小型圆盘锯机锯切声功率的计算分析

　　在建筑及装潢业中被广泛应用的圆盘锯机,由于其结构简单、适用范围广、维护方便、生产效率高,目前还不能被别的切割工具所代替。但这种锯机在锯切过程中产生的噪声污染极为严重,空载噪声88～96dB(A),负载噪声97～104dB(A),其噪声频谱呈明显的高频与脉冲特性,噪声传播距离远,且非常刺耳,令人烦燥。由于锯切噪声产生机理的复杂性,长期以来对旋转锯切噪声的研究主要局限于对主要声源的分类及传输途径分析方面,而对于主要声源噪声的产生机理及声场分布规律研究很少,因此对锯切噪声只能测量分析而不能定量预估,这就给噪声治理和优化控制带来了盲目性。经过对锯机主要声源、空气动力性噪声、共振噪声、机械性噪声进行大量研究分析认为[1,2],机械性噪声在锯切噪声中占主导地位。在诸多的机械噪声中,冲击噪声又是重中之重,因为在锯切过程中,由于锯齿周期性地与被切工件相互作用,相当于锯片和工件都受到一个周期脉冲激励,从而使锯片和工件产生振动并辐射噪声。从单个脉冲的作用看,是一个冲击过程,但当脉冲频率比较高时,激发工件和锯片的响应近似于周期稳态振动,这种响应由结构的固有振动和强迫振动两部分组成,因而连续不断地辐射噪声,又由于频率非常高,因此声辐射效率很高,所以脉冲激励是锯切过程中的主要作用力,同时也是引起最大噪声和锯机其它部件振动的主要激振力。本文在对锯切过程中锯片和工件受力分析的基础上,用大型结构分析软件ANSYS计算在锯齿脉冲动载荷作用下锯片及工件上不同位置不同时刻的速度响应值,然后根据结构振动声辐射理论提出对锯切过程中锯片和工件声辐射功率级进行定量计算分析的方法,并对小型圆盘锯机(切割铝型材)实际锯切过程的声功率级进行计算分析。

　　1　锯切噪声声功率的计算

　　1.1　锯片和被切工件脉冲响应的计算

　　经过大量的计算分析发现[1,2],引起锯片振动的主要力是径向高频脉冲力,此力引起锯片的弯曲振动,其它力引起的振动可以忽略不计;引起被切工件横向弯曲振动主要力是工件对锯片作用力的反力,也是高频脉冲作用力。为计算方便,根据锯片和工件的受力情况,将锯片简化为内孔固定周边某点受径向高频脉冲力作用的力学模型,工件简化为中间受高频脉冲力作用的两端固定的定端梁模型。

　　根据弹性力学和振动力学理论,对于锯片这样的圆盘结构,强迫振动的动力学方程的解析式是高阶偏微分方程,由此方程得到锯片的响应,解的过程及结果表达式都是非常复杂的,一般文献[3]主要对对称激励且具有对称解的圆盘结构的响应进行了较全面深入的研究,而象锯片这样在外沿某点由高频脉冲激励而产生的非对称响应很少涉及,事实上很难得到其精确的解析解。对工件(固端梁)在高频脉冲作用下的振动响应,也很难得到其精确解。随着现代计算机以及先进的计算方法和软件技术的发展,使得对各种复杂结构的动态分析、计算变得简单化。下面用有限元分析理论对锯切过程中锯片与工件的动态响应进行计算分析。