（设计艺术学专业论文）稻草板家具角部接合强度与接合方式研究.pdf

致谢 本文是在导师中黎明教授的悉心指导下完成的。导师诲人不倦的师表风范、 孜孜以求的治学态度、敬业务实的工作作风使我受益匪浅，也将成为我终生追求 之境界。从论文的选题、研究方案的设计到具体细节乃至论文的撰写无不凝聚着 导师的心血。值此论文完成之际，谨向导师致以最诚挚的感谢和敬意! 在课题准备和实施阶段，吴智慧教授、关惠元教授、李军副教授、张彬渊教 授、祁忆青老师等给予的理论指导和精心点拨学生更将铭记心仪! 在实验过程中 得到了王容辉老师、贾狮老师、熊国兵老师、葛达璋师傅的热心帮助。在整个学 - - j 和论文完成过程中，得到了木材工业学院、家具与工业设计学院、艺术设计学 院各位领导、老师的关心和帮助。在此向他们致以诚挚的谢意和衷心的祝福。 另外，还要感谢好友陈震、于延庆、李海波、赵胜波、彭志、杨正刚、顾丽 秋、朱芋锭、候建军、马平、孙延义、宋杰及机电学院3 4 2 0 实验室各位研究生 等的大力帮助。张心t g 、安胜足、刘晓文等也给予了许多建设性意见，在此一并 表示衷心的感谢。 最后，感谢我的家人，我的爱人贺婷，他们的关心给了我莫大的动力和支持! 值此论文成稿之际，向所有支持和帮助我的同学、师友、家人表示衷心的感 谢! 作者：朱云 200 9 年6 月18 日 摘要 稻草板家具是一种新型环保家具，其角部接点接合方式与接合强度将影响家 具整体的稳固性。本文就稻草板家具角部接点接合强度和接合方式进行了系统的 研究。研究重点集中在预埋螺母的抗拔强度力学特性、圆榫的抗拔强度力学特性、 l 型与t 型接点的力学特性等3 个方面，并得到如下主要结果： ( 1 ) 尼龙预埋螺母应用于稻草板i ( 中密度稻草板，其密度为0 7 2 9 c m 3 ) 、稻 草板i i ( 中密度稻草板，其密度为0 8 lg a m 3 ) 基材时，稻草板i 的最大极限抗 拔力出现在a 值( a 为导向孔直径与预埋螺母外径之比) 0 9 1 附近稻草板i i 的最 大极限抗拔力出现在a 值0 9 3 附近。聚氯乙烯( p v c ) 预埋螺母应用于稻草板i 、 稻草板i i 基材时，稻草板i 的最大极限抗拔力出现在a 值0 9 l 至0 9 3 范围内： 稻草板i i 的最大极限抗拔力出现在a 值0 9 3 附近。 ( 2 ) 要使试件板面上的圆榫极限抗拔力达到最大，稻草板i 上的圆榫过盈量应 介于0 2 m m 0 5 m m 之间；稻草板i i 的最佳过盈量在0 2 m m 左右。而圆榫在板端 的极限抗拔力，稻草板i 的最佳过盈量为0 2 m m 左右，稻草板i i 的最佳过盈量介 于0 2 m m 和0 1 m m 之间。 ( 3 ) 相同的基材条件下，使用偏心连接件时，t 型接合的破坏弯矩和刚性效率 要比l 型的大。同时基材对接合件的刚性效率和破坏弯矩影响较大，四种试验基 材刚性效率由大到小依次为稻草板i i 、稻草板i 、刨花板、中密度纤维板；破坏 弯矩由大到小是稻草板i i 、稻草板i 、刨花板、中密度纤维板。随着偏心体安装 孔距的增大破坏弯矩和连接刚性效率都有所增大。 关键词：稻草板家具接合强度接合方式偏心连接件圆榫 s t u d yo nc o n n e c t i o ns t r e n g t ha n dc o n n e c t i o nm o d e o fc o r n e rj o i n to fs t r a wb o a r df u r n i t u r e a bs t r a c t s t r a w b o a r df u r n i t u r ei san e wt a p ee n v i r o n m e n t a lf u r n i t u r ew h i c hc o r n e rjo i n t s c o n n e c t i o ns t r e n g t ha n dc o n n e c t i o nm o d ec o u l da f f e c ts t e a d yo ft h ew h o l ef u m i t u r e t h i sp a p e rh a sh a das y s t e m i cr e s e a r c ho nj o i n tc o n n e c t i o ns t r e n g t ha n dc o n n e c t i o n m o d eo fs t r a w b o a r df u m i t u r e t h er e s e a r c h m a i n l yf o c u s o nt h em e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i co fd r a w i n gs t r e n g t ho ft h ei n b u i l tn u t ，t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f d r a w i n gs t r e n g t ho ft h ei n b u i l tn u t ，t h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fd r a w i n gs t r e n g t h o ft h ed o w e la n dt h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fl t y p ea n dt - t y p ejo i n t ，w h i c ho f t h ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： a sn y l o ni n b u i l tn u t a p p l i e d t om s bi ( m i d d l e d e n s i t y o fs t r a wb o a r d ， o 7 2 9 c m ) ，d r a w i n gs t r e n g t hw i l lb em a x i m u mw h e nn u m e r i c a lv a l u eo fai sa b o u t 0 9 1 a sf o rm s bi i ( m i d d l ed e n s i t yo fs t r a wb o a r d ，0 8 1 9 c m 3 ) w h i c hd r a w i n g s t r e n g t h w i l lb em a x i m u mw h e nn u m e r i c a lv a l u eo fai sa b o u t0 9 3 w h i l e p v c ( p 0 1 y v i n y lc h l o r i d e ) i n b u i l tn u ta p p l i e dt om s bid r a w i n gs t r e n g t hw i l lb e m a x i m u mw h e nn u m e r i c a lv a l u eo fai sa b o u t0 91t o0 9 3 a s f o rm s b1 1w h i c h d r a w i n gs t r e n g t hw i l lb em a x i m u mw h e nn u m e r i c a lv a l u eo fai sa b o u t0 9 3 w h e nd o w e lp e r p e n d i c u l a r l yf i xo ns u r f a c eo fm s bi ，t o g e tm a xd r a w i n g s t r e n g t h t h eb e t t e ri n t e r f e r e n c eo ft h ed o w e li sa b o u t0 2 m m w h i l ed o w e lf i xo nt h e s i d eo fm s bi ，t og e tm a xd r a w i n gs t r e n g t h ，t h eb e t t e ri n t e r f e r e n c eo ft h ed o w e li s a b o u t0 2 m ma sf o rm s bi i w h i c ht h e b e t t e ri n t e r f e r e n c eo ft h ed o w e li sa b o u t 0 1m mt o0 2 m m w h a t e v e rt h ed o w e lf i xo ns i d eo rs u r f a c eo fm s b1 1w h i c hm a x d r a w i n gs t r e n g t hi sb i g g e rt h a nm d f a n di sl e s st h a np b w i t ht h es a m em a t e r i a lb o a r dw h e nu s i n ge c c e n t r i c i t yc o n n e c t i o nt h eb r e a k i n g b e n d i n gm o m e n ta n dr i g i d i t ye f f i c i e n c yo ft - t y p ej o i n ta r eb i g g e rt h a nl t y p ej o i n t a l s od i f f e r e n tm a t e r i a lb o a r d c o u l dm a k ed i f f e ：r e n tb r e a k i n gb e n d i n gm o m e n ta n d r i g i d i t ye f f i c i e n c y a m o n gf o u r m a t e r i a lb o a r d ，f r o mh i g ht ol o wt h er i g i d i t y e f f i c i e n c yo fi t sa r em s bi i ，m s bi ，p b ，m d f h o w e v e rt h eb r e a d i n gb e n d i n g m o m e n to fi t sa r em s bi i ，m s bi ，p b ，m d ft o o i na d d i t i o nt h ed i s t a n c eb e t w e e n e f f i c i e n c yc o m p o n e n ta n dt h ef i x i n gh o l ec o u l da f f e c tt h eb r e a k i n gb e n d i n gm o m e n t a n dr i g i d i t ye f f i c i e n c y k e y w o r d ：s t r a w b o a r df u r n i t u r e ；c o n n e c t i o ns t r e n g t h ；c o n n e c t i o nm o d e ；e c c e n t r i c i t y f i t t i n g s ；d o w e l 目录 l 绪论”- “一- ”“”1 1 1 课题的来源与依据1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国内外稻草板研究情况2 1 2 2 国内外家具接合性能研究情况3 1 3 课题研究的目的、意义和研究内容4 1 3 1 研究的目的和意义4 1 3 2 研究的主要内容5 2 预埋螺母的抗拔强度力学特性6 2 1 尼龙预埋螺母的抗拔强度力学特性6 2 1 1 试验材料6 2 1 2 试验方法6 2 1 3 试件破坏形式与分析8 2 1 4 试验数据统计与分析1 1 2 1 5 尼龙预埋螺母的a 值与极限抗拔力的关系1 4 2 2 聚氯乙烯( p v c ) 预埋螺母的抗拔强度力学特性1 6 2 2 1 试验材料1 6 2 2 2 试验方法1 6 2 2 3 试件破坏形式与分析1 7 2 2 4 试验数据统计与分析1 8 2 2 5 聚氯乙烯( p v c ) 预埋螺母的a 与极限抗拔力的关系2 0 2 3 尼龙预埋螺母与聚氯乙烯( p v c ) 预埋螺母的接合性能比较2 1 2 4 小结2 2 l 3 稻草板与圆榫接合极限抗拔力特性2 3 3 1 圆榫在稻草板板面的接合特性2 3 3 1 1 试验材料2 3 3 1 2 试验方法2 3 3 1 3 试件破坏形式与分析2 5 3 1 4 试验数据统计与分析2 6 3 2 圆榫在稻草板板端的接合特性2 9 3 2 1 试验材料2 9 3 2 2 试验方法3 0 3 2 3 试件破坏形式与分析3 1 3 2 4 试验数据统计与分析3 1 3 3 小结3 4 4l 型与t 型接合点的力学特性”3 5 4 1 试验材料3 5 4 2 试验方法3 5 4 2 1 试件的尺寸及加载方式一3 5 4 2 2 试件上偏心连接件安装孔位置与尺寸3 7 4 2 3 试验理论依据3 8 4 3 试件破坏形式与分析3 9 4 3 1m d f 试件的l 型接合3 9 4 3 2m d f 试件的t 型接合3 9 4 3 3p b 试件的l 型接合4 0 4 3 4p b 试件的t 型接合4 0 4 3 5m s bi 试件的l 型接合4 1 i i 5 1 结论 5 2 研究展望 参考文献 1 绪论 1 1 课题的来源与依据 我国是一个森林资源贫乏的国家。目前我国森林面积为1 5 9 亿h m 2 ，森林覆 盖率为1 6 5 5 ；我国人均拥有森林蓄积量仅为9 0 4 8 m 3 ，居世界第1 1 9 位，是世 界人均拥有森林蓄积量最少的国家之一【lj 。与此同时，我国又是一个农业生产大 国。据统计我国目前年产稻谷约3 亿吨，与此相对应稻草秸秆的数量大体上也是 3 亿吨【2 】。这些大量的农作物秸秆剩余物除少量被用来做饲料、酒精、沼气、发 电外，绝大多数的秸秆都被就地焚烧，不仅造成资源的严重浪费，还引起环境污 染等问题。考虑到稻草秸秆的收集、存放、运输等技术问题和扣除其他方面的用 途之后，按2 5 的利用率计，一年约有7 5 0 0 万吨可以用来生产稻草板，数量约 为7 5 0 0 万m 3 。如果能将其充分利用，不仅能缓解我国木材资源严重短缺的现象， 还能减少对环境污染、增加农民收入，提高生态、社会等多重效益【3 儿4 。 除此之外，也缓和了人造板工业的用材压力，有利于推动环保事业发展。据 国家林业局的统计数据，2 0 0 7 年我国人造板产量达到8 8 38 5 8 万r n 3 ，比2 0 0 6 年增长18 9 8 。其中热带材人造板产量2 4 2 3 9 万r n 3 ，占全部人造板产量的 2 7 4 。在全部人造板产量中，胶合板3 5 6 1 5 6 万m 3 ，占全部人造板产量的 4 0 2 9 ；纤维板2 7 2 9 8 4 万m 3 ( 其中m d f 产量为2 4 9 8 6 4 万r n 3 ) ，占全部人 造板产量的3 0 8 9 ；刨花板8 2 9 0 7 万m 3 ，占全部人造板产量的9 3 8 ；其他 人造板1 7 1 8 0 9 万m 3 ( 细木工板占7 7 0 7 ) ，占全部人造板产量的1 9 4 4 t 引。 人造板工业的快速发展所带来的最主要问题就是原料的供应。我国的刨花板和中 纤板均以小径木、枝桠材和木材加工剩余物为主要原料，近年原料成本总体上升 了3 0 一5 0 ，而此期间产品的价格却维持不变，给生产企业的成本控制带来了 巨大的压力。 我国造纸工业原料结构也在发生重大改变，木浆比例由原先的7 左右上升 到现在的2 0 左右，而且还在继续上升，这同样导致了对木材需求的剧增。由于 纸浆的市场价格远远高于人造板的价格，因而木浆厂有能力提高木材的收购价格 与人造板企业争夺原料，从而使人造板生产的原料供应处于被动地位。尽管很多 省市和地区建设了大量速生丰产林，对人造板原料供应紧张起到一定的缓解作 用，但不少省区，如山东、河北、江苏、浙江等地，原料供应问题仍十分突出。 人造板行业面临着急需开辟新的原料来源、寻找替代品的问题，而农作物秸秆这 一巨大的生物质资源，为解决人造板原料供应紧张的问题另辟新径【5j 。 稻草板发展到今天，许多研究所和高校对其工艺和性能都作了深入的研究和 探讨。概括来说稻草板有以下优点：体积小，强度高；刚性、抗震性能好，而且 还有良好的保温、隔热、隔音效果以及防火性能1 6 】，其性能参数见表1 - l 。 l 表卜l稻草板与其它板材的性能比较 材料密度 含水率 平行板面握垂直板面握 内结合强度 静曲强度 g c m 3 钉力k n钉力k n m p am p a m d f0 7 48 01 0 l1 1 20 3 52 5 1 3 p b0 7 58 81 1 21 2 90 4 01 2 5 7 m s bi0 7 28 40 6 6o 8 3o 5 22 2 0l m s b1 10 8 l7 50 6 71 1 40 7 62 9 8 0 注：+ 源自作者的试验，试验方法按照中华人民共和国国家标准进行，每试验采用6 个随机 样本，取平均值作为试验结果。m d f 一指中密度纤维板；p b 一指刨花板：m s bi 一指中密 度稻草板i 型( 简称为稻草板i ) ；m s bi i 一指指中密度稻草板i i 型( 简称为稻草板i i ) 。 四种板材的公称厚度均为1 8 m m 。 稻草板作为一种新型人造板其使用的胶粘剂为单一的异氰酸酯，无游离甲醛 释放，属于绿色人造板。从结构性能看，稻草板兼具刨花板和纤维板的部分特性， 在一些应用领域，它是良好的木质纤维板的替代品。稻草板均匀密实，不仅可以 对其板面和板边进行型面加工，还能对其进行各种饰面与封边处理( 漆、钉、胶 处理) 。因此将稻草板应用于家具的批量生产，是一个必然的趋势【_ 7 】【8 】。在工业 化生产的环境下，对以家具制造的企业来说，如何提高稻草板接点接合强度，促 进稻草板家具的合理化、标准化、规模化生产，提高家具结构设计的规范化程度 具有十分重要的意义。本文对稻草板家具接合强度影响因素研究正是出于此目 的。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外稻草板研究情况 利用农业剩余物制作板材可追溯到2 0 世纪初。19 0 5 年德国曾将麦秸和胶粘 剂混合制成板材，其后美国在上世纪三四十年代对麦秸生产绝缘板进行了研究， 七十年代又对麦秸制造结构板材的可行性进行了研究。在研究过程中先后尝试了 麦秸、玉米秸秆、棉秸、稻草秸秆等人造板。目前国外研究和应用最广的是麦秸 和稻草人造板。随着异氰酸脂应用到秸秆人造板领域，胶合问题得到了较好的解 决，板材性能也得到很大的提高，且不存在甲醛释放的问题。出于环保的考虑，秸 秆板普遍被人们看好，欧美各国纷纷建厂进行生产。 我国从2 0 世纪七十年代开始，相继进行了稻壳、稻草、麦秸等制造人造板的 研究工作。进入九十年代后期，借鉴国外使用异氰酸酯的成功经验，开始进行大规 模的产业化生产。同时中国林科院、南京林业大学、东北林业大学、哈尔滨东大 2 公司、河北曲周赛博板业集团等单位在麦秸碎料板、稻草碎料板、麦秸纤维板、 麦秸塑料复合人造板等方面进行了有益的探索。“十五”期间，国家科技部在中国 林科院木材工业研究所的汇报和建议下，将秸秆人造板的研究列入了“8 6 3 国家高 技术研究发展计划”，立项为木材农业剩余物纤维复合材料制造技术，由中国 林科院木材工业研究所和南京林业大学共同承担，重点对麦秸和稻草人造板生产 工艺进行研究，目前已经取得了可喜的成果。其中中国林科院木材工业研究所的 “麦秸中密度纤维板制造工艺技术”通过了国家林业局科技司主持的成果鉴定；南 京林业大学的“稻草人造板”项目获得了湖北省的科技进步奖。科技部还将秸秆的 利用列入了“9 7 3 国家重点基础研究发展计划”中的秸秆资源生态高值化关键过 程的基础研究项目，由中国科学院牵头，中国林科院、中国农科院等单位共同进 行项目申报，目前已经获得批准实施 9 1 1 0 1 。 1 2 2 国内外家具接合性能研究情况 检索相关的期刊和论文数据库，发现对稻草板家具角部接合强度与接合方式 的研究相对很少。但是对板式家具接合力学性能的研究则很多，国外早在2 0 世 纪5 0 年代就已经开始了研究。 1 9 7 5 年b a c h m a n 和h a s s l e r 对金属预埋件与刨花板进行试验得出：刨花板的 密度变化对抗拔强度影响很大；预埋件的直径变化对抗拔强度影响不大，但预埋 件长度变化比直径变化对抗拔强度的影响大的多。最后还指出涂胶后压入的塑料 预埋件具有较高的抗拔强度【1 1 儿1 2 j 。 m u r a k o s h i 技术资料指出，金属预埋件的埋入深度对刨花板的抗拔强度影响 很大。同时还指出，预埋件在构件中的部位对抗拔强度也有很大影响，预埋件的 位置靠近试件端部，就象l 型接合那样，比远离试件端部t 型接合的抗拔强度 小2 5 1 l 】【l2 1 。 e n g l e s s o n 和o s t e r m a n 对于圆榫与榫孔配合间隙的研究指出：虽然大的间隙 形成连接，在静载荷作用下并不会过分影响抗拔力，但是在动载荷作用下对圆榫 在刨花板中的抗拔力的影响就很大，因此对于承受载荷的接点，最好采用过盈配 合，过盈量不大于0 4 m m 。e n g l e s s o n 还发现把榫头和榫孔都涂胶与只给其中之 一涂胶相比，抗拔力可提高3 5 儿圯j 。 b a c h m a n 和h a s s l e r 计算了圆榫在几种刨花板表面和端面的抗拔力后指出， 垂直于板面方向与板材内部结合强度和圆榫直径有关。他们证明了当圆榫直径从 6 m m 增加到8 m m 时，抗拔力增加大约4 0 ；圆榫直径由8 m m 增加到10 m m 时， 抗拔力增加大约4 5 t 1 引。 国内相关的研究起步较晚。北京木材工业研究所马耀驭等先后于1 9 7 9 年和 19 8 2 年对膨胀式、倒刺式、偏心式、圆柱螺母式等8 种连接件的接合性能进行 研究，提出用四种指标来衡量五金件的力学性能，即连接件的拔出荷重、拔出比 阻、破坏弯矩和连接刚性效率。研究指出，在刨花板中埋入内嵌螺母之前，所钻 导孔直径的大小与握钉力有很大关系，具体的适宜尺寸应根据不引起板材开裂而 具有最好握持强度的原则来确定。在装配家具时，连接件主要安装在接点部位， 多数是受弯矩作用；8 种连接件对刨花板的连接性能，圆柱螺母对接式最好，而 偏心式居其次，使用时在钉帽不准外露的情况下，可选用偏心式；为增加家具结 构的刚度，使用拆装型连接件时，应辅以圆榫增加强度【1 8 2 2j 。 东北林业大学的司传领通过对板式家具角部接合性能研究，在硕士论文中指 出：连接件对板式家具角部强度和刚度有很大影响。无论是m d f 或刨花板，无 论采取“t ”或“l ”连接，在强度方面“倒刺螺母 圆榫 偏心连接件 胶接合”；在刚 度方面“胶接合 偏心连接件 倒刺螺母 圆榫”1 2 引。 南京林业大学的李吉庆通过对新型竹集成材家具的结构设计研究，在博士论 文中指出：对于竹集成材，使用竹圆榫比白桦实木圆榫和直角榫的接合强度都低； 木圆榫插入竹集成材的深度、木圆榫与样孔配合的过盈量对木圆榫的接合强度影 响显著；双直角榫的接合强度比单直角榫大，单直角榫的接合强度比双圆榫大， 偏心件的接合强度最小，与偏心件接合用的螺母宜用金属材料1 2 4 。 南京林业大学的崔戌娟在其硕士论文板式家具偏心连接件接合性能研究中 指出尼龙预埋螺母应用于刨花板、m d f 和柳按三种基材，其极限抗拔力随着a 值( 导向孔直径与尼龙螺母外径之比) 的减少而增大，当达到一个最大值后呈下降 的趋势。在a 约为0 9 1 时，尼龙预埋螺母极限抗拔力达到了相对高的数值【25 1 。 1 3 课题研究的目的、意义和研究内容 1 3 1 研究的目的争意义 家具是一种与人类日常生活息息相关的耐用消费品，家具产品的环境性直接 影响人们的身心健康。随着绿色消费浪潮的到来，家具的绿色化是大势所趋。稻 草板，这一绿色板材无疑会在这次浪潮中扮演重要的角色。然而要想在这次浪潮 中胜出，仅仅凭借材料绿色的特点还远远不够，更应在稻草板家具的质量和设计 上下功夫。 一件设计优美、质量上乘的家具不仅能使我们的使用便利舒适，还能给我们 审美的快感和惬意的精神享受。要达到这些要求，就必须在家具的造型设计、功 能设计和结构设计等各个方面认真推敲，使三者相辅相成、和谐统一。随着人们 生活和审美水平不断提高，对高质量家具产品的要求日益突出，家具制品的结构 强度设计自然地受到家具生产及研究单位的重视。而在进行家具结构强度设计 时，家具接点设计是最重要的一步。如果接点的强度不够，整个家具会很容易被 损坏。实际上由于家具的接点强度低而引起破坏的几率比其他因素要高得多，因 此科学地设计家具接点是相当重要的，这样家具在使用中才能安全承受外力作 4 用。因此，对于稻草板家具也应要研究其结构强度1 卜1 ”。 稻草板家具接合强度的影响因素很多，在本文中，主要集中研究偏心连接件 和圆榫这两个常用连接件的接合强度力学特性。通过研究寻求合理连接的规律和 改善接合性能的方法，以提高家具结构设计的规范化程度和家具结构强度，为稻 草板家具日后的批量生产和应用提供科学依据2 3 l 。 1 3 2 研究的主要内容 家具结构在很大程度上依赖接点的坚固和稳定性，接点就是两个或多个构件 接合到一起的部位。家具接点是由构件端部接合到一起的很短一段长度和把它们 连接起来的连接件( 榫或五金件) 或胶所组成，这样可以认为力从构件传递到接 点上，接点再把这些力依次传递和重新分配给家具框架中的其他构件。接点上所 承受的力由以下几部分组成：( 1 ) 沿着构件纵向轴线作用的轴向拉应力；( 2 ) 垂直 于构件纵向轴作用的横向剪力；( 3 ) 作用于构件上的弯曲和扭转力矩，处于纵向 轴线的平面内，或是对纵向轴线取力矩【l 。 接点处的受力很复杂，就三合一的偏心连接件而言，偏心体的外圆接触基材 的圆孔受力而拉紧家具板件；带机制螺纹的螺杆拧入预埋螺母，预埋螺母又与基 材进行嵌入式接合，这时螺母和基材的接合力就显得很重要，它将直接影响此接 点的力学强度。而圆榫的受力就相对简单，主要就是圆榫表面与构件预导孔内表 面的摩擦力，当它们接合采用胶时，则胶的粘合力就尤为重要，此时应考虑胶的 种类及其性能参数【2 5 2 9 1 。另外，板式家具的板件连接最常见的有“l ”型和“t ”型， 偏心件和圆榫在实现连接时，连接件品种、规格以及连接精度等都直接影响着连 接性能【2 5 1 。 本研究是在前人对家具接点力学特性的研究方法都已充分的基础上，结合稻 草板家具生产中的实际情况来进行的。综合上述几方面的考虑，针对偏心连接件 和圆榫，确定如下主要研究内容： ( 1 ) 预埋螺母的抗拔强度力学特性； ( 2 ) 圆榫的抗拔强度力学特性； ( 3 ) l 型与t 型接合点的力学特性。 2 预埋螺母的抗拔强度力学特性 2 1 尼龙预埋螺母的抗拔强度力学特性 2 1 1 试验材料 试验用基材有m d f 、p b 、m s bi 、m s bi i 等四种。它们的公称厚度均为1 8 m m ， 其中m d f 的密度为0 7 4 9 c m 3 ，静曲强度为2 5 1 3 m p a ：p b 的密度为o 7 5 9 c m 3 ， 静曲强度为1 2 5 7 m p a ；m s bi 的密度为0 7 2 9 c m 3 ，静曲强度为2 2 0 1 m p a ；m s bi i 的密度为0 8 1g c m 3 ，静曲强度为2 9 8 0 m p a 。( 其它性能参数见表1 1 ) 。预埋螺 母采用海福乐公司m i n i f i x 系列的0 3 9 3 2 0 5 0 型号尼龙预埋螺母( 图2 1 ) 。 2 1 2 试验方法 图2 1尼龙预埋螺母及其尺寸【3 0 1 ( 单位：m m ) 19 7 9 年和19 8 2 年北京木材工业研究所马耀驭等用拔出荷重、拔出比阻、破 坏弯矩和连接刚性效率等四项指标衡量五金连接件的力学性能【3 1 1 。其中用拔出 荷重和拔出比阻两个参数考察了预埋螺母的接合强度，即将连接件的预埋螺母置 入试件内，进行最大拔出荷重测定11 1 。计算拔出比阻公式如下： b = f h ( 2 1 ) 式中：b 一拔出比阻； f 一连接件拔出荷重； h 一连接件预埋螺母的嵌入深度。 本试验的目的是考察预埋螺母与稻草板等板材的接合规律，在预埋螺母的嵌 入深度不改变的情况下，最终寻求二者的最佳接合参数，因此参照p b 握螺钉力 6 的加载方法和马耀驭等的试验方法，结合本试验的目的与要求，采用如图( 2 - 2 ) 所示的预埋螺母极限抗拔力测试方法。 试件的尺寸为5 0 m m * 5 0 m m ，中心位置钻一个安装预埋螺母的导向孔。测试 前先将预埋螺母敲入导向孔内，务必使其上表面与基材表面齐平。再用十字起子 将螺杆拧入预埋螺母内，制作成待测试件( 图2 3 ) 。为了保证试验的准确性，安 装预埋螺母和螺杆时尽量垂直试件的表面进行。 图2 - 2 预埋螺母极限抗拔力测试原理图 2 5 1 预埋螺母 曩杆 图2 3 试件的尺寸及尼龙预埋螺母和螺杆的安装( 单位：r a m ) 预埋螺母的安装有过盈配合、膨胀、过盈配合与膨胀相结合等三种方法。无 论哪种方法，预埋螺母导向孔直径与预埋螺母外径的关系直接影响预埋螺母与基 材间的接合强度。用式( 2 - 2 ) 表示导向孔直径与预埋螺母直径的关系25 1 。 a = d d ( 2 2 ) ( 2 - 2 ) 式中：a 一导向孔直径与预埋螺母外径之比； d 一为导向孔直径； d 一为预埋螺母外径。 7 尼龙预埋螺母导向孑l 的深度为1 2 r a m ，导向孔的直径根据预埋螺母外径与设 定的a 值按公式( 2 - 2 ) 来确定。试验时通过更换不同直径的钻头得到不同的导 向孔直径。 根据预试验及钻头的规格，a 值取0 8 7 、 0 8 9 、0 9 1 、0 9 3 、0 9 5 五个等 级。四种板材分别进行了5 个a 等级的极限抗拔力测试。每种基材对应的每个a 等级重复进行6 次测试，取每次测试的最大抗拔力作为测试结果。 预埋螺母极限抗拔力测试用深圳市新三思材料检测有限公司生产的 c m t 6 1 0 4 型电子万能力学试验机进行( 图2 4 ) 。加载速度设定为1 0 m m m i n ，数 据采集精度为0 0 i n 。 图2 - 4 三思c m t 6 1 0 4 型电子万能力学试验机 2 1 3 试件破坏形式与分析 尼龙螺母从试件中拔出后，发现所有的尼龙预埋螺母只有轻微磨损，倒刺的 锐利边缘被刮坏，留下几个凹口，但凹口不大。试验中没有发现尼龙预埋螺母被 折断的现象( 图2 5 ) 。 譬黪嚆 图2 5 尼龙预埋螺母试验后破坏形式图2 - 6m d f 试件试验破坏形式 但是，对于不同的a 值和不同的基材试件来说，情况还是相差很大。图2 - 6 是当a = 0 9 5 时，m d f 试件试验后的情景，在孔径的周边有明显的隆起现象。通 过试验记录发现，隆起的程度随a 值的变小而增大，尤其当a = 0 8 9 ，0 8 7 时，基 材的隆起部位十分明显，已经发生剥离现象( 图2 7 ) 。图2 8 是m d f 试件试验 后的横截图，可以发现层与层之间明显的分离现象以及预埋螺母的刮擦痕迹。 蠹暖窝l 蠹 錾；i o ，毳 囊谚誓掣t 矿滋：l 图2 7m d f 试件剥离现象图2 8m d f 试件横截图 p b 试件有所不同，一方面隆起现象明显增强，另一方面它与m d f 相比隆起 的部分脆性较大，用手指轻碰易于脱落。图2 9 是当a = 0 9 1 时，试件试验后的 情况；图2 10 是a = 0 8 9 时，试件横截图，直观地看到p b 试件基材粗大的刨花 颗粒，几乎不见预埋螺母刮擦痕迹。从p b 的结构来看，板材结构明显有三层， 中间是粗刨花层，上下是细刨花层，因而压制时中间层紧密程度低于上下层的紧 密度，试验时能产生明显的隆起效果，甚至整个上层刨花被拉开( 图2 1 1 ) 。 图2 - 9p b 试件隆起现象图2 1 0p b 试件横截图 9 与m d f 和p b 相比，稻草板的颗粒密度低，在同等厚度和密度的情况下， 稻草板使用的胶粘剂和刨花的量要相对多些，因而在压制稻草板时，其紧密度相 对要高些。从试验情况来看，m s bi 试件的隆起几率大于m s bi i 试件。尤其是 m s bi i 试件，f l 值越大则隆起的程度越小，当a = 0 9 5 时，六个试件已经完全没有 了隆起现象的产生。m s bi 试件则不同，对于不同的f l 值都会产生隆起效果，同 时也是随着a 值的增大，隆起现象减弱。可见，稻草板密度越大，其板材的结构 越致密，越不易被破坏。图2 1 2 是m s bi 试件试验后的情况，在预导孔的周边 稍微有隆起现象，但是与m d f 和p b 相比，隆起的程度要小很多。图2 13 是 m s bi i 试件试验后的情况，预导孔周边的隆起现象不是很明显。图2 1 4 是m s bi 基材试件的横截图，可以清楚地看到预导孔内壁被刮擦得痕迹。与p b 一样的是 m s bi 、m s bi i 的结构也分三层，中间层的刨花大些，但紧密度要低于上下层， 因而预埋螺母被嵌入后能很好的发挥了倒刺的作用。 图2 1 2m s bi 试件试验破坏形式 图2 1 3m s bi i 试件试验破坏形式 图2 1 4m s bi 试件横截图 2 1 4 试验数据统计与分析 本试验采用单因素随机试验，试验因素a 值有五个水平，每水平重复六次， 用单向分组表示如下2 1 ( 以m d f 基材为例) 。 表2 1m d f 基材试件5 个a 值的抗拔力( n ) a 值 o 9 50 9 30 9lo 8 9o 8 7 最 7 1 7 8 8 49 2 0 3 8 l8 8 0 6 1 76 9 1 9 27 6 i 5 6 7 大 7 9 1 5 78 2 8 0 8 89 5 1 9 2 29 0 5 4 5 19 3 1 0 3 l 抗 7 8 5 7 2 8 8 5 3 9 5 68 8 2 8 2 9 9 5 3 4 37 0 4 0 8 5 拔 7 1 2 7 1 68 5 4 9 4 l8 4 4 4 5 98 6 6 3 8 57 3 3 3 1 9 力 7 4 6 9 57 8 3 8 5 27 7 9 6 6 99 4 3 2 6 78 2 3 7 1 2 ( n ) 6 7 6 2 2 18 6 4 0 5 38 8 1 3 3 89 4 6 3 2 l9 7 4 0 1 6 y 4 4 3 1 0 6 95 1 0 5 2 7 15 2 2 0 8 3 45 3 0 6 7 7 44 9 2 7 7 3 2 4 9 9 1 6 8 ( y ) y i 7 3 8 5 11 58 5 0 8 7 8 58 7 0 1 3 98 8 4 4 6 3 58 2 1 2 8 8 3 8 3 3 0 5 6 2 ( y 1 注：y 一为试验总和；萝为试验平均。( y - 、了一可用e x c e l 软件求出) 3 2 - 3 4 利用d p s 软件( 数据分析软件) 对试验数据进行方差分析，观察不同a 值 对极限抗拔力是否有显著的效应，结果见表2 2 。 表2 2 不同a 值对最大抗拔力影响的方差分析表 变因 平方和 自由度均方f 值 p 值 f a 处理间8 0 4 7 5 9 6 4 2 0 118 9 93 4 3 7 o 0 2 2 7 处理内 l4 6 3 5 6 72 55 8 5 4 2 6 8 总变异 2 2 6 8 3 2 72 9 f o o i ( 4 ，2 5 ) = 4 18 f o0 5 ( 4 ，2 5 ) 2 2 7 6 注：+ 表示在0 0 5 显著水平上显著，幸表示在0 0 l 显著水平上显著。f o 0 1 ( 4 ，2 5 ) ，f o 0 5 ( 4 ，2 5 ) 的值查f 检验临界值表。p 值为试验误差几率( ) 。 方差分析表明a 值对极限抗拔力有显著的影响( 试验方法正确) 。再次利用 d p s 进行多重比较显著性水平分析( d u n c a n 测验法) ，确定哪两两处理间有显著 差异，结果见下表。 表2 3多重比较显著性水平分析 处理 均值( n ) 5 显著水平 1 极显著水平 a = 0 8 9 8 8 4 4 6 3 5aa a = 0 9 l8 7 0 1 3 94a b a = 0 9 38 5 0 8 7 8 5aa b a = 0 8 78 2 1 2 8 8 3 a ba b a = 0 9 57 3 8 5 l1 5西b 注：大写字母表示1 极显著水平，小写字母表示5 显著水平；字母相同时表示此区间 差异不显著，字母不相同时表示此区间差异显著。 9 0 0 z 逍8 5 0 ：卦 8 0 0 蠢7 5 0 蝠7 0 0 鹾 肇6 5 0 ， 1 1 0 8 70 8 9 0 9 10 9 30 9 5 a 佰 - 卜m d f 图2 15尼龙预埋螺母的极限抗拔力与a 值得关系( m d f 基材试件) 1 2 考虑1 极显著水平，a = 0 8 9 与a = 0 9 5 差异显著，而a = 0 8 9 ，a = 0 9 1 ，a = 0 9 3 和a = 0 8 7 四者之间差异不是很显著；同时，a = 0 9 5 ，a = 0 9 1 ，a = 0 9 3 和a = 0 8 7 四者之间差异不是很显著。考虑5 显著水平，a = 0 8 9 ，a = 0 9 1 ，a = 0 9 3 与a = 0 9 5 差异显著，而a = 0 8 9 ，a = 0 9 1 ，a = 0 9 3 和a = 0 8 7 差异不显著，同时，a = 0 9 5 与a = 0 8 7 差异不显著。采用m d f 基材，当a 值介于0 8 9 0 9 1 时，抗拔力相对较大( 图 2 15 ) 。但当a 值在0 8 9 附近时，其抗拔力取得最大值的置信度最高。 利用d p s 软件对m d f 、p b 、m s bi 、m s bi i 四种基材试件在不同a 值下的 最大抗拔力进行方差分析，结果见表2 4 。 表2 4四种基材试件的不同a 值对最大抗拔力影响的方差分析表 板材类型变因平方和自由度均