林业科学  2011, Vol. 47 Issue (1): 118-123   PDF    
0

文章信息

胡万明, 金日天, 齐英杰, 徐杨
Hu Wanming, Jin Ritian, Qi Yingjie, Xu Yang
国产高把油锯的整机振动传递路线
Transmission Path of High Handle Power Chain Saw Machine Vibration Produced in China
林业科学, 2011, 47(1): 118-123.
Scientia Silvae Sinicae, 2011, 47(1): 118-123.

文章历史

收稿日期:2010-06-08
修回日期:2010-11-01

作者相关文章

胡万明
金日天
齐英杰
徐杨

国产高把油锯的整机振动传递路线
胡万明1, 金日天2, 齐英杰1, 徐杨1    
1. 东北林业大学 哈尔滨 150040;
2. 国家林业局哈尔滨林业机械研究所 哈尔滨 150086
摘要: 研究高把油锯振动传递路线,并与和其类似的前苏联产“Дружба”型和“Урал-2”型油锯(锯把)进行比较,从而得出油锯振动是随机振动,其影响因素很多,要从振源上解决振动问题,必须考虑采用其他类型的发动机;油锯振动能量的分布复杂,通过振动传递路线测试和分析可以找出相对合理的锯把安装位置;锯把本身的振动值特性是影响手感振动的重要因素之一,国产油锯的锯把具有机械放大特性,而国外样机具有机械衰减特性。
关键词:油锯    振动的危害性    振动传递路线    振动能量的分布    锯把的传递特性    
Transmission Path of High Handle Power Chain Saw Machine Vibration Produced in China
Hu Wanming1, Jin Ritian2, Qi Yingjie1 , Xu Yang1    
1. Northeast Forestry University Harbin 150040;
2. Harbin Forestry Machinery Research Institute of State Forestry Administration Harbin 150086
Abstract: The paper mainly studies high handle power chain saw vibration transmission path, and compares with model Дружба and model Урал-2 power chain saw made in Russia. We have come to the conclusion of power chain saw vibration is stochastic, and have many influence factors. For solving vibration problem from vibration source, we must use other type of engine. The distribution of power chain saw vibration energy is complicated, passage testing and analysis, we can find the reasonable install position of saw handles. The vibration value characteristic of saw handles is one of the most important factor of influence handfeel vibration. Saw handle of domestic power chain saw have the engine amplification characteristic, but abroad model machine have the engine attenuation characteristic.
Key words: power chain saw    endanger of vibration    vibration transmission path    the distribution of vibration energy    the transmission characteristics of saw handle    

油锯是我国林区使用最广泛的采伐造材机具,其中使用最多是051型和GJ-85型高把油据。由于油锯在使用过程中产生强烈振动,不仅对油锯各零部件的工作性能和使用寿命带来严重影响,而且其噪声和振动直接对操作者的身体健康产生影响(杨春柏,1994),从而会导致各种相应的疾病和不良后果(赵大伟等,2007)。

油锯振动对人体影响的主要特征是:人类受到振动的部位是局部的(主要是手臂);振动矢量在三维空间中都存在;振动波形是连续的复合波形;其频率范围主要在2~20 kHz的宽频率内;暴露时间是连续的。从人机工程的角度来分析这种振动,它主要易引起所谓振动损伤的病状,如循环系统出现障碍、Raynaud氏病(白手病)、皮肤温度下降、关节和骨骼的变形、脑电波异常等(冈田,1973)。

因此,目前国内外非常关注油锯振动对人体健康带来的危害,并进行多方面的分析研究,制定出相应的测量和限制手感振动的规范和标准(ISO 2631-1982,ISO 5349-1986,ISO 7505-1985,ISO 5348-1987)(泷本义彦,1987)。

关于油锯的手感振动,各国、各研究机关制定了各种不同的标准。我国的GB 5395-2008中提出的测试方法和ISO标准基本相同,都是采用2个把手的三向加速度1/3倍频程分析值,用ISO规定的计权因子进行计权,取有效值(RMS),再进行三向加速度的均方根合成。不同点是GB 5395-2008中对具体问题说明得更详细,如根据我国目前生产的油锯类型,规定了高把油锯的测定部位等。然而,我国还没有规定振动加速度的极限值(东北林学院,1982),这样对有关测试方法的法定意义失去了原有的效应。目前,国产油锯的振动值远高于世界名牌油锯的振动值,也均超过了发达国家规定的振动极限值(娄茂达,1997)。因此,研究和开发新型的减振动油锯已成为各油锯生产厂家的重要课题(戴友春等,1997陈三喜,2002)。

1 研究方法

目前我国油锯厂家生产的油锯主要有: 051A型高把油锯、GB-85型高把油锯、CH-29型短把油锯和CH-25型轻型短把油锯。本试验以目前使用最多的高把油锯为研究对象,重点研究油锯振动的振源、传递路线和锯把的动态特性,并与和其类似的前苏联产“Дружба”型油锯和“Урал-2”型油锯进行比较,以求国产高把油锯的减振途径(陈守谦等,1995)。

1.1 振动的测定方法

关于振动量的测定有多种方法,从振动值的表示中可以分为位移、速度和加速度或是振动力。由于被测参数的种类方法不同,采用的测量设备和测量方法也不同。目前国内外最常用的测量参数是振动加速度,这种方法可以在很宽的频率内测定能量级很小的振动,所使用的传感器是体积和质量都很小的压电式传感器,而且在测量值的数据处理中也是最容易进行交换、计算和分析的(王振东,2009)。因此,在研究中全部采用了测量加速度值的方法。

测量设备及测量流程图见图 1

图 1 测量设备及测量流程 Figure 1 Measuring apparatus and measuring regulations
1.1.1 油锯的支承

一个振动体,由于支承状态不同,其振动特性也有很大的差别。例如,人手支承油锯时,其握持力的大小和手臂弯曲状态或把油锯放置于地面时、支承面的软硬程度等,都会影响油锯的振动特性。因为主要研究的是油锯本身的振动特性,所以采用了自由支承的方法,用很软的弹簧(刚度291 N·mm-1)把油锯悬挂起来,然后调整油门,把油锯转速调到所需转速,待到油锯运转平稳时进行测试。试验采用悬挂系统的固有频率是0.5~1 Hz左右,远离要研究的频率范围。这样试验做到了既无人为影响又无外界干扰的测量系统。油锯的悬挂方式见图 2

图 2 油锯的悬挂测试照片 Figure 2 Picture of the chain saw's hang testing
1.1.2 传感器的选择及其安装

在一个测量系统中传感器的选择和安装是非常重要的问题,特别是加速度计。加速度计的灵敏度一般为1~10 000 pc·g-1之间,对于任意给定的情况下,希望传感器的灵敏度尽量高一些,但是灵敏度越高,传感器就越重,对被测结构的影响也越大。而质量小一些,灵敏度就下降,其测量信噪比也下降。因此,本试验在油锯机体上选用了B & K 4371型加速度计,而对附加质量影响比较敏感的把手部位选用了B & K4375型微型加速度计(B & K 1978)。

加速度计的安装方法不同,其频响范围也不同,加速度计和被测结构面之间的接触刚度越高,其频响范围也越高。

试验采用了既容易实现,且接触刚度较高的粘接方法,使用的粘接剂是502型瞬时胶。

1.1.3 样机选型及测点布置

前面已经提到过,试验研究的主要对象是国产高把油锯,即柳州产的051A型油锯和西北林机厂产的GJ-85型油锯。在研究过程中,测试国产油锯的同时也对前苏联产的“Урал-2”和“Дружба-4”型油锯进行了测试。这2种油锯是前苏联20世纪70年代的改进产品,具有较好的减振特性。为了便于比较锯把的传递特性,试验时把这2种油锯的锯把安装在051A型油锯上进行测试(安装部分不能和GJ-85型油锯匹配)。

试验的测试样机共有5种:051A型、051B-051A油锯上安装“Урал”锯把、051C-051A油锯上安装“Дружба”锯把、GJ-85型、GJ-85A型。

为了全面了解油锯在工作状态下的振动特性,试验选择了较多测点,并在各种不同转速下进行了多次测试。测点位置及测试方向见表 1

表 1 测点布置 Tab.1 Test point arrange
1.2 振动分析方法 1.2.1 信号处理概述

信号处理是振动分析中常用的方法。一个振动系统可以提供各种不同的振动信号,对于简单的原始信号,有的可以直接提供一些信息,但是往往是有限的,不能满足振动分析和特征识别的需要,因此有必要对原始信号进行一定的处理,这就是振动信号分析的内容。

动态信号的分析方法很多,但都很复杂。随着计算机技术的发展和与其相应的计算方法的出现,这些复杂的分析过程变得简单、迅速,从原来只能进行定性分析的内容转变成定量分析,特别是FFT(快速傅里叶交换)的出现大大提高了动态信号分析的速度和精度(应怀憔,1985)。

1.2.2 分析设备及其特性

要完成上述对振动信号的各种分析,需要有功能较强的信号分析设备。试验使用的设备是以HP3562A型动态信号分析仪为主体的信号处理系统,该系统的核心设备是动态信号分析仪,它的性能决定了处理功能的强弱和处理质量的优劣。

2 结果与分析

研究油锯的振动传递路线有2个目的:一是分析振动体上各点的振动能量分布,以便寻找振动较小的部分,确定锯把的安装位置;二是对主要振动传递部件,分析振动能量在传递过程中的变化,比较各种锯把的传递特性,选择合理的结构(卢云峰,2010)。这是油锯整机振动分析工作的重点。

试验采用了实测的方法。测试油锯在各种不同的状态下各测点的振动,比较不同测点在同一时刻的振动情况,以便分析油锯振动传递过程及其特征。

2.1 振动能量的分布

从高把油锯的结构上看,安装锯把的部位主要有2处:一是和051A,GJ-85油锯类同,把锯把安装在风扇外壳上(测点1#和3#);二是和“Дружба”,“Урал”类同,安装在离合器锁圈上(测点2)。因此对不同的样机在这2个位置上的振动进行了比较。图 3~8是其中的部分实测图。

图 3 051A样机上的2#测点、3#测点(虚线) Figure 3 No.2 and No.3(dotted line)testing point of 051A model machine
图 4 051B样机上的2#测点、3#测点(虚线) Figure 4 No.2 and No.3(dotted line)testing point of 051Bmodel machine
图 5 051C样机上的2#测点、3#测点(虚线) Figure 5 No.2 and No.3(dotted line)testing point of 051C model machine
图 6 GJ-85样机上的2#测点、3#测点(虚线) Figure 6 No.2 and No.3(dotted line)testing point of GJ-85 model machine
图 7 051A样机上的6#测点、8#测点(虚线) Figure 7 No.6 and No.8(dotted line)testing point of 051A model machine
图 8 051A样机上的7#测点、9#测点(虚线) Figure 8 No.7 and No.9(dotted line)testing point of 051A model machine

从上面的测试数据中可以得出:

1) 不管锯把安装在什么位置(或是在2#测点,或是在1#,3#测点),风扇外壳上的振动总是比离合器锁圈上的振动大;

2) 每个测点的振动值与锯把的安装位置无关;

3) 前后方向的振动和左右方向的振动不符上面2条结论,但是其量值很小,对手感振动的影响也很小。

2.2 各种锯把的振动传递特性

油锯振动的主要危害是它对人体的影响,而振动传递到人体的途径是锯把,振源的振动能量从锯把与机体的连接位置传递到操作者的手持部位,进而传递到人体(李凯捷,2003)。因此研究锯把的振动传递特性非常有必要。传递特性主要指2个方面的内容:一是锯把的振动传递率;二是传递到手持部分的振动成分。这一内容和机械导纳(传递函数)的研究内容类似,但是本文在这里是对整机在实际工作状态下进行分析的,因此,不需要假设某种条件,也不管系统是否线性系统等。

若系统的输入,即锯把与机体连接处的振动值为x,系统的输出,即锯把持手部位的振动值为y,则系统的传递率H为:

可见,若H > 1,则系统有机械放大特性;H < 1,则系统有机械衰减特性;H = 1, 则系统呈现刚体特性,即锯把对振动无影响。显然,H值是一个相对量,它与输入的绝对量或输出的绝对量无关,只与系统的固有特性有关。

图 9~13中表示了各种锯把在其实际工作频率上的振动传递关系。

图 9 051A样机上的1#测点、5#测点(虚线)比较 Figure 9 Comparison No.1 and No.5(dotted line) testing point of 051A model machine
图 10 GJ-85样机上的1#测点、5#测点(虚线)比较 Figure 10 Comparison No.1 and No.5 (dotted line) testing point of GJ-85A model machine
图 11 GJ-85A样机上的1#测点、5#测点(虚线)比较 Figure 11 Comparison No.1 and No.5 (dotted line)testing point of GJ-85A model machine
图 12 051B样机上的2#测点、5#测点(虚线)比较 Figure 12 Comparison No.2 and No.5(dotted line) testing point of 051B model machine
图 13 051C样机上的2#测点、5#测点(虚线)比较 Figure 13 Comparison No.2 and No.5 (dotted line)testing point of 051C model machine

从图中数据算出各种锯把的传递率: 051A,H=137.78%;GJ-85,H=125.35%;GJ-85A;H=148.47%;051B,H=42.55%;051C,H=31.24%。

可见,国产油锯的锯把特性明显比国外样机差得多。

3 结论

1) 油锯振动是随机振动,其影响因素很多;振动的主要来源是发动机曲柄连杆机构的往复运动引起的振动,它在所有振源中起主导作用;作为以单缸二冲程汽油机为动力的油锯,从振源上彻底平衡其振动是不可能的,这是由主振源的发动机特性所决定的,因此要从振源上解决振动问题,必须考虑采用其他类形的发动机(许汶祥,2002)。

2) 油锯振动能量的分布是复杂的,但是通过这种测试和分析可以找出相对合理的锯把安装位置。从2#测点和3#测点的测试结果中可以看出: 2#测点的振动值比3#测点小20%~40%(表 2),因此,锯把安装位置首选2#测点,也就是离合器锁圈上部、发动机中心线上。

表 2 2#测点与3#测点振动值比较 Tab.2 Comparison undulating quantity of No.2 and No.3

3) 锯把本身的振动值特性是影响手感振动的重要因素之一。国产油锯的锯把具有机械放大特性,而国外样机具有机械衰减特性。从前面的传递率H的计算中,可以看出国产油锯锯把的传递率是125%~150%,而国外样机的传递率是30%~45%。这就是国产油锯和国外样机振动特性的差异之原因。

参考文献(References)
陈三喜. 2002. 新型高把油锯的设计及特点[J]. 林业机械与木工设备, 30(3): 20-21.
陈守谦, 王平. 1995. 中国高把油锯减振研究综述[J]. 林业科技, 31(2): 177-180.
戴友春张春慧. 1997. 减少油锯对人体振动危害的措施[J]. 林业机械与木工设备, 25(6): 40-41.
东北林学院. 1982. 采伐机械[M]. 北京: 中国林业出版社.
冈田. 1973. 振动公害に关する调查报告书. 小林理学研究所.
李凯捷. 2003. 油锯手把的手传振动与主动防振动问题探讨[J]. 林业劳动安全, 16(1): 34-35.
泷本义彦. 1987. チェ-ンソ-の振动特性に关する研究. 京都大学农学部.
娄茂达. 1997. 对国外油锯噪声的调查研究[J]. 林业劳动安全, (2): 28-30.
卢云峰. 2010. 油锯产品减振降噪研究现状与发展趋势[J]. 林业机械与木工设备, 38(8): 11-15.
王振东. 2009. 油锯反弹模拟测试研究[J]. 林业机械与木工设备, 37(6): 12-15.
许汶祥. 2002. 国外油锯新技术运用的思考[J]. 林业机械与木工设备, 30(10): 28-29. DOI:10.3969/j.issn.2095-2953.2002.10.011
杨春柏. 1994. 油锯噪声及振动对人体的危害[J]. 林业劳动安全, (3): 32-33.
应怀憔. 1985. 波形和频谱分析与随机数据处理[M]. 北京: 中国铁道出版社.
赵大伟, 才丽华. 2007. 油锯产品生产及安全检测[J]. 林业劳动安全, 20(3): 31-33.