基于有限元的多孔結構金剛石圓鋸片模態分析

牛凱強，劉 備，宋雙路，平志峰

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000)

0 引言

隨著國內建筑行業的快速發展，混凝土的切割工程量越來越大，這些工程大多數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的拆除或者建設工程中起到了非常重要的作用，已成為建筑業不可或缺的重要工具。

由于圓鋸片在工作中會發生非常劇烈的振動，這些振動會造成零件的共振和材料疲勞，從而導致圓鋸片損壞,因此研究分析圓鋸片的振動特性十分重要。

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的小顆粒，利用金剛石的硬度來對非金屬材料進行磨削。

D-金剛石圓鋸片的外徑;H-金剛石圓鋸片的內徑;L-節塊長度;X-節塊寬度;T-節塊厚度;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，材料相關參數如表2所示。

表1 多孔圓鋸片模型幾何參數

表2 多孔圓鋸片材料參數

應用NX軟件對金剛石圓鋸片進行建模，設置多孔圓鋸片圓心坐標為(0，0)，多孔圓鋸片上各小孔在以坐標(0，78.5)為圓心、直徑為157 mm的圓上，6個小孔分度圓直徑分別為150 mm、176 mm、202 mm、228 mm、254 mm、280 mm。將6個小孔分別沿圓鋸片圓心旋轉30°、45°陣列，可得小孔數量分別為72和48，小孔直徑分別取4 mm、6 mm、8 mm。

建立了1個普通圓鋸片和6個不同參數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分析

因普通圓鋸片與多孔圓鋸片模態分析方法、網格劃分及施加約束方式均相同，本文不做重復列舉，僅以48孔、4 mm圓鋸片為例對模態分析的步驟進行分析說明。

利用有限元分析軟件對金剛石圓鋸片進行模態分析。首先，對金剛石圓鋸片進行網格劃分，如圖4所示。然后設置20階模態，在圓鋸片的內圓處施加約束，如圖5所示。

圖4 網格劃分 圖5 施加約束

由于模態的固有頻率階數越大，對金剛石圓鋸片的影響越小，故本分析只取前4階模態。分析得到圓鋸片的前4階模態振型如圖6所示。

2.3 計算結果分析

48孔4 mm圓鋸片的前4階模態如圖6所示。從圖6中可以看出圓鋸片的前4階模態頻率及形變云圖，圓鋸片的前4階模態頻率及振型對比見表3。

圖6 48孔4 mm圓鋸片前4階模態振型圖

表3 48孔4 mm圓鋸片前4階模態頻率及振型特點

2.4 對比分析

不同結構圓鋸片的各階振動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，圓孔的數目越多，振動的頻率越小，位移量越小，說明在模態分析中，金剛石圓鋸片的圓孔數目越多越好。如圖7、圖8所示，在相同孔徑8 mm時，72孔的圓鋸片3階振動頻率為67.698 Hz、位移量為1.28 mm；而48孔的圓鋸片3階振動頻率為68.343 Hz、位移量為1.29 mm。

在開孔數目一樣的情形下，孔徑越大，振動的頻率越小，位移量越小，說明在模態分析中，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階的振動頻率為82.474 Hz、位移量為1.901 mm。

圖7 不同結構圓鋸片的各階振動頻率

圖8 不同結構圓鋸片各階振動的位移

3 小結

通過調整減振孔徑與數量，分別對48孔4 mm、48孔6 mm、48孔8 mm、72孔4 mm、72孔6 mm、72孔8 mm的金剛石圓鋸片進行了有限元分析，并得出以下結論：

本文給定尺寸的圓鋸片中，其固有頻率會隨著減振孔數量的增多而降低，并隨著減振孔孔徑的變大而降低，同時在一定程度上改善金剛石圓鋸片的形變量，實現降噪。但是孔徑過大易降低圓鋸片整體的剛度，因此在設計金剛石圓鋸片減振孔孔徑時需綜合考慮。