李威龍 王 瀟 魏圣濤 王超越 劉沛然 徐國祺

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

近年來，隨著“碳中和”理念的提出，森林木材資源愈發(fā)珍貴，但是森工剩余物卻較為豐富。利用剩余物制作衛(wèi)生筷、工具把、細木工板芯條以及復合纖維板等，可以節(jié)省大量原木、降低成本，使森林資源利用率得到極大的提高。森工剩余物產品還具有良好的生態(tài)效益，收集伐區(qū)內剩余物可以減少病蟲害蔓延；使林木種子有更多機會接觸土壤，從而促進森林的更新；同時利于森林防火工作的開展。木質纖維版是以木制纖維材料與膠粘劑壓制而成的一種新型人造板材，由于其組織結構均勻、密度適中、板面平滑易于裝飾、加工性能優(yōu)良等優(yōu)點，成為一種用途廣泛的森工剩余物產品。其耐老化性能是衡量產品使用性能的一項重要指標，因此在實驗室內以加速的方式在較短時間內分別進行木質纖維和纖維板的老化從而得到精確的數(shù)據(jù)是十分必要的。目前老化試驗主要采取2種方式：自然大氣老化方法和人工加速老化方法[1-2]。自然大氣老化方法是評價產品性能最直接、最可靠的方法，但是缺點是耗時長，而且環(huán)境條件難以控制，無法分離各種環(huán)境因素(溫度、濕度、光照強度)對產品老化的影響。人工加速老化方法不受時間地點限制，只需在老化實驗箱內調控溫度、濕度和紫外線的強度就可完成整個木材老化試驗的全過程，試驗周期大為縮短，提高了試驗效率。目前，市場上的老化試驗箱主要用于電子元件、塑膠類產品的老化試驗，沒有只針對木質材料的特殊老化試驗箱。此外，市場上的老化試驗箱功能較為單一，只能針對一種變量(溫度、濕度、光照強度和臭氧含量等)來進行老化試驗，無法較好地模擬自然條件，且產品承插座多為固定式。基于以上現(xiàn)狀，設計一種專門應用于森工產品的可拆卸多功能老化試驗箱是十分必要的。

1 老化箱系統(tǒng)技術方案設計

根據(jù)材料本身和老化箱的實際需求出發(fā)設計技術方案[3]，如圖1所示，老化箱主要由模擬環(huán)境的控制裝置和測量數(shù)據(jù)的傳感系統(tǒng)組成，木材老化分為3方面，為滿足不同的老化要求，分別設計不同的控制裝置，統(tǒng)一由控制系統(tǒng)控制。

圖1 老化箱技術方案Fig.1 technical scheme of aging box

2 傳感系統(tǒng)設計

傳感系統(tǒng)以單片機為控制核心，進而實現(xiàn)同時測量溫度、濕度、光照強度的功能，如圖2所示。通過鍵盤電路進行參數(shù)設定，將監(jiān)測出的變化量通過傳感器模擬出電流傳給A/D轉換器轉換成數(shù)字量在顯示屏上顯示，根據(jù)設定參數(shù)反饋給控制系統(tǒng)，通過一系列控制使得變化量在合適范圍波動，較好地模擬自然環(huán)境的老化條件。

圖2 傳感系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of sensing system

3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用ARM9嵌入式微控制器S3C2400和Linux操作系統(tǒng)相結合的嵌入式控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)擴展性強、可靠性高、響應速度快和功能強大等特點。實現(xiàn)了系統(tǒng)功能控制老化箱的溫度、濕度、電機開關，定時存儲測試數(shù)據(jù)等，且能夠遠程查詢的功能[4]。

4 老化箱結構設計

4.1 整體結構的說明

集溫濕光調控的森工產品老化試驗箱分別設置有加熱裝置、噴淋裝置和光照裝置，可滿足不同試驗條件下的木材老化試驗，并且設計有溫度、濕度和光照強度感知測量部分。老化箱的整體結構其中主要包括排風裝置(11)、紫外燈裝置(5)、加熱裝置(16)、試樣夾具(7)、夾具固定裝置(15)、噴淋裝置(4)和微控制器(14)等，結構設計與布局如圖3—圖5所示，老化箱可調參數(shù)見表1。

圖3 老化試驗箱主視圖(箱門打開)Fig.3 main view of aging test chamber(door open)

圖4 老化箱主視圖(箱門關閉)Fig.4 main view of aging box(door close)

圖5 老化箱后視圖Fig.5 rear view of aging box

表1 森工產品老化試驗箱可調參數(shù)

改進后的排風裝置可保證溫度偏差變化小[5]。箱頂?shù)膰娏苎b置包括水箱、水管、水泵和噴頭。加熱裝置采用集束式管狀電熱元件，箱內溫度為測試溫度。微控制器安裝于箱門與箱體交接處，箱體頂部同時設有紫外線燈為模擬太陽光中的紫外線波段，選用2條UVA-340型紫外燈管，具體參數(shù)見表2，夾具拆卸槽由電機、齒輪組成。選用高性能交流接觸器、時間繼電器等電路元件進行電路連接[6]。此設計結構簡單、使用方便、便于觀察，且能夠進行對比試驗[7]，表3為各項實驗參數(shù)。

表2 UVA-340型紫外燈管各項參數(shù)

表3 各項實驗參數(shù)

4.2 部分結構的說明

固定裝置15通過六邊形棱柱結構與樣品夾7進行可拆卸連接固定在箱體兩端用于夾持樣品網(wǎng)或其他板狀森工產品，如圖6所示。同時為滿足不同的森工產品的要求。

圖6 夾具連接處示意圖Fig.6 Schematic diagram of fixture connection

底部旋轉裝置13，通過螺栓與纖維樣品臺21進行可拆卸連接，裝置緩慢搖晃，使纖維滾動均勻老化，如圖7所示。

圖7 老化箱底部的旋轉裝置Fig.7 rotating device at the bottom of aging box

可拆卸移動式樣品臺，如圖8所示。滾輪19通過螺栓固定在弧形支撐架20右側套設在右滾筒上，所述樣品網(wǎng)與滾輪相抵觸，以保證樣品網(wǎng)運轉時的順滑程度。電滾筒通過電線與箱體后壁防水插座可拆卸連接，用于提供動力。運行時，履帶式樣品網(wǎng)按一定速度緩慢運轉，使木質纖維在其上緩慢滾動；當纖維隨之運轉至另一端時，控制樣品網(wǎng)反向運轉，以此實現(xiàn)木質纖維的均勻老化功能?？刹鹦兑苿邮綐悠放_配合試樣夾具可滿足絕大多數(shù)森工產品的要求。為滿足極個別特殊森工產品的要求，可根據(jù)需求設計不同的樣品臺，進而實現(xiàn)功能的多樣性，可拆卸移動式樣品臺支架如圖9所示。

圖8 可拆卸移動式樣品臺Fig.8 design of removable movable style table

圖9 可拆卸移動式樣品臺支架Fig.9 removable mobile sample stand stand

5 結語

該老化試驗箱集溫度、濕度、光、熱老化條件于一體，從多角度考量森工產品的最佳使用條件及老化情況，也可以作為一種儲存森工產品裝備使用，該設備能夠廣泛應用于森工產品保持、運輸及科研中，操作友好、安全，且數(shù)據(jù)具有直接傳輸功能。