基于試驗?zāi)B(tài)分析的圓鋸片降低振動研究

1、振 動 與 沖 擊第28卷第2期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l28No.22009基于試驗?zāi)B(tài)分析的圓鋸片降低振動研究駱志高,李 舉,王 祥,范彬彬,郭嘯棟(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)摘 要:金屬圓鋸片屬于面積較大的薄板類零件,其在鋸切加工過程中普遍存在著嚴重的振動問題。為提高圓鋸片的鋸切性能,降低其工作時的振動,在對圓鋸片振動分析及其試驗?zāi)B(tài)理論研究和試驗分析的基礎(chǔ)上,對比兩種不同基體結(jié)構(gòu)圓鋸片的固有特性,分析其固有頻率及振型的變化,推斷基體上開減振孔對鋸片整體性能,尤其是對圓鋸片振動特性的的影響。試驗證明,開減振孔鋸片可有效降低圓鋸片的振動

2、,為圓鋸片降低振動的結(jié)構(gòu)設(shè)計及基體沖孔的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:圓鋸片;試驗?zāi)B(tài);振動分析;減振孔中圖分類號:TB532 文獻標識碼:A金屬圓鋸片是切斷加工的刀具,由于其是一個面積較大的薄板,厚度與直徑比非常小,且又是在高速旋轉(zhuǎn)及高速送進的條件下工作,在鋸切加工過程中,普遍存在著嚴重的振動問題。振動不僅會產(chǎn)生噪音污染、縮短鋸片的使用壽命、降低鋸切質(zhì)量、增大鋸縫的寬度,還會加劇鋸片的變形失效,甚至引起安全事故。因此在實際使用過程中,鋸片的振動和穩(wěn)定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題,有必要對其振動特性進行研究。本文在對鋸片振動分析的基礎(chǔ)上,在其基體上開減振孔,對無孔及有孔鋸片做模態(tài)試驗,

3、分析對比其固有特性,分析基體開孔對鋸片整體特性,尤其是對鋸片振動特性的影響,為鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo),改變以往單純依靠有限元分析軟件對鋸片進行模態(tài)分析,進一步提高了分析的準確性。厚度。(由于夾盤的存在,鋸片中心孔對分析沒有影響,在此沒有表示出來)圖1 圓鋸片工作狀態(tài)圖1 振動分析圓鋸片工作時的振動比較劇烈,形式也較復(fù)雜,一般認為:鋸片工作時的振動主要是由三種振動形式合成的,即橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動及徑向振動。圓鋸片屬于薄板結(jié)構(gòu),其整體的彎曲剛度不大,易于產(chǎn)生彎曲變形,因此在鋸切中十分微小的軸向分力都可能會使鋸片發(fā)生軸向位移,鋸齒周期性的沖擊工件會產(chǎn)生周期性的軸向分力,進而激發(fā)鋸片的橫向振動。橫向

4、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?；诖?本文主要考慮基體沖孔對鋸片橫向振動的影響。如圖1所示,鋸片處于工作狀態(tài)時,可以看著是中間固定,周邊自由的等厚薄板。其中陰影部分表示鋸片的夾盤,R1為鋸片外徑,R2為夾盤直徑,h為圓鋸片收稿日期:2008-05-12 修改稿收到日期:2008-05-21假設(shè)鋸片滿足板的小撓度理論,則在柱坐標系中,其橫向振動微分方程為:24D +m2=0(1)t32其中:D=Eh/12(1- )=0為彎曲剛度;m=h!為單位面積質(zhì)量; 為鋸片的撓度;E, ,!分別為鋸片材料的彈性模量、泊松比、密度。微分方程邊界條件為:在r=R1處,彎矩和橫向剪

5、力為0,即22 =0(2)+r trr=R11 1 +22+2+ rrr2=0-22r rr=R1在r=R2處,撓度和轉(zhuǎn)角為0,即 r=R2=0, / rr=R2=022(3)(4)式中:為圓柱坐標中的角度變量。通過求解Bessel方程得到固有頻率的數(shù)值解,m表示節(jié)圓的個數(shù),n表示節(jié)直徑的個數(shù)。,1953第2期 駱志高等:基于試驗?zāi)B(tài)分析的圓鋸片降低振動研究1252 模態(tài)試驗2 1 試驗?zāi)B(tài)基礎(chǔ)理論試驗?zāi)B(tài)是現(xiàn)代實驗技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的產(chǎn)物,是解決振動問題的一種有效手段。主要以構(gòu)件或整個設(shè)備的振動實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)找出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。將所研究的構(gòu)件看著一個系統(tǒng),以構(gòu)件的

6、激振為系統(tǒng)的輸入,構(gòu)件的各種力學(xué)表現(xiàn),如加速度、速度、位移等作為系統(tǒng)的輸出。對一個多自由度線性振動系統(tǒng),其數(shù)學(xué)模型為:Mx+Cx+Kx=f式中f為激振力列向量;對有孔鋸片精確劃分網(wǎng)格,在原有基礎(chǔ)上修改了8個點,同時增加了16個點,所以其與無孔鋸片在如下兩個方面略有不同:總幾何節(jié)點數(shù)變?yōu)?32,總測量自由度數(shù)為196。(5)x、x、x分別為位移、速度、加速度響應(yīng)列向量;M、C、K分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。這種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)明確,通過參數(shù)識別就可以確定系統(tǒng)模型。根據(jù)文獻3,鋸片的橫向振動能量主要集中在低頻范圍。因此應(yīng)當著重研究分析鋸片的低階振動頻率。2 2 網(wǎng)格劃分及實驗參數(shù)圖

7、2為無孔圓鋸片網(wǎng)格劃分圖,圖3為有孔圓鋸片網(wǎng)格劃分圖。無孔鋸片實驗參數(shù):測量方案:激振器(或力脈沖)激勵,固定激勵移動測量或固定測量移動激勵采集器通道數(shù):2測量方向數(shù):1總幾何節(jié)點數(shù):216約束點數(shù):36總測量自由度數(shù):180激勵方法:激振器(隨機)或力錘(脈沖)激勵有孔鋸片實驗參數(shù)與無孔鋸片基本相同,但為了圖3 有孔鋸片網(wǎng)格圖2.3 無孔鋸片前8階振型圖及固有頻率值第一階振型第二階振型第三階振型126振動與沖擊 2009年第28卷表1 頻率值階數(shù)頻率/Hz169.455445.12299.196534.403225.047590.854386.308645.432.4 有孔鋸片前8階振型圖及

8、固有頻率值第四階振型第一階振型第五階振型第二階振型第六階振型第七階振型第三階振型第八階振型第四階振型第2期 駱志高等:基于試驗?zāi)B(tài)分析的圓鋸片降低振動研究127第五階振型第六階振型第七階振型以從無孔鋸片與有孔鋸片的前八階振型及固有頻率數(shù)值可以看出:1)相對于無孔鋸片,有孔鋸片的各階對應(yīng)的固有頻率值有所下降,說明基體上開孔,可以降低鋸片整體的固有頻率。同階振型的固有頻率下降,根據(jù)文獻8所述,同一階次的頻率越低,意味著振動強度低、噪音小。2)由鋸片振型圖可知,鋸片的低階模態(tài)均為節(jié)線模態(tài),說明節(jié)線模態(tài)較易激發(fā),低振動鋸片結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮低階節(jié)線模態(tài)。3)從無孔鋸片及有孔鋸片相對應(yīng)的振型圖上可以看出,

9、由于有孔鋸片上減振孔的存在,割斷了部分節(jié)線及節(jié)圓,抑制了鋸片的駐波共振,使得鋸片的振動響應(yīng)的振幅相應(yīng)的減小,從而降低鋸片的橫向振動。4)由于減振孔的存在,鋸片的整體剛度略有下降,但由于鋸片在高速旋轉(zhuǎn)的情況下,離心力的作用可以增強鋸片的整體剛度,所以由于基體孔的存在而導(dǎo)致鋸片整體剛度的下降不會對鋸片的工作性能產(chǎn)生太大的影響。但由于目前超薄鋸片的應(yīng)用越來越廣泛,所以剛度的研究也引起關(guān)注。如何在降低振動的情況下最大限度的提高鋸片的剛度,是目前研究的一個熱點。5)從振型圖可以看出,部分振型里的個別點振動異常,主要是由于在試驗過程中,由于鋸片的剛度較高,力錘敲擊時,鋸片的回彈較快,很有可能會造成連續(xù)的敲

10、擊信號,影響試驗結(jié)果。所以在圓鋸片的模態(tài)試驗時,要注意力錘敲擊的力度及準確度,原則上,信號的相干函數(shù)值越接近1越好,基于圓鋸片的實際情況,相干函數(shù)值在0.8以上就認為合格。1參考文獻TianJF,HuttonSG.CuttinginducedVibrationinCircularSawsJ.JournalofSoundandVibration.2001,242(5),907-922.McAlpineA,FisherMJ.Onthepredictionof buzz saw!noiseinacousticallylinedaeroengineinletductsJ.JournalofSounda

11、ndVibration.v265,n1,31July2003,175-200.臧 勇,李同進,陶登奎,馮 偉.圓鋸片的有限元模態(tài)分析J.重型機械,2002,1:49-52.劉繼承,周傳榮.一個基于優(yōu)化的有限元模型修正方法J.振動與沖擊,2003,22(2):33-35.楊久霞,張建宇.圓鋸片的模態(tài)分析J.冶金設(shè)備,2003,137(1):31-34.高耀東,程原野.離心力對金屬熱切圓鋸片固有頻率的影響J.工具技術(shù),2006,40(9):46-47.王 鋒,唐國全,李道奎.基于模態(tài)價值分析的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型降階J.振動與沖擊,2006,25(3):35-40.仇 君,王成勇,胡映寧,等.降噪減振結(jié)

12、構(gòu)金剛石圓鋸片的有限元模態(tài)分析模型J.工具技術(shù),2003,37(10):25-27.23第八階振型表2 頻率值階數(shù)頻率/Hz149.975392.85280.096485.253180.587524.064328.358610.91456793 實驗結(jié)果分析在鋸片基體上開減振孔,對其固有特性的影響可Vo.l28No.22009 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK205forthesteady statesoundfieldinaroomiscomplete.Keywords:normalmode;imagesource;raysolution;diracsfunction(p

13、p:111-116)ParameteridentificationmethodfornonlineardynamicsystemsbasedonthediscretevariationalprincipleLIUZheng shan,WUZhi gang(FacultyofVehicleEngineeringandMechanics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract: Thepaperpresentsaparameteridentificationmethodfornonlineardynamicsystems.T

14、hederivativesoftheunknownparameterswereintroducedintotheoutputerrorcostfunctionofthesystem.Then,differentialequationsfortheunknownparameterswerededucedbyusingthediscretevariationalprinciple,andsolvedsimultaneouslywithstatee quationsofthenonlinearsystem.Theparametersto be identifiedwereguidedfromgive

15、ninitialconditionstotheirtruenu mericalvalueswithaniterativeprocedure.Inaddition,simulationsforparameteridentificationofnonlinearvibrationsys temswerealsopresentedtoverifytheproposedalgorithm.Numericalresultsshowthattheparameteridentificationmethodiseffective.Keywords:parameteridentification;discret

16、evariationalprinciple;nonlineardynamicsystem;differenceequation(pp:117-120,123)HarmonicbalanceapproachesforanonlinearsingularoscillatorHUHui,GUOYuan jun,ZHENGMin yi(SchoolofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)Abstract: Themethodofharmonicbalancewasusedtocalcul

17、ateanalyticalapproximationstotheperiodicsolutionsofthenonlinearoscillatorinwhichtherestoringforceisinverselyproportionaltothedependentvariable.UnlikeMickensmethod,thesecondordernonlinearsingulardifferentialequationwasdirectlysolved.TheFourierseriesexpansioncoeffi cientsofthenonlinearrestoringforcesc

18、orrespondingtothefirstandsecondorderharmonicbalancesolutionswereeasilycalculatedusingcorrespondingintegrals.Thenonlinearalgebraicequationsforthesecondorderapproximatesolutionweresolvedbyusingsymboliccomputationsoftware.Thepercentageerrorofthefirstapproximatefrequencyinrelationtotheexactoneis12.8%,an

19、dthepercentageerrorforthesecondapproximatefrequencyislowerthan1.28%.Acomparisonofthefirstandsecondanalyticalapproximateperiodicsolutionswiththenumericallyexactsolutionsshowsthatthesecondanalyticalapproximateperiodicsolutionismuchmoreaccuratethanthefirstanalyticalapproximateperiodicsolution.Itisusual

20、lyratherdifficulttousetheharmonicbalancemethodtoproducehigherorderanalyticalapproximationsbecauseitre quiressolutionsofsetsofcomplicatednonlinearalgebraicequations.Thisdifficultymaybeovercometosomeextentbyu singsymboliccomputationsoftwaresuchasMatlaborMathematica.Thederivationinthepapercanbeconsider

21、edasatypicalexample.Keywords:angularfrequency;nonlinearsingularoscillator;symboliccomputationsoftware;methodofharmonicbalance(pp:121-123)ReducingvibrationofcircularsawbasedonexperimentalmodalanalysisLUOZhi gao,LIJu,WANGXiang,FANBin bin,GUOXiao dong(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhe

22、njiang212013,China)Abstract: Inordertoimprovetheperformanceofthecircularsawbladeandreduceitsworkingvibration,onthebasisoftheoreticalvibrationanalysisandmodalexperimentinvestigation,theinherentcharacteristicsoftwodifferentstruc turesofcircularsawswerecomparedandthechangesoftheirnaturalfrequenciesandv

23、ibrationmodeswereanalysedtoin spec,ttheeffectsofopeningandampingholeontheoverallperformance,especiallyonthevibrationbehaviorofthesawviAe206 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vo.l28No.22009calguidanceforthestructuralandoptimaldesigntoreducethevibrationofthecircularsawblade.Keywords:circularsaw;experimentalm

24、oda;lvibrationanalysis;hole(pp:124-127)DirectDamage basedSeismicDesignMethodologyforRCBuildingsWANGFeng,LIHong nan,YITing hua122(1.CollegeofArchitecture&CivilEngineering,DalianNationalitiesUniversity,Dalian116600,China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnol

25、ogy,Dalian116024,China)Abstract: AseismicdesignapproachwaspresentedwherethedesignprocedureattemptstocreateRC(reinforcedconcrete).Buildingswithaspecifiedlimitedobjectiveunderaspecifiedlevelofseismicintensity.Thelimitedobjectivemaybedirectlydefinedassomedamagestatesofacertainweakstorey.ThefamousPark A

26、ngdamagemode,lconstantductilityinelasticresponsespectraandtheconventionalseismicdesignmethodwerecombinedtodeterminefamiliesofstructureswhoseinitialstrengthandstiffnesscharacteristicswillensurethatthedesiredlimiteddamageperformanceobjec tiveforeachseismiclevelis,ascloselyaspossible,achieved.Furthermo

27、re,theapplicabilityoftheparameter#hforsto reyresponseofmultipledegrees of freedomstructureswasanalyzed,andthecorrespondingequationwasestablished.Fi nally,adesignexampleshowsthatthedesignapproachisfeasibleandaccurate.Keywords:damageindex;performanceobjective;dimensionlesslow cyclefatigueparameter;ine

28、lasticspectraofconstantductilityfactors(pp:128-131,144)AttitudeManeuveringandVibrationDampingofFlexibleSpacecraftviaRobustAdaptiveBacksteppingTechniqueZHULiang kuan,MAGuang fu,HUQing lei(DepartmentofControlScience&Engineering,SchoolofAstronautics,HarbinInstituteofTechnology,Ha erbin150001,China)

29、Abstract: Adual stagesrobustdesignmethodwasconcernedfortherotationalmaneuverandvibrationstabilizationofaflexiblespacecraf.tBasedonthebackstepping basedadaptivetechnique,anewcontrollawforattitudemaneuveringwasderivedtocontroltheattitudemotionofspacecraf,tinwhichtheasymptoticstabilityisguaranteedbyusi

30、ngLyapunovanalysis.Furthermore,foractivelysuppressingtheinducedvibration,strainratefeedbackcontrolcompensatorwasde signedbyusingpiezoelectricmaterialsasadditionalsensorsandactuators.Numericalsimulationswereperformedtoshowthatbothmaneuveringandvibrationsuppressioncanbeaccomplishedeffectively.Keywords:flexiblespacecraf;tattitudemaneuvering;vibrationdamping;backstepping;adaptivecontrol(pp:132-136)Improvementoflowfrequencyenergyofvibra