花軍 王宏棣 雷明 王子奇 賈娜

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省木材科學(xué)研究所) (東北林業(yè)大學(xué)) (黑龍江省木材科學(xué)研究所) (東北林業(yè)大學(xué))

隨著現(xiàn)代木材加工技術(shù)的逐步成熟，目測(cè)分等的方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求;規(guī)格材機(jī)械分等方法在不斷地得到完善和發(fā)展，并越來(lái)越受到人們的普遍重視［1］。

機(jī)械分等檢測(cè)，是從20 世紀(jì)60 年代之后進(jìn)入工程建筑領(lǐng)域的規(guī)格材無(wú)損檢測(cè)方法。機(jī)械分等檢測(cè)方法，是基于被檢測(cè)試件無(wú)損的基礎(chǔ)上，分析被檢測(cè)試件工程承載性能的方法［2］。木材資源豐富的國(guó)家和地區(qū)，規(guī)格材檢測(cè)方法已經(jīng)十分成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)形成了一套完整的檢測(cè)方案。彈性模量代表了規(guī)格材工程承載性能的參數(shù)，為規(guī)格材在線分等檢測(cè)提供有效的基本數(shù)據(jù)支持。

根據(jù)木材缺陷的程度或者樹(shù)種規(guī)格劃分木材強(qiáng)度高低的方法是目測(cè)分等方法，規(guī)格材的機(jī)械應(yīng)力分等法是在目測(cè)分等方法基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種更便捷、更有效的分等方法。在對(duì)規(guī)格材的機(jī)械分等時(shí)，首先進(jìn)行目測(cè)分等，再由機(jī)械設(shè)備測(cè)出它具有的物理力學(xué)性能，如果能證明先前的目測(cè)分等是合理的，就可以將目測(cè)分等的材質(zhì)指標(biāo)作為機(jī)械分等的重要輔助參數(shù)，結(jié)合機(jī)械設(shè)備測(cè)得的力學(xué)性能將規(guī)格材進(jìn)行準(zhǔn)確的分等［3］。

機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)，是對(duì)規(guī)格材進(jìn)行工程承載性能檢測(cè)分等的一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。機(jī)械應(yīng)力分等技術(shù)，是通過(guò)建立動(dòng)態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量等非破壞性可測(cè)量的指標(biāo)與強(qiáng)度之間的有效關(guān)系，預(yù)測(cè)規(guī)格材的強(qiáng)度特征值。這些指標(biāo)的測(cè)量方法有很多，其中機(jī)械應(yīng)力分等方法比較典型的有:規(guī)格材試件彎曲法、規(guī)格材試件震動(dòng)法、聲波測(cè)量法等［4］。本文設(shè)計(jì)一臺(tái)基于彎曲法連續(xù)式偏心壓輥的規(guī)格材動(dòng)態(tài)彈性模量檢測(cè)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)械應(yīng)力分等機(jī))。目前，我國(guó)還沒(méi)有自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的彎曲法機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)，此項(xiàng)研究具有重要的科研實(shí)用價(jià)值。

1 偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)設(shè)計(jì)

機(jī)械應(yīng)力分等法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，它通過(guò)無(wú)損足尺檢測(cè)，建立規(guī)格材彈性模量和強(qiáng)度的相互關(guān)系，通過(guò)測(cè)量規(guī)格材彈性模量，將規(guī)格材分為適宜的等級(jí)。常規(guī)彈性模量無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，是采用同心壓輥?zhàn)鰤侯^，規(guī)格材試件形變壓力由氣缸提供;在彈性形變內(nèi)，同心壓輥對(duì)規(guī)格材施加壓力。設(shè)定一個(gè)固定的變形量(通常為5 mm)，規(guī)格材連續(xù)進(jìn)給，由壓力傳感器測(cè)出壓力變化曲線;計(jì)算彈性模量，求出彈性模量的變化曲線，計(jì)算其平均值。

常規(guī)的彈性模量無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)，是方便、簡(jiǎn)潔，能夠快速算出彈性模量值。理想狀態(tài)下，這種方法設(shè)置初始型變量為0，對(duì)應(yīng)壓力也為0，彈性模量計(jì)算公式簡(jiǎn)化為［5］:E=(l3/4bh3)×(f/Δ)。式中:f 為對(duì)規(guī)格材試件施加的載荷;l 為規(guī)格材試件的支撐長(zhǎng)度;b 為規(guī)格材試件的寬度;h 為規(guī)格材試件的厚度;Δ 為規(guī)格材試件彎曲變形的撓度。

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，由于木材表面較為粗糙，在初始變形量為0 的位置，初始?jí)毫Σ灰欢?;或者，在初始?jí)毫? 的位置，不一定是初始變形量為0的位置;因而產(chǎn)生了檢測(cè)誤差，并且木材的各向異性會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大其誤差值。為了解決現(xiàn)有規(guī)格材動(dòng)態(tài)彈性模量檢測(cè)技術(shù)存在的檢測(cè)誤差，設(shè)計(jì)了偏心輥壓頭機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)(見(jiàn)圖1)。采用中點(diǎn)載荷法，由偏心壓輥壓頭對(duì)規(guī)格材試件有效部分中點(diǎn)加壓，通過(guò)傳感器測(cè)量作用于規(guī)格材試件的壓力差值和規(guī)格材試件的彈性形變，計(jì)算出規(guī)格材試件的彈性模量值，由彈性模量值的大小確定出規(guī)格材的強(qiáng)度級(jí)別。中點(diǎn)載荷法簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定，限制條件少，方便計(jì)算。

圖1 彎曲法機(jī)械應(yīng)力分等法檢測(cè)原理簡(jiǎn)圖

偏心輥壓頭機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)計(jì)算原理:先對(duì)規(guī)格材施加一個(gè)預(yù)壓力，使規(guī)格材產(chǎn)生一個(gè)微小的彈性形變，通過(guò)偏心輥壓頭的旋轉(zhuǎn)對(duì)規(guī)格材進(jìn)行檢測(cè);壓力差值取最大值與最小值的差值，這樣變形量變化值等于偏心壓輥的偏心距，消除了檢測(cè)誤差，避免了規(guī)格材的各向異性對(duì)誤差值的影響。修正后的彈性模量計(jì)算公式為:E=(l3/4bh3)×(f1-f2)/2p。式中:l 為規(guī)格材試件的支撐長(zhǎng)度;b 為規(guī)格材試件的寬度;h 為規(guī)格材試件的厚度;p 為偏心輥壓頭的偏心距;f1、f2為對(duì)規(guī)格材試件施加的載荷最大值、最小值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)設(shè)計(jì)采用臥式的進(jìn)給加載結(jié)構(gòu)，整機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、偏心輥壓頭機(jī)構(gòu)、加載裝置、升降系統(tǒng)等零部件構(gòu)成(見(jiàn)圖2)。

圖2 偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)整機(jī)外形圖

偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)，是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸通過(guò)壓頭框架控制偏心輥壓頭夾緊規(guī)格材試件，使規(guī)格材試件發(fā)生彎曲變形;傳感器將測(cè)得的彎曲變形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)算出規(guī)格材試件抗彎彈性模量數(shù)據(jù)，并對(duì)被檢測(cè)規(guī)格材試件做出強(qiáng)度分等，輸出分等結(jié)果。

偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)工作原理(見(jiàn)圖3):按下總開(kāi)關(guān)，電動(dòng)機(jī)通電，傳動(dòng)輥1 和6 開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)輸送被檢測(cè)規(guī)格材試件，規(guī)格材試件通過(guò)上料臺(tái)由支承輥1 進(jìn)入機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)。當(dāng)被檢測(cè)規(guī)格材試件前端進(jìn)入機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)傳動(dòng)輥6 上時(shí)，傳動(dòng)輥6上端檢測(cè)開(kāi)關(guān)B 產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)S1，信號(hào)S1控制氣缸4 工作，偏心輥壓頭2 對(duì)被檢測(cè)規(guī)格材試件施壓;偏心輥壓頭2 壓緊被檢測(cè)規(guī)格材試件，產(chǎn)生一定變形，被檢測(cè)規(guī)格材試件自動(dòng)進(jìn)給，此時(shí)，壓力檢測(cè)開(kāi)始，稱(chēng)重傳感器3 將規(guī)格材試件各點(diǎn)的受力情況傳輸給計(jì)算機(jī)5 記錄下來(lái)。

圖3 偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

被檢測(cè)規(guī)格材試件尾端通過(guò)傳動(dòng)輥1 時(shí)，傳動(dòng)輥1 上端檢測(cè)開(kāi)關(guān)A 產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)S2;信號(hào)S2控制氣缸4 工作，氣缸4 活塞縮回，偏心輥壓頭2 上升，規(guī)格材釋放，完成一次檢測(cè)。偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)工作流程如圖4 所示。

2 規(guī)格材彈性模量檢測(cè)

用偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)檢測(cè)規(guī)格材動(dòng)態(tài)彈性模量(試件數(shù)為100)，獲得動(dòng)態(tài)彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):最小值9．39 GPa、最大值16．58 GPa、均值13．08 GPa、標(biāo)準(zhǔn)差1．90 GPa、方差3．60、變異系數(shù)0．15%、偏度0．12、置信度(95%)0．83。用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)規(guī)格材靜態(tài)彈性模量(試件數(shù)為100)，獲得同批次對(duì)應(yīng)規(guī)格材靜態(tài)彈性模量值:最小值9．34 GPa、最大值16．99 GPa、均值12．90 GPa、標(biāo)準(zhǔn)差1．77 GPa、方差3．13、變異系數(shù)0．14%、偏度0．14、置信度(95%)0．78。

圖4 偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)工作流程

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出。機(jī)械應(yīng)力分等法所得的動(dòng)態(tài)彈性模量范圍為9．38 ～16．58 GPa，與靜態(tài)彈性模量的變化范圍9．34～16．99 GPa 非常接近，但動(dòng)態(tài)彈性模量平均值比靜態(tài)彈性模量平均值高1．40%(0．18 GPa);原因是因?yàn)橐?guī)格材試件不是完全的彈性體，而是黏彈性體。測(cè)定時(shí)間較長(zhǎng)的萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)彈性模量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)得到的靜態(tài)彈性模量，往往存在黏性應(yīng)變成分;機(jī)械應(yīng)力分等法檢測(cè)動(dòng)態(tài)彈性模量的測(cè)試時(shí)間很短，黏性應(yīng)變可以忽略不計(jì)，幾乎是一個(gè)純粹的彈性現(xiàn)象。因此，動(dòng)態(tài)彈性模量值比靜態(tài)彈性模量值偏高，而二者體現(xiàn)在數(shù)值上的差值，正是由于規(guī)格材試件發(fā)生蠕變，彈性滯后和彈性后效變形所引起［6］。對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的個(gè)別異常值，是由木材自身的各向異性造成的;此外，彎曲試驗(yàn)中試件受到剪切和扭轉(zhuǎn)慣量的影響也是不容忽視的。

2．1 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)彈性模量頻率分布

由圖5、圖6 可見(jiàn):動(dòng)態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量頻率分布均呈正態(tài)分布，這和先前運(yùn)用機(jī)械應(yīng)力分等法測(cè)定木材動(dòng)態(tài)彈性模量的研究結(jié)果相似［5］。

圖5 中動(dòng)態(tài)彈性模量分布密度:被檢測(cè)試件規(guī)格材中，約4%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在9～10 GPa，約12%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在10 ～11 GPa，約20%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在11 ～12 GPa，約21%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在12 ～13 GPa，約18%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在13～14 GPa，約12%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在14～15 GPa，約9%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在15 ～16 GPa，約4%試件的動(dòng)態(tài)彈性模量在16 ～17 GPa，動(dòng)態(tài)彈性模量正態(tài)性較強(qiáng)。

圖5 動(dòng)態(tài)彈性模量直方圖-累計(jì)圖

圖6 中靜態(tài)彈性模量分布密度:被檢測(cè)試件規(guī)格材中，約3%試件的靜態(tài)彈性模量在9～10 GPa，約11%試件的靜態(tài)彈性模量在10 ～11 GPa，約15%試件的靜態(tài)彈性模量在11 ～12 GPa，約24%試件的靜態(tài)彈性模量在12 ～13 GPa，約22%試件的靜態(tài)彈性模量在13～14 GPa，約12%試件的靜態(tài)彈性模量在14～15 GPa，約7%試件的靜態(tài)彈性模量在15 ～16 GPa，約6%試件的靜態(tài)彈性模量在16 ～17 GPa，靜態(tài)彈性模量呈左偏態(tài)。

圖6 靜態(tài)彈性模量直方圖-累計(jì)圖

2．2 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)彈性模量的相互關(guān)系

從圖7 可以看出，動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量總體而言比較集中，但仍然呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)的分散，分散的原因是木材缺陷(如子節(jié)、蟲(chóng)洞等)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，以動(dòng)態(tài)彈性模量(Es)為自變量，以靜態(tài)彈性模量(Ep)為函數(shù)，可以添加趨勢(shì)線擬合回歸模型線。動(dòng)態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)關(guān)系，可用線性模型Ep=aEs+b 表示。結(jié)果表明:機(jī)械應(yīng)力分等方法得到的動(dòng)態(tài)彈性模量和三點(diǎn)彎曲法測(cè)得的靜態(tài)彈性模量具有很好的關(guān)聯(lián)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．86，且在0．01 水平顯著。

測(cè)試結(jié)果顯示:機(jī)械應(yīng)力分等方法獲得的動(dòng)態(tài)彈性模量值，比根據(jù)GB/T 50005—2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的靜態(tài)彈性模量值高(見(jiàn)表2)。兩者之間表現(xiàn)出來(lái)的顯著相關(guān)性，說(shuō)明機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)能夠很好地評(píng)估規(guī)格材的靜態(tài)彈性模量，通過(guò)機(jī)械應(yīng)力分等法測(cè)得Es預(yù)測(cè)Ep具有普遍意義。

圖7 動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量的相互關(guān)系

3 結(jié)論

利用偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)進(jìn)行中點(diǎn)加載彎曲法檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得同批次對(duì)應(yīng)落葉松規(guī)格材試件動(dòng)態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量，并對(duì)規(guī)格材試件的動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量之間存在明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．86，且在0．01 水平顯著;驗(yàn)證了偏心壓輥機(jī)械應(yīng)力分等機(jī)檢測(cè)，可以正確的反映規(guī)格材強(qiáng)度等級(jí)。

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