先进制造技术-贺昌勇 3128033.doc

先进制造技术专论结课论文论文题目 基于振动原理的大足尺人造板的力学性能检测研究 学 院 北京林业大学工学院 专业名称 机械制造及其自动化 班 级 研工12班 学 号 3128033 姓 名 贺昌勇 导 师 张厚江 基于振动原理的大足尺人造板的力学性能检测研究引言我国经济的发展和人民生活水平的逐年提高，木材需求量随着上升，但是木材资源有限、匮乏。为解决这样的矛盾，各种复合木质材料应运而生。人造板材木质材料的重要成员，随着我国人造板生产技术的不断提高，在今后的生产和生活中，将会在包装、建筑、家具等行业发挥越来越大的作用。不同的使用环境对木质材料的力学性能要求也不尽相同。为了能高质量地生产和正确使用木质材料，必须确切掌握其物理力学性能及在线实时监测机理和技术。采用传统的检测方法是破坏性检测，不适于生产线上的连续快速检测。在这种情况下，无损检测的研究、开发和应用正在得到重视和发展。一、 人造板定义1.1木质材料木质材料是一类包括木材和以木材（或其废料）为主要原料，经过机械加工、物理化学处理而得到的具有木材基本特征和主要组分的材料。在现代，木质材料已形成一个品种较多、性能差异较大的材料体系。它包括木材、改性木材、木质人造材料和木质复合材料等几大类。改性木材是以木材为基材，经过改性处理的产品。它是在保持木材高比强度、易于加工、吸声隔热、纹理自然、质朴等固有优点的前提下，通过一系列的物理、化学处理，克服木材湿胀干缩、尺寸稳定性差、各向异性、易燃、易腐、不耐磨和一变色等固有缺点，同时使木材具有某些特殊功能的产品。木质复合材料是木质材料与其他材料进行复合，或不同类型的木质材料之间进行复合，而得到的具有复合效果的理想固体材料。它克服了木材和其他木质材料的许多缺点，由于材料协同作用和界面效应，导致木质复合材料具有优良的综合性能，以满足现代社会对复合材料越来越高的要求。其研究的深度、应用的广度及其生产发展的速度已成为衡量一个国家木材工业技术水平先进程度的重要标志之一。主要包括木材塑料、木材层积塑料、塑化碎料板、木质复合结构板等几大类。木质人造材料是以木材或其废料为主要原料，经过机械加工和物理化学处理制成的一类再构成材料。木质人造材料由于使用的原料（如树种、几何形状、尺寸大小、粘合剂和化学助剂等）不同，制造工艺的区别以及产品结构的差异，其产品品种很多。1.2木质人造板材木质人造材料按其几何形状可分类为木质人造方材、木质人造板材和木质模压制品等。木质人造方材是用薄木板或者厚单板顺纹胶合压制成的一种结构材料。前者称之为集成材，后者谓之为单板层积材（LVL）。木质模压制品业也是用不同形状的结构单元、组坯或者铺装不同结构形式的板坯，用专门结构的模具压制成各种非平面状的制品。木质人造板材是用各种不同形状的结构单元、组坯或者铺装不同结构形式的板坯胶合而成的板状材料，如胶合板、刨花板、纤维板等。人造板材是木质材料中品种最多、用途最广的一类材料。由于性能差异甚大。可分别作为结构材料、装饰材料和绝缘材料使用1。木质人造板材根据原材料和生产工艺的不同，可分为胶合板、纤维板、刨花板、细木工板、碎木板、木丝板等种类，其中前三类产品占人造板总产量的80%以上，是人造板行业的三大主导产品。胶合板是以木材(原木)为主要原料，由木段旋切成单板或由木方刨切成薄木，再经干燥、涂胶、组坯、热压而成的板材，主要用于家具制造、建筑、交通运输及包装等领域；纤维板是以植物纤维为原料，经过纤维分离、施胶、干燥、铺装成型、热压、锯边和检验等工序制成的板材。木质纤维板按密度可分三类，密度每立方厘米0.4克以下者为软质纤维板；040.8克者为中密度纤维板(MDF板)，0.8克以上者为硬质纤维板；根据生产方式又分为湿法纤维板、干法纤维板和半干法纤维板三种。纤维板在家具制造、建筑、包装等领域应用广泛；刨花板，是由木材或其他木质纤维素材料制成的碎料，施加胶粘剂后在热力和压力作用下胶合成的板材。木质刨花板按加工方法分为平压刨花板、挤压刨花板和滚压刨花板，按产品结构分为单层刨花板、三层刨花板、渐变刨花板和空心结构刨花板，按形态又分为普通刨花板、大片刨花板、华夫板等等。我国目前生产的大多为平压渐变结构普通刨花板。刨花板主要应用领域为家具和建筑工业及火车、汽车车厢制造2。二、 足尺人造板力学性能检测方法及国内外研究现状足尺人造板是指国内外人造板生产和销售中最常见的，幅面为24401220mm标准尺寸的成品人造板。国内关于木质材料弹性模量的无损检测技术研究都是基于小尺寸试件的研究。针对大尺寸，或者足尺的人造板材的弹性模量的检测的研究比较少见。2001年，南京林业大学与江苏省金坛市正达机械有限公司合作，对人造板在线无损检测理论进行立项研究，历经5年时间，先后制作了三轮样机，最后成功研制TMJA人造板弹性模量显示机。该设备检测的人造板材尺寸范围是：宽度(301300mm)；长度(12002500mm)。TMJA人造板弹性模量显示机采用PLC(可编程控制器)和工控计算机结合，对检测过程进行全自动控制，能实时显示被测板件的参数和测试数据，并具有测试数据自动整理、保存和打印功能；还可以对不同规格板件的厚度和弹性模量进行在线检测，并可在必要时测定试件的静曲强度，主要应用于集装箱底板(或基板)的检测，也可以用于其它结构人造板的测试。TMJA人造板弹性模量显示机的检测原理是在人造板材的几何中心加载，通过位移传感器反馈的位置变化，既人造板材的挠度；带入人造板弹性模量计算公式，计算出人造板的弹性模量。显示机的工作过程如下：(1)初始位置。被测工件由前一工位送入，当工件到达光电开关1，PLC开始工作，电机启动，工件继续向前运动，并由光电开关和PLC控制。(2)工件到达光电开关2，开始测量板厚。随着工件的移动，位移传感器将板厚数据送至PLC，并根据光电开关的开闭测得整块板长通过所需时间。(3)被测工件到达光电开关3，由PLC根据板长确定工件应到达的弹性模量测量位置。(4)工件到达弹性模量(静曲强度)测量位置，电机关闭，工件停止运动。液压系统在PLC控制下根据测试要求自动加载。由力传感器测定载荷大小，位移传感器测定相应挠度。测试结果(弹性模量、厚度等)及被测工件参数在工控计算机上自动显示并保存。(5)测试结束，停止加载。液压油缸活塞自动上行，并启动电机将被测工件送出，等待下一工件送人。2002年，高秋燕基于研制成功的TMJA弹性模量无损检测仪，从测试方法、机械系统和控制系统各方面人手，分析了测试误差的形成原因和影响因素，为进一步提高人造板无损检测设备的测试精度和可靠性提供了依据3。2006年，周海宾、任海青、费本华、江泽慧采用一种动态横向振动测试方法 扭弯法。利用这种方法来测试木质复合板振动中弯曲模态和扭转模态下的频率，然后通过这2个频率来预测木质复合板的弯曲弹性模量和剪切弹性模量，从而实现木质复合板力学性能的快速检测。扭弯法动态测试原理：对于一个一端固定一端自由的杆，其弯曲振动方程解为：Ev=42fb2l4Amn4I式中：Ev为动态弯曲弹性模量(Pa)；fb为弯曲振动频率(Hz)；l为杆测试跨度(mm)；A为杆横截面积(mm2)；为杆的密度(g/mm2)；I为惯性矩(mm4)；mn为与振动模态相关的一个常数，对于第一阶模态，m1取1.875。研究结果表明，扭弯法能够较好地对板的弯曲弹性模量和剪切弹性模量进行预测。随着夹紧力的增加，动态弯曲弹性模量和剪切弹性模量都有所增加，但是夹紧力对动态剪切弹性模量的影响低于动态弯曲弹性模量随着跨度的减少，夹紧力对动态测试的影响就越大随着夹紧面积的增加，动态弯曲弹性模量增加，建议在扭弯法测试中单位面积夹紧力在200 kPa左右，测试跨度为610 mm 以上，两宽度边分别测试并取平均值15。同年，逄海峰设计了一套木材的板材弹性模量自动检测设备。检测设备检测的板材尺寸范围：最大3003002000mm；最小1250400mm。该设备是FFT分析技术、数控技术和微机技术的综合体，可以实现板材在线NDT的快速检测并相应进行应力等分。这套设备中设置了打击装置，使板材实现纵向振动，在另一侧安装微音器，采集振动信号；通过快速傅立叶变化频谱分析技术，得到材料纵向振动状态下的固有频率，配合纵波动态弹性模量计算公式El=4L2fm2m2，最后由计算机计算出板材的动态杨氏模量，以此表征静态杨氏模量。最后实现板材在线NDT检测和应力分等4。三、 基于振动原理检测足尺人造板力学性能的意义随着经济高速发展，我国的人造板工业也在大踏步的前进。我国的人造板总产量逐年增加，俨然一个人造板生产大国。但我国还没有随着配套的质量检测体系保证人造板材的质量，生产的人造板与其他人造板生产强国相比，还不具有坚强的竞争实力。为了突破这样的瓶颈，完善我们的检测管理体系，自主研制开发一系列的无损、快速、适合成品足尺人造板力学性能检测的技术、方法和设备势在必行。人造板材力学性能在线检测和自动分级，是木质材料力学性能动态检测的重要应用。对于人造板材力学性能的在线自动检测和分级，目前还是少见。更多的是关于木材力学性能的在线检测和自动分级。国外学者已经做了大量研究，比较实用的方法有机械应力分级、应力波检测和超声波检测等。根据木质材料物理力学性能指标与基本力学性质之间的关系，推算出成材的力学强度从而进行自动分级和分等。目前我国对木质材料在线质量控制领域的研究还是一个空白，对木质材料弹性模量的在线检测刚