基于有限元的多孔結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片模態(tài)分析

牛凱強(qiáng)，劉 備，宋雙路，平志峰

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，混凝土的切割工程量越來(lái)越大，這些工程大多數(shù)都是利用金剛石工具完成的。金剛石圓鋸片在樓房、高速公路等建筑行業(yè)的拆除或者建設(shè)工程中起到了非常重要的作用，已成為建筑業(yè)不可或缺的重要工具。

由于圓鋸片在工作中會(huì)發(fā)生非常劇烈的振動(dòng)，這些振動(dòng)會(huì)造成零件的共振和材料疲勞，從而導(dǎo)致圓鋸片損壞,因此研究分析圓鋸片的振動(dòng)特性十分重要。

1 金剛石圓鋸片

金剛石圓鋸片因其刀頭是金剛石材料而異常鋒利。它主要用于切割非金屬材料，而不是用于切割鋼鐵等金屬零件和物料。

普通圓鋸片示意圖如圖1所示，多孔圓鋸片如圖2所示。金剛石圓鋸片的刀頭有金剛石的極細(xì)的小顆粒，利用金剛石的硬度來(lái)對(duì)非金屬材料進(jìn)行磨削。

D-金剛石圓鋸片的外徑;H-金剛石圓鋸片的內(nèi)徑;L-節(jié)塊長(zhǎng)度;X-節(jié)塊寬度;T-節(jié)塊厚度;E-基體厚度

圖2 多孔圓鋸片示意圖

2 金剛石圓鋸片模型建立及模態(tài)分析

2.1 金剛石圓鋸片模型建立

多孔圓鋸片模型各主要尺寸如表1所示，材料相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 多孔圓鋸片模型幾何參數(shù)

表2 多孔圓鋸片材料參數(shù)

應(yīng)用NX軟件對(duì)金剛石圓鋸片進(jìn)行建模，設(shè)置多孔圓鋸片圓心坐標(biāo)為(0，0)，多孔圓鋸片上各小孔在以坐標(biāo)(0，78.5)為圓心、直徑為157 mm的圓上，6個(gè)小孔分度圓直徑分別為150 mm、176 mm、202 mm、228 mm、254 mm、280 mm。將6個(gè)小孔分別沿圓鋸片圓心旋轉(zhuǎn)30°、45°陣列，可得小孔數(shù)量分別為72和48，小孔直徑分別取4 mm、6 mm、8 mm。

建立了1個(gè)普通圓鋸片和6個(gè)不同參數(shù)下的多孔圓鋸片的模型，如圖3所示。

圖3 普通及多孔圓鋸片模型

2.2 金剛石圓鋸片的模態(tài)分析

因普通圓鋸片與多孔圓鋸片模態(tài)分析方法、網(wǎng)格劃分及施加約束方式均相同，本文不做重復(fù)列舉，僅以48孔、4 mm圓鋸片為例對(duì)模態(tài)分析的步驟進(jìn)行分析說(shuō)明。

利用有限元分析軟件對(duì)金剛石圓鋸片進(jìn)行模態(tài)分析。首先，對(duì)金剛石圓鋸片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。然后設(shè)置20階模態(tài)，在圓鋸片的內(nèi)圓處施加約束，如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分 圖5 施加約束

由于模態(tài)的固有頻率階數(shù)越大，對(duì)金剛石圓鋸片的影響越小，故本分析只取前4階模態(tài)。分析得到圓鋸片的前4階模態(tài)振型如圖6所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

48孔4 mm圓鋸片的前4階模態(tài)如圖6所示。從圖6中可以看出圓鋸片的前4階模態(tài)頻率及形變?cè)茍D，圓鋸片的前4階模態(tài)頻率及振型對(duì)比見(jiàn)表3。

圖6 48孔4 mm圓鋸片前4階模態(tài)振型圖

表3 48孔4 mm圓鋸片前4階模態(tài)頻率及振型特點(diǎn)

2.4 對(duì)比分析

不同結(jié)構(gòu)圓鋸片的各階振動(dòng)頻率和位移分別如圖7和圖8所示。

在孔徑尺寸一樣的情況下，圓孔的數(shù)目越多，振動(dòng)的頻率越小，位移量越小，說(shuō)明在模態(tài)分析中，金剛石圓鋸片的圓孔數(shù)目越多越好。如圖7、圖8所示，在相同孔徑8 mm時(shí)，72孔的圓鋸片3階振動(dòng)頻率為67.698 Hz、位移量為1.28 mm；而48孔的圓鋸片3階振動(dòng)頻率為68.343 Hz、位移量為1.29 mm。

在開(kāi)孔數(shù)目一樣的情形下，孔徑越大，振動(dòng)的頻率越小，位移量越小，說(shuō)明在模態(tài)分析中，金剛石圓鋸片的孔徑越大越好。如圖7、圖8所示，在72孔的圓鋸片中，孔徑4 mm的圓鋸片4階的振動(dòng)頻率為83.682 Hz、位移量為1.915 mm；孔徑6 mm的圓鋸片4階的振動(dòng)頻率為83.163 Hz、位移量為1.905 mm；孔徑8 mm的圓鋸片4階的振動(dòng)頻率為82.474 Hz、位移量為1.901 mm。

圖7 不同結(jié)構(gòu)圓鋸片的各階振動(dòng)頻率

圖8 不同結(jié)構(gòu)圓鋸片各階振動(dòng)的位移

3 小結(jié)

通過(guò)調(diào)整減振孔徑與數(shù)量，分別對(duì)48孔4 mm、48孔6 mm、48孔8 mm、72孔4 mm、72孔6 mm、72孔8 mm的金剛石圓鋸片進(jìn)行了有限元分析，并得出以下結(jié)論：

本文給定尺寸的圓鋸片中，其固有頻率會(huì)隨著減振孔數(shù)量的增多而降低，并隨著減振孔孔徑的變大而降低，同時(shí)在一定程度上改善金剛石圓鋸片的形變量，實(shí)現(xiàn)降噪。但是孔徑過(guò)大易降低圓鋸片整體的剛度，因此在設(shè)計(jì)金剛石圓鋸片減振孔孔徑時(shí)需綜合考慮。