人造板宽带式砂光机的振动试验模态分析

1、南京林业大学 硕士学位论文人造板宽带式砂光机的振动试验模态分析 姓名：王正 申请学位级别：硕士 专业：木材科学与技术 指导教师：朱典想 20040601 摘要 木材行业一直是砂带磨削机械的大用户。然而，长期以来，鉴于国内木材加工行业在产品的结构设计中主要考虑其保守的静强度特性，而不太注重其动态特性，致使我国在木工机械领域中的动态特性科研水平尚处在待发展阶段。近年来，国内诸如砂光机等制造厂家已清醒地认识到，基于为拓展后续市场提供契机的需要，其机械设备的振动情况关系到被加工件的精度、设备寿命、生产率等质量经济指标，为此积极开展我国机械结构动态设计等技术工作显得尤为必要。 振动和波动是物质运动的基本

2、形态。随着近代工程技术，尤其是航空、航天、海洋工程等技术的飞速发展，促进振动工程技术迅猛发展及广泛应用。模态分析是近代研究结构动力学的一种方法，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法，是系统辨识方法在工程振动领域中的应用。试验模态分析技术作为振动工程理论的一个重要分支，其可靠的试验结果已成为产品性能评估的有效标准；而围绕其结果开展的各种结构动态设计、故障诊断和状态监测中的方法，使得模态分析的结果成为结构设计的重要依据。 本文就上海捷成白鹤木工机械生产的型四砂架人造板双面宽带砂光机为研究对象，从易产生的横纹缺陷入手，引进结构动态设计手段对其进行振动特性研究，对砂架部件、整机等分别进行振动试验模态

3、分析（）及自功率谱密度分析（）。在模态试验中，主要采用测量点固定，改变激振点的跑点测量方法，得到固定测量点对各激振点频响函数，并应用频响函数识别法，通过频响函数曲线拟合来完成模态参数识别，获到典型的整机、砂架部件的频响函数图及接触辊的二阶振型图。通过分析，获得砂光机整体的幅频曲线谱。最后，文中得出了“产品的横纹缺陷的主要原因是本整机的激励频率与其第一阶固有频率产生耦合形成共振现象”等结论，并提出了进行包括灵敏度分析在内的结构动力修改的主要建议，旨为国产人造板宽带砂光机的结构动态设计工作夯实基础，并预示产生良好的经济和社会效益。关键词：试验模态分析，功率谱密度，宽带砂光机，动态设计，频响函数，模

4、态参数。 廿 譬 鲥 ， 卫 丘 毋， 血 ， ， ， 砒 山， 口 ， 譬 吐 胁 枷 “她 口叩 ， ， 曲 。 ， 窟枷， ， （ 血； ！ 肿咖。 ， ，孤 。 ， ， 瑾丑巳 凼 ， 唱 行 迦，西 肿 口 丘 枷 ， 把 砒 诧 ， 也曲 ， ， “ 趾 越 曲”压 、 星 丘锄 血 量 ”疵 柚 岫 枷矗 衄， ： ， ， ， 致谢 本文历经一年时间，在导师朱典想教授的悉心指导下，承蒙尊敬的南京航天航空大学徐庆华高级工程师、纪国宜教授，东南大学韩晓林教授，南京林业大学王泉中教授、蒋本浩教授、王厚立教授和李北岗副教授，北京东方振动研究所赵增欣工程师，南京汽轮电机厂陈贵陵工程师等专家

5、在学术上的友情帮助；尤其是得到了江苏灌南捷达木业的赵伟平副总经理、上海捷成白鹤木工机械的周菊林副总经理等友人在提供试验对象、场地等方面的大力支持及周到照顾，在此向他们表达深深地敬意，并致以由衷地感谢之情！ 爱人者人恒爱之，敬人者人恒敬之。本论文的顺利完成，凝聚着导师教诲，以及专家、朋友们的深情厚意。我再次无限感谢你们，并愿我们携手前进，共创辉煌的明天！ 王正 年月立题背景国内外研究现状 在木工机械行业中，尽管我国排在国际木工机械产值的第六位，但是在国内众多的人造板企业中，仅有少部分采用全套引进设备，大部分企业采用的生产工艺和设备都是国产的，其技术水平仅相当于发达国家世纪年代水平，有些小企业的水

6、平甚至更低。近十年来，世界上发达国家的人造板企业已发生了根本性的变化。这些专业企业在以实现最大限度地节约原材料和能源、提高产品质量和劳动生产率、获取最大利润为目标而积极地调整生产结构、优化生产组织、扩大产品品种措施的同时，大力引入现代科技成果，力求进一步完善和改进装备的设计和工艺技术，从而使得这些国家的人造板工业的生产装备技术水平不断提高，其中尤以西欧和北美最为显著。 为了提高和发展结构的动态设计技术，年以来，我国的东北林业大学分别对型木工平刨床、型精密裁板锯等木工机床进行了试验模态分析，收效明显。通过努力，目前国产的某些种类的刨床、带锯机等设备的外观、性能和加工精度达到或接近美国的水平，而人

7、造板宽带式砂光机等诸多精密木工设备的动态设计水平亟待提高。 显而易见，发展我国的人造板工业，很重要的任务是应提高人造板工业设备的综合技术水平，积极参与国际市场竞争，从根本上改善目前国内人造板工业较不景气的现状。企业生存发展的命运完全掌握在企业家自己手中，结构调整的主动权也掌握在自己手中。要把我国的木工机床搞精，就必须凭借高水平的设计师优先发展高新技术产品，增加技术附加值。这样才能把握住加入的良好机遇，为将我国木工机床工业从进口国转变为生产强国做出新贡献。 长期以来，在国内木材加工行业中，鉴于众多人造板砂光机制造厂家备受技术、资金等“瓶颈”因素的制约，在其结构设计中主要考虑产品的静强度设计，不太

8、注重其动态特性，因此往往出现保守的情况，致使其产品的重量加大，质量不稳定，成本增高；加上目前国内在林业机械的动态特性科研水平上尚处在待发展阶段，使其动态特性指标还无法与国外的同类产品相比。在主要考虑静强度设计状况下，国内的人造板宽带式砂光机在运行中常常会出现如表、表所示的质量缺陷。根据传统分析表明，砂光机中的砂架部件（图）等为影响人造板制品质量缺陷的关键部件。 砂光机是生产线中的关键设备之一，然而如何长久地保持其正常运行状态是所有用户都关注的问题。众所周知，振动量是反映砂光机运行好坏的敏感物理量。实际上每台机器上所反映的振动是多种振源作用的结果。一般的振动状态监测所采用的绝对和相对判断标准的两

9、种方式只局限于判断状态好坏，无法判断故障的所在位置和原因。面砂光机设备具有运行速度高、精度要求严格的特点，这正是一种典型的受监控的设备，因此应选用关键的砂架部件、机架等作为其振动测试对象。近年来，国内许多砂光机设备制造厂已清醒地认识到，机械设备的振动情况关系到被加工件的精度、安全、生产率及经济指标，并密切关注机械结构动态设计等技术工作，为拓展其后续市场提供契机。表 厚度尺寸上常见的磨削缺陷及主要原因 表 板面质量上常见的磨削缺陷及原因 在解决振动与冲击问题中，由于结构模态提供了便于振动分析、设计与控制的降维模型。因此，模态试验成为振动测试的最重要内容之一。模态分析是一种参数识别的方法，因为它是

10、在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过试验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。模态分析的关键在于得到振动系统的特征向量（或称特征振型、模态振型）。 试验模态分析是通过试验采集系统的输入输出信号，经过参数识别获得模态参数。其具体做法是：首先将结构物在静止状态下进行人为激振（或者环境激励），通过测量激振力与振动响应，找出激励点与各测点之间的“传递函数”，建立频响函数矩阵，用模态分析理论通过对试验频响函数的曲线拟合，识别出结构模态参数，从而建立起结构物的模态振型。 现代企业的产品结构设计一般分为产品结构的初步设计、产品结构的动态设计、结构优化设计和生产正式产品四个阶段

11、。由于结构动力有限元分析法（）和试验模态分析 （）是产品结构动态设计的基本方法。因此，应用这些成果，有助于进一步提高产品设计陛能，缩短设计周期等。在初步设计中，一般都考虑静强度和静刚度要求。在产品结构动态设计中，一是应用可对初步设计结果进行动态性能校核与修改；二是通过试验模态分析（），可得到结构的模态参数删，妒，；。若这些参数或与之识别出的固有参数翻，以与结果存在较大的误差，应检验试验模态是否满足模态样机准则。三是在得到满足要求的模态参数后，继续开展以下结构动态修改工作：物理参数修改，结合试聆模态结果对得到的质量阵、刚度阵求和匿，得到修改后的、；物理参数识别。直接求解逆特征值问题，求得、；载荷

12、识别，根据试验模态参数和响应要求估算系统的实际振动环境。在上述三项工作的基础上通过计算系统响应，或修改样机或模型后实测系统响应，检验是否满足响应准则。若不满足，需通过响应灵敏度分析修改结构和再分析估算模态参数和响应，直至满足要求。在上述结构动态修改中，一般只能得到物理参数的修改量。在结构优化设计中，以结构参数（尺寸、形状、材料性质等）为修改参数，就可直接得到满足动态要求的修改结构形式。一般来说，这一步比前面工作难度更大，但更有效。综上所述，机械设备结构动态设计系统简图见图所示。 模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法，是系统辨识方法在工程振动领域中的应用。目前它已成为研究各种实际结构振

13、动的有效途径之一，是一门重要的工程技术。由于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、阻尼比和振型等模态参数。基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可以分解为许多模态叠加。这样一个分解过程称为模态分析。模态分析有理论模态法和试验模态法两种方法。其中前者是理论法的逆过程，是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段，进行系统识别，并研究振动原因及机构动态设计的一种实验技术。如果通过模态分析方法搞清楚了结构在某一频率范围内各阶主要模态的特性，就可以基本断定结构在此频段内在内外部各种振源作用下实际振动响应。早在二十世纪四五十年代，在航空工业中就采用共振试验法确定

14、系统的固有频率。六十年代，发展了多点单相正弦激励及正弦多频单点激励，通过调力调频分离模态，制造出商用模拟式频响函数分析仪。六十年代后期到八年代初，国外又掀起一阵研究经典谱的以及现代谱和谱等方法的高潮。 图结构动态设计简图期间，国内开始引进大量日本、丹麦、美国生产的，基本功能主要是以为基础的数据处理和频谱分析的各种数字式分析仪。随后国外又开发出各种瞬态和随机激励、频域模态分析识别技术。在数字式动态测试技术普及到各个工业领域后，模态分析得到快速发展日趋成熟，并出现了大量的商用数字分析仪及软件。年，美国公司开发和利用一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境的虚拟仪器技术，实现了虚拟仪器的概念。

15、到了八十年代后期，主要是多人多出随机激励技术和参数识别技术得到发展。九十年代中期，我国终于研制成一种记录、分析显示一体化的现场实时测试的设备。在工程领域中，模态分析在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃，尤其是基于、最优控制理论的结构动态修改和动态设计已取得丰硕成果。 我国在年后出现了关于测试理论和技术方面的专著，不过在实际工程中的应用则要晚些。近十年来，随着测试技术和计算机的发展，模态试验技术得到了飞跃性发展。国内研制的、等模态分析系统参加了许多重大科研项目，如对长征三号火箭 全箭和火箭发动机的模态试验，对国际通信号卫星火箭发动机的模态

16、试验、用火箭激励法对钱塘江大桥模态试验，用锤击法对内蒙古黄河铁路大桥的模态试验、对深圳地王大厦的模态试验、对河南某战地指挥车的模态试验、对刘家峡大坝闸门的模态试验、对三峡工程用的型高架门座起重机振动和人字架的模态试验，对南京汽轮电机厂同步电机焊接机壳的模态试验、对大机组发电机端部绕组的模态试验、对燃汽轮机叶片和叶轮及其整机的模态试验、对生产油田用泥浆泵的模态试验、对三万千瓦电站基础的模态试验、对斜拉桥模型的模态试验，以及对轴承和齿轮箱的模态试验等，收效显著。 江苏灌南县捷达木业购置上海捷成白鹤木工机械年生产的型人造板四砂架双面宽带砂光机（见图片），主要生产产品，其成品有、和这四种厚度规格，宽幅

17、为、厚度为。在实际生产中，其成品常会出现批横纹等质量缺陷（见图片），常在工作时采取调整压带器位置及停机校准等传统手段加以处置，费时费效，无法根除其质量缺陷。图片是在现场拍摄的批厚的产品中的出现横纹缺陷的一张照片。 图片 厚批产品横纹缺陷图 对此，为引进结构动态设计手段对砂光机系统进行振动特性研究，本文以上海捷成白鹤木工机械生产的型人造板双面宽带砂光机（图）作为研究对象，从图片出现的横纹缺陷入手，对砂架部件、整机等分别进行振动试验模态分析，旨为国产人造板双面宽带砂光机的结构动态设计工作打基础，并预示产生良好的社会和经济效益。 人造板宽带砂光机介绍宽带砂光机的工作原理、组成及特点 木材行业一直是砂

18、带磨削机械的大用户。因为根据人造板生产能力的不同（一?玻埃埃埃恚常洌壳笆澜缟系纳肮馍璞讣壑翟颊既嗽彀迤笠瞪璞缸芗壑档模担笥摇裕保梗叮啊保梗福澳昙洌按鞯挠梅故盅杆伲蚪錾按旰牧烤痛锛敢谄椒矫住樗孀牌浜蠖嗄昀慈嗽彀骞档难杆俜梗泶缴肮饣鸩教娲跏缴肮饣取?我国在人造板生产过程中，要求砂光机工序具备提高板面的表面质量、提高板厚的尺寸精度和提高板内密度分布的对称性的“三提高”的质量要求。板子的表面质量除了有粗糙度要求外，还应规定平均厚度尺寸偏差要求。而在国外发达国家的标准中已把精确度和精密度作为对砂光机磨削质量的考核指标。除此之外，产品表面层的密度要求应不容忽视。由于在刨花板和中密度板的生产过程中，特别是当

19、使用多层压机进行热压成形时，板面易形成深度约的预固化层，层内密度仅为；而刨花板的表面密度根据贴面工艺要求，需达到 。很显然，这种状况将影响二次贴面的质量。 目前，就世界上较为先进的连续平压热压机这种设备来说，其生产的板厚允差范围为士，但在实际生产中仍要考虑到预固化层问题，其砂光量一般在范围内。显而易见，人造板制造业中的表面砂光工序是关键工序，宽带砂光机则是关键设备。型四砂架宽带式砂光机整机见图片和图。 宽带砂光机主要由机架、砂架、进给机构、吸尘装置和电控系统五大部分构成，是一种将环状宽幅砂带套在几根平行辊筒构成的砂带磨削头上，在砂带张紧状态下，使高速运行的砂带与工件表面接触，以实现在工件的整个宽度上进行贯通式磨削的精密设备。一方面，它不同