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.
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文章历史
- 收稿日期:2010-06-08
- 修回日期:2010-11-01
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作者相关文章
2. 国家林业局哈尔滨林业机械研究所 哈尔滨 150086
2. Harbin Forestry Machinery Research Institute of State Forestry Administration Harbin 150086
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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