基于偏心壓輥機械應力分等法的規(guī)格材彈性模量檢測1)

花軍 王宏棣 雷明 王子奇 賈娜

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

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

機械分等檢測，是從20 世紀60 年代之后進入工程建筑領域的規(guī)格材無損檢測方法。機械分等檢測方法，是基于被檢測試件無損的基礎上，分析被檢測試件工程承載性能的方法［2］。木材資源豐富的國家和地區(qū)，規(guī)格材檢測方法已經(jīng)十分成熟，在實際生產(chǎn)中已經(jīng)形成了一套完整的檢測方案。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種規(guī)格劃分木材強度高低的方法是目測分等方法，規(guī)格材的機械應力分等法是在目測分等方法基礎上建立起來的一種更便捷、更有效的分等方法。在對規(guī)格材的機械分等時，首先進行目測分等，再由機械設備測出它具有的物理力學性能，如果能證明先前的目測分等是合理的，就可以將目測分等的材質指標作為機械分等的重要輔助參數(shù)，結合機械設備測得的力學性能將規(guī)格材進行準確的分等［3］。

機械應力分等機，是對規(guī)格材進行工程承載性能檢測分等的一種無損檢測設備。機械應力分等技術，是通過建立動態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量等非破壞性可測量的指標與強度之間的有效關系，預測規(guī)格材的強度特征值。這些指標的測量方法有很多，其中機械應力分等方法比較典型的有:規(guī)格材試件彎曲法、規(guī)格材試件震動法、聲波測量法等［4］。本文設計一臺基于彎曲法連續(xù)式偏心壓輥的規(guī)格材動態(tài)彈性模量檢測設備(以下簡稱機械應力分等機)。目前，我國還沒有自主設計、生產(chǎn)的彎曲法機械應力分等機，此項研究具有重要的科研實用價值。

1 偏心壓輥機械應力分等機設計

機械應力分等法是一種無損檢測方法，它通過無損足尺檢測，建立規(guī)格材彈性模量和強度的相互關系，通過測量規(guī)格材彈性模量，將規(guī)格材分為適宜的等級。常規(guī)彈性模量無損檢測設備，是采用同心壓輥做壓頭，規(guī)格材試件形變壓力由氣缸提供;在彈性形變內，同心壓輥對規(guī)格材施加壓力。設定一個固定的變形量(通常為5 mm)，規(guī)格材連續(xù)進給，由壓力傳感器測出壓力變化曲線;計算彈性模量，求出彈性模量的變化曲線，計算其平均值。

常規(guī)的彈性模量無損檢測方法的特點，是方便、簡潔，能夠快速算出彈性模量值。理想狀態(tài)下，這種方法設置初始型變量為0，對應壓力也為0，彈性模量計算公式簡化為［5］:E=(l3/4bh3)×(f/Δ)。式中:f 為對規(guī)格材試件施加的載荷;l 為規(guī)格材試件的支撐長度;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。

實際檢測過程中，由于木材表面較為粗糙，在初始變形量為0 的位置，初始壓力不一定為0;或者，在初始壓力為0 的位置，不一定是初始變形量為0的位置;因而產(chǎn)生了檢測誤差，并且木材的各向異性會進一步擴大其誤差值。為了解決現(xiàn)有規(guī)格材動態(tài)彈性模量檢測技術存在的檢測誤差，設計了偏心輥壓頭機械應力分等機(見圖1)。采用中點載荷法，由偏心壓輥壓頭對規(guī)格材試件有效部分中點加壓，通過傳感器測量作用于規(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)格材的強度級別。中點載荷法簡潔、穩(wěn)定，限制條件少，方便計算。

圖1 彎曲法機械應力分等法檢測原理簡圖

偏心輥壓頭機械應力分等機計算原理:先對規(guī)格材施加一個預壓力，使規(guī)格材產(chǎn)生一個微小的彈性形變，通過偏心輥壓頭的旋轉對規(guī)格材進行檢測;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，消除了檢測誤差，避免了規(guī)格材的各向異性對誤差值的影響。修正后的彈性模量計算公式為:E=(l3/4bh3)×(f1-f2)/2p。式中:l 為規(guī)格材試件的支撐長度;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為對規(guī)格材試件施加的載荷最大值、最小值。

根據(jù)實驗要求，偏心壓輥機械應力分等機設計采用臥式的進給加載結構，整機主要由機架、電機、偏心輥壓頭機構、加載裝置、升降系統(tǒng)等零部件構成(見圖2)。

圖2 偏心壓輥機械應力分等機整機外形圖

偏心壓輥機械應力分等機，是由電機驅動主動輪轉動，氣缸通過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;傳感器將測得的彎曲變形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，計算機算出規(guī)格材試件抗彎彈性模量數(shù)據(jù)，并對被檢測規(guī)格材試件做出強度分等，輸出分等結果。

偏心壓輥機械應力分等機工作原理(見圖3):按下總開關，電動機通電，傳動輥1 和6 開始轉動輸送被檢測規(guī)格材試件，規(guī)格材試件通過上料臺由支承輥1 進入機械應力分等機。當被檢測規(guī)格材試件前端進入機械應力分等機傳動輥6 上時，傳動輥6上端檢測開關B 產(chǎn)生一個信號S1，信號S1控制氣缸4 工作，偏心輥壓頭2 對被檢測規(guī)格材試件施壓;偏心輥壓頭2 壓緊被檢測規(guī)格材試件，產(chǎn)生一定變形，被檢測規(guī)格材試件自動進給，此時，壓力檢測開始，稱重傳感器3 將規(guī)格材試件各點的受力情況傳輸給計算機5 記錄下來。

圖3 偏心壓輥機械應力分等機工作原理簡圖

被檢測規(guī)格材試件尾端通過傳動輥1 時，傳動輥1 上端檢測開關A 產(chǎn)生一個信號S2;信號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。偏心壓輥機械應力分等機工作流程如圖4 所示。

2 規(guī)格材彈性模量檢測

用偏心壓輥機械應力分等機檢測規(guī)格材動態(tài)彈性模量(試件數(shù)為100)，獲得動態(tài)彈性模量實驗數(shù)據(jù):最小值9．39 GPa、最大值16．58 GPa、均值13．08 GPa、標準差1．90 GPa、方差3．60、變異系數(shù)0．15%、偏度0．12、置信度(95%)0．83。用萬能力學試驗機檢測規(guī)格材靜態(tài)彈性模量(試件數(shù)為100)，獲得同批次對應規(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、標準差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 偏心壓輥機械應力分等機工作流程

由測量數(shù)據(jù)可以看出。機械應力分等法所得的動態(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);原因是因為規(guī)格材試件不是完全的彈性體，而是黏彈性體。測定時間較長的萬能力學試驗機彈性模量檢測實驗得到的靜態(tài)彈性模量，往往存在黏性應變成分;機械應力分等法檢測動態(tài)彈性模量的測試時間很短，黏性應變可以忽略不計，幾乎是一個純粹的彈性現(xiàn)象。因此，動態(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］。對于試驗過程中產(chǎn)生的個別異常值，是由木材自身的各向異性造成的;此外，彎曲試驗中試件受到剪切和扭轉慣量的影響也是不容忽視的。

2．1 動態(tài)和靜態(tài)彈性模量頻率分布

由圖5、圖6 可見:動態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量頻率分布均呈正態(tài)分布，這和先前運用機械應力分等法測定木材動態(tài)彈性模量的研究結果相似［5］。

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

圖5 動態(tài)彈性模量直方圖-累計圖

圖6 中靜態(tài)彈性模量分布密度:被檢測試件規(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-累計圖

2．2 動態(tài)和靜態(tài)彈性模量的相互關系

從圖7 可以看出，動態(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)一定范圍內的分散，分散的原因是木材缺陷(如子節(jié)、蟲洞等)。將數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，以動態(tài)彈性模量(Es)為自變量，以靜態(tài)彈性模量(Ep)為函數(shù)，可以添加趨勢線擬合回歸模型線。動態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關關系，可用線性模型Ep=aEs+b 表示。結果表明:機械應力分等方法得到的動態(tài)彈性模量和三點彎曲法測得的靜態(tài)彈性模量具有很好的關聯(lián)性，相關系數(shù)達到0．86，且在0．01 水平顯著。

測試結果顯示:機械應力分等方法獲得的動態(tài)彈性模量值，比根據(jù)GB/T 50005—2003《木結構設計規(guī)范》標準測得的靜態(tài)彈性模量值高(見表2)。兩者之間表現(xiàn)出來的顯著相關性，說明機械應力分等機能夠很好地評估規(guī)格材的靜態(tài)彈性模量，通過機械應力分等法測得Es預測Ep具有普遍意義。

圖7 動態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量的相互關系

3 結論

利用偏心壓輥機械應力分等機進行中點加載彎曲法檢測實驗、利用萬能力學試驗機進行三點彎曲檢測實驗，獲得同批次對應落葉松規(guī)格材試件動態(tài)彈性模量、靜態(tài)彈性模量，并對規(guī)格材試件的動態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量相關關系進行了分析。結果表明:動態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量之間存在明顯的相關性，相關系數(shù)達到0．86，且在0．01 水平顯著;驗證了偏心壓輥機械應力分等機檢測，可以正確的反映規(guī)格材強度等級。

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