木工圆锯片的试验模态分析

高德伟， 董亚飞， 王 正

(1.南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210037)

自1777年荷兰人发明圆锯机至今，以圆盘锯片方式锯切木材的圆锯机亦有200余年的发展历史[1-2]。目前，圆锯机已被广泛应用于木材、木质复合材料以及非木质材料的纵锯、横截、裁边、开槽等锯切加工工序，并使得作为圆锯机上实现切割功能的核心配件之一的圆锯片在整个制造业得到了广泛应用[3-6]。圆锯机的结构设计较为复杂，但效率高、类型多、用途广[7]。在木材工业领域，因使用的木工圆锯片工作时振动较为剧烈，形式也较复杂，其振动将加大木材及其实木复合材料的锯路损失，并使其锯路出现偏斜，降低了材料切割面的质量和锯切精度，提高了加工噪声量，进而缩短了圆锯片的使用寿命[8]。一般认为，圆锯片工作时的振动主要是横向振动、面内振动和扭转振动3种振动形式的合成。木工圆锯片属于薄板结构，其整体的弯曲刚度较小，易于产生弯曲变形[7]。因此，在锯切中十分微小的轴向分力均可导致圆锯片产生轴向位移，锯齿周期性的冲击工件将产生周期性的轴向分力，进而激发圆锯片的横向振动。而横向振动集中了锯片振动的大部分能量，在锯片的振动形式中占主要地位。模态分析为研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[9-11]。为此，本文采用试验模态分析法获取木工圆锯片的模态参数，以期在木材加工行业做好圆锯片减振和结构稳定性设计工作具有重要的指导意义。

1 试验模态测试

1.1 试样与仪器

(1)试样

试样编号为D0046304、D004650、B001880和B001890的四种木工圆锯片各2片。其材料平均密度为7799.3 kg/m3、材质为SKS5合金工具钢。木工圆锯片编号、外径、内径、厚度及其热处理状态如表1所示。

(2)仪器及其配件

Cras振动与信号动态信号采集与系统分析1套，包括：AZ804-B信号调理仪1台、AZ308信号采集箱1台及其MaCras信号与系统分析软件1套；CA-YD-103加速度计[9]1只，其灵敏度为2.44 pc/ms-2)；力锤1把，若干橡皮筋。

1.2 测试原理

不同材料、不同尺寸和形状的结构，若被撞击，发出撞击声的频率是各不相同的，反映了结构的固有动态特性[12-14]。研究实践表明，被撞击系统发出的撞击声的频率与系统的固有频率相同[15]。在以快速傅氏和拉氏变换为基础的动态信号试验法基础上，敲击木工圆锯片试样，通过加速度计接受声压信号并将其变为电信号；再经信号调理仪放大、滤波，信号采集箱的A/D转换后，对其进行频谱分析，得其圆锯片的模态参数与振型[16-17]。其测试系统如图1所示。

表1 木工圆锯片试样基本信息表

图1 圆锯片模态试验框图

1.3 模态试验试验步骤

图1中，ch01通道和cho2通道分别连接力锤和加速度计，连接系统。对试样进行网格划分→固定工件→接线→打开MaCras软件→建立模型→标记结点→锯片结点编号→模态测量参数设置(测量方向/测量参数/通道参数/校正因子ch01为100和cho2为24.4/负触发分析/采样频率2 000 HZ/负触发/电压±压发率200)→自动测量→参数识别(初始估计/曲线拟合/测量方向处理/约束方程处理/模态振型归一/模态振型正交性检验)→文件保存。

本木工圆锯片的网格划分、频谱及其试验模态过程中的正交性检验分别如图2～图4所示。

图2 圆锯片网格划分图

图3 圆锯片模态试验频率输出图

图4 圆锯片模态试验正交性检验图

2 结果与分析

由上述对4种木工圆锯片的模态试验得其振型和频率动力特性参数。4种木工圆锯片试验模态的振型及其固有频率值分别见表2、表3。

表2 四种木工圆锯片试验模态的振型表

续表2

表3 四种木工圆锯片试验模态的固有频率值

表2和表3中，D004630-2#在M=0，N=2，B001880-2#和B001890-1#在M=1，N=1时均出现振型无法辨识的情况。其原因在于受节点划分精度的影响，使其某些模态振型无法辨识。

3 主要结论

圆锯片工作中，其转速应避开木工圆锯机各阶固有频率的半功率谱带值。总之，通过模态试验法可便于进行圆锯片产品的提升和改进，这将对圆锯片的优化设计及其工艺工作具有良好的工程价值。