鋼卷木托架墊木材料承載特性及其影響因素研究*

王洪光，林 威

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 201900；2.燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066004)

0 引言

根據(jù)不同用戶的加工生產(chǎn)需求，鋼卷的包裝形式分為臥式、立式以及板包。對于鋼卷立托架墊木所使用的材料而言，在滿足鋼卷運(yùn)輸過程中的靜載強(qiáng)度及吊運(yùn)過程中的沖擊載荷強(qiáng)度要求之外，也應(yīng)當(dāng)保證墊木在堆垛時(shí)所受靜載荷下的蠕變量能夠滿足用戶的正常存儲(chǔ)運(yùn)輸要求。國內(nèi)外學(xué)者對于木材在恒載作用下蠕變量的研究主要偏重于簡化蠕變量測量方法及對部分影響因素對比分析的研究，比較典型的有：刁林海等給出了通過應(yīng)變測量獲取木材蠕變特性的原理和方法[1，2]；Hsieh Tai-Yun等分析了水和溫度對木材蠕變的影響[3]；Sun Nanjian等提出了干木的蠕變模式時(shí)間、溫度研究對木質(zhì)部聚合物行為的影響[4]；盧寶賢等根據(jù)蠕變特性曲線測得了幾個(gè)蠕變量模型的各個(gè)參數(shù)[5]。如何在現(xiàn)有方案及蠕變模型的基礎(chǔ)上，建立能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)該實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建立影響鋼卷墊木材料在當(dāng)前環(huán)境參數(shù)下的蠕變量模型，驗(yàn)證鋼卷立托架在極端環(huán)境下是否滿足特定時(shí)間內(nèi)的蠕變極限，本文研究即在此背景下展開。

1 鋼卷木托架墊木承載特性分析

鋼卷運(yùn)輸過程中立托架承載狀態(tài)如圖1所示。立式鋼卷經(jīng)過行車吊運(yùn)將同種型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行堆放，在堆放的過程中，底層立托架墊木不但承受上層鋼卷所產(chǎn)生的靜載荷，還要承受吊運(yùn)下放過程中產(chǎn)生的沖擊載荷，此外由于立托架形狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則受力情況復(fù)雜，底層立托架墊木除了要滿足存儲(chǔ)過程中動(dòng)載荷承載要求，在靜載荷作用下墊木蠕變量還應(yīng)當(dāng)能夠滿足后續(xù)運(yùn)輸生產(chǎn)要求。

圖1 鋼卷運(yùn)輸過程中立托架承載狀態(tài)

2 鋼卷木托架墊木承載特性試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的制定

本文研究的目的是為驗(yàn)證立托架在實(shí)際承載過程中，墊木高度受各種因素變化的影響，但由于托架規(guī)格較多且尺寸較大，整體實(shí)驗(yàn)相對復(fù)雜。因此，先根據(jù)木托架典型受力情況，研究墊木所用材料五椏果的力學(xué)性能，及其在不同條件下的蠕變特性曲線。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理與試樣制備

由于壓力機(jī)的壓頭尺寸有限，而木托架的墊木尺寸長寬高過大，因此不能把整個(gè)木托架放到壓力機(jī)上，木托架墊木單位所受壓力σy(MPa)計(jì)算公式為：

(1)

其中：c為堆放層數(shù)；MG為鋼卷重量，kg；ML為立托架重量，kg；Ldc為墊木長度，mm；Kdk為墊木寬度，mm。

為簡化受力情況，根據(jù)木托架墊木加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知實(shí)際受力只有邊腳墊木，根據(jù)試樣尺寸結(jié)合木托架單位面積所受壓應(yīng)力，設(shè)定壓力機(jī)對試樣施加的壓力。墊木蠕變實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 墊木蠕變實(shí)驗(yàn)原理

2.3 實(shí)驗(yàn)研究

為了定量分析立托架堆放過程中各影響因素對墊木材料蠕變特性的影響，分別對不同條件下的墊木材料蠕變量隨承載載荷、含水率、缺陷的變化趨勢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，對比其在不同工況下的蠕變特性。

2.3.1 實(shí)際載荷實(shí)驗(yàn)

在木托架墊木試樣的含水率為23.5%、施加載荷為12.54 kN情況下，得到五椏果的壓縮特性曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，五椏果材料的蠕變量變化過程中會(huì)出現(xiàn)蠕變速率變化的現(xiàn)象，但變化后的蠕變速率仍然為一常數(shù)。這是由于五椏果材料在承載方向上橫紋、順紋分布不均勻且密度不一致導(dǎo)致的。

圖3 五椏果許用載荷壓縮特性曲線 圖4 五椏果不同含水率壓縮特性曲線 圖5 五椏果極限載荷壓縮特性曲線

2.3.2 含水率對比實(shí)驗(yàn)

在木托架墊木試驗(yàn)載荷為12.54 kN、不同含水率情況下，得到五椏果的壓縮特性曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，在含水率增大時(shí)，五椏果的彈性蠕變量和蠕變速率均會(huì)增加，這是由于當(dāng)前含水率已經(jīng)超過五椏果材料的纖維飽和點(diǎn)，降低了五椏果材料的抗壓性能，使得彈性蠕變量和蠕變速率增大。

2.3.3 極限載荷對比實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定五椏果蠕變量與極限載荷的關(guān)系，對木托架墊木試樣分別施加12.54 kN、25.08 kN、43.89 kN載荷，得到的壓縮特性曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著載荷的增加，五椏果材料的彈性蠕變量和蠕變速率均會(huì)增加，當(dāng)載荷超過五椏果材料的屈服應(yīng)力時(shí)，蠕變速率極大增加，并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞。

2.3.4 缺陷對比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定缺陷對墊木壓縮蠕變特性的影響，選取含水率為56%的試樣，施加12.54 kN載荷，得到有、無蟲眼缺陷的五椏果試樣壓縮特性曲線如圖6所示。

圖6 五椏果存在缺陷與否壓縮特性曲線

由圖6可以看出，五椏果材料存在缺陷時(shí)，并未增加彈性蠕變量，但是增加了其蠕變速率。

3 蠕變模型的建立

本部分以開爾文鎖作為基本蠕變模型，在實(shí)驗(yàn)測得蠕變特性曲線模型的基礎(chǔ)上，求得五椏果木材各個(gè)參數(shù)，通過參數(shù)影響系數(shù)分析，建立一個(gè)適合于根據(jù)環(huán)境參量預(yù)測鋼卷墊木蠕變?nèi)崃康哪Ｐ停?/p>

(2)

其中：J0為蠕變彈性柔量，cm2/N；χh0為含水率對蠕變彈性柔量影響系數(shù)；t為壓縮時(shí)間，min；η0為粘滯阻尼，N/(cm2/min)；ξqx為缺陷對蠕變速率影響系數(shù)；τi為開爾文體達(dá)到平衡的時(shí)間，min；Ji為i號(hào)開爾文體的蠕變?nèi)岫?cm2/N。

根據(jù)公式(2)結(jié)合蠕變速率穩(wěn)定原則求出其在含水率分別為23.5%和57%條件下的蠕變?nèi)崃磕Ｐ停?/p>

(3)

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)假設(shè)含水率及缺陷對木材蠕變?nèi)崃坑绊懢鶠榫€性，則根據(jù)墊木不同含水率條件下壓縮量數(shù)據(jù)可得：

χh0=0.616(w-12).

(5)

(6)

其中:w為含水率，%；Vqx為缺陷體積，mm3；Vz為墊木總體積，mm3。

為考慮密度對壓縮量的影響，綜合考慮橫紋中弦向體積分布比例占比、材料密度、含水率等影響，得到鋼卷墊木壓縮量模型：

Y(t)=Φxq·λde·Srb·J1(t)·σpr.

(7)

其中：Φxq為材料橫紋弦向軸向體積系數(shù)；λde為密度影響系數(shù)；Srb為蠕變載荷系數(shù)；σpr為單位面積載荷應(yīng)力，N/cm2。

密度影響系數(shù)計(jì)算公式為：

(8)

其中:γ為當(dāng)前材料密度，g/cm3。

材料的橫紋弦向軸向體積系數(shù)計(jì)算公式為：

Φxq=1/(k1tanα+(1-tanα)).

(9)

其中:α為弦向紋理與軸向夾角；k1為弦向抗壓強(qiáng)度與軸向抗壓強(qiáng)度比值，一般取0.7～0.8。

蠕變載荷系數(shù)的值一般根據(jù)墊木材料密度及施加載荷按經(jīng)驗(yàn)公式(10)進(jìn)行選擇：

(10)

當(dāng)含水率w=47%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.704 g/cm3，代入公式(7)可得壓縮量為1.809 mm，實(shí)驗(yàn)測得壓縮量為1.758 mm；當(dāng)含水率w=24.5%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.727 g/cm3，代入公式(7)可得壓縮量為3.614 mm，實(shí)驗(yàn)測得壓縮量為3.452 mm。比較發(fā)現(xiàn)兩者的誤差較小，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合鋼卷堆垛立托架墊木受力情況，在實(shí)驗(yàn)室條件的基礎(chǔ)上，建立了一套適合于現(xiàn)場生產(chǎn)條件的立托架墊木蠕變實(shí)驗(yàn)方案。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，測量了五椏果在不同載荷、含水率以及是否存在缺陷等情況下的壓縮特性曲線。

(3)建立了在不同載荷、含水率、缺陷率下墊木的壓縮特性模型，并結(jié)合其他條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型精度進(jìn)行校核，其精度符合長時(shí)間預(yù)測模型的要求。