高德偉， 董亞飛， 王 正

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(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)明圓鋸機至今，以圓盤鋸片方式鋸切木材的圓鋸機亦有200余年的發(fā)展歷史[1-2]。目前，圓鋸機已被廣泛應(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，并使得作為圓鋸機上實現(xiàn)切割功能的核心配件之一的圓鋸片在整個制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。圓鋸機的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(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振動較為劇烈，形式也較復(fù)雜，其振動將加大木材及其實木復(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，進而縮短了圓鋸片的使用壽命[8]。一般認(rèn)為，圓鋸片工作時的振動主要是橫向振動、面內(nèi)振動和扭轉(zhuǎn)振動3種振動形式的合成。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，進而激發(fā)圓鋸片的橫向振動。而橫向振動集中了鋸片振動的大部分能量，在鋸片的振動形式中占主要地位。模態(tài)分析為研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(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?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)計工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗?zāi)B(tài)測試

1.1 試樣與儀器

(1)試樣

試樣編號為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、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振動與信號動態(tài)信號采集與系統(tǒng)分析1套，包括：AZ804-B信號調(diào)理儀1臺、AZ308信號采集箱1臺及其MaCras信號與系統(tǒng)分析軟件1套；CA-YD-103加速度計[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)的固有動態(tài)特性[12-14]。研究實踐表明，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)的動態(tài)信號試驗法基礎(chǔ)上，敲擊木工圓鋸片試樣，通過加速度計接受聲壓信號并將其變?yōu)殡娦盘?；再?jīng)信號調(diào)理儀放大、濾波，信號采集箱的A/D轉(zhuǎn)換后，對其進行頻譜分析，得其圓鋸片的模態(tài)參數(shù)與振型[16-17]。其測試系統(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)試驗框圖

1.3 模態(tài)試驗試驗步驟

圖1中，ch01通道和cho2通道分別連接力錘和加速度計，連接系統(tǒng)。對試樣進行網(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→鋸片結(jié)點編號→模態(tài)測量參數(shù)設(shè)置(測量方向/測量參數(shù)/通道參數(shù)/校正因子ch01為100和cho2為24.4/負觸發(fā)分析/采樣頻率2 000 HZ/負觸發(fā)/電壓±壓發(fā)率200)→自動測量→參數(shù)識別(初始估計/曲線擬合/測量方向處理/約束方程處理/模態(tài)振型歸一/模態(tài)振型正交性檢驗)→文件保存。

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

圖2 圓鋸片網(wǎng)格劃分圖

圖3 圓鋸片模態(tài)試驗頻率輸出圖

圖4 圓鋸片模態(tài)試驗正交性檢驗圖

2 結(jié)果與分析

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

表2 四種木工圓鋸片試驗?zāi)B(tài)的振型表

續(xù)表2

表3 四種木工圓鋸片試驗?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時均出現(xiàn)振型無法辨識的情況。其原因在于受節(jié)點劃分精度的影響，使其某些模態(tài)振型無法辨識。

3 主要結(jié)論

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