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特殊结构金刚石圆锯片干切混凝土的动力特性及实验研究 摘要 本文借助有限元软件a n s y s 和动态特性实验分析了防侧面磨损和非 等间距节块等两种特殊结构金刚石圆锯片干切混凝土的动力特性及锯切性 能。 首先，采用a n s y s 有限元静力及模态分析，研究了防侧面磨损金刚石 圆锯片的最大应变及最大应力，第一、第三主应力及最大应力分布区域， 通过与普通锯片对比，寻求研究范围内能提高锯片结构刚度、延长锯片使 用寿命的最优节块延伸结构参数。同时分析了2 0 0 0 8 0 0 0 h z 内锯片振型的 各阶模态，通过比较防侧面磨损锯片与普通锯片同一阶的固有频率值以及 每一频率值对应的振幅值，寻找降噪减振锯片合理的结构参数及最佳参数 组合。结果表明由于延伸节块的存在，防侧面磨损锯片的振幅较普通锯片 大幅度减小，其最大变形也显著降低。 其次，采用a n s y s 有限元模态分析，研究非等间距节块金刚石圆锯片 同一阶次固有频率值及同一阶频率下锯片三个方向的振幅矢量和d m x 。采 用间接法用a n s y s 计算锯片处于热稳态下的热应力，通过温度分布、热应 力及热应变等对比非等间距节块锯片与普通锯片的减振降噪效果。结果表 明非等间距节块锯片上的节块不等长度分布，打乱了锯片的冲击振动周期， 减少了锯切过程中的共振几率和噪声。三种非等间距节块锯片各阶固有频 率与普通锯片相比明显降低，且非等间距节块金刚石圆锯片散热效果与普 通锯片相比其低温区面积大大增加，平均温度降低约4 4 5 ；非等间距节块 锯片主应力和应变与普通锯片相比均有较大下降。总体来讲，一宽二窄结 构i l k 2 ：最优。 通过非等间距节块金刚石圆锯片锯切动态特性实验，改变锯片、工件材 料、锯切深度、进给速度和锯片切削速度，研究锯切过程的锯切力、声发 射信号、振动与噪声信号及其相互关系，研究锯切工艺参数、锯片结构、 工件材料等因素对以上动态特性的影响；进一步优选锯片结构、明确合理 的锯切工艺参数。结果表明三种非等间距节块的综合性能均优于普通锯片， 其中又以i i l ：2 ：最好，i l k l ：次之，i t v a ：最次。锯切过程声发射信号分析说明切 削速度上升，锯片节块中单颗粒金刚石的切削厚度减小，混凝土的破碎相 对均匀而细小，金刚石破碎下降；而进给速度和切深增加，单颗粒金刚石 的平均切削厚度增加，混凝土切屑的颗粒增大，使金刚石颗粒挤压破碎混 凝土材料使之破碎的能量也随之增加。v c = 1 6 m s 为较合适的锯切切削速 度，v f - - - - - 7 0 0 m m m i n 为较有利于提高j n z 效率又能够获得良好锯切性能的 进给速度。， 关键词：特殊结构金刚石锯片有限元分析锯切力声发射 振动与噪音 h d y n a m i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ns p e c l a l s t r u c t u r ed i a m o n ds a wb l a d ed r y 二c u t t i n g c o n c r e t e a b s t r a c t b yf e ma n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n dd y n a m i cc h a r a c t e re x p e r i m e n t ，t h i s p a p e rs t u d i e sd y n a m i c a lc h a r a c t e ra n ds a w i n gp e r f o r m a n c eo fd i a m o n ds a w b l a d ef o rs i d ew e a l p r e v e n t i o na n ds a wb l a d ew i t hd i f f e r e n ts e g m e n t f i r s t l y , a d o p t e da n s y ss t a t i c sa n dm o d ea n l y s i s ，m a x i m u ms t r e s sa n ds t r a i n ， f i r s ta n dt h i r dm a i ns t r e s sa n dm a x i m u ms t r e s sd i s t r i b u t i o ne r e ao fd i a m o n ds a w b l a d ef o rs i d ew e a l p r e v e n t i o nh a v eb e e ns t u d i e d c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a l s a wb l a d e ，o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so fs e g m e n te x t e n ds t r u c t u r eh a sb e e n r e s e a r c h e d 2 0 0 0 8 0 0 0 h zm o d eo fs a wb l a d e sh a sb e e nd i s c u s s e d b y c o m p a r i n gn a t u r ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d ei ns a m eo r d e ro fs a wb l a d ef o rs i d e w e a l p r e v e n t i o na n dc o n v e n t i o n a ls a wb l a d e , t h e nr a t i o n a ls t u r c t u r ep a r a m t e r s a n dp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o nf o rv i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o na r ea c h i e v e d r e s u l ts h o w ss a wb l a d e sf o rs i d ew e a rp r e v e n t i o nh a v el e s s e ra m p l i t u d ea n d s t r a i nt h a nc o n v e n t i o n a ls a wb l a d ef o re x t e n ds e g m e n te x i s t a n c e s e c o n d l y , n a t u r ef f e q u e n c y a m p l i t u d ea n dd m x i ns a m eo r d e ro fs a wb l a d e w i t hd i f f e r e n t s e g m e n t a r e i n v e s t i g a t e d c a l c u l a t i n g h e a ts t e s si nh e a t s t e a d y s t a t eb yi n d i r e c tm e t h o do fa n s y s ，v i b r a t i o na n dn o i s er e d u c t i o ne f f e c t b e t w e e ns a wb l a d ew i t hd i f f e r e n ts e g m e n ta n dc o n v e n t i o n a ls a w b l a d ei s c o m p a r e db yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，h e a ts t r e s sa n dh e a ts t r a i n r e s u l ts h o w s d i f f e r e n ts e g m e n t sd i s t r o yi m p a c tp e r i o da n dr u d u c ep r o b a b i l i t yo fs y m p a t h e t i c i v i b r a t i o n s a wb l a d ew i t hd i f f e r e n ts e g m e n th a sl e s sn a t u r ef r e q u e n c yi ne v e r y o r d e r , i t sa v e r a g et e m p e r a t u r er u d u c e s4 4 5 a n di t sm a i ns t r e s sa n ds t r a i n d e c l i n eo b v i o u s l y - g e n e r a l l ys p e a k i n g ，o n e w i d e - t w o - n a r r o w ( ij k 2 z ) h a sb e s t p e r f o r m a n c ei na l ls a w b l a d es t r u c t u r e s d y n a m i cc h a r a c t e re x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t es a w i n gf o r c e ， a c o u g i ce m i s s i o n s i g n a l ，v i b r a t i o n a n dn o i s eo fs a wb l a d ew i t hd i f f e r e n t s e g m e n td u r i n gs a w i n gp r o c e s sb ya l t e f i n gs a w b l a d et y p e ，w o r k p i e c em a t e r i a l ， d e p t ho fc u t ，f e e ds p e e da n dc u t t i n gs p e e d ，a n di ti sc l e a rt h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m r e s u l ts h o w sg e n e r a lp e r f o r m a n c eo fs a wb l a d e sw i t hd i f f e r e n t s e g m e n ti sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a ls a w b l a d e ，i nw h i c hi l k 2 zi sb e s t ，1 1 k l zi sl a t e r a n dilk 3 zi sw o r s t a e r m sa n a l y s i se x p l a i n sc u t t i n gt h i c k n e s so fs i n g l ed i a m o n d i ns a wb l a d er e d u c e sw i t hc u t t i n gs p e e di n c r e a s e s ，w h i l ei tr i s e sw i t hf e e ds p e e d a n dd e p t ho fc u ti n c r e a s e s ，w h i c hi si n t e r p r e t e dt h a tp o w e rt ob r e a ku pc o n c r e t e o fd i a m o n dg r i th a si n c r e a s e d v c = 16 m sa n dv f = 7 0 0 m m m i na l e c o m m e n d a t o r ys a w i n gp a r a m e t e r sf o ri m p r o v i n gp r o c e s se f f i c i e n c ya n ds a w i n g p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s p e c i a ls t u r c t u r ed i a m o n ds a wb l a d e ；f e ma n a l y s i s ；s a w i n g f o r c e ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；v i b r i t i o na n dn o i s e 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 一冽今孑 2 0 0 7 年6 月2 4 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 玉口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文储躲凇寄导师躲现出雪2 0 0 7 年6 月2 4 日 广西大掌工程硬士学位论，c 柏殊结构金用石圆锯片 呦朝l 凝土的动力特性及实验研究 第一章绪论 1 1 金刚石圆锯片在混凝土切割上的应用及发展 1 概述 水泥、沙子和碎石按一定比率的混合物硬化后，叫做混凝土混凝土是一种现代土 木建筑工程中不可缺少的重要工程材料，它具有较高的抗压强度及耐久性能，而且可以 随着材料及配合比例的不同而得到不同的物理、力学性能，因此被广泛应用于桥梁工程、 房屋、道路隧道等方面。现在使用的混凝土切割方法主要有热切割法( 如火焰切割、激 光切割等) 、机械切割法( 如高压气体破碎、油压破碎、金刚石工具切割等) 、化学切割 法( 如爆炸切割、膨胀切割等) 、组合切割法等【”。与其他传统的混凝土切割方法相比， 金刚石工具切割混凝土可以大大提高工作效率，降低成本，具有很明显的优势，其优点 包括切割时间的减少，切割精度高，噪音小，灰尘少，从而对环境的污染小，另外能很 好的保持切割后的结构的完整性和稳定性，还能切割用传统切割方法切割不了的混凝土 结构，如作业空间受限制区域的混凝土结构及水下结构的切割。 1 1 2 金刚石圆锯片在混凝土切割上的应用及发展 金刚石工具切割混凝土作为一种混凝土切割方法首先于1 9 4 0 年代后期在北美被用 于切割高速公路的防滑槽，此后这种新方法得到广泛应用特别是1 9 6 0 年代后期以后得 到快速发展。国内外有许多大型混凝土结构的切割工程成功使用了金刚石工具来进行， 1 9 9 0 年代初，日本的n a g a t a 公司采用金刚石锯片对东京到名古屋之间的东名高速公路 上的护栏和中间的隔离带进行了拆除【2 】；1 9 9 9 年美国的亚特兰大国际机场采用金刚石工 具对一条跑道进行了快速高效的拆梨3 1 ，节约了几百万美元的费用；1 9 9 5 年的日本神 户大地震后，n a g a t a 公司使用金刚石工具切割方法参与了其中一部分高架桥的拆除重建 工作1 4 1 ；1 9 9 0 年代瑞士的h y d r o s t r e s s a g 公司利用金刚石工具对建于1 9 3 5 年的法国l e c h a m b o n 大坝切割了应力释放缝【5 l ；国内在广州的“镇安立交”原高架桥的拆除工程中， 为了减少对道路交通和周边环境的影响，应用金刚石工具切割方法，取得了良好的效果 1 6 1 。目前据统计，在德国每年使用金刚石工具切割混凝土的产值约为1 0 亿欧元，在瑞士 约为2 亿欧元，在奥地利约为6 千万欧元，在英国约为3 亿欧元m 。 广西大掌工程硕士掌位论文 特殊结构金刚石圆锯片呵砌混凝土的动力特性覆实验研究 在所使用的混凝土切割用金刚石工具中，采用最为广泛的是金刚石圆锯片，它在石 材加工方面具有加工效率高、加工质量好等优点，是石材加工业的主要工具，适合切割 混凝士、公路、机场跑道等研磨性强的材料i 引。金刚石圆锯片是金刚石类工具中消耗量 最大的刀具，约占金刚石刀具材料消耗总量的9 5 以上。近年来，我国在优化金刚石 圆锯片节块配方方面进行了大量研究，使金刚石圆锯片的锯切性能显著提高，刀头成本 大大降低，提高了国产锯片在国内外市场的竞争力。随着金刚石圆锯片的应用范围日趋 广泛，加工对象日益复杂，目前对锯片除有一般的耐磨性、锋利性等性能要求外，还对 其适应被加工材料( 如各种大理石、花岗岩、钢筋混凝土、沥青路面等) 、加工条件( 如 干切、湿切、锯切超薄板、高精度板等) 以及环保要求( 如噪音、排污等) 的能力提出 了更高要求，这些都对金刚石圆锯片的设计与制造提出了新的挑战，仅仅通过优化节块 的配方来提高锯片性能已远远不够，还必须在改善锯片结构方面取得更多进展和突破【9 】。 1 2 金刚石圆锯片简介 1 2 1 金刚石圆锯片定义及分类 金刚石圆锯片是一种整体上呈圆盘状的刀具，它采用粉末冶金的方法将金刚石颗粒 镶嵌在基体的周围。利用金刚石颗粒的压裂压碎以及大面积剪崩其他材料而达到切削的 目的。总的说来，金刚石圆锯片的种类很多，分类也很复杂。通常有以下几种分类方式： 1 按结构分类：宽水槽金刚石锯片、节块组合式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、 钥匙孔槽金刚石锯片、钻头锯片、碗形锯片等； 2 按加工工艺分类：激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石 锯片等； 3 按加工对象分类：大理石切割锯片、花岗石切割锯片、混凝土切割锯片等。 另外通常干切锯片根据其性能可划分为三类f 9 j ：( 1 ) 专用性锯片。该类锯片主要用 于专业建筑承包商的大功率切割机。要求切割速度高，可靠耐用、连续工作时间长、寿 命长，一般采用3 0 5 0 目的高强度金刚石与耐磨性胎体材料。( 2 ) 半专用型锯片( 或 称通用锯片) 。适用于加工不同的材料，要求能够对不同的工件材料具有恒定的切割效 率，大多安装在小型、手动切割机上。该类锯片一般采用4 0 5 0 目的中等强度金刚石。 ( 3 ) d i y 型锯片。此类锯片主要用在小功率、手持式的切割机上，锯切性能不能有效 保证。这种锯片一般采用价格低廉、脆性较好的锋利金刚石和较软的胎体材料。 2 广西大掌工程硕士掌位论文 特殊结构金刚石圆锯牛干切漶凝土的动力特性反实验研究 1 2 2 金刚石圆锯片的发展 金刚石锯片种类繁多，形式多样，但在实际应用中，仍以金刚石圆锯片为主。金刚 石圆锯片( 也称节块式金刚石圆锯片) 是目前我国石材工业使用最普遍的锯切二l 具。它 的锯切速度很快，但锯切深度受到锯片直径的限制，一般不超过直径的1 3 。其通用规 格从m 1 0 5 m m 起始，最大达m 2 2 0 0 m m ( 国外最大圆锯片的规格为西5 0 0 0 m m 1 9 9 7 年由 德国研制成功) 。八十年代中期，石材切割锯片的品种比较单一，主要用于大理石的锯 切。八十年代后期，随着石材工业的发展，锯切花岗石的锯片得到很大的发展，为了达 到最佳的锯切效益，锯片研究者们致力于各种配方的研究。总的来讲，国内外金刚石圆 锯片的发展都有以下一些主要特点：为生产高效优质锯片，开发锯片级专用金刚石；更 加重视粉末、胎体与烧结工艺的研究 i i - 1 5 】；更加重视石材可锯性与锯切机理的研究【1 6 - 2 3 1 ： 激光焊接锯片得到发展；发展超大尺寸的金刚石圆锯片。目前，金刚石圆锯片的应用越 来越广泛，今后金刚石圆锯片的发展方向就是提高切割效率、锯片寿命、降低生产成本， 此外还要做到环保。为了达到上述目的，就要在材料、结构、尺寸上进行改进。 近年来，国内外开发和使用的各种新型锯片基体及锯齿结构( 如锯片基体开气流孔 槽或镶阻尼材料、形成锯齿中凹磨损的三明治夹层齿、多重细齿、径向延伸齿、硬质合 金护齿等) 对改善锯切摩擦及冷却条件、提高锯片锋利性及切割平稳性、防止锯齿打滑、 防止侧面磨损、适应软硬混合材料的加工、避免掉齿、节省刀具材料、充分利用锯齿材 料、降低锯切噪音等起到了重要作用，由此证明改善锯片基体及锯齿结构是提高锯切效 果的重要途径之一。但是，目前对各种基体及锯齿结构对锯片受力、刚性、变形、应力 分布、摩擦、噪音等的影响还缺乏深入系统的理论分析，因而提出改善基体和锯齿结构 技术方案的理论依据尚不充分。 1 3 干切锯片结构国内外研究现状 在施工现场用金刚石圆锯片切割的混泥土或路面时，水源供应往往不方便，如采用 湿锯切，除需要配备、移动笨重的大水箱外，还需要清理锯切时排出的污泥浆，从而增 加旅工成本。采用干切削则可较好解决上述问题。以下是几种较典型的干切削锯片结构。 1 通过在锯片圆盘基体上开空冷槽孔( 见图1 1 ) ，可实现风冷干切 2 4 1 1 2 5 l 。与无贯通 槽形孔的锯片相比，该结构锯片的进给速度可提高3 8 倍，锯片基体温度可降低6 0 。 广西大掌工程硕士学位论文 特殊结构金刚i 圆锯片午切漶凝土的动力特性及实班 研究 1 空冷槽孔2 基体3 节块 图1 - 1 基体空冷槽孔的千切片 f i g l 1 d r y c u t t i n g d i a m o n ds a w b l a d e w i t hs l o t s o l l b a s e f o r c o o l i n g 2 在基体上开气流冷却孔，并沿齿槽边缘开两排冷却通气小孔 2 6 1 ( 图i 一2 ) ，采用强 度和热稳定性好的结合剂及高质量( s d b l l 2 5 ) 金刚石。锯片采用逆切的方法，由于粉 尘通过锯片底部卷入和锯片槽排出，故粉尘由一根位于锯片切削刃上方的真空管收集， 环境干净清洁，设备动力减少5 0 以上，人力减少1 5 倍，q b 3 0 0 m m 直径的干切片，转 速2 0 0 0 r p m ，切沥青路面，切深达5 0 m m ，进给速度2 m r a i n ，切混凝土路面，切深5 0 m m ， 速度i r a r a i n 。 图1 - 2 基体及齿槽边缘开气流冷却孔的干切片 f i g l - 2 d r yc u t t i n gd i a m o n ds a w b l a d ew i t hs l o t so i lb a s ea n ds e g m e n t sf o ra i rc o o l i n g 具有多重三明治锯齿的风冷干切片如图1 3 所示【2 7 1 ，干切片之间用l m m 厚的铝板隔 开，该间隔既可起到空冷通道的作用，同时也为切不同槽宽需要提供灵活的锯片组合方 式。但锯齿结合剂要求采用钴基结合剂，对我国资源及成本情况而言，还需与进一步改 进的节块配方相适应。 3 复合基体1 2 s 】( 图l - 4 ) ，该锯片有通气孔l 和通过内腔2 传导气流的喷气孔3 。从 迸气孔进入的环绕气流进入到内腔，由锯片旋转引起的离心力使气流从喷气口排出，这 种由旋转自然产生的强劲气流使得锯片外圆上的金刚石锯齿得以有效冷却。 1 三明治片2 铝板 3 三明治片4 多重三明治片 4 广西大掌工程司e 士掌位论文特殊结构金刖石圆锯片音砌混凝土的动力r 特性a 实验研究 1 s a n d w i c hs a w b l a d e2 a l u m i n i u mb o a r d3 s a n d w i c hs a w b l a d e4 m u l t i t u d es a n d w i c hs a w b l a d e 图1 - 3 基体间用铝板隔开形成冷却通道的多重三明治齿干切片 f i g l - 3 d r yc u t t i n gm u l t i t u d es a n d w i c hd i a m o n ds a w b l a d ew i t ha l u m i n i u mb o a r d 4 采用不同配方的刀头交错排列 2 9 1 ( 图1 5 ) ，1 为具有粗粒度金刚石制成的锋利齿， 5 为具有细粒度金刚石制成的耐磨齿。对软质材料，锋利齿起主要切削作用；对硬质材 料，由锋利齿保证切割效率，耐磨齿保护锋利齿不致于磨损过快。而锋利齿切削时稍快 的磨损利于形成气流冷却空隙，故良好的不同配方锯齿搭配，使该种锯片能实现干切。 1 逼气孔2 内腔3 喷气孔 1 b l o w h o l e2 i n n e rc a v i t y3 f u m a r o l e 图l - 4 形成环绕气流冷却的复合基体干切片 f i g l - 4 d r yc u t t i n gm u l t i t u d ed i a m o n ds a w b l a d e w i t hc i r c l ea i rc u r r e n tf o rc o o l i n g 1 4 有限元分析软件a n s y s 1 4 1 有限元法的发展 1 锯片2 基体3 锯齿支承部分4 粗粒度金刚石刀 头5 细粒度金刚石刀头6 锯片槽 1 s a w b l a d e2 b a s e3 s e g m e n ts u p p o r t i n gp a r t4 d i a m o n ds e g m e n tw i t hl a r g eg r a n u l a r i t y5 d i a m o n d s e g m e n t w i t i ls m a l lg r a n u l a r i t y6 s l o t s 图1 5 不同配方锯齿搭配的干切片 f i g l 一5 d r yc u t t i n gd i a m o n ds a w b l a d ew i t hd i f f e r e n t g r a n u l a r i t y 有限元法是近三四十年随着计算机的发展而发展起来的用于各种结构分析的数值 计算方法。其实质是运用离散概念，把具有无限多个自由度的弹性连续体，理想化为只 有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。 有限元法的核心思想离散化概念早在四十年代就已经提出来了。但由于当时的 条件，没有引起重视。直到十年之后，英国航空教授a r g y r i s 和他的同事运用网络思想 成功地进行了结构分析，有限元法才蓬勃发展起来。 有限元法作为一种数值计算方法已经在工程技术的许多领域内得到了广泛的应用， ， 它可以较方便地解决工程中许多过去感到棘手甚至无法解决的问题，己成为求解固体力 学问题、热传导问题、流体流动问题和电磁场、声场等问题的一种有效的计算方法。 5 广。西大掌工程硕士掌位幸宅文 特霸嗜占柏金刚石圆锯片午切混凝土的动力特性覆实验研究 通用后处理模块p o s t i 通用后处理模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果( 如 应力) 在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值( 如 应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区( 如应力范围) ，清晰地反映了计算 结果的区域分布情况。 时间历程响应后处理模块p o s t 2 6 时间历程响应后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位 移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率 或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，p o s t 2 6 还可以进行蓝线 的代数运算。 五、a n s y s 软件的质量认证 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械 工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分 析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部 委推广使用。 1 5 课题来源及研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源自国家自然科学基金项目“金刚石圆锯片结构的动力失效研究 ( n o 5 0 3 6 5 0 0 2 ) ”和广西科学基金项目“金刚石圆锯片的动力学特性研究及虚拟设计 ( n o 0 3 3 9 0 1 2 ) ”。 1 5 2 主要研究内容 本文主要应用有限元分析软件a n s y s 对防侧面磨损的特殊结构金刚石圆锯片进行 静力分析和模态分析，对节块向基体内延伸结构金刚石圆锯片的变形、应力、振幅及固 有频率进行了计算分析，研究了延伸节块长度及周向分布数量对锯片刚性、耐磨性及降 嗓减振的影响效果。同时利用a n s y s 分析了减振降噪的非等间距节块金刚石圆锯片的 动力学模态特性及热力学特性。最后，通过金刚石圆锯片干切混凝土的实验，研究了锯 切过程中的切削力、振动、噪音及声发射信号特征及其相互关系，并与普通结构锯片相 比较，优选锯片结构参数、切削参数及对切削材料的适应性。 9 广西大掌工程硕士掌位论文特殊结构金刚石圆锯片 砌翱“臣土的动力特性及实验研究 第二章防侧面磨损金刚石圆锯片的有限元分析 2 1 研究方案及流程 通过建立3 种节块延伸长度、3 种周向分布数量共九种自行设计的防侧面磨损金刚 石圆锯片有限元分析模型，对其进行结构静力分析和模态分析。在结构静力分析中，根 据x 、y 、z 三个方向的最大变形和最大应力，第一、第三主应力及最大区域应力分布 情况，比较防侧面磨损锯片与普通金刚石锯片的变形和应力；并将各种防侧面磨损锯片 与普通锯片比较，寻求研究范围内最优的节块延伸结构参数，以提高锯片的结构刚度， 延长锯片的使用寿命。在模态分析中，由于锯片无论空转或切削，嗓声频谱都呈明显的 宽带高频特性，噪声主要能量分布在2 0 0 0 4 0 0 0 h z 的高频区内。为充分了解延伸节块 对金刚石圆锯片的影响，本文将分析范围扩大。实验和经验表明，防侧面磨损金刚石锯 片的低频嗓声辐射效率很低，故只将分析范围往高频区扩大，求解2 0 0 0 8 0 0 0 h z 内的 各阶模态。通过比较防侧面磨损锯片与普通锯片同一阶的固有频率大小以及每一个频率 值所对应的振幅大小寻找降噪减振锯片合理的结构参数。最后将静力分析结果与模态分 析结果对比，得出综合分析最佳的参数组合。金刚石锯片的a n s y s 分析流程如下： j 差) k a n s y sl l 0 定分析类型 l i 输n 彩斛 l 0j r i 窟荆ii 输入载荷 l l 上i 定单元常数 分析计算 ii i 建模 l 输出结果 ll i 划分网格i i 结束 图2 - la n s y s 分析流程图 f i g 2 - 1f l o wc h a r to f a n s y sa n a l y s i s 广西大掌工程习睦掌位谶? 文特竭e 结构童刚石圆锯片干切靠e 凝4 - 的动力特性反蜜验研究 2 2 结构参数及材料特性 防侧面磨损金刚石圆锯片是指锯片的金刚石节块从锯片顶端延伸至基体内部，且延 伸部分厚度稍大于基体厚度，以达到防侧面磨损及减振降噪的效果。如图2 2 所示，其 结构参数及材料特性见表，2 1 ，普通结构金刚石圆锯片见表2 2 。 图2 - 2 防侧面磨损金刚石圆锯片 f i g 2 - 2d i a m o n ds a w b l a d ef o rs i d ew e a rp r e v e n t i o n 表2 - 1防侧面磨损金刚石圆锯片结构参数及材料特性 长延伸节块径向长度( m m ) 1 482 2 数量简称数量简称数量简称 1 2 1 1 4 ，1 2 1 2 l l s ，1 2 1 2 | 2 2 ，1 2 结延伸节块周向分布 8 1 1 4 。8 8 i t s ，$ 8 1 2 2 , 8 构 6 1 1 4 , 6 6 i z s ，6 6 1 2 2 , 6 短延伸节块径向长度( m m ) 5 延伸部分节块的厚度( m m ) o 2 参 水槽两侧面的倾斜角度 i o o2 0 0 水槽深度( r a m ) 8 5 数 水孔直径l i l l ) 3 锯片齿数 2 4 杨氏模量口a ) 泊松比 密度( k g m 2 ) 材 基体 2 0 e “0 37 8 0 0 料 特 节块及延伸节块 5 6 e “o 2 58 1 0 0 性 注：其他结构参数同普通锯片 表2 - 2 普通锯片的基本结构参数 单位：m m 广西大掌工程硕士掌位论文特殊结构童刚石圊锯片干切混凝土的动力特性及实验研究 t a b 2 2b a s a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r so fc o n v e n t i o n a ls a w b l a d e u n i t ：m m l 锯片直径基体直径内孔直径基体厚度节块厚度节块弧长水槽深度水槽宽度 水孔直径 3 5 0 3 3 6 5 0 2 2 3 24 01 538 2 3 防侧面磨损金刚石圆锯片的有限元静力分析 2 3 1 建立金刚石圆锯片的有限元模型 在a n s y s 上建立防侧面磨损金刚石圆锯片的有限元模型，步骤如下： 首先，通过设置作业名、分析标题并指定分析范畴和单位制，确保文件不被覆盖并 确定分析范畴为结构分析。 接着，定义金刚石圆锯片的单元类型，由于金刚石锯片的径厚比大，即直径比厚度 往往大于5 0 1 0 0 倍，可将金刚石锯片视为平面应力情况考虑，故选用板壳单元s h e l l6 3 。 s h d l 6 3 为4 节点线性单元。 然后，定义材料特性并给基体和节块的实体模型分配材料属性。 其次，创建有限元模型，采用采用实体建模方法，普通锯片的模型实质上是材料为 6 5 m n 钢的一块空心圆板，板上开有水槽。防侧面磨损圆锯片的建模，由于延伸节块的 存在，必须建成有厚度的薄板结构。在不考虑焊接强度( 即认为延伸节块在锯切过程中 不会脱落) 的情况下用布尔运算将其与基体粘结在一起，即认为锯片基体和延伸节块是 一个不同材料的刚性整体。取锯片直径为3 5 0 m m ，2 4 齿的圆锯片进行分析，形状参数 按照金刚石锯片的标准建立，金刚石圆锯片有限元整体模型如图2 3 所示，模型节块延 伸部分放大图见图2 1 4 。 图2 - 3 金刚石圆锯片有限元整体模型图2 - 4 模型节块延伸部分放大图 f g 2 - 3a n s y sm o d e lo f d 锄o n d5 8 w b l a d ef o 。8 d e f i g 2 _ 4a m p l m c a t o r yf i g u r eo f e x t e n d i n gs e g m e n t w e a rp r e v e n t i o n 。 再次，使用s m a r t s i z i n g 进行网格自由划分，程序自动控制单元大小，s i z el e v e l = 1 0 。 g - 西夫掌工程司e 士学位论文钓r 嗣t 结构金刚石圆锯片干切混凝土的动力特性覆实验研究 因为单元形状和网格划分类型的设置共同影响网格的生成，而且s m a r t s i z i n g 算法根据 待划分的面或体的所有线估算单元边长。所以每个模型划分约1 0 万个单元左右。网格 数量比较多，网格划分情况如图2 5 所示。 ( a ) 普通锯片( b ) 防侧面磨损锯片 ( a ) c o n v e n t i o n a ld i a m o n ds a w b l a d e ( ”d a m o n d s a w b l a d ef o rs i d ew e a rp r e v e n t i o n 图2 - 5 网格划分 f i g 2 5g r i d d i n gm e s h i n g 最后，确定约束并求解，锯片在锯切过程中只有绕轴向方向的转动，在其它自由度 上都为固定【3 2 】即没有位移，而转动由电机带动，在理想情况下为匀速转动，也可认为是 受约束的，因此，内孔整个圆环面积受到全约束。 根据实验测试结果：当切深为2 0 m m ，锯片转速为1 0 0 0 n m i n 时，切向力f t = - 2 5 7 n ， 径向力f n = 5 9 n 。这时同时工作齿数两个齿，则可认为是两个齿承受了所有的压力，受 力面积为刀齿底面和侧面，如图2 - 6 所示 切向力f t t a n g e n t i a lf o r c ef t 刀齿 s e g m e n t ffffff 。 图2 - 6 刀齿受力模型【3 3 i f i g 2 - 6p t e s s e dm o d e lo f s e g m e n t 径向力f i r a d i a lf o r c ef n 经计算可得： p 卢f “a t 2p t = - 5 7 3 6 6 0 7 1p a p n = f n a n 2p r l ；4 6 0 9 3 7 5p a 式中：a t 为刀齿侧面受力面积，a t = - 刀齿高度x 节块厚度= o 0 0 7 x 0 0 0 3 2 a n 为节块底面受力面积，a n = 节块长度节块厚度= o 0 4 x 0 0 0 3 2 在内孔处施加全约束进行有限元计算。锯切过程中的受力描述，本文将载荷考虑均 1 4 广西大掌工程礓士掌位论文 特殊结构金g 石嘲锯片干切混凝土的动力特佳反蜜验研究 布载荷，考虑了水孔和刀头对整个锯片的影响，这将提高金刚石圆锯片的有限元分析的 准确性，为今后的研究指出一条新的途径。 育限元方法【蚓的一般公式为： 【吲【卅= r 】 式中：【k 】一整体刚度矩阵；【6 】一结构节点位移向量；【r 】一结构节点力向量。 a n s y s 在计算的时候能够按照模型网格分布情况自行运算。 2 3 2 普通与特殊圆锯片变形分析比较 图2 - 7 普通锯片与防侧面磨损锯片三个方向的变形图 f i g 2 - 7t h r e ed i r e c t i o nd i s t o r t i o no f c o n v e n t i o n a ld i a m o n ds a w b l a d ea n dd a m o n ds a w b l a d ef o rs i d ew a r p r e v e n t i o n 完成上述建模、加载、运算过程后，选择了防侧面磨损锯片( 1 1 8 8 ) 与普通锯片进 f - 西大学工程雩吐掌位论文特爿；结构金用石圆锯片干切混凝土的动力特性及实验研究 行受力后的变形及应力分布情况的对比与分析。 本文分析了普通圆锯片及防侧面磨损圆锯片在x 方向( 切向) 、y 方向( 径向) 、z 方向( 轴向) 交形进行了分析，如图2 7 。两种锯片变形最大值如表2 - 3 ：其中：t l 为特 殊结构锯片与普通锯片相比变形( 应力) 减小的比例，即 1 i _ 【普通锯片的变形值( 应力值) 一特殊锯片的变形值( 应力值) 】普通锯片的变形值( 应力值) ( 不考虑正负号，i = x 、y 、z ) 表2 - 3 变形量最大值的比较单位：m m t a b 2 - 3m a x i m u md i s t o r t i o nc o m p a r i s o nu n i t ：m m 芏彩 类型 x 方向变形y 方向变形z 方向变形 l l x q yt i z 普通锯片 o 0 1 1 40 0 0 8 0 2- o 伽1 0 3 6 7 节块延伸锯片 - 0 0 0 6 7 l 0 0 0 5 7 0- 0 0 0 0 2 2 74 1 1 2 8 9 3 8 1 结果表明，节块延伸圆锯片在各个方向的变形均比普通锯片有相当明显的减小 ( 2 8 - - 4 1 ) 。而且从z 方向变形可以看到，节块延伸圆锯片的变形分布要比普通锯片 小且均衡。这表明节块延伸锯片刚度强，不易弯曲。从t 1 的值可以直观地看出节块延伸 锯片在减小变形方面起到显著作用。 2 3 3 普通与特殊圆锯片应力分析比较 基体材料为6 5 m n ，它的安全许用应力达2 7 0 m p a ，圆锯片在湿切的情况一般不会超 过许用应力，根据第三强度理论：o l - 0 3 o 】，研究锯片受到的第一、第三主应力大小以 及应力集中的情况能够判断锯片的优劣。 图2 8 普通与特殊锯片的第一，第三主应力比较 f i g 2 - 8f i r s ta n dt h i r dm a i ns t r e s sc o m p a r i s o no f c t x m x l i m a ls a w b l a d ea n ds a w b l a d ef o rs i d ew e a rp e , m 6 m 1 6 广西大掌工程硕士掌位饨文 特霸l 结构金刚石圆锯片干切漶凝土的动力r 特性及实验研究 节块延伸结构锯片的第一、第三主应力最大值所在处的局部放大图如图2 - 9 ： ( a ) 第一主应力( 0 1 ) 最大值所在部位及其放大( b ) 第三主应力( 0 3 ) 最大值所在部位及其放大 ( a ) m a x i m u mf i r s tm a i ns t r e s sl