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實木家具結構中圓棒榫的強度分析

發布于:2022-05-16 21:41
強度分析

      傳統的實木家具主要采用直角榫與燕尾榫等接合方式,生產工藝復雜,在榫頭加工過程中材料損失較嚴重。如能夠利用圓棒榫部分或全部取代,則可有效地提高生產效率,并降低生產成本。但目前國內對圓棒榫的力學行為研究較少。圓棒榫應用在實木家具中的安全性,主要以抗拔力及抗剪強度、抗彎強度等力學指標來評價。本文主要從圓棒榫的抗拔力、抗彎強度、抗剪強度等方面進行相應強度分析,探討圓棒榫在實木家具結構中應用的可行性,及應用中應當注意的主要問題。
      圓棒榫的表面有多種形式,如光面、直紋、螺旋紋、網紋等,一般以螺旋紋形式的連接強度為佳,且目前市場上最常用。加工圓棒榫的木材要求密度大、紋理直、無節、少缺陷,主要用材質較的闊葉樹材,如樺木、色木、柞木、水曲柳等。圓棒榫含水率一般比連接構件低2%~3%,通常小于7%。圓棒榫直徑通常為連接構件厚度的2/5~1/2,長度為直徑的3~4倍,尺寸推薦規格見表與之接合構件內部的榫眼深度,應比圓棒榫插入部分的長度大0.5~1.5 mm,以容納多余的膠液及壓縮空氣,同時還可在一定程度上降低機械加工時的加工精度,提高工效;為了便于安裝,其端部常有45°倒角。對于用作固定結合的圓棒榫,一般采用過盈配合,過盈量為0.1~0.2 mm;雙面涂膠,常用膠種按接合強度由高到低有:75%UF+25%PVAc混合膠、UF樹脂膠、PVAc膠、動物膠等。
      以合肥市場上的一款核桃楸實木餐桌為例(見圖1),高度760 mm,桌面長度1350 mm,寬度850 mm,厚度為30 mm,桌腿相對桌面內縮量為50 mm;望板基材為核桃楸(黑龍江朗鄉),厚度30 mm,高度70 mm,氣干密度0.528 g/cm3,順紋抗剪強度10.0 MPa,抗彎強度87.0 MPa。望板與桌腿部以雙圓棒榫連接,使用UF膠,配合間隙為0.127 mm。圓棒榫材料為黑龍江帶嶺產白樺,氣干密度0.607 g/cm3,順紋抗剪強度7.8 MPa,抗彎強度87.5 MPa,直徑14 mm,螺旋紋長度50 mm。結合合肥氣候及試驗室積累含水率數據,取家具均衡含水率為12%。為檢驗圓棒榫接合的安全性,對其抗拔力、抗彎強度及抗剪強度進行相應有限元分析。
      J.L.Jensen等的試驗反映了類似的影響趨勢,如圖2所示,說明應從圓棒榫直徑、插入深度、材料的順紋抗剪強度及膠黏劑等方面來提高其抗拔力。當圓棒榫與被連接材料確定后,圓棒榫端面的抗拔力要大于側面,所以主要考慮側向抗拔力。將圖1中數據代入公式1可知:圖2圓棒榫尺寸與抗拔力的關系此抗拔力大于國家標準GB/T 10357.1-1989《家具力學性能試驗桌類強度和耐久性》中水平靜載荷試驗水平5級900 N的要求,由此可見,雙圓榫連接的抗拔力完全能滿足使用要求。按照GB/T 10357.1-1989,桌面水平靜載荷試驗水平4級,所加載荷為2×300 N,則地面水平F水平=150 N,F水平在圓棒榫形成的力矩為108 N m,小于圓棒榫能夠提供的抗破壞彎矩。若取掉面板,讓載荷P直接作用于水平望板,以檢驗兩端圓棒榫的接合性能。


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