CN110658130A - 榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，该装置包括底板、钢丝绳、配重、试件槽、转向机构和用于连接力学试验机的试验机接口，底板的一端设有转向机构，底板的另一端设有用于容纳待测试件的试件槽，配重设于待测试件上，钢丝绳的一端连接待测试件，钢丝绳的另一端绕过转向机构连接试验机接口；该种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，能够实现榫接合节点摩擦系数的快捷有效准确测量，结构设计合理，操作便捷，能够有效降低测量误差，使得测量误差处于极小范围，成本较低，利于使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法。
背景技术
榫接合作为我国传统实木家具的主要连接方式被沿用至今，因其精巧的外观，牢固的结构而著称，不采用任何金属五金及胶黏剂，仅凭榫孔与榫头之间的紧密配合，既能达到理想的接合强度，这一工艺仍在沿用。榫接合家具的受力情况多种多样，但通常对其力学性能的考察可分为抗拔、抗弯及抗扭转强度等，三种强度均与榫接合节点处的压力和摩擦系数有关。
在无胶榫卯接合形式下，榫接合节点抗拔强度完全来源于榫头与榫眼间的摩擦力，而摩擦力则是榫头与榫孔之间过盈配合产生的接触正压力及摩擦系数的共同作用效果。因此，在无胶接合情况下，榫接合界面的摩擦系数及接触压力共同决定了节点强度的大小。同时，即使在现有实木榫接合家具中通常采用的施胶工艺中，经显微镜观察在过盈配合部分胶黏剂也几乎不存在，依然凭借的是榫头与榫孔之间的摩擦力以及间隙配合部分的胶合强度共同决定榫接合节点的抗拔强度。
大量学者对实木榫接合的力学性能进行了研究，但主要集中于对影响榫接合节点强度因素的研究。目前对榫接合节点强度的研究主要从以下几方面着手：
1)配合参量对榫接合强度的影响，其实质为节点正压力对榫接合强度的影响(参考文件1：宋俞成，朱丽华，马贞，刘文金.梓木家具圆榫接合抗拉强度影响因素试验研究[J].林产工业,2014,41(03):20-23.)。
2)榫接合形式对节点强度的影响，通过对不同形式的榫接合T型或L型构件的抗拔及抗弯强度进行测试，来评价不同榫接合形式对接合强度的影响(参考文件2：TANKUT A.N,TANKUT N.The effects of joint forms(shape)and dimensions on the strengths ofmortise and tenon joints[J].Turkish Journal of Agriculture and Forestry,2005,29(6):493–498.参考文件3：李素瑕，刘文金，孙德林.速生松木家具几种节点接合方式的强度比较研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(2):122–126.)。
3)胶黏剂种类以及不同树种对榫接合节点强度的影响(参考文件4：SMARDZEWSKIJ.Strength of profile-adhesive joints[J].Wood Science andTechnology,2002,36(2):173–183.参考文件5：RATNASINGAM J,IORAS F.Effect of adhesive type and glue-line thickness on the fatigue strength of mortise and tenon furniture joints[J].European Journal of Wood and Wood Products,2013,71(6):819–821.参考文件6：Smardzewski J.Effect of wood species and glue type on contact stresses in amortise and tenon joint[J].Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science,2008,222(12):2293-2299.)
通过对相关文献的查阅，并未发现从节点层面对榫接合间进行深入的研究。对摩擦系数的测量仅停留在平面接触状态下，研究内容包括木材与木材，木材与橡胶以及木材与刀具之间的摩擦系数测量等(参考文件7：许美君,李黎,高鑫鑫,张佩.纹理方向对木材与橡胶带间摩擦系数的影响[J].木材加工机械,2012,23(05):38-42+15.参考文件8：彭晓瑞,张占宽,李伟光,王宝刚.润滑冷却介质对刀具与木材表面之间摩擦系数的影响[J].木材工业,2012,26(05):52-55+59.)。现有的主要测量木制材料摩擦系数的方法主要有电子秤测量法、液压器法和液压缸法。三种测量木制材料摩擦系数的方法具体说明如下：
电子秤测量法，如图1所示，将木材(01)放置在木板(02)上，并将电子秤(01)连接木材(01)，通过人工拖动电子秤(01)来测量拉力，并进一步计算得到摩擦系数。此方法的缺点是，手动牵引过程中存在较大误差(参考文件9：王丹.传统木结构节点区摩擦耗能机理及力学模型化试验研究[D].昆明理工大学,2014.)。
液压器法，主要通过千斤顶或者液压缸作为水平的驱动力，分别如图2与图3所示。其中图2为千斤顶法(参考文件10：张鹏程.中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究[D].西安建筑科技大学,2003.)。通过在试件一(01)的上下两端分别设置试件二(02)，通过在试件二(02)的两侧分别设置限位支撑(03)，并设置水平向千斤顶(04)与垂直向千斤顶(05)，水平向千斤顶(04)与试件二(02)间、垂直向千斤顶(05)与试件一(01)间分别设置垫片(06)。通过水平和垂直方向的两个千斤顶来实现水平推力和轴向压力，此种加载方式仍需手动，且数据读取不方便，装置较复杂，易产生较大误差。
图3采用液压缸作为驱动力，将试件(01)设置在固定底座(02)上，将配重(03)放置在试件(01)上，试件(01)的两侧分别设有位移计(04)和液压缸(05)，试件(01)与液压缸(05)间设有压力传感器(06)，同时，增加了压力传感器和位移计，其更加便于读数，但同样存在加载速度控制的问题，且测量装置部分与加载部分分离，机构较多，容易造成误差(参考文件11：孟庆军.木质材料间摩擦性能及其对木结构设计的影响研究[D].东北林业大学,2010.)。
以上三种方法仅能对木材与木材在平面接触状态下的摩擦系数进行测量，且测量装置较为复杂，人为因素造成的误差大，且并不能对曲面接触状态下的榫接合节点摩擦系数进行测量。
上述问题是在榫接合节点摩擦系数的测量过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法解决现有技术中存在的测量装置较为复杂，人为因素造成的误差大，且并不能对曲面接触状态下的榫接合节点摩擦系数进行测量的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种榫接合节点摩擦系数的测量装置，包括底板、钢丝绳、配重、试件槽、转向机构和用于连接力学试验机的试验机接口，底板的一端设有转向机构，底板的另一端设有用于容纳待测试件的试件槽，配重设于待测试件上，钢丝绳的一端连接待测试件，钢丝绳的另一端绕过转向机构连接试验机接口。
进一步地，转向机构包括转向座、定滑轮和固定螺栓孔，转向座设有转向槽，定滑轮的转轴两端分别连接转向槽的两侧，钢丝绳绕过定滑轮分别连接待测试件与试验机接口。
进一步地，转向座包括底盘和转向块，转向块设于底盘上，转向块设有转向槽，底盘设有固定螺栓孔和固定螺栓，底板设有螺孔，固定螺栓穿过固定螺栓孔及底板的螺孔与力学试验机的台面上的螺栓孔螺纹连接。
进一步地，底板的底部设有定位接口，定位接口与力学试验机的台面上的定位孔适配。
进一步地，底板设有定位槽，底盘设于定位槽内，底板采用金属板或硬木质复合板材制成。
进一步地，待测试件包括待测榫头和榫孔构件，待测榫头设于榫孔构件中，榫孔构件包括榫孔上部和榫孔下部，榫孔上部的底面和榫孔下部的顶面对接共同形成榫孔，且榫孔上部和榫孔下部分别独立设置，榫孔上部设于榫孔下部上，榫孔上部连接钢丝绳，榫孔上部固定连接配重，榫孔上部不胶合被侧榫头，榫孔下部胶合被侧榫头。
进一步地，待测试件采用双榫结构。
一种采用上述任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、被测试件的制备，分别加工被侧榫头和榫孔构件，并将榫孔构件从中部剖成两部分，即分别得到榫孔上部与榫孔下部，其中，榫孔上部质量为m，榫孔下部与被侧榫头进行胶合，确保在钢丝绳进行拉力加载时榫孔下部与被侧榫头不产生相对位移，而榫孔上部与被侧榫头不胶合，使榫孔上部在无压力下能够自由滑动，并在榫孔上部嵌入铆钉，用于与钢丝绳连接；
S2、通过定位接口与固定螺栓孔将权利要求1-5任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置与力学试验机固定，并保证底板水平，将胶合完毕的榫孔下部放置于试件槽中，并固定，然后，将榫孔上部与榫孔下部对接组装，并将质量为M的配重放置榫孔上部上并与榫孔上部固定；将钢丝绳与榫孔上部的铆钉连接，试验机接口与试验机连接；
S3、测量前，测量出定滑轮的效率p，用于后期的摩擦系数计算；测量时，首先，设定试验机加载速度；然后，调节试验机，使钢丝绳缓慢张紧，并观察试验机读数，至钢丝绳与底板平行，且力学试验机载荷读数为零后，开始测量，榫孔上部在钢丝绳的牵引下缓缓移动，当载荷稳定后，记录下力学试验机显示的载荷值F，进入下一步骤；
S4、计算得出榫接合节点摩擦系数μ如下：
式中：F为力学试验机显示拉力；p为定滑轮的效率；M为配重质量；m为榫孔上部质量；g为重力加速度。
进一步地，步骤S3中，测量前，测量出定滑轮的效率p，具体为，由于力学试验机输出的载荷并非榫接合节点间的真实拉力，因此对定滑轮的效率p进行测量，将测量拉力的装置固定于试件槽并与钢丝绳连接，然后通过力学试验机进行加载，并分别读取力学试验机的拉力值F1和测量拉力的装置所测量得到的拉力值F2，进而计算得出定滑轮的效率p＝F2/F1。
进一步地，试验机加载速度为1-2mm/min。
本发明的有益效果是：该种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，能够实现榫接合节点摩擦系数的快捷有效准确测量，结构设计合理，操作便捷，能够有效降低测量误差，使得测量误差处于极小范围，成本较低，利于使用。该种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，能够将力学试验机的加载方向由垂直方向转为水平方向；同时，待测试件的制备方法不局限于本发明中所采用的椭圆榫，其他形式的榫接合形式同样适用，其解决了榫接合节点正压力难以测量的问题，将其转化为已知的配重。本发明为榫接合节点强度的深入研究提供有效方法，进一步为木结构及木制品的结构设计打下基础。
附图说明
图1是现有电子秤测量法测量摩擦系数的说明示意图；
图2是现有千斤顶法测量摩擦系数的说明示意图；
图3是现有液压缸法测量摩擦系数的说明示意图；
图4是本发明实施例榫接合节点摩擦系数测量装置中被侧试件制备的说明示意图；
图5是本发明实施例榫接合节点摩擦系数测量装置的结构示意图；
图6是图5的A-A向剖面结构示意图；
图7是实施例榫接合节点摩擦系数测量装置与力学试验机的台面的结构示意图；
图8是实施例榫接合节点摩擦系数测量装置的俯视结构示意图；
其中：1-试验机接口，2-转向座，3-定滑轮，4-定位接口，5-固定螺栓孔，6-固定螺栓，7-底板，8-钢丝绳，9-待测试件，10-配重，11-试件槽，12-铆钉，13-转向槽，14-螺孔，15-定位槽，16-力学试验机的台面，17-定位孔；
21-底盘，22-转向块；
91-榫孔上部，92-榫孔下部，93-被侧榫头。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种榫接合节点摩擦系数的测量装置，如图5和图6，包括底板7、钢丝绳8、配重10、试件槽11、转向机构和用于连接力学试验机的试验机接口1，底板7的一端设有转向机构，底板7的另一端设有用于容纳待测试件9的试件槽11，配重10设于待测试件9上，钢丝绳8的一端连接待测试件9，钢丝绳8的另一端绕过转向机构连接试验机接口1。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置，能够实现榫接合节点摩擦系数的快捷有效准确测量，结构设计合理，操作便捷，能够有效降低测量误差，使得测量误差处于极小范围，成本较低，利于使用。该种榫接合节点摩擦系数的测量装置，与力学试验机协同工作，保证了测量精度。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置中，转向机构包括转向座2、定滑轮3和固定螺栓孔5，转向座2设有转向槽13，定滑轮3的转轴两端分别连接转向槽13的两侧，钢丝绳8绕过定滑轮3分别连接待测试件9与试验机接口1。通过设置转向结构，由定滑轮3实现将力学试验机的加载方向由垂直方向转为水平方向的转换。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置中，如图5和图8，转向座2包括底盘21和转向块22，转向块22设于底盘21上，转向块22设有转向槽13，底盘21设有固定螺栓孔5和固定螺栓6，底板7设有螺孔14，固定螺栓6穿过固定螺栓孔5及底板7的螺孔14与力学试验机的台面16上的螺栓孔螺纹连接。通过设置底盘21实现与底板7、力学试验机的固定连接，实现对转向机构、底板7的定位。底板7的底部设有定位接口4，定位接口起到定位的作用，定位接口4与力学试验机的台面16上的定位孔适配。底板7设有定位槽15，底盘21设于定位槽15内，通过定位槽15的设置，实现对底盘21的定位，进而实现对转向机构的稳定定位，保证测量过程的顺利准确进行。避免在测量过程中由于转向机构不必要的移动导致测量错误或误差的问题。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置中，如图4和图6，待测试件9包括待测榫头和榫孔构件，待测榫头设于榫孔构件中，榫孔构件包括榫孔上部91和榫孔下部92，榫孔上部91的底面和榫孔下部92的顶面对接共同形成榫孔，且榫孔上部91和榫孔下部92分别独立设置，榫孔上部91设于榫孔下部92上，榫孔上部91连接钢丝绳8，榫孔上部91固定连接配重10，榫孔上部91不胶合被侧榫头93，榫孔下部92胶合被侧榫头93。
通过将榫孔构件分为独立设置的榫孔上部91和榫孔下部92，并使榫孔上部91的底面和榫孔下部92的顶面对接共同形成榫孔，从而能够实现对曲面接触状态下的榫接合节点摩擦系数的精确测量。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置中待测试件9采用双榫结构，即待测试件9设有对应两组的待测榫头和榫孔构件。通过采用双榫结构，能够确保加载时配重10的稳定。底板7采用金属板或硬木质复合板材制成，进一步确保测量的准确性。试验机接口1为标准接口，试验机接口1与力学试验机的加载头进行连接。
一种采用上述任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置的测量方法，包括以下步骤，
S1、被测试件的制备，分别加工被侧榫头93和榫孔构件，如图4，并将榫孔构件从中部剖成两部分，即分别得到榫孔上部91与榫孔下部92，其中榫孔下部92与被侧榫头93进行胶合，确保在钢丝绳8进行拉力加载时榫孔下部92与被侧榫头83不产生相对位移，而榫孔上部91与被侧榫头93不胶合，使榫孔上部91在无压力下能够自由滑动，并在榫孔上部91嵌入铆钉12，用于与钢丝绳8连接；
S2、通过定位接口4与固定螺栓孔5将权利要求1-5任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置与力学试验机固定，并保证底板7水平，将胶合完毕的榫孔下部92放置于试件槽11中，并固定，然后，将榫孔上部91与榫孔下部92对接组装，并将配重10放置榫孔上部91上并与榫孔上部91固定；将钢丝绳8与榫孔上部91的铆钉12连接，试验机接口1与试验机连接；
S3、测量前，测量出定滑轮3的效率p，用于后期的摩擦系数计算；测量时，首先，设定试验机加载速度；然后，调节试验机，使钢丝绳8缓慢张紧，并观察试验机读数，至钢丝绳8与底板7平行，且拉力试验机读数为零后，开始测量，得出力学试验机显示拉力F后，进入下一步骤；
步骤S3中，测量前，测量出定滑轮3的效率p，具体为，由于力学试验机输出的载荷并非榫接合节点间的真实拉力，因此对定滑轮3的效率p进行测量，将测量拉力的装置如拉力器或电子秤，固定于试件槽11并与钢丝绳8连接，然后通过力学试验机进行加载，并分别读取力学试验机的拉力值F1和测量拉力的装置所测量得到的拉力值F2，进而计算得出定滑轮3的效率p＝F2/F1。
在测量过程中，试验机加载速度不宜过大，经试验，力学试验机加载优选速度为1-2mm/min，保证测量的准确性。在摩擦系数的计算时，试件自身重量考虑在内，不能忽略，进一步保证测量的准确性。
S4、计算得出榫接合节点摩擦系数μ如下：
式中：F为力学试验机显示拉力；p为定滑轮3的效率；M为配重10质量；m为榫孔上部91质量；g为重力加速度。
该种榫接合节点摩擦系数的测量方法的原理说明如下，以库伦摩擦定律为原理：F＝μN，通过试验机进行加载可测量得到拉力F，由配重10及榫孔上部91重量可计算得到正压力N，进而可计算得到榫接合节点摩擦系数μ。
该种榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，通过设置转向机构，能够将力学试验机的加载方向由垂直方向转为水平方向；同时，待测试件9不局限于本发明中所采用的椭圆榫，其他形式的榫接合形式同样适用，实施例装置及方法解决了榫接合节点正压力难以测量的问题，将其转化为已知的配重10。为榫接合节点强度的深入研究提供有效方法，进一步为木结构及木制品的结构设计打下基础。
Claims (10)
1.一种榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：包括底板、钢丝绳、配重、试件槽、转向机构和用于连接力学试验机的试验机接口，底板的一端设有转向机构，底板的另一端设有用于容纳待测试件的试件槽，配重设于待测试件上，钢丝绳的一端连接待测试件，钢丝绳的另一端绕过转向机构连接试验机接口。
2.如权利要求1所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：转向机构包括转向座、定滑轮和固定螺栓孔，转向座设有转向槽，定滑轮的转轴两端分别连接转向槽的两侧，钢丝绳绕过定滑轮分别连接待测试件与试验机接口。
3.如权利要求2所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：转向座包括底盘和转向块，转向块设于底盘上，转向块设有转向槽，底盘设有固定螺栓孔和固定螺栓，底板设有螺孔，固定螺栓穿过固定螺栓孔及底板的螺孔与力学试验机的台面上的螺栓孔螺纹连接。
4.如权利要求3所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：底板的底部设有定位接口，定位接口与力学试验机的台面上的定位孔适配。
5.如权利要求3所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：底板设有定位槽，底盘设于定位槽内，底板采用金属板或硬木质复合板材制成。
6.如权利要求1-6任一项所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：待测试件包括待测榫头和榫孔构件，待测榫头设于榫孔构件中，榫孔构件包括榫孔上部和榫孔下部，榫孔上部的底面和榫孔下部的顶面对接共同形成榫孔，且榫孔上部和榫孔下部分别独立设置，榫孔上部设于榫孔下部上，榫孔上部连接钢丝绳，榫孔上部固定连接配重，榫孔上部不胶合被侧榫头，榫孔下部胶合被侧榫头。
7.如权利要求1-6任一项所述的榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：待测试件采用双榫结构。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、被测试件的制备，分别加工被侧榫头和榫孔构件，并将榫孔构件从中部剖成两部分，即分别得到榫孔上部与榫孔下部，其中，榫孔上部质量为m，榫孔下部与被侧榫头进行胶合，确保在钢丝绳进行拉力加载时榫孔下部与被侧榫头不产生相对位移，而榫孔上部与被侧榫头不胶合，使榫孔上部在无压力下能够自由滑动，并在榫孔上部嵌入铆钉，用于与钢丝绳连接；
S2、通过定位接口与固定螺栓孔将权利要求1-5任一项所述榫接合节点摩擦系数的测量装置与力学试验机固定，并保证底板水平，将胶合完毕的榫孔下部放置于试件槽中，并固定，然后，将榫孔上部与榫孔下部对接组装，并将质量为M的配重放置榫孔上部上并与榫孔上部固定；将钢丝绳与榫孔上部的铆钉连接，试验机接口与试验机连接；
S3、测量前，测量出定滑轮的效率p，用于后期的摩擦系数计算；测量时，首先，设定试验机加载速度；然后，调节试验机，使钢丝绳缓慢张紧，并观察试验机读数，至钢丝绳与底板平行，且力学试验机载荷读数为零后，开始测量，榫孔上部在钢丝绳的牵引下移动，当载荷稳定后，记录下力学试验机显示的载荷值F，进入下一步骤；
S4、计算得出榫接合节点摩擦系数μ如下：
式中：F为力学试验机显示拉力；p为定滑轮的效率；M为配重质量；m为榫孔上部质量；g为重力加速度。
9.如权利要求8所述的榫接合节点摩擦系数的测量方法，其特征在于：步骤S3中，测量前，测量出定滑轮的效率p，具体为，由于力学试验机输出的载荷并非榫接合节点间的真实拉力，因此对定滑轮的效率p进行测量，将测量拉力的装置固定于试件槽并与钢丝绳连接，然后通过力学试验机进行加载，并分别读取力学试验机的拉力值F1和测量拉力的装置所测量得到的拉力值F2，进而计算得出定滑轮的效率p＝F2/F1。
10.如权利要求9所述的榫接合节点摩擦系数的测量方法，其特征在于：试验机加载速度为1-2mm/min。
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