王洪光，林 威

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 201900；2.燕山大學(xué) 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

根據(jù)不同用戶的加工生產(chǎn)需求，鋼卷的包裝形式分為臥式、立式以及板包。對(duì)于鋼卷立托架墊木所使用的材料而言，在滿足鋼卷運(yùn)輸過程中的靜載強(qiáng)度及吊運(yùn)過程中的沖擊載荷強(qiáng)度要求之外，也應(yīng)當(dāng)保證墊木在堆垛時(shí)所受靜載荷下的蠕變量能夠滿足用戶的正常存儲(chǔ)運(yùn)輸要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于木材在恒載作用下蠕變量的研究主要偏重于簡(jiǎn)化蠕變量測(cè)量方法及對(duì)部分影響因素對(duì)比分析的研究，比較典型的有：刁林海等給出了通過應(yīng)變測(cè)量獲取木材蠕變特性的原理和方法[1，2]；Hsieh Tai-Yun等分析了水和溫度對(duì)木材蠕變的影響[3]；Sun Nanjian等提出了干木的蠕變模式時(shí)間、溫度研究對(duì)木質(zhì)部聚合物行為的影響[4]；盧寶賢等根據(jù)蠕變特性曲線測(cè)得了幾個(gè)蠕變量模型的各個(gè)參數(shù)[5]。如何在現(xiàn)有方案及蠕變模型的基礎(chǔ)上，建立能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)該實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建立影響鋼卷墊木材料在當(dāng)前環(huán)境參數(shù)下的蠕變量模型，驗(yàn)證鋼卷立托架在極端環(huán)境下是否滿足特定時(shí)間內(nèi)的蠕變極限，本文研究即在此背景下展開。

1 鋼卷木托架墊木承載特性分析

鋼卷運(yùn)輸過程中立托架承載狀態(tài)如圖1所示。立式鋼卷經(jīng)過行車吊運(yùn)將同種型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行堆放，在堆放的過程中，底層立托架墊木不但承受上層鋼卷所產(chǎn)生的靜載荷，還要承受吊運(yùn)下放過程中產(chǎn)生的沖擊載荷，此外由于立托架形狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則受力情況復(fù)雜，底層立托架墊木除了要滿足存儲(chǔ)過程中動(dòng)載荷承載要求，在靜載荷作用下墊木蠕變量還應(yīng)當(dāng)能夠滿足后續(xù)運(yùn)輸生產(chǎn)要求。

圖1 鋼卷運(yùn)輸過程中立托架承載狀態(tài)

2 鋼卷木托架墊木承載特性試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的制定

本文研究的目的是為驗(yàn)證立托架在實(shí)際承載過程中，墊木高度受各種因素變化的影響，但由于托架規(guī)格較多且尺寸較大，整體實(shí)驗(yàn)相對(duì)復(fù)雜。因此，先根據(jù)木托架典型受力情況，研究墊木所用材料五椏果的力學(xué)性能，及其在不同條件下的蠕變特性曲線。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理與試樣制備

由于壓力機(jī)的壓頭尺寸有限，而木托架的墊木尺寸長(zhǎng)寬高過大，因此不能把整個(gè)木托架放到壓力機(jī)上，木托架墊木單位所受壓力σy(MPa)計(jì)算公式為：

(1)

其中：c為堆放層數(shù)；MG為鋼卷重量，kg；ML為立托架重量，kg；Ldc為墊木長(zhǎng)度，mm；Kdk為墊木寬度，mm。

為簡(jiǎn)化受力情況，根據(jù)木托架墊木加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知實(shí)際受力只有邊腳墊木，根據(jù)試樣尺寸結(jié)合木托架單位面積所受壓應(yīng)力，設(shè)定壓力機(jī)對(duì)試樣施加的壓力。墊木蠕變實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 墊木蠕變實(shí)驗(yàn)原理

2.3 實(shí)驗(yàn)研究

為了定量分析立托架堆放過程中各影響因素對(duì)墊木材料蠕變特性的影響，分別對(duì)不同條件下的墊木材料蠕變量隨承載載荷、含水率、缺陷的變化趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)比其在不同工況下的蠕變特性。

2.3.1 實(shí)際載荷實(shí)驗(yàn)

在木托架墊木試樣的含水率為23.5%、施加載荷為12.54 kN情況下，得到五椏果的壓縮特性曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，五椏果材料的蠕變量變化過程中會(huì)出現(xiàn)蠕變速率變化的現(xiàn)象，但變化后的蠕變速率仍然為一常數(shù)。這是由于五椏果材料在承載方向上橫紋、順紋分布不均勻且密度不一致導(dǎo)致的。

圖3 五椏果許用載荷壓縮特性曲線 圖4 五椏果不同含水率壓縮特性曲線 圖5 五椏果極限載荷壓縮特性曲線

2.3.2 含水率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在木托架墊木試驗(yàn)載荷為12.54 kN、不同含水率情況下，得到五椏果的壓縮特性曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在含水率增大時(shí)，五椏果的彈性蠕變量和蠕變速率均會(huì)增加，這是由于當(dāng)前含水率已經(jīng)超過五椏果材料的纖維飽和點(diǎn)，降低了五椏果材料的抗壓性能，使得彈性蠕變量和蠕變速率增大。

2.3.3 極限載荷對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定五椏果蠕變量與極限載荷的關(guān)系，對(duì)木托架墊木試樣分別施加12.54 kN、25.08 kN、43.89 kN載荷，得到的壓縮特性曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著載荷的增加，五椏果材料的彈性蠕變量和蠕變速率均會(huì)增加，當(dāng)載荷超過五椏果材料的屈服應(yīng)力時(shí)，蠕變速率極大增加，并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞。

2.3.4 缺陷對(duì)比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定缺陷對(duì)墊木壓縮蠕變特性的影響，選取含水率為56%的試樣，施加12.54 kN載荷，得到有、無(wú)蟲眼缺陷的五椏果試樣壓縮特性曲線如圖6所示。

圖6 五椏果存在缺陷與否壓縮特性曲線

由圖6可以看出，五椏果材料存在缺陷時(shí)，并未增加彈性蠕變量，但是增加了其蠕變速率。

3 蠕變模型的建立

本部分以開爾文鎖作為基本蠕變模型，在實(shí)驗(yàn)測(cè)得蠕變特性曲線模型的基礎(chǔ)上，求得五椏果木材各個(gè)參數(shù)，通過參數(shù)影響系數(shù)分析，建立一個(gè)適合于根據(jù)環(huán)境參量預(yù)測(cè)鋼卷墊木蠕變?nèi)崃康哪Ｐ停?/p>

(2)

其中：J0為蠕變彈性柔量，cm2/N；χh0為含水率對(duì)蠕變彈性柔量影響系數(shù)；t為壓縮時(shí)間，min；η0為粘滯阻尼，N/(cm2/min)；ξqx為缺陷對(duì)蠕變速率影響系數(shù)；τi為開爾文體達(dá)到平衡的時(shí)間，min；Ji為i號(hào)開爾文體的蠕變?nèi)岫?cm2/N。

根據(jù)公式(2)結(jié)合蠕變速率穩(wěn)定原則求出其在含水率分別為23.5%和57%條件下的蠕變?nèi)崃磕Ｐ停?/p>

(3)

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)假設(shè)含水率及缺陷對(duì)木材蠕變?nèi)崃坑绊懢鶠榫€性，則根據(jù)墊木不同含水率條件下壓縮量數(shù)據(jù)可得：

χh0=0.616(w-12).

(5)

(6)

其中:w為含水率，%；Vqx為缺陷體積，mm3；Vz為墊木總體積，mm3。

為考慮密度對(duì)壓縮量的影響，綜合考慮橫紋中弦向體積分布比例占比、材料密度、含水率等影響，得到鋼卷墊木壓縮量模型：

Y(t)=Φxq·λde·Srb·J1(t)·σpr.

(7)

其中：Φxq為材料橫紋弦向軸向體積系數(shù)；λde為密度影響系數(shù)；Srb為蠕變載荷系數(shù)；σpr為單位面積載荷應(yīng)力，N/cm2。

密度影響系數(shù)計(jì)算公式為：

(8)

其中:γ為當(dāng)前材料密度，g/cm3。

材料的橫紋弦向軸向體積系數(shù)計(jì)算公式為：

Φxq=1/(k1tanα+(1-tanα)).

(9)

其中:α為弦向紋理與軸向夾角；k1為弦向抗壓強(qiáng)度與軸向抗壓強(qiáng)度比值，一般取0.7～0.8。

蠕變載荷系數(shù)的值一般根據(jù)墊木材料密度及施加載荷按經(jīng)驗(yàn)公式(10)進(jìn)行選擇：

(10)

當(dāng)含水率w=47%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.704 g/cm3，代入公式(7)可得壓縮量為1.809 mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓縮量為1.758 mm；當(dāng)含水率w=24.5%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.727 g/cm3，代入公式(7)可得壓縮量為3.614 mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓縮量為3.452 mm。比較發(fā)現(xiàn)兩者的誤差較小，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合鋼卷堆垛立托架墊木受力情況，在實(shí)驗(yàn)室條件的基礎(chǔ)上，建立了一套適合于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件的立托架墊木蠕變實(shí)驗(yàn)方案。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量了五椏果在不同載荷、含水率以及是否存在缺陷等情況下的壓縮特性曲線。

(3)建立了在不同載荷、含水率、缺陷率下墊木的壓縮特性模型，并結(jié)合其他條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行校核，其精度符合長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)模型的要求。