旋轉(zhuǎn)鋸切圓鋸片噪聲特性研究綜述

由于旋轉(zhuǎn)圓鋸的特點，該鋸廣泛應(yīng)用于機械工程、木材、石材等切割行業(yè)。然而，由于鋸屑的工作量和嚴重噪聲，最大hz噪聲達到120db，遠超過國家行業(yè)標準的85db。大量研究表明,長期工作或生活在90分貝以上的噪聲環(huán)境,就會嚴重影響人的聽力甚至導(dǎo)致人體其他疾病的發(fā)生。而圓鋸片的噪聲很大一部分原因是由其振動引起的,因而圓鋸片噪聲與振動的控制一直是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域重點研究并亟待解決的問題。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者近四十多年來的探索與研究,人們對旋轉(zhuǎn)圓鋸片的噪聲與振動問題有了較為深刻地認識,取得了大量的成果,為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)并指明了研究的方向。歸納起來,國內(nèi)外對圓鋸片振動與噪聲的研究主要集中在以下三個方面:(1)圓鋸片噪聲特性分析;(2)旋轉(zhuǎn)圓鋸片振動特性分析;(3)降噪技術(shù)及其實驗研究;噪聲源的確立是對其進行機理研究以及降噪技術(shù)研究的前提,目前,國內(nèi)外學(xué)者對圓鋸片噪聲源的看法基本一致,將其分為三大方面:1)空氣動力學(xué)噪聲2)共振噪聲3)機械噪聲。然而對各種噪聲特性機理的探討仍在進一步的研究中,另外針對旋轉(zhuǎn)圓鋸片振動特性的分析以及降噪技術(shù)的研究目前仍在進一步的探討和完善中,本文就以上幾個方面國內(nèi)外近年來所取得的研究成果和有待于進一步研究的問題進行了系統(tǒng)的分析和綜述。1噪聲特性分析，圓形鋸屑的噪聲特性1.1空氣動力學(xué)噪聲源在圓鋸片噪聲與振動特性研究領(lǐng)域中,針對空氣動力學(xué)噪聲源分析及其控制得到了眾多其他國外學(xué)者的關(guān)注。其中以美國加州大學(xué)伯克利分校的Mote教授為典型代表,他的研究小組從上個世紀七十年代開始探討木工圓鋸片的減振機理,進而研究了鋸切過程中的空氣動力學(xué)噪聲,研究建立了空載圓鋸片的空氣動力學(xué)聲場模型,指出了空氣動力學(xué)噪聲是由于鋸片在高速旋轉(zhuǎn)過程中,引起周圍空氣質(zhì)點產(chǎn)生強烈的振動,從而產(chǎn)生空氣壓力所致(所謂的“四極源”),以及在圓鋸表面流動的空氣渦流與圓鋸片表面的接觸(“雙極源”),和空氣在沿著圓盤齒尖旋轉(zhuǎn)方向的流動產(chǎn)生的噪音(“單極源”),各種空氣動力學(xué)噪聲源示意如圖1所示。Chanaud最初研究了沒有鋸齒以及夾盤的圓盤,得出了該類型圓盤產(chǎn)生的噪音是典型的雙極聲源輻射,而圓鋸片因為鋸齒或者是鋸片其它可能幾何的不連續(xù)性產(chǎn)生的噪聲輻射情況要比沒有鋸齒的單一圓盤的情況要復(fù)雜的多。Cho和Mote教授基于Lighthill的空氣動力學(xué)理論研究了圓鋸片的空氣動力噪音。通過測量切割鋸齒輪廓的鋸齒輪廓、鋸齒間隙、以及旋轉(zhuǎn)速度上產(chǎn)生的空氣動力升力,將數(shù)據(jù)代入到理論數(shù)學(xué)模型中可用來預(yù)測不同鋸齒形狀產(chǎn)生的噪音。研究表明:空氣動力噪聲功率主要來源于雙極源,聲功率對U6的偏移可以用聲強得以解釋。圓鋸片空氣動力學(xué)噪聲源可以被認為是一個依靠流動速度變化的聲強雙極子模型,其聲強同旋轉(zhuǎn)速率成一定的比例,其變化區(qū)間在U4.9～6之間,其具體數(shù)值依靠齒形輪廓和齒間距而變化。齒形中齒輪廓、高度、后傾角以及數(shù)量的變化對聲功率都有一定的影響,聲強隨著齒高以及后傾角的增加而增加。1.2共振噪聲鋸片在高速旋轉(zhuǎn)時,每當(dāng)渦流分離的頻率與鋸片的固有頻率相接近時,就產(chǎn)生共振噪聲。不同的圓鋸片和不同的轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生不同的渦流分離頻率。1.3脈沖激勵產(chǎn)生噪聲主要由沖擊噪聲、摩擦噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲組成。沖擊噪聲是指圓鋸片負載狀態(tài)下,因為圓鋸片與被切工件周期性相互作用,從而受到一個周期脈沖激勵,產(chǎn)生噪聲。脈沖激勵是金屬鋸切過程中的主要作用力和激振源。摩擦噪聲是圓鋸片與工件之間摩擦誘發(fā)的粘滑振動產(chǎn)生,即工作過程中,鋸身表面和工件截面接觸部分產(chǎn)生摩擦力誘發(fā)鋸片的周向振動從而輻射噪聲。對于一個圓鋸機,由于部件間振動的互相傳遞以及鋸罩的二次輻射所產(chǎn)生的噪聲組成了結(jié)構(gòu)噪聲,但其不是主要噪聲源。2鋸屑圓振動分析2.1圓鋸片的振動特性圓盤鋸片所表現(xiàn)的振動特性(包括固有頻率、振型、臨界速率等)得到了國外眾多學(xué)者的關(guān)注與探討[8,9,10,11,12,13,14]。從機理上來講,鋸片的響應(yīng)是各階振動模態(tài)的疊加,每階模態(tài)具有特定的頻率、振型和幅值,各階振型是由整數(shù)個節(jié)圓和節(jié)徑組成,如圖2所示的0節(jié)圓1節(jié)線以及0節(jié)圓2節(jié)線振型。文獻介紹了一種能夠較為精確確定圓鋸片自由振動的振型、固有頻率以及振幅的方法,采用了直徑分別為400mm(厚度為2.8mm)、500mm(厚度為2.6mm)以及1000mm(厚度為3.7mm)的圓鋸片,測量頻率在20Hz～2000Hz之間變化,結(jié)果表明相同振型的不同圓鋸片的固有頻率差別約在1%左右。文獻MacBain和Horner用有限單元法分析了離心力對共振頻率的影響;并用原位全息干涉儀分析了旋轉(zhuǎn)圓盤的共振響應(yīng)。Tobias和Arnold詳細分析了理想圓盤與有缺陷圓盤(非理想軸對稱圓盤)的自由振動和強迫振動,并對線性區(qū)和非線性區(qū)的強迫振動進行了實驗測量和分析,這些可以推廣到靜止圓鋸片上。Mote用格林函數(shù)法分析了內(nèi)邊固支外邊自由的圓環(huán)板在兩種沿周邊環(huán)行的移動載荷作用下的響應(yīng)。通過一系列的小撓度理論基本假設(shè),可以把鋸片看成一個中間固支外邊自由的等厚薄圓環(huán)板,鋸片的自由橫向振動微分方程為:D?4ω+m?2ω?t2=0D?4ω+m?2ω?t2=0通過精確求解微分方程可以得到圓鋸片振動模態(tài)的精確解。國內(nèi)從20世紀80年代開始對圓鋸片的振動特性展開了大量的研究,并且取得了很大的進展。鄒家祥、熊華等用有限單元法分析研究了鋸片的振動特性,包括固有頻率、轉(zhuǎn)速對固有頻率的影響,橫向振動位移響應(yīng)與軸向鋸切力的大小、周期、鋸片夾徑比、厚度及直徑的關(guān)系。李黎、習(xí)寶田等學(xué)者系統(tǒng)地分析了圓鋸片的動態(tài)穩(wěn)定性,并對影響圓鋸片動態(tài)特性的因素及提高其動態(tài)穩(wěn)定性的方法提出了自己的看法以及對圓鋸片的振動、動態(tài)穩(wěn)定性及其控制技術(shù)進行了研究,發(fā)展了由Lapin和Dugdale引入到圓鋸片研究中的臨界轉(zhuǎn)速理論。吳雪松等通過研究,總結(jié)出了圓鋸片的平面應(yīng)力計算模型及求解方法。臧勇等學(xué)者用有限元方法對圓鋸片的振動模態(tài)進行了分析。仇君等人建立了降噪減振結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片的有限元模態(tài)分析模型,采用ANSYS軟件對多種阻尼細縫結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片的固有頻率和模態(tài)振型進行了計算,研究了阻尼細縫的形狀、寬度等參數(shù)在鋸片降噪減振中的影響。郭興旺在研究鋸片振動特性時得出以下幾個重要的結(jié)論:1)當(dāng)鋸片材料和夾徑比一定時,固有頻率與鋸片的半厚成正比,與鋸片外半徑的平方成反比。2)鋸片各階振型的波節(jié)線是直徑或同心圓或兩者兼有,節(jié)徑位置:θm=(2m-1)π/(2n)(n=1,2,3,…;m=1,2,…,n)3)隨著夾徑比的增加,各階頻率單調(diào)增大。4)當(dāng)夾徑比和夾徑數(shù)不變時,隨著節(jié)圓數(shù)的增加,頻率迅速增大。5)對固支鋸片,當(dāng)夾徑比為0.1～0.3時,基頻對應(yīng)的振型模式是(0,1),當(dāng)夾徑比為0.4～0.9時,基頻對應(yīng)的振型模式是(0,0)。綜上所述,學(xué)者們通過各種有效的方法獲得了固有頻率,并針對固有頻率的影響因素作了詳細的理論分析與實驗驗證。當(dāng)考慮圓鋸片的旋轉(zhuǎn)離心力的作用時,可以用近似法求解?？偟男Ч请x心膜應(yīng)力的張緊效應(yīng)會使各階固有頻率有所提高。當(dāng)鋸片轉(zhuǎn)速不超過3600r/min時,離心力對各階頻率的影響很小,可以忽略不計。2.2相對地面的波速與波速的關(guān)系鋸片的失穩(wěn)形式有多種:靜態(tài)屈曲、共振、自激振動等。大多學(xué)者將共振作為臨界失穩(wěn)的主要研究對象,從波動的角度去考慮。共振是由于外界激勵力的頻率與鋸片的固有頻率相等或相接近而產(chǎn)生的,臨界轉(zhuǎn)速型失穩(wěn)是共振的一種特殊情況。靜止圓鋸片的n(n≠0)節(jié)徑單模態(tài)振動響應(yīng)由兩列沿周向傳播方向相反的行波合成。行波的波速取決于固有頻率。如果圓盤旋轉(zhuǎn),則沿旋轉(zhuǎn)方向傳播的那列行波的相對地面的波速將增大,這列波稱為前行波,有兩個原因?qū)е虑靶胁úㄋ俚脑龃?(1)波隨鋸片的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動(2)由于離心力的作用使固有頻率本身增加,從而引起相對鋸片的波速提高。傳播方向與鋸片旋轉(zhuǎn)方向相反的那列波稱為后行波。由于前行波的效果大于后行波的效果,后行波相對地面的波速將隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。當(dāng)這個波速減小到零時即成相對空間不動的靜止波。鋸片相對空間的振動頻率與波速的關(guān)系是:v=ω·λ這里λ=2π/n為角度波長。旋轉(zhuǎn)鋸片的固有頻率ωmn與靜止鋸片的固有頻率ω(0)mnmn(0)的近似關(guān)系ω2mnmn2≈ω(0)2mnmn(0)2+KΩ2rotrot2當(dāng)相對地面的激勵力頻率為ω(F)mnmn(F)或ω(B)mnmn(B)時,(m,n)模態(tài)發(fā)生共振。在鋸切過程中,相對地面靜止的低頻力促發(fā)失穩(wěn)的可能性。對某階節(jié)徑模態(tài),頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3,達到使ω(B)mnmn(B)為零的那個模態(tài)(即Ωc)稱為臨界轉(zhuǎn)速模態(tài),對應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速,此時失穩(wěn)容易發(fā)生。3關(guān)于減少噪聲的技術(shù)的研究3.1采用最佳齒距的鋸片降低噪聲切割參數(shù)主要包括圓鋸片轉(zhuǎn)速等運動參數(shù)以及鋸切高度等幾何參數(shù)。研究表明降低圓鋸片轉(zhuǎn)速可以減少齒尖速度,進而降低鋸片的空轉(zhuǎn)動力噪聲。在不影響鋸切質(zhì)量和加工效率的條件下,降低鋸切高度,減少圓鋸片露出工作臺面以上的鋸片部分,使兩個區(qū)域的振動得到抑制。M.F.DeVries等利用他們自己設(shè)計的一套計算機程序開發(fā)了一種最佳齒距的鋸片來降低噪聲。Beljo-Lucic通過對九種不同基體形狀的圓鋸進行詳細的實驗,在25rps～65rps旋轉(zhuǎn)頻率下每隔1rps進行不同情況下的聲壓級的測量,從而驗證降低圓鋸片噪音的幾種可能性。3.2開槽與激光切割槽的相互作用最初,開槽是用來釋放切割過程中的熱應(yīng)力的,但是實驗證明槽對降低噪聲有一定的效果。Bobeczko發(fā)現(xiàn)基體中帶有切縫的金屬圓鋸片在切割鋁板時能降低噪聲,機理在于基體中有了切割縫后從基體周邊到中心的振動線被切縫割斷,基體的噪聲共鳴反彈、振動噪聲減弱。RajendraSingh通過實驗的方法研究了激光切割徑向槽對空載旋轉(zhuǎn)圓鋸片產(chǎn)生噪聲級的影響,研究表明了由于切割槽導(dǎo)致的幾何不連續(xù)性在一定程度上控制了噪聲的輻射。Singh等通過實驗的方法研究了各種銑削和激光切割槽對噪聲的影響,實驗結(jié)果表明:由于開槽導(dǎo)致的幾何不連續(xù)性切斷了聲波的傳播。Nishio還詳細研究了槽對圓鋸片的振動模態(tài)、工作狀態(tài)下的臨界速率的影響,得出了重要的結(jié)論:(1)當(dāng)槽的數(shù)量S是偶數(shù)時,節(jié)徑數(shù)為n=kS/2(k=1,2,3,…)的模態(tài)被分裂成在節(jié)徑附近的反對稱模態(tài),當(dāng)槽的數(shù)量S是奇數(shù)時,n=kS的模態(tài)被分裂,如圖4所示。(2)所有模態(tài)的自然頻率隨著槽長度的增加而減小。當(dāng)槽的位置處于夾盤附近時,如果槽的數(shù)量S是偶數(shù)時,n=jS/2(j=1,2,3…)的自然頻率和n=(j+1)S/2的模態(tài)聚合為一點;同樣的,當(dāng)槽的數(shù)量S是奇數(shù)時,n=jS和n=(j+1)S的自然頻率聚合為一點。(3)開槽圓鋸片振型同沒有槽的鋸片相比有很明顯的不同(4)槽導(dǎo)致了鋸片橫向剛度的下降,由于離心力的存在,同時降低了臨界旋轉(zhuǎn)速率,因而在進行圓鋸片設(shè)計時,必須預(yù)測最小臨界速率,從而決定槽的數(shù)量,避免節(jié)徑型模型的產(chǎn)生。開槽作為減振降噪的有效手段,尤其是計算機輔助激光切割機的出現(xiàn)給這一手段提供了廣闊的前景,任何花樣的槽都可由激光切割機自動完成。另外有學(xué)者從傳遞波的角度解釋了開槽對鋸片振動的影響:如果鋸片是理想軸對稱的的,則節(jié)徑的取向是任意的,節(jié)徑可在鋸片上移動。在臨界轉(zhuǎn)速時,共振模態(tài)的節(jié)徑在空間固定不動,靜止波產(chǎn)生。如果鋸片為非軸對稱,則節(jié)徑有一定的取向,靜止波不再產(chǎn)生,此時盡管臨界轉(zhuǎn)速及對應(yīng)的共振仍然會產(chǎn)生,但不會導(dǎo)致靜止波,并且不穩(wěn)定響應(yīng)的幅值會減小,槽孔破壞了鋸片的軸對稱性從而能夠阻止靜止波的形成。3.3阻尼鋸片噪聲控制Hattori.N等用SIA(12Cr-3Al-Fe)的高阻尼合金作為基體材料有效地降低了圓鋸嘯聲,這種方法通過衰減阻尼來降低噪聲,基體一般為多層阻尼結(jié)構(gòu)或以高阻尼合金材料作為基體。由于SIA熱穩(wěn)定性以及強度較差,在研究中發(fā)現(xiàn)了更實際的圓鋸片材料,在日本工業(yè)標準代號為SUS430(18Cr-0.1C-Fe)的合金用來代替SIA適應(yīng)了不僅滿足了高強度的要求,而且也降低了噪聲。Meins提出了3種通過阻尼的方法減少鋸片振動噪聲的方法:1)回轉(zhuǎn)圓盤作為阻尼;2)緊貼鋸片的固定阻尼盤;3)層積粘彈性層的復(fù)合鋸片。Rhemrev、John等測試了阻尼在不同轉(zhuǎn)速下對圓鋸片的影響,結(jié)論表明阻尼鋸片能有效的控制“嘯聲”。一般的,對于圓鋸片的噪聲降低可以采用三種方法來提高阻尼能力:系統(tǒng)阻尼,結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼。結(jié)構(gòu)阻尼鋸片采用粘彈性層,其中材料阻尼的形式被驗證是一種最有效的方式,鋸片基體采用較高阻尼能力的合金,文獻詳細闡述了這幾種材料的用法,阻尼能力所表現(xiàn)的對數(shù)減幅率在0.07左右。研究表明,阻尼鋸片的降噪效果比較明顯,一般可以降噪20dB(A)左右,李國彬研制并用實驗驗證了一種消音夾層金剛石鋸片達到了好的降噪效果。圖5顯示了消音金剛石圓鋸片與普通圓鋸片噪聲功率譜的對比,其中圖5(a)是普通金剛石鋸片的切割噪聲功率譜,圖5(b)是夾層為0.1mm的消音金剛石圓鋸片的功率譜,由圖中可以看出,消音夾層阻尼實際上體現(xiàn)了系統(tǒng)損耗能量的能力,同時功率譜也顯示了噪聲信號的幅值隨時間的衰減情況,消音夾層鋸片的衰減歷程較普通圓鋸片短。在降噪技術(shù)領(lǐng)域中,馬建敏對旋轉(zhuǎn)鋸切的金屬圓鋸片的噪聲產(chǎn)生機理和控制方法也作了相對全面的研究,研究了摩擦粘滑誘導(dǎo)的噪聲以及實驗驗證大型圓鋸的橫向