木工圓鋸片的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

高德偉， 董亞飛， 王 正

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

自1777年荷蘭人發(fā)明圓鋸機(jī)至今，以圓盤鋸片方式鋸切木材的圓鋸機(jī)亦有200余年的發(fā)展歷史[1-2]。目前，圓鋸機(jī)已被廣泛應(yīng)用于木材、木質(zhì)復(fù)合材料以及非木質(zhì)材料的縱鋸、橫截、裁邊、開槽等鋸切加工工序，并使得作為圓鋸機(jī)上實(shí)現(xiàn)切割功能的核心配件之一的圓鋸片在整個(gè)制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。圓鋸機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但效率高、類型多、用途廣[7]。在木材工業(yè)領(lǐng)域，因使用的木工圓鋸片工作時(shí)振動(dòng)較為劇烈，形式也較復(fù)雜，其振動(dòng)將加大木材及其實(shí)木復(fù)合材料的鋸路損失，并使其鋸路出現(xiàn)偏斜，降低了材料切割面的質(zhì)量和鋸切精度，提高了加工噪聲量，進(jìn)而縮短了圓鋸片的使用壽命[8]。一般認(rèn)為，圓鋸片工作時(shí)的振動(dòng)主要是橫向振動(dòng)、面內(nèi)振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3種振動(dòng)形式的合成。木工圓鋸片屬于薄板結(jié)構(gòu)，其整體的彎曲剛度較小，易于產(chǎn)生彎曲變形[7]。因此，在鋸切中十分微小的軸向分力均可導(dǎo)致圓鋸片產(chǎn)生軸向位移，鋸齒周期性的沖擊工件將產(chǎn)生周期性的軸向分力，進(jìn)而激發(fā)圓鋸片的橫向振動(dòng)。而橫向振動(dòng)集中了鋸片振動(dòng)的大部分能量，在鋸片的振動(dòng)形式中占主要地位。模態(tài)分析為研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型[9-11]。為此，本文采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法獲取木工圓鋸片的模態(tài)參數(shù)，以期在木材加工行業(yè)做好圓鋸片減振和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試

1.1 試樣與儀器

(1)試樣

試樣編號(hào)為D0046304、D004650、B001880和B001890的四種木工圓鋸片各2片。其材料平均密度為7799.3 kg/m3、材質(zhì)為SKS5合金工具鋼。木工圓鋸片編號(hào)、外徑、內(nèi)徑、厚度及其熱處理狀態(tài)如表1所示。

(2)儀器及其配件

Cras振動(dòng)與信號(hào)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集與系統(tǒng)分析1套，包括：AZ804-B信號(hào)調(diào)理儀1臺(tái)、AZ308信號(hào)采集箱1臺(tái)及其MaCras信號(hào)與系統(tǒng)分析軟件1套；CA-YD-103加速度計(jì)[9]1只，其靈敏度為2.44 pc/ms-2)；力錘1把，若干橡皮筋。

1.2 測(cè)試原理

不同材料、不同尺寸和形狀的結(jié)構(gòu)，若被撞擊，發(fā)出撞擊聲的頻率是各不相同的，反映了結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)態(tài)特性[12-14]。研究實(shí)踐表明，被撞擊系統(tǒng)發(fā)出的撞擊聲的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相同[15]。在以快速傅氏和拉氏變換為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)信號(hào)試驗(yàn)法基礎(chǔ)上，敲擊木工圓鋸片試樣，通過(guò)加速度計(jì)接受聲壓信號(hào)并將其變?yōu)殡娦盘?hào)；再經(jīng)信號(hào)調(diào)理儀放大、濾波，信號(hào)采集箱的A/D轉(zhuǎn)換后，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，得其圓鋸片的模態(tài)參數(shù)與振型[16-17]。其測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

表1 木工圓鋸片試樣基本信息表

圖1 圓鋸片模態(tài)試驗(yàn)框圖

1.3 模態(tài)試驗(yàn)試驗(yàn)步驟

圖1中，ch01通道和cho2通道分別連接力錘和加速度計(jì)，連接系統(tǒng)。對(duì)試樣進(jìn)行網(wǎng)格劃分→固定工件→接線→打開MaCras軟件→建立模型→標(biāo)記結(jié)點(diǎn)→鋸片結(jié)點(diǎn)編號(hào)→模態(tài)測(cè)量參數(shù)設(shè)置(測(cè)量方向/測(cè)量參數(shù)/通道參數(shù)/校正因子ch01為100和cho2為24.4/負(fù)觸發(fā)分析/采樣頻率2 000 HZ/負(fù)觸發(fā)/電壓±壓發(fā)率200)→自動(dòng)測(cè)量→參數(shù)識(shí)別(初始估計(jì)/曲線擬合/測(cè)量方向處理/約束方程處理/模態(tài)振型歸一/模態(tài)振型正交性檢驗(yàn))→文件保存。

本木工圓鋸片的網(wǎng)格劃分、頻譜及其試驗(yàn)?zāi)B(tài)過(guò)程中的正交性檢驗(yàn)分別如圖2～圖4所示。

圖2 圓鋸片網(wǎng)格劃分圖

圖3 圓鋸片模態(tài)試驗(yàn)頻率輸出圖

圖4 圓鋸片模態(tài)試驗(yàn)正交性檢驗(yàn)圖

2 結(jié)果與分析

由上述對(duì)4種木工圓鋸片的模態(tài)試驗(yàn)得其振型和頻率動(dòng)力特性參數(shù)。4種木工圓鋸片試驗(yàn)?zāi)B(tài)的振型及其固有頻率值分別見(jiàn)表2、表3。

表2 四種木工圓鋸片試驗(yàn)?zāi)B(tài)的振型表

續(xù)表2

表3 四種木工圓鋸片試驗(yàn)?zāi)B(tài)的固有頻率值

表2和表3中，D004630-2#在M=0，N=2，B001880-2#和B001890-1#在M=1，N=1時(shí)均出現(xiàn)振型無(wú)法辨識(shí)的情況。其原因在于受節(jié)點(diǎn)劃分精度的影響，使其某些模態(tài)振型無(wú)法辨識(shí)。

3 主要結(jié)論

圓鋸片工作中，其轉(zhuǎn)速應(yīng)避開木工圓鋸機(jī)各階固有頻率的半功率譜帶值?？傊?，通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)法可便于進(jìn)行圓鋸片產(chǎn)品的提升和改進(jìn)，這將對(duì)圓鋸片的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工藝工作具有良好的工程價(jià)值。