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实木家具结构中圆棒榫的强度分析

发布于:2022-05-16 21:41
强度分析

      传统的实木家具主要采用直角榫与燕尾榫等接合方式,生产工艺复杂,在榫头加工过程中材料损失较严重。如能够利用圆棒榫部分或全部取代,则可有效地提高生产效率,并降低生产成本。但目前国内对圆棒榫的力学行为研究较少。圆棒榫应用在实木家具中的安全性,主要以抗拔力及抗剪强度、抗弯强度等力学指标来评价。本文主要从圆棒榫的抗拔力、抗弯强度、抗剪强度等方面进行相应强度分析,探讨圆棒榫在实木家具结构中应用的可行性,及应用中应当注意的主要问题。
      圆棒榫的表面有多种形式,如光面、直纹、螺旋纹、网纹等,一般以螺旋纹形式的连接强度为佳,且目前市场上最常用。加工圆棒榫的木材要求密度大、纹理直、无节、少缺陷,主要用材质较的阔叶树材,如桦木、色木、柞木、水曲柳等。圆棒榫含水率一般比连接构件低2%~3%,通常小于7%。圆棒榫直径通常为连接构件厚度的2/5~1/2,长度为直径的3~4倍,尺寸推荐规格见表与之接合构件内部的榫眼深度,应比圆棒榫插入部分的长度大0.5~1.5 mm,以容纳多余的胶液及压缩空气,同时还可在一定程度上降低机械加工时的加工精度,提高工效;为了便于安装,其端部常有45°倒角。对于用作固定结合的圆棒榫,一般采用过盈配合,过盈量为0.1~0.2 mm;双面涂胶,常用胶种按接合强度由高到低有:75%UF+25%PVAc混合胶、UF树脂胶、PVAc胶、动物胶等。
      以合肥市场上的一款核桃楸实木餐桌为例(见图1),高度760 mm,桌面长度1350 mm,宽度850 mm,厚度为30 mm,桌腿相对桌面内缩量为50 mm;望板基材为核桃楸(黑龙江朗乡),厚度30 mm,高度70 mm,气干密度0.528 g/cm3,顺纹抗剪强度10.0 MPa,抗弯强度87.0 MPa。望板与桌腿部以双圆棒榫连接,使用UF胶,配合间隙为0.127 mm。圆棒榫材料为黑龙江带岭产白桦,气干密度0.607 g/cm3,顺纹抗剪强度7.8 MPa,抗弯强度87.5 MPa,直径14 mm,螺旋纹长度50 mm。结合合肥气候及试验室积累含水率数据,取家具均衡含水率为12%。为检验圆棒榫接合的安全性,对其抗拔力、抗弯强度及抗剪强度进行相应有限元分析
      J.L.Jensen等的试验反映了类似的影响趋势,如图2所示,说明应从圆棒榫直径、插入深度、材料的顺纹抗剪强度及胶黏剂等方面来提高其抗拔力。当圆棒榫与被连接材料确定后,圆棒榫端面的抗拔力要大于侧面,所以主要考虑侧向抗拔力。将图1中数据代入公式1可知:图2圆棒榫尺寸与抗拔力的关系此抗拔力大于国家标准GB/T 10357.1-1989《家具力学性能试验桌类强度和耐久性》中水平静载荷试验水平5级900 N的要求,由此可见,双圆榫连接的抗拔力完全能满足使用要求。按照GB/T 10357.1-1989,桌面水平静载荷试验水平4级,所加载荷为2×300 N,则地面水平F水平=150 N,F水平在圆棒榫形成的力矩为108 N m,小于圆棒榫能够提供的抗破坏弯矩。若取掉面板,让载荷P直接作用于水平望板,以检验两端圆棒榫的接合性能。


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