一种结构木材力学性能的机械分等方法和设备

摘要

本发明提供一种结构木材力学性能的机械分等方法，其是让被测的结构木材通过一个检测通道，在通道中，让所述被测结构木材出现恒定的弹性变形，测得相应的施加载荷，或者施加恒定荷载于被测结构木材上，测得其相应的变形，再将所测得的数据通过测力传感器传输到计算机系统，算出该结构木材的抗弯弹性模量的数据，将该数据与设定的数据分级组进行比对，对被测结构木材做出强度分级，并将该分级结果输出。本发明提供的设备其包括一机架上的通道，通过固定传动辊装置和移动传动辊装置形成该通道并形成至少三个支座，构成两个测力区域，在每个该测力区域的中间位置的设备机架上固设一施力装置。通道上还设有相应的传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及木材无损检测技术领域，涉及一种结构木材力学性能检测方法，尤其提供一种无损的结构木材力学性能机械分等方法；本发明还提供上述方法中使用的设备。

技术背景

随着国民经济的发展和生活水平的提高, 人们更加注重居住环境的舒适性和建筑物功能的齐全性, 对木结构房屋的需求也逐年增加，从而加快了我国木结构建筑的发展。结构木材是随着建筑业对承载构件的需求而发展起来的，与普通木材相比，结构木材在产品的物理力学性能及生产工艺方面也存在着较大差异，最重要的是用于建筑结构的木材要有工程设计值。结构木材是由若干个锯材胶合而成，主要可作为体育馆、音乐厅、厂房、住宅等建筑物的木结构梁柱、工字梁、弯曲梁、桁架等承载构件。这样的用途对于结构木材的机械性能的要求就比较严格。

结构木材与其它材质的结构材不同，同样外形的结构木材，其力学性能可能相差很大，在使用时最好逐件检测应力等级，以保证施工质量。对于大量的构件应力等级的检测分类，使用常规的应力试验机进行检测是不现实的。而现有技术中所使用的目测法又是不科学、不准确的，由此就希望能够有一种效率高、分级准确的结构木材应力机械分等的方法和设备。

目前国产结构板材生产技术、产品标准仍处于研究阶段，尤其是关键分等检测设备还是空白，无法满足木结构建筑市场对国产木质结构板材用量的需求，更无法为其提供安全和可靠的科学数据。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术的不足，提供一种能够无损测量结构木材力学性能的机械分等的方法。

本发明的另一个目的在于提供上述方法所用的机械应力分等设备。

本发明的目的是这样实现的：

一种结构木材力学性能的机械分等方法，其是一种无损检测方法，让被测的结构木材通过一个检测通道，在该检测通道中，使得所述结构木材即在不破坏的情况下，通过让所述被测结构木材出现恒定的弹性变形，测得相应的施加载荷，再将所测得的数据通过测力传感器传输到计算机系统，算出该结构木材的抗弯弹性模量的数据，将该数据与设定的数据分级组进行比对，对被测结构木材做出强度分级，并将该分级结果输出；或者施加恒定荷载于被测结构木材上，测得其相应的变形，通过位移传感器，测得恒定载荷下不同的位移数据，再传输到计算机系统，算出该结构木材的抗弯弹性模量的数据，将该数据与设定的数据分级组进行比对，对被测结构木材做出强度分级，并将该分级结果输出。

本发明提供的结构木材力学性能的机械分等方法具体的可以是：

在如下分等设备中进行机械分级：该设备包括一机架，在该机架上设置一通道，该通道与待测结构木材断面形状和大小相匹配，在该通道上设输送机构，使得所述结构木材在该通道中移动；在该通道中设置至少三个支座，每两个相邻的支座之间构成一个测力区域，共设置两个所述测力区域，在通道长度方向上位于每个该测力区域的中间位置的设备机架上固设一施力装置；

该施力装置可以是一测力压辊，其固定在所述机架上，其测力端的端面比测力压辊同一侧的通道侧壁伸入通道一设定距离，在相对的通道侧壁则向外扩张一相应的距离，以此让所述结构木材产生相应的设定变形，在该测力压辊上设置一测力传感器，获取测力压辊施加到所述结构木材上的力的数值；

待测结构木材置于所述通道中，在所述输送机构带动下移动，在两个所述测力区域中，所述施力装置在所述结构木材的相对的两个侧面上先后施力，使得所述结构木材先后产生方向相反的设定弹性变形，所述测力传感器采集到施力值。

所述方法中，还可以包括在所述结构木材上打印分级标记的步骤，将所述分级结果的信号传送到一打印设备上，在所述检测通道的两个所述测力区域后面的位置上设置所述打印设备，在通过该位置的结构木材上打印分级标记。

在结构木材工业化生产中，木材的分等检测不仅要考虑木材树种、木材的几何尺寸、含水率、密度、年轮宽度、纹理斜度等因素，还要综合考虑木材的加载方式、运动速度、作用力、位移量等控制参数，以及设备振动、环境温湿度等因素的影响，通过建立结构木材的强度与抗弯弹性模量的对应关系，实现结构木材质量控制和快速分等。

上述方法可以在如下设备中实施：

一种结构木材力学性能的机械分等设备，其包括一机架，在该机架上设置一通道，在该通道上设固定传动辊装置，即输送机构和移动传动辊装置，两者在通道相对的两个侧壁上设置构成支座，使得所述结构木材在该通道中移动；在该通道中设置至少三个所述支座，每两个相邻的支座之间构成一个测力区域，共设置两个所述测力区域，在通道长度方向上位于每个该测力区域的中间位置的设备机架上固设一施力装置；

该施力装置是一测力压辊，其设置在所述机架上，其测力端的端面比测力压辊同一侧的通道侧壁伸入通道一设定距离，在相对的通道侧壁则向外扩张一相应的距离，以此让所述结构木材产生相应的设定变形，在该测力压辊上设置一测力传感器，获取测力压辊施加到所述结构木材上的力的数值；

在所述通道中还设有用于感知结构木材端头到达的位置传感器，设置位置传感器的位置包括有：所述通道的入口处；所述通道上第一个测力区域中后一个所述支座的后侧和所述通道上第二个测力区域中后一个所述支座的后侧。

所述输送机构可以是传动辊装置，或者是传送带装置。

所述输送机构优选为：在所述机架上固设至少三组固定传动辊，每组传动辊通过传动带连接，每组传动辊中的一个作为主动辊通过传动带连接一电机；在所述通道中与所述传动辊相对的一侧的机架上垂直于所述通道移动地设置移动传动辊装置，该移动传动辊装置包括一支架，在该支架上可转动地设置若干传动辊与所述固定传动辊相对应，该支架连接一直线运动机构。

所述直线运动机构可以是一气缸装置。

所述直线运动机构为一气缸装置，其为双气缸装置，即是由两个气缸并联在一起。

所述固定传动辊和所述移动传动辊装置在所述通道中上下侧面对应设置，或者左右侧面对应设置。

该外扩的通道侧壁是：在该施力装置包括所述测力压辊，还包括一个固定辊子排，固定在所述机架上，与测力压辊对应，该固定辊子排具有一框架，在该框架上沿通道长度方向排列，可转动地固设若干辊子，中间的辊子相对于通道的侧壁向外伸出，两边的辊子渐次向内，两端的辊子与通道侧壁平齐，由此辊子排与加压辊共同形成结构木材弯曲设定的变形量间距，该辊子排的长度与两个支座之间的间距匹配；或者，

在所述通道中一些位置上还设有用于感知结构木材端头到达的位置传感器：所述通道的入口处设有第一组位置传感器，所述通道上第一个测力区域中后一个支座的后侧设有第二组位置传感器，所述通道上第二个测力区域中后一个支座的后侧设有第三组位置传感器。第一组位置传感器给出所述结构木材进入通道的信号，第三组位置传感器给出所述结构木材离开通道的信号。针对同一结构木材，第一、二组位置传感器同时有效时，拾取第一测力传感器上的信号数据；第二、三组位置传感器同时有效时，拾取第二测力传感器上的信号数据。

进一步地，在所述通道上还设有振动传感器，其为感应振动速度、频率或加速度等。所起到的作用是，当该通道中由于结构木材的移动产生的振动超过设定值，则可以通知操作者，此时测出的应力数据要删除，不能用。

本设备上还可设置测速传感器，放置于从动辊或从动辊连接的齿形带轮上，用于检测结构木材的移动速度。还可以设置温湿度传感器，用于监控环境的温度和湿度。

在所述通道的两个所述测力区域后面的一个位置上设置一打印设备，该打印设备的打印头朝向置于该通道上被测结构木材经过的路径。

本发明提供的结构木材力学性能的机械分等方法和分等设备，实现了对于结构木材快速、准确的力学性能检测，通过应力分等可以优选出不同强度等级的木材，用于木结构建筑设计和结构材制造，达到适才适用，确保建筑的安全性，也可以做到优材优用。

与传统的目测分等方法相比，机械分等可检测目测分等方法比较难辨别的地方，如局部的纤维倾斜和低密度部分等，可快速和准确地评价木材的力学强度，使得木材分等能够实现自动化和规模化，提高结构木材的生产效率。

本发明提供的结构木材力学性能的机械分等方法和设备能够准确测量结构材强度性能的检测步骤，可以有效避免由于锯材含水率、密度、温度、振动等因素发生变化造成的测量误差。

下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明提供的结构木材力学性能的机械分等设备原理图。

图2为本发明提供的结构木材力学性能的机械分等设备结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明提供的结构木材力学性能的机械分等方法，其是让被测的结构木材通过一个检测通道100，在该检测通道100中，使得所述结构木材在不被破坏的情况下，出现恒定的弹性变形，测得相应的施加载荷，再将所测得的数据通过测力传感器传输到计算机系统200，算出该结构木材的抗弯弹性模量的数据，将该数据与设定的数据分级组进行比对，对被测结构木材做出强度分级，并将该分级结果输出。

如图1所示，上述方法所使用的设备为：在所述通道100中的上侧沿通道的长度方向设置三组所述固定传动辊装置300，三组固定传动辊装置中设置的各个电机同步运行，使得三组固定传动辊装置中的传动辊同步转动；在该通道100的下侧与所述固定传动辊装置对应处设置三组所述移动传动辊装置400，作为所述直线运动机构的三个气缸装置同步运行。

在该通道中设置至少三个支座，每个支座通过一个固定传动辊装置300和一个移动传动辊装置400构成。每两个相邻的支座之间构成一个测力区域，共设置两个所述测力区域，在通道长度方向上位于每个该测力区域的中间位置的设备机架上固设一施力装置500；

具体地，本发明提供的结构木材力学性能的机械分等设备参见图2，该设备包括一机架24，在该机架24上设置所述通道，该通道与待测结构木材断面形状和大小相匹配，在该通道上的该设备的机架24上，沿长度方向顺序排列三台输送机构2构成前述的固定传动辊装置，使得所述结构木材在该通道中移动；还设有三套由气缸、夹紧支撑辊等组成的移动传动辊装置。固定传动辊装置和移动传动辊装置构成了三个支座，也形成了所述通道。

所述固定传动辊装置也可称为输送机构，其优选具体方案为：在所述机架24上固设至少三组固定传动辊装置，每组固定传动辊装置中包括一个主动辊7、一变频电机10和若干个从动辊8，各个从动辊沿通道长度方向排成一条直线可转动地设置在机架24上固定的一支架3上，主动辊7连接设置在机架24上的变频电机10的输出轴上，主动辊7通过齿形带带动带有齿形带轮的从动辊8转动。变频电机10具有独立的风机冷却，可以避免低转速下电机的散热不足。

所述支座为在所述通道中与所述固定传动辊装置相对的一侧的机架上垂直于所述通道移动地设置所述移动传动辊装置，或称为夹紧支撑机构25，每个夹紧支撑机构25包括一支架16，在该支架16上可转动地设置若干传动辊，也可称其为夹紧支撑辊27，与所述固定传动辊上下相对应，该支架16连接一直线运动机构。其是一气缸装置28。在气缸装置28的活塞杆上设有一导向板29，该导向板29嵌设在支架16上设置的一导槽中。

双气缸28，可以是由两个气缸并联在一起，由此来支撑夹紧支撑辊27，既保证支撑结构的稳定性，实现木材的快速测试和高输送速度，又避免气缸28上下伸缩浪费的时间，提高了木材测试的工作效率。

一个支架16上的三个夹紧支撑辊27可以是沿通道长度方向排成一条直线设置一个框架上，该框架设置在气缸活塞上。启动气缸装置28，使得三个夹紧支撑辊27一起向上，到达与前述固定传动辊装置中的从动辊8间距为设定值即可。

在移动传动辊装置上还设有一气缸限位机构：在气缸活塞杆上，或与之连接的支架16上设有限位杆91，在机架24上固设一限位件9，限位杆端头和限位件之间的间距即为气缸运行到支撑木材的上限。启动气缸28，使得限位杆91抵在限位件9。为了使用各种规格的结构木材，限位件的高度应该为可调的，可以在限位件9上设置一螺钉，通过旋转螺钉，使得螺钉帽即限位面的高度可调。为了快速调整木材定厚间距，可以在限位杆端头设有一可更换的厚度垫32。

该施力装置可以是包括载荷测试装置支架19，固定在机架24上，在该支架19上的端部即测力端为一个加压辊18，可转动地固定在一载荷测试装置支架19上。加压辊18的端面比载荷测试装置同一侧的通道侧壁即夹紧支撑辊27或主动辊7和从动辊8的端面伸入通道一设定距离。

在相对的通道侧壁则向外扩张一相应的距离，以此让所述结构木材产生相应的设定变形，该外扩的通道侧壁可以是：在该施力装置还包括一测力压辊，其包括一个固定辊子排5，固定在所述机架24上，与加压辊18对应，该固定辊子排具有一框架，在该框架上沿通道长度方向排列，可转动地固设若干辊子，中间的辊子相对于通道的侧壁向外伸出，两边的辊子渐次向内，两端的辊子与通道侧壁平齐，由此辊子排与加压辊共同形成结构木材弯曲设定的变形量间距，该辊子排的长度与两个支座之间的间距匹配。

其测力端为一个加压辊18，可转动地固定在一载荷测试装置支架19上，在支架19上设置测力传感器22，在另一测力压辊上设置一测力传感器4，获取测力压辊施加到所述结构木材上的力的数值。

测力传感器安装在载荷测试装置里，与加压辊一起可以看做是电子秤，木材通过时，加压棍子受到力的作用，相当于在电子秤上放了重物，电子秤就会显示出物体有多重，也就是说，测力传感器显示出加压辊施加多大的力。

待测结构木材置于所述通道中，在所述输送机构带动下移动，在两个所述测力区域中，所述施力装置在所述结构木材的相对的两个侧面上先后施力，使得所述结构木材先后产生方向相反的设定弹性变形，所述测力传感器采集到施力值。

测力端的加压辊18的上下位置也可以进行微调，该加压辊18可转动地设置在载荷测试装置支架19上，该支架19可上下移动地设置在机架24上，机架24和支架19之间设置一螺旋机构6，通过调节该螺旋机构6即可调节加压辊与下面的固定辊子排5之间的间距，从而调节施力的大小。

所述固定传动辊装置中的从动辊8以及所述夹紧支撑辊27装置在所述通道中上下侧面对应设置。

所述固定传动辊装置和移动传动辊装置也可以相对地在通道的左右侧面对应设置，对于结构木材的左右两个侧面施力测试，这样测试，还可以减少部件或结构木材自重的影响。

在所述通道中一些位置上还设有用于感知结构木材端头到达的位置传感器，设置位置传感器的位置包括有：

所述通道的进料口1处，该处的位置传感器31给出所述结构木材进入通道的信号；

所述通道上第一个测力区域中后一个支座的后侧和所述通道上第二个测力区域中后一个支座的后侧设置位置传感器23和位置传感器17，该处的位置传感器给出所述结构木材已经在相应测力区域就位，能够拾取此刻测力传感器上的数据的信号。

在所述通道中一些位置上还设有用于感知结构木材端头到达的位置传感器：所述通道的入口处设有第一组位置传感器31，所述通道上第一个测力区域中后一个支座的后侧设有第二组位置传感器23，所述通道上第二个测力区域中后一个支座的后侧设有第三组位置传感器17。第一组位置传感器31给出所述结构木材进入通道的信号，第三组位置传感器17给出所述结构木材离开通道的信号。针对同一结构木材，第一、二组位置传感器同时有效，即同时检测到有木材时，计算机系统拾取第一测力传感器上的信号数据；第二、三组位置传感器同时有效时，拾取第二测力传感器上的信号数据。

进一步地，在所述通道上还设有振动传感器，其为感应振动速度、频率或加速度等。所起到的作用是，当该通道中由于结构木材的移动产生的振动超过设定值，则可以通知操作者，此时测出的应力数据要删除，不能用。振动传感器可以设置在施力装置上，例如设置在载荷测试装置支架16上的振动传感器22。

本设备上还可设置测速传感器30，其设置在每个输送机构的从动辊齿形带轮上。用于检测结构木材的移动速度。还可以设置温湿度传感器26，用于监控环境的温度和湿度。

在所述通道的两个所述测力区域后面的一个位置，例如通道出口处设置一喷码装置12，该喷码装置12上连接一管路，管路上设置喷嘴14，在该管路上设置电磁阀13,。该喷码装置连接一打印设备，作为该打印设备的打印头的喷码装置朝向置于该通道上被测结构木材经过的路径。

在机架24上还设有压力罐15，连接几个夹紧支撑机构25的气缸28。

设备启动后，首先夹紧机构中的气缸28将夹紧支撑辊27沿导向板29提升到固定位置，夹紧支撑辊27与主动辊7及从动辊8之间形成一定间距，上下间距略小于木材厚度，以保证被测试木材在上下传动辊的带动下能够顺利通过。上下间距大小可以根据被测试木材的厚度由调整螺栓组9保证。三个输送机构2之间的距离，形成了两个测试跨度，即两个测力区域，在每个测试跨度中间设有载荷测试装置20。当经过锯切后具有一定规格尺寸的木材由进料口1进入，在输送机构2中变频电机10的驱动作用下，依次通过三个输送机构即输送单元。载荷测试装置20中第一组固定辊子排5与相邻的输送机构2中的传动辊呈凹形角度的辊子面，即多个辊子排在一起，形成的表面呈导向通过结构。当木材通过前半部分的固定辊子排时，随着凹形角度的变化，木材会出现一定弧度的变形，木材变形力的大小通过加压辊18由测力传感器4纪录，载荷测试方向由上至下。再当木材通过第二组的固定辊子排5时，随着凹形角度的变化木材会出现一定弧度的变形，木材变形力的大小通过加压辊18由另一测力传感器22纪录，载荷测试方向由下至上。实现木材从上下两个方向受力，测试值取每块木材在两个跨度下弯曲所需力的平均值以消除木材重量与直线度偏差的影响，保证木材测试的全面性。

由于木材输送速度较快，最快达300m/min，势必对设备机架24造成冲击和振动，振动传感器21将纪录设备的振动状况，若振动过大，需重新调整设备和木材输送速度等参数以保证载荷测试的准确性。温湿度传感器26纪录环境的温湿度，以保证测试数据的准确性。测速传感器30位于齿形带轮组11上，用于保证变频电机10输出转速。位置传感器17分三组安装在设备输送线上，分别检测木材的不同位置，当第一组检测到木材进入时，开始启动记录前半部分的载荷测试；当第二组检测到木材通过前半部分的载荷测试后，开始启动记录后半部分的载荷测试；当第三组检测到木材通过后半部分的载荷测试后，开始启动喷码系统12打印检测后木材的不同等级。

为了保证木材输送的速度均匀，同步进料速度，即要确保三个输送单元主动辊7速度的同步性，因此，可采用一台变频器同时驱动三台变频电机10。

输送机构中电机与主动辊和从动辊之间采用同步齿形带传动，整机结构紧凑、传动比准确、耐冲击振动好、运行平稳，适合于负载小、振动大的木材测试机床。

本发明提供的结构木材的进料和加载方式，即整体浮动式结构，每组夹紧支撑单元通过双气缸28，即两个气缸并联在一起，由此来支撑夹紧支撑辊27，既保证支撑结构的稳定性，实现木材的快速测试和高输送速度，又避免气缸28上下伸缩浪费的时间，提高了木材测试的工作效率；

本发明提供的设备，可以方便地根据木材定厚间距调整上下传动辊的间距。木材厚度的变化由前述限位装置完成。调整螺栓即限位件9和限位杆91之间的间距，上下间距略小于木材厚度，以保证被测试木材顺利通过。上下间距大小可以根据被测试木材的厚度由厚度垫32保证。

    在本发明中，三组位置检测，有利于工艺流程。 

第一组光电传感器，即位置传感器31，用于统计锯材的数量，区分不同锯材的信息。第一组和第二组光电传感器，即位置传感器31和位置传感器23同时动作，用于确定载荷测试装置中第一组加载是否有效，当两传感器都有信号时，第一组加载有效；第二组和第三组光电传感器，即位置传感器23和位置传感器17，用于确定载荷测试装置中第二组加载是否有效，当两传感器都有信号时，第二组加载有效。

本发明的设备中增加温湿度传感器，事先可以预定含水率、温度、振动等因素在一定范围内测得的数据有效，如果这几个因素不符合，该次测量失效。可以准确测量规定环境下的结构木材强度性能，对环境和木材温湿度影响的测试，有以下优点：  

1）环境温、湿度：作为辅助环境参数，供参考，亦可对测量结果进行修正。

2）木材湿度：作为测量参数，对测量结果有影响，可用作对结果进行修正。

本发明的设备中设置振动传感器，判断设备是否运转正常，可减小振动误差。

    本发明的设备中设置测速传感器30，可实现闭环控制，通过光电检测模块和外置处理器能够精确测出变频电机的转动方向和速度，减少带传动产生的传动误差，最大限度的保证控制精度和可靠性。

本发明配合与本设备中的电机、气缸驱动机构和各个传感器信号连接的控制机构，例如信号采集卡和信号处理、放大、滤波装置，可以实现自动测量自动采集作用力、位移量、振动、温湿度等参数，从而保障测试的高精度和高稳定性。而这些实现自动测量、自动采集的装置，以及通过电脑进行计算和与设定数据进行比较，均为现有技术，此处不再赘述。

本结构木材力学性能的机械分等方法和设备还可以是设定施力大小，检测结构木材的变形量，从而得出弹性模量等力学性能。可以在施力作用点的通道上设置位移传感器，获得位移数据。在前述实例中，区别只是在于设置相应的传感器，其它结构可以基本不改变即可实现。