K值范圍：空載完好帶鋸條K3為0～1；空載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度2.78 mm)帶鋸條K2為3～5；負(fù)載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度4.94 mm) 帶鋸條峭度K1為6～15.3。由值區(qū)域可知區(qū)域范圍非常明顯；空載下完好帶鋸條K值最??；負(fù)載下裂紋長(zhǎng)的K值大于裂紋短的K值；裂紋長(zhǎng)度和負(fù)載情況對(duì)帶鋸條K值影響極大；根據(jù)各區(qū)域范圍可判斷帶鋸條缺陷情況。

3.4 進(jìn)料速度對(duì)帶鋸條橫向振動(dòng)峭度的影響

在帶鋸機(jī)鋸輪主軸轉(zhuǎn)速為831 r/min、鋸條張緊力為8 330 N、上下鋸卡距離為600 mm、切削柞木的工況下，改變進(jìn)料速度，分別對(duì)完好帶鋸條和裂紋的帶鋸條橫向振動(dòng)位移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析得到帶鋸條振動(dòng)峭度值結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在跑車進(jìn)料速度小于15 m/min時(shí)，隨著進(jìn)料速度的增加，裂紋帶鋸條橫向振動(dòng)峭度值也隨之增加；當(dāng)跑車進(jìn)料速度大于15 m/min時(shí)，隨著進(jìn)料速度的增加，裂紋帶鋸條峭度值隨之降低；空載完好帶鋸條隨進(jìn)料速度增加其峭度值變化速率很小。其K值范圍：空載完好帶鋸條K3為 0～1；空載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度2.69 mm)帶鋸條K2為 3～5.2；負(fù)載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度4.98 mm)帶鋸條峭度值K1為6～15.6。由值區(qū)域可知各區(qū)域范圍非常明顯；空載下完好帶鋸條K值最小，負(fù)載下裂紋長(zhǎng)的K值大于裂紋短的K值；裂紋長(zhǎng)度和負(fù)載情況對(duì)帶鋸條K值影響極大；根據(jù)K值各區(qū)域范圍可判斷帶鋸條缺陷情況。

3.5 上下鋸卡距離對(duì)帶鋸條橫向振動(dòng)峭度的影響

在帶鋸機(jī)鋸輪主軸轉(zhuǎn)速為831 r/min、鋸條張緊力為8 330 N、進(jìn)料速度為15 m/min的前提下，切削柞木，改變上下鋸卡距離分別對(duì)完整鋸條和裂紋帶鋸條振動(dòng)位移在不同負(fù)載情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析得到K值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 上下鋸卡距離對(duì)鋸條橫向振動(dòng)峭度的影響Fig.6 Effect of the distance from the saw to the saw blade on the transverse vibration kurtosis

由圖6可知，以上下鋸卡距離600mm為拐點(diǎn)，在上下鋸卡距離小于600 mm時(shí)，隨著鋸卡距離的增加，帶鋸條峭度值也隨之增加；當(dāng)鋸卡距離大于600 mm時(shí)，帶鋸條K值隨之減小。其K值范圍：空載完好帶鋸條K3為 0～1；空載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度2.69 mm)帶鋸條K2為3～5.2；負(fù)載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度4.98 mm)帶鋸條峭度K1為6～15.6；由值區(qū)域可知各區(qū)域范圍非常明顯；空載下完好帶鋸條K值最小，負(fù)載下裂紋長(zhǎng)的K值大于裂紋短的K值；裂紋長(zhǎng)度和負(fù)載情況對(duì)帶鋸條K值影響極大；根據(jù)K值各區(qū)域范圍可判斷帶鋸條缺陷情況。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上在空載和負(fù)載下對(duì)MJ3210型跑車木工帶鋸機(jī)所用帶鋸條橫向振動(dòng)測(cè)試和對(duì)峭度數(shù)據(jù)變化的處理和分析，得出以下結(jié)論：

1）負(fù)載下對(duì)MJ3210型跑車木工帶鋸機(jī)的鋸條橫向振動(dòng)位移影響最為顯著的因素為鋸輪主軸轉(zhuǎn)速，其次為鋸條張緊力、上下鋸卡距離、進(jìn)料速度。

2）負(fù)載下跑車帶鋸機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)為鋸輪主軸轉(zhuǎn)速831 r/min、鋸條張緊力8 330 N、上下鋸卡距離600 mm、進(jìn)料速度15 m/min。

3）由系列試驗(yàn)得出,MJ3210型跑車帶鋸機(jī)在常規(guī)工作條件下，空載完好帶鋸條K3為0～1；空載有裂紋（裂紋長(zhǎng)度2.69～2.78mm）帶鋸條K2為3～5.6；負(fù)載下有裂紋（裂紋長(zhǎng)度4.81～4.98 mm）K1范圍在 6～15.6。由值區(qū)域可知區(qū)域范圍非常明顯；空載下完好帶鋸條K值最??；負(fù)載下裂紋長(zhǎng)的K值大于裂紋短的K值；裂紋長(zhǎng)度和負(fù)載情況對(duì)帶鋸條K值影響極大,因此可以根據(jù)峭度值的變化范圍確定帶鋸條產(chǎn)生裂紋和發(fā)展情況。

[1]朱國(guó)璽, 王華濱, 陳守謙, 等. 中國(guó)現(xiàn)代制材生產(chǎn)線的研究[M]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社, 1989.

[2]高金貴. 帶鋸機(jī)機(jī)械式張緊系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué), 2001.

[3]梅宏斌. 滾動(dòng)軸承振動(dòng)檢測(cè)與診斷理論、方法、系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1996:15-35.

[4]謝志江. 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[M]. 重慶:重慶大學(xué)出版社,1998:35-55.

[5]劉春浩編譯. 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題[J]. 軸承, 2000(5):42-43.

[6]Tandon N, Nakra B C. Vibration and acoustic monitoring techniques for the detection of defects in rolling element bearing-a review[J]. Shock Vibration Digest, 1992, 24(3):68-92.

[7]張樹京, 齊立心. 時(shí)間序列分析簡(jiǎn)明教程[M]. 北京:北方交通大學(xué)出版社, 2003.

[8]夏瑞花. 基于時(shí)間序列分析的滾動(dòng)軸承的故障診斷[D]. 烏魯木齊:新疆大學(xué), 2006.

[9]《林產(chǎn)工業(yè)手冊(cè)》編寫組. 林產(chǎn)工業(yè)手冊(cè)[M]. 北京:農(nóng)業(yè)出版社,1978:40-61.

[10]中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所主編. 中國(guó)主要樹種木材物理力學(xué)性質(zhì)[M]. 北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 1982.