基于有限元的多孔结构金刚石圆锯片模态分析

牛凯强，刘 备，宋双路，平志峰

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046000)

0 引言

随着国内建筑行业的快速发展，混凝土的切割工程量越来越大，这些工程大多数都是利用金刚石工具完成的。金刚石圆锯片在楼房、高速公路等建筑行业的拆除或者建设工程中起到了非常重要的作用，已成为建筑业不可或缺的重要工具。

由于圆锯片在工作中会发生非常剧烈的振动，这些振动会造成零件的共振和材料疲劳，从而导致圆锯片损坏,因此研究分析圆锯片的振动特性十分重要。

1 金刚石圆锯片

金刚石圆锯片因其刀头是金刚石材料而异常锋利。它主要用于切割非金属材料，而不是用于切割钢铁等金属零件和物料。

普通圆锯片示意图如图1所示，多孔圆锯片如图2所示。金刚石圆锯片的刀头有金刚石的极细的小颗粒，利用金刚石的硬度来对非金属材料进行磨削。

D-金刚石圆锯片的外径;H-金刚石圆锯片的内径;L-节块长度;X-节块宽度;T-节块厚度;E-基体厚度

图2 多孔圆锯片示意图

2 金刚石圆锯片模型建立及模态分析

2.1 金刚石圆锯片模型建立

多孔圆锯片模型各主要尺寸如表1所示，材料相关参数如表2所示。

表1 多孔圆锯片模型几何参数

表2 多孔圆锯片材料参数

应用NX软件对金刚石圆锯片进行建模，设置多孔圆锯片圆心坐标为(0，0)，多孔圆锯片上各小孔在以坐标(0，78.5)为圆心、直径为157 mm的圆上，6个小孔分度圆直径分别为150 mm、176 mm、202 mm、228 mm、254 mm、280 mm。将6个小孔分别沿圆锯片圆心旋转30°、45°阵列，可得小孔数量分别为72和48，小孔直径分别取4 mm、6 mm、8 mm。

建立了1个普通圆锯片和6个不同参数下的多孔圆锯片的模型，如图3所示。

图3 普通及多孔圆锯片模型

2.2 金刚石圆锯片的模态分析

因普通圆锯片与多孔圆锯片模态分析方法、网格划分及施加约束方式均相同，本文不做重复列举，仅以48孔、4 mm圆锯片为例对模态分析的步骤进行分析说明。

利用有限元分析软件对金刚石圆锯片进行模态分析。首先，对金刚石圆锯片进行网格划分，如图4所示。然后设置20阶模态，在圆锯片的内圆处施加约束，如图5所示。

图4 网格划分 图5 施加约束

由于模态的固有频率阶数越大，对金刚石圆锯片的影响越小，故本分析只取前4阶模态。分析得到圆锯片的前4阶模态振型如图6所示。

2.3 计算结果分析

48孔4 mm圆锯片的前4阶模态如图6所示。从图6中可以看出圆锯片的前4阶模态频率及形变云图，圆锯片的前4阶模态频率及振型对比见表3。

图6 48孔4 mm圆锯片前4阶模态振型图

表3 48孔4 mm圆锯片前4阶模态频率及振型特点

2.4 对比分析

不同结构圆锯片的各阶振动频率和位移分别如图7和图8所示。

在孔径尺寸一样的情况下，圆孔的数目越多，振动的频率越小，位移量越小，说明在模态分析中，金刚石圆锯片的圆孔数目越多越好。如图7、图8所示，在相同孔径8 mm时，72孔的圆锯片3阶振动频率为67.698 Hz、位移量为1.28 mm；而48孔的圆锯片3阶振动频率为68.343 Hz、位移量为1.29 mm。

在开孔数目一样的情形下，孔径越大，振动的频率越小，位移量越小，说明在模态分析中，金刚石圆锯片的孔径越大越好。如图7、图8所示，在72孔的圆锯片中，孔径4 mm的圆锯片4阶的振动频率为83.682 Hz、位移量为1.915 mm；孔径6 mm的圆锯片4阶的振动频率为83.163 Hz、位移量为1.905 mm；孔径8 mm的圆锯片4阶的振动频率为82.474 Hz、位移量为1.901 mm。

图7 不同结构圆锯片的各阶振动频率

图8 不同结构圆锯片各阶振动的位移

3 小结

通过调整减振孔径与数量，分别对48孔4 mm、48孔6 mm、48孔8 mm、72孔4 mm、72孔6 mm、72孔8 mm的金刚石圆锯片进行了有限元分析，并得出以下结论：

本文给定尺寸的圆锯片中，其固有频率会随着减振孔数量的增多而降低，并随着减振孔孔径的变大而降低，同时在一定程度上改善金刚石圆锯片的形变量，实现降噪。但是孔径过大易降低圆锯片整体的刚度，因此在设计金刚石圆锯片减振孔孔径时需综合考虑。