木工圓鋸片的試驗模態分析

凌霄斂影

木工圓鋸片的試驗模態分析

高德偉1， 董亞飛1， 王 正2*

(1.南京林業大學機械電子工程學院，江蘇南京 210037；2.南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210037)

摘 要：木工圓鋸片是木工圓鋸機上實現切割功能的核心配件之一，其性能、結構、制造工藝等參數影響其切割質量和使用壽命。通過對4種木工圓鋸片開展試驗模態分析，以期掌握圓鋸片的振型及其固有頻率值，對于做好鋸片減振和結構穩定性研究工作具有指導意義。

關鍵詞：木工圓鋸片；試驗模態；振型；固有頻率；節圓數；節直徑數

[size=1em]自1777年荷蘭人發明圓鋸機至今，以圓盤鋸片方式鋸切木材的圓鋸機亦有200余年的發展歷史[1-2]。目前，圓鋸機已被廣泛應用于木材、木質復合材料以及非木質材料的縱鋸、橫截、裁邊、開槽等鋸切加工工序，并使得作為圓鋸機上實現切割功能的核心配件之一的圓鋸片在整個制造業得到了廣泛應用[3-6]。圓鋸機的結構設計較為復雜，但效率高、類型多、用途廣[7]。在木材工業領域，因使用的木工圓鋸片工作時振動較為劇烈，形式也較復雜，其振動將加大木材及其實木復合材料的鋸路損失，并使其鋸路出現偏斜，降低了材料切割面的質量和鋸切精度，提高了加工噪聲量，進而縮短了圓鋸片的使用壽命[8]。一般認為，圓鋸片工作時的振動主要是橫向振動、面內振動和扭轉振動3種振動形式的合成。木工圓鋸片屬于薄板結構，其整體的彎曲剛度較小，易于產生彎曲變形[7]。因此，在鋸切中十分微小的軸向分力均可導致圓鋸片產生軸向位移，鋸齒周期性的沖擊工件將產生周期性的軸向分力，進而激發圓鋸片的橫向振動。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。模態分析為研究結構動力特性一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型[9-11]。為此，本文采用試驗模態分析法獲取木工圓鋸片的模態參數，以期在木材加工行業做好圓鋸片減振和結構穩定性設計工作具有重要的指導意義。

1 試驗模態測試1.1 試樣與儀器

[size=1em](1)試樣

[size=1em]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、材質為SKS5合金工具鋼。木工圓鋸片編號、外徑、內徑、厚度及其熱處理狀態如表1所示。

[size=1em](2)儀器及其配件

[size=1em]Cras振動與信號動態信號采集與系統分析1套，包括：AZ804-B信號調理儀1臺、AZ308信號采集箱1臺及其MaCras信號與系統分析軟件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

[size=1em]不同材料、不同尺寸和形狀的結構，若被撞擊，發出撞擊聲的頻率是各不相同的，反映了結構的固有動態特性[12-14]。研究實踐表明，被撞擊系統發出的撞擊聲的頻率與系統的固有頻率相同[15]。在以快速傅氏和拉氏變換為基礎的動態信號試驗法基礎上，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為電信號；再經信號調理儀放大、濾波，信號采集箱的A/D轉換后，對其進行頻譜分析，得其圓鋸片的模態參數與振型[16-17]。其測試系統如圖1所示。

[size=0.8em]表1 木工圓鋸片試樣基本信息表

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[size=0.8em]圖1 圓鋸片模態試驗框圖

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1.3 模態試驗試驗步驟

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。對試樣進行網格劃分→固定工件→接線→打開MaCras軟件→建立模型→標記結點→鋸片結點編號→模態測量參數設置(測量方向/測量參數/通道參數/校正因子ch01為100和cho2為24.4/負觸發分析/采樣頻率2 000 HZ/負觸發/電壓±壓發率200)→自動測量→參數識別(初始估計/曲線擬合/測量方向處理/約束方程處理/模態振型歸一/模態振型正交性檢驗)→文件保存。

本木工圓鋸片的網格劃分、頻譜及其試驗模態過程中的正交性檢驗分別如圖2～圖4所示。

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[size=0.8em]圖2 圓鋸片網格劃分圖

[size=0.8em]圖3 圓鋸片模態試驗頻率輸出圖

[size=0.8em]圖4 圓鋸片模態試驗正交性檢驗圖

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2 結果與分析

[size=1em]由上述對4種木工圓鋸片的模態試驗得其振型和頻率動力特性參數。4種木工圓鋸片試驗模態的振型及其固有頻率值分別見表2、表3。

[size=0.8em]表2 四種木工圓鋸片試驗模態的振型表

[size=0.8em]續表2

[size=0.8em]表3 四種木工圓鋸片試驗模態的固有頻率值

[size=1em]表2和表3中，D004630-2#在M=0，N=2，B001880-2#和B001890-1#在M=1，N=1時均出現振型無法辨識的情況。其原因在于受節點劃分精度的影響，使其某些模態振型無法辨識。

3 主要結論

[size=1em]圓鋸片工作中，其轉速應避開木工圓鋸機各階固有頻率的半功率譜帶值�？傊�，通過模態試驗法可便于進行圓鋸片產品的提升和改進，這將對圓鋸片的優化設計及其工藝工作具有良好的工程價值。

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Experimental Modal Analysis of Woodworking Circular Saw Blades

[size=1em]GAO De-wei1， DONG Ya-fei1， WANG Zheng2*
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing，Jiangsu 210037，China；2.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China)

[size=1em]Abstract：Woodworking circular saw blades are one of the core accessories of woodworking circular saw machines to realize the cutting function.Their performance，structure，manufacturing process and other parameters influence their cutting quality and service life.In this paper，the experimental modal analysis of four kinds of woodworking circular saw blades was carried out in order to master the vibration mode and natural frequency value of circular saw blades，which has guiding significance for the research on vibration reduction and structural stability of saw blades.

[size=1em]Key words：woodworking circular saw blade；experimental mode；vibration mode；natural frequency；number of pitch circles；number of pitch diameters

[size=1em]中圖分類號：S776

[size=1em]文獻標識碼：A

[size=1em]文章編號：2095-2953(2022)04-0016-04

[size=1em]收稿日期：2021-09-28

[size=1em]第一作者簡介：高德偉(1996-)，男，碩士研究生，研究方向為控制工程，E-mail：3488397212@qq.com。

[size=1em]*通訊作者：王 正(1963-)，男，教授，博士，研究方向為木結構建筑，E-mail：wangzheng63258@163.com。