带锯条工作状态对其振动峭度值的影响∗

高金贵 吴俊华 姜兆方 张 健 赵洪刚

带锯机是在木材加工企业广泛使用的机床[1]，其质量优劣直接影响企业的经济效益。目前对带锯条故障的诊断还仅是事前与事后的诊断，这严重影响到带锯的锯割质量，而且实际生产中判断带锯条是否产生缺陷存在极大的偏差，因此很难准确地把握带锯条的更换时间，影响带锯条的高效利用。实际生产中迫切需要一种方法或通过一种理论指标的变化用以快速诊断出锯条产生缺陷与否[2]。为此，借助国家自然科学基金的资助，经过实验室和企业生产性试验，笔者拟就带锯条产生裂纹前后锯条横向振动位移峭度的变化规律进行研究，找出峭度值作为判断带锯条裂纹产生程度的依据，以为科学确定带锯条产生裂纹及扩展程度、合理更换带锯条时间提供技术依据。

1 主要试验仪器与设备

1.1 试验仪器

试验中使用的主要仪器设备见表1。

表1 主要仪器设备Tab.1 Main apparatus and equipment

图1为振动测试系统组成框图。

图1 振动测试系统组成框图Fig. 1 Vibration testing system composition block diagram

1.2 设备组成及其参数

1.2.1 机床组成

试验的研究对象为北华大学林学院木工机械实验室和桦甸市惠邦木业有限公司的MJ3210型跑车木工带锯机。其结构由上下锯轮、带锯条、锯条导向装置、张紧机构、动力系统、机架、安全罩、进料跑车等组成，详见图2。

图2 跑车木工带锯机Fig. 2 Sports car woodworking band saw

1.2.2 机床参数

MJ3210型跑车木工带锯机由福利达机械设备制造有限公司制造。其具体参数如下：适用锯条厚度：1.0 5 mm；锯条宽度：125 mm；锯条最大长度：6 900 mm； 锯轮直径：1 000 mm；锯轮转速：750 r/min 。机床重量：1 000 kg；机床外形尺寸：1 250 mm×1 000 mm×2 180 mm；跑车进料速度：0～20 m/min ；锯木最大直径：800 mm。

1.2.3 带锯条参数

锯身厚度：1.05 mm；锯条宽度：125 mm；锯条最大长度：6 900 mm；折背齿：前角25°，楔角40°；齿距：27 mm；齿高：11 mm；齿室半径：4.2 mm；锯料宽度：1.75 mm[8]；锯条张紧力8 330 N（林工牌，天津林业工具厂）。

为对各种情况带锯条进行对比性试验，试验选择：空载完好带锯条，所计算的峭度值为K3；空载有裂纹带锯条，所计算的峭度值为K2（锯条裂纹长度为2.69、2.76、2.78 mm三种)；负载下有裂纹带锯条，所计算的峭度值为峭度K1（锯条裂纹长度为4.81、4.94、4.98 mm三种)。

1.3 加工材料

树种：柞木，产地：吉林红石林业局。含水率：6%～8%；加工试件长度：4～6 m；锯材厚度：40 mm。

2 峭度的定义及意义

因为试验中采集的信号是时域信号，因此需要对信号进行时域分析。目前在旋转机械零部件故障诊断中应用峭度值范围判断是一种科学的诊断故障的方法[3]。笔者借鉴此法，采用峭度值来评判带锯条故障程度。峭度值概念如下。

式中XRMS为均方根值(RMS、有效值)。

峭度指标又称峰态系数，是描述振动幅值分布相对正态高斯分布的偏差程度。峭度指标在轴承故障诊断时可根据其变化的范围判断缺陷种类及发展程度[6]，用峭度指标对滚动轴承进行工况监视已被国际上公认为是一种比较简单而有效的方法。由于其对机械裂纹损坏、出现间隙增大等故障判别非常合适、有效，因此可选用峭度指标等无量纲参数作为一些机械（如发动机）在线故障诊断特征参数【4-8】。鉴于此，笔者采用峭度指标来探讨对诊断带锯条工作状态的作用。

3 试验数据处理及结果分析

3.1 负载下完好带锯条横向振动正交试验结果

为确定负载下影响带锯条横向振动位移的显著性因素，根据对试验用MJ3210木工跑车带锯机结构与运动的分析，选取主轴转速、锯条张紧力、上下锯卡距离、进料速度为试验因素，进行了六因素（两个空白）、五水平L25(56)负载下（切削柞木）的正交试验，正交试验因素及水平见表2所示。

表2 正交试验因素及水平Tab.2 Orthogonal test factors and levels

正交试验结果如下：各因素的主次顺序为主→次：A（锯轮主轴转速）→B（锯条张紧力）→C（上下锯卡距离）→D（进料速度）；其最优方案为A3B2C4D2, 即A：锯轮主轴转速831 r/min；B： 锯条张紧力8 330 N；C：上下锯卡距离600 mm，D： 进料速度15 m/min。各因素显著分析结果见表3所示。

表3 负载下裂纹带锯条振动位移显著性分析表Tab. 3 Significant analysis of vibration displacement of cracked saw blade under load

由表3F值可知，因子A（锯轮主轴转速）高度显著，因子B（锯条张紧力）显著，因子C（上下锯卡距离）显著 ，因子D（进料速度）高度显著。

3.2 锯轮主轴转速对带锯条横向振动峭度值的影响

在带锯条张紧力为8 330 N、进料速度为15 m/min、上下锯卡距离为600 mm、锯轮主轴转速不同、加工柞木的工况下，分别对完好锯条和裂纹带锯条进行数据采集，分析后得到峭度值结果如图3所示。

图3 不同负载下锯轮主轴转速对横向振动峭度的影响Fig.3 Effect of saw wheel spindle speed under different load on the transverse vibration kurtosis

从图3可知，锯轮主轴转速对裂纹带锯条横向振动峭度值的影响非常明显，在锯轮转速小于831 r/min时，随着锯轮主轴转速的增加，有裂纹带锯条的峭度值也随之增大；锯轮转速达831 r/min之后，随着锯轮转速的增加，有裂纹带锯条的峭度值随之减小。空载完好带锯条随锯轮转速增加其峭度值变化速率很小。其K值范围：空载完好带锯条的峭度值K3在0～1之内；空载有裂纹（裂纹长度2.76 mm)带锯条的K2在3～5.6之间；负载下有裂纹（裂纹长度4.81 mm)带锯条，其K1值在6～15.6之间。由值区域可知各区域范围非常明显；空载下完好带锯条K值最小；负载下裂纹长的K值大于裂纹短的K值；裂纹长度和负载情况对带锯条K值影响极大；根据各区域范围可判断带锯条缺陷情况。

3.3 锯条张紧力对带锯条横向振动峭度值的影响

在带锯机锯轮主轴转速为831 r/min、进料速度为15 m/min、上下锯卡距离为600 mm、切削柞木的工况下，改变带锯条张紧力，分别对完整锯条和裂纹锯条振动位移进行数据采集，分析得到带锯条横向振动峭度值结果如图4所示。

图4 不同负载下锯条张紧力对锯条横向振动峭度的影响Fig.4 Effect of saw blade tension under different load on the transverse vibration kurtosis

由图4可知，以带锯条张紧力8 330 N为拐点，在带锯条张紧力小于8 330 N时，随着张紧力的增大，有裂纹带锯条峭度值随之变大；当带锯条张紧力大于8 330 N时，随着张紧力的增大，裂纹带锯条的峭度值呈逐渐变小趋势；空载完好带锯条随锯条张紧力增加其峭度值变化速率很小。K值范围：空载完好带锯条K3为0～1；空载有裂纹（裂纹长度2.78 mm)带锯条K2为3～5；负载有裂纹（裂纹长度4.94 mm) 带锯条峭度K1为6～15.3。由值区域可知区域范围非常明显；空载下完好带锯条K值最小；负载下裂纹长的K值大于裂纹短的K值；裂纹长度和负载情况对带锯条K值影响极大；根据各区域范围可判断带锯条缺陷情况。

3.4 进料速度对带锯条横向振动峭度的影响

在带锯机锯轮主轴转速为831 r/min、锯条张紧力为8 330 N、上下锯卡距离为600 mm、切削柞木的工况下，改变进料速度，分别对完好带锯条和裂纹的带锯条横向振动位移进行数据采集，分析得到带锯条振动峭度值结果如图5所示。

由图5可知，在跑车进料速度小于15 m/min时，随着进料速度的增加，裂纹带锯条横向振动峭度值也随之增加；当跑车进料速度大于15 m/min时，随着进料速度的增加，裂纹带锯条峭度值随之降低；空载完好带锯条随进料速度增加其峭度值变化速率很小。其K值范围：空载完好带锯条K3为 0～1；空载有裂纹（裂纹长度2.69 mm)带锯条K2为 3～5.2；负载有裂纹（裂纹长度4.98 mm)带锯条峭度值K1为6～15.6。由值区域可知各区域范围非常明显；空载下完好带锯条K值最小，负载下裂纹长的K值大于裂纹短的K值；裂纹长度和负载情况对带锯条K值影响极大；根据K值各区域范围可判断带锯条缺陷情况。

3.5 上下锯卡距离对带锯条横向振动峭度的影响

在带锯机锯轮主轴转速为831 r/min、锯条张紧力为8 330 N、进料速度为15 m/min的前提下，切削柞木，改变上下锯卡距离分别对完整锯条和裂纹带锯条振动位移在不同负载情况下进行数据采集，分析得到K值，结果如图6所示。

图6 上下锯卡距离对锯条横向振动峭度的影响Fig.6 Effect of the distance from the saw to the saw blade on the transverse vibration kurtosis

由图6可知，以上下锯卡距离600mm为拐点，在上下锯卡距离小于600 mm时，随着锯卡距离的增加，带锯条峭度值也随之增加；当锯卡距离大于600 mm时，带锯条K值随之减小。其K值范围：空载完好带锯条K3为 0～1；空载有裂纹（裂纹长度2.69 mm)带锯条K2为3～5.2；负载有裂纹（裂纹长度4.98 mm)带锯条峭度K1为6～15.6；由值区域可知各区域范围非常明显；空载下完好带锯条K值最小，负载下裂纹长的K值大于裂纹短的K值；裂纹长度和负载情况对带锯条K值影响极大；根据K值各区域范围可判断带锯条缺陷情况。

4 结论

经过以上在空载和负载下对MJ3210型跑车木工带锯机所用带锯条横向振动测试和对峭度数据变化的处理和分析，得出以下结论：

1）负载下对MJ3210型跑车木工带锯机的锯条横向振动位移影响最为显著的因素为锯轮主轴转速，其次为锯条张紧力、上下锯卡距离、进料速度。

2）负载下跑车带锯机最优工作参数为锯轮主轴转速831 r/min、锯条张紧力8 330 N、上下锯卡距离600 mm、进料速度15 m/min。

3）由系列试验得出,MJ3210型跑车带锯机在常规工作条件下，空载完好带锯条K3为0～1；空载有裂纹（裂纹长度2.69～2.78mm）带锯条K2为3～5.6；负载下有裂纹（裂纹长度4.81～4.98 mm）K1范围在 6～15.6。由值区域可知区域范围非常明显；空载下完好带锯条K值最小；负载下裂纹长的K值大于裂纹短的K值；裂纹长度和负载情况对带锯条K值影响极大,因此可以根据峭度值的变化范围确定带锯条产生裂纹和发展情况。

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