测量榫接合节点压力与变形量的测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置。

背景技术：

榫接合作为我国传统实木家具的主要连接方式被沿用至今，因其精巧的外观，牢固的结构而著称，不采用任何金属五金及胶黏剂，仅凭榫孔与榫头之间的紧密配合，既能达到理想的接合强度，这一工艺沿用至今。榫接合家具的受力情况多种多样，通常对其力学性能的考察可分为抗拔、抗弯及抗扭转强度等，三种强度均与榫接合节点强度密切相关。其中榫接合节点抗拔强度完全来源于榫头与榫孔间的摩擦力，而摩擦力则是通过榫头与榫孔之间过盈配合产生的接触压力与摩擦系数所决定，其中节点摩擦系数为常数，故节点接触压力的大小直接影响榫接合节点强度，而接触压力与榫头及榫孔的变形量相互关联。因此，对榫接合节点的接触压力及变形量的测量，有助于实木榫接合木结构及木制品的结构设计。

目前对榫接合节点强度的研究主要从以下几方面着手：

大量学者对实木榫接合构件的力学性能进行了研究，但主要集中于对影响榫接合构件节点强度因素的研究。

如配合参量对榫接合强度的影响，其实质为节点正压力对榫接合强度的影响(参考文件1：宋俞成，朱丽华，马贞，刘文金.梓木家具圆榫接合抗拉强度影响因素试验研究[J].林产工业,2014,41(03):20-23.)。

榫接合形式对节点强度的影响，分别通过不同形式的榫进行构件之间的并比较其强度。(参考文件2：TANKUT A.N,TANKUT N.The effects of joint forms(shape)and dimensions on the strengths of mortise and tenon joints[J].Turkish Journal of Agriculture and Forestry,2005,29(6):493–498.参考文件3：李素瑕，刘文金，孙德林.速生松木家具几种节点接合方式的强度比较研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(2):122–126.)。

胶黏剂种类以及不同树种等因素(参考文件4：SMARDZEWSKI J.Strength of profile-adhesive joints[J].Wood Science and Technology,2002,36(2):173–183.参考文件5：RATNASINGAM J,IORAS F.Effect of adhesive type and glue-line thickness on the fatigue strength of mortise and tenon furniture joints[J].European Journal of Wood and Wood Products,2013,71(6):819–821.参考文件6：Smardzewski J.Effect of wood species and glue type on contact stresses in a mortise and tenon joint[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science,2008,222(12):2293-2299.)

通过相关文献查阅，对榫接合节点接触压力及变形量并未进行深入研究，大多停留在榫接合构件的整体强度层面。

上述问题是在榫接合节点接触压力及变形量的测量过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置解决现有技术中存在的未有对榫接合节点的接触压力及变形量的测量，不利于实木榫接合木结构及木制品的结构设计的问题。

本实用新型的技术解决方案是：

一种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置，包括钢制底座、钢制测试件和被测试件，钢制测试件包括钢制上部、钢制下部和钢制榫头，钢制上部设有钢制上半榫孔，钢制下部设有钢制下半榫孔，钢制上半榫孔与钢制下半榫孔共同配合形成钢制榫孔，钢制榫头与钢制榫孔相适配，被测试件包括木制上部、木制下部和木制榫头，木制上部设有木制上半榫孔，木制下部设有木制下半榫孔，木制上半榫孔与木制下半榫孔共同配合形成木制榫孔，木制榫头与木制榫孔相适配，钢制上部与木制上部结构相同，钢制下部与木制下部结构相同，钢制榫头与木制榫头结构相同，钢制底座设有测试用限位槽，钢制下部或木制下部设于测试用限位槽内，且钢制下部或木制下部与测试用限位槽间隙配合。

进一步地，木制榫头采用椭圆形、圆形、方形。

进一步地，测试用限位槽采用方形槽，测试用限位槽设于钢制底座的顶面，钢制底座的底面采用平面。

进一步地，钢制上半榫孔设于钢制上部的顶面，钢制上部的底面采用平面，钢制下半榫孔设于钢制下部的顶面，钢制下部的底面采用平面。

进一步地，木制榫头的长度小于或等于木制榫孔的深度。

进一步地，钢制上部与木制上部的形状与尺寸均相同，钢制下部与木制下部的形状与尺寸均相同，钢制榫头与木制榫头的形状与尺寸均相同。

一种采用上述任一项所述测量榫接合节点压力与变形量的测量装置的测量方法，将被测试件的木制榫孔剖分为相同的两部分即木制上半榫孔与木制下半榫孔，并使用力学试验机通过等效替换方法进行测量；被测试件的榫接合节点的接触压力通过力学试验机输出；被测试件的榫接合节点过盈量通过力学试验机采用位移控制法进行加载并对位移进行控制，进行榫接合节点变形量的测量时，分别测量得到被测试件的木制榫头压缩状态下的刚度K1以及木制榫孔压缩状态下的刚度K2，进而被测试件的木制榫头及木制榫孔的变形量经计算得到。

进一步地，进行被测试件的榫接合节点压力的测量，具体为，将被测试件的木制榫头、木制上部与木制下部放置于钢制底座的测试用限位槽中，且将木制榫头放置在木制榫孔内，通过力学试验机在被测试件的上端进行加载，即可测量得到被测试件的榫接合节点的压力。

进一步地，进行榫接合节点变形量的测量，具体为：

测量被测试件的木制榫头压缩状态下的刚度K1是通过力学试验机的位移进行控制，并采用木制榫头和钢制榫孔进行测量；测量后，在力学试验机输出的位移-载荷曲线的线性阶段内截取两点，并记录下位移变化量ΔU1以及载荷变化量ΔF1，则木制榫头的刚度K1的计算公式如(1)所示：

K1＝ΔF1/ΔU1 (1)

测量被测试件的木制榫孔压缩状态下的刚度K2是通过力学试验机的位移进行控制，并采用木制榫孔和钢制榫头进行测量；测量后在力学试验机输出的位移-载荷曲线的线性阶段内截取两点，记录下位移量为ΔF2时的力学试验机输出载荷值ΔF2，则木制榫孔的刚度K2的计算公式如(2)所示：

K2＝ΔF2/ΔU2 (2)

最后，采用木制榫头与木制榫孔进行测量，当力学实验机的位移即节点过盈量为x时，即可测量得到榫头及榫孔的接触压力值F，而此时木制榫头的变形量x1与木制榫孔的变形量x2满足式(3)与式(4)：

K1x1＝K2x2 (3)

x＝x1+x2 (4)

通过式(3)与式(4)即可得到木制榫头的变形量x1：

木制榫孔的变形量x2：

进一步地，测量时，力学试验机采用位移控制法进行加载，即当力学试验机到达所设定的位移值时，加载立即停止；此时的位移值视为木制榫孔及木制榫头间的过盈量。

本实用新型的有益效果是：该种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置，结构设计合理，能够实现快速准确的榫接合节点压力与变形量的测量，且成本较低，利于使用。该种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置，将被测试件的木制榫孔以及钢制测试件的钢制榫孔均剖分为相同的两部分，并借助力学试验机通过等效替换方法进行测量。被测试件的榫接合节点的接触压力可通过力学试验机输出，被测试件的榫接节点过盈量可通过力学试验机的位移进行控制，被测试件的木制榫头及木制榫孔的变形量可经计算得到；同时，被测试件不局限于本实用新型中所采用的椭圆榫，其他形式的榫接合节点同样适用。本实用新型为榫接合节点强度的深入研究提供有效方法，进一步为实木榫接合木结构及木制品的结构设计打下基础。

附图说明

图1是本实用新型实施例中采用木制榫头和钢制榫孔进行测量被测试件的木制榫头压缩状态下的刚度K1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中采用木制榫孔和钢制榫头进行测量被测试件的木制榫头压缩状态下的刚度K2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中采用木制榫头和木制榫孔进行测量木制榫头的变形量x1与木制榫孔的变形量x2的结构示意图；

其中：1-钢制底座，2-钢制上部，3-钢制下部，4-钢制上半榫孔，5-钢制下半榫孔，6-木制上部，7-木制下部，8-木制榫头，9-木制上半榫孔，10-木制下半榫孔，11-测试用限位槽，12-钢制榫头。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例

一种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置，包括钢制底座1、钢制测试件和被测试件，钢制测试件包括钢制上部2、钢制下部3和钢制榫头12，钢制上部2设有钢制上半榫孔4，钢制下部3设有钢制下半榫孔5，钢制上半榫孔4与钢制下半榫孔5共同配合形成钢制榫孔，钢制榫头12与钢制榫孔相适配，被测试件包括木制上部6、木制下部7和木制榫头8，木制上部6设有木制上半榫孔9，木制下部7设有木制下半榫孔10，木制上半榫孔9与木制下半榫孔10共同配合形成木制榫孔，木制榫头8与木制榫孔相适配，钢制上部2与木制上部6结构相同，钢制下部3与木制下部7结构相同，钢制榫头12与木制榫头8结构相同，钢制底座1设有测试用限位槽11，钢制下部3或木制下部7设于测试用限位槽11内，且钢制下部3或木制下部7与测试用限位槽11间隙配合。

该种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置，结构设计合理，能够实现快速准确的榫接合节点压力与变形量的测量，且成本较低，利于使用。本实用新型为榫接合节点强度的深入研究提供有效方法，进一步为实木榫接合木结构及木制品的结构设计打下基础。

实施例中钢制测试件与被测试件均能在钢制底座1中自由滑动，当不倾斜。测试用限位槽11采用方形槽，测试用限位槽11设于钢制底座1的顶面，钢制底座1的底面采用平面，便于力学试验机的加载。

测量前，设置力学试验机的加载速度为0.5mm/min，并设置当位移量U到达指定值时加载即停止，以此来模拟榫头及榫孔装配时的过盈量x，理论上位移至应与过盈量相等。

实施例中，钢制上半榫孔4设于钢制上部2的顶面，钢制上部2的底面采用平面，便于力学试验机的加载。钢制下半榫孔5设于钢制下部3的顶面，钢制下部3的底面采用平面，便于力学试验机的加载。实施例中，被测试件采用精度较高的数控机床进行加工。

实施例中，木制榫头8的长度小于或等于木制榫孔的深度。钢制上部2与木制上部6的形状与尺寸均相同，钢制下部3与木制下部7的形状与尺寸均相同，钢制榫头12与木制榫头8的形状与尺寸均相同。

一种采用上述任一项所述测量榫接合节点压力与变形量的测量装置的测量方法，将被测试件的木制榫孔剖分为相同的两部分即木制上半榫孔9与木制下半榫孔10，并使用力学试验机通过等效替换方法进行测量；被测试件的榫接合节点的接触压力通过力学试验机输出；被测试件的榫接合节点过盈量通过力学试验机采用位移控制法进行加载并对位移进行控制，进行榫接合节点变形量的测量时，分别测量得到被测试件的木制榫头8压缩状态下的刚度K1以及木制榫孔压缩状态下的刚度K2，进而被测试件的木制榫头8及木制榫孔的变形量经计算得到。

实施例测量时，力学试验机采用位移控制法进行加载，即当力学试验机到达所设定的位移值时，加载立即停止；此时的位移值视为木制榫孔及木制榫头8间的过盈量。

实施例进行被测试件的榫接合节点压力的测量，具体为，将被测试件的木制榫头8、木制上部6与木制下部7放置于钢制底座1的测试用限位槽11中，且将木制榫头8放置在木制榫孔内，通过力学试验机在被测试件的上端进行加载，即可测量得到被测试件的榫接合节点的压力。

实施例进行榫接合节点变形量的测量，如图1-图3，图1-图3中箭头为力学试验机加载方向，具体为：

如图1，测量被测试件的木制榫头8压缩状态下的刚度K1是通过力学试验机的位移进行控制，并采用木制榫头8和钢制榫孔进行测量；测量后，在力学试验机输出的位移-载荷曲线的线性阶段内截取两点，并记录下位移变化量ΔU1以及载荷变化量ΔF1，则木制榫头8的刚度K1的计算公式如(1)所示：

K1＝ΔF1/ΔU1 (1)

如图2，测量被测试件的木制榫头8压缩状态下的刚度K2是通过力学试验机的位移进行控制，并采用木制榫孔和钢制榫头12进行测量；测量后在力学试验机输出的位移-载荷曲线的线性阶段内截取两点，记录下位移量为ΔU2时的力学试验机输出载荷值ΔF2，则木制榫孔的刚度K2的计算公式如(2)所示：

K2＝ΔF2/ΔU2 (2)

如图3，最后，采用木制榫头8与木制榫孔进行测量，当力学实验机的位移即节点过盈量为x时，即可测量得到榫头及榫孔的接触压力值F，而此时木制榫头8的变形量x1与木制榫孔的变形量x2满足式(3)与式(4)：

K1x1＝K2x2 (3)

x＝x1+x2 (4)

通过式(3)与式(4)即可得到木制榫头8的变形量x1：

木制榫孔的变形量x2：

实施例方法通过被测试件的制备、被测试件与钢制底座1的组装、测量并计算，将被测试件的木制榫孔剖成两部分，使用压缩的方法模拟被测试件的木制榫头8与木制榫孔间的过盈配合。确定了在不同过盈量x下榫接合节点的接触压力和变形量，为榫接合节点强度的计算以及榫接合家具的设计打下基础。

实施例中，被测试件的木制上部6与木制下部7的制备为作为一个整体采用数控机床进行加工，然后将木制上部6与木制下部7的整体从中部剖开，并保证木制榫头8长度小于等于木制榫孔深度。且计算时以榫头长度为准。

实施例测量前需对试件进行预组装，用砂纸去除榫头及榫孔接合处的毛刺，以保证两者在装配时无间隙。

实施例中，为保证榫孔和榫头充分接触，应预先施加一定的初始载荷，但不宜过大，通常10N即可。同时，力学试验机加载速度不宜过大，以0.5-1mm/min为宜。

实施例中，钢制测试件采用钢材制成，其刚度远大于木材，故在计算中可视为刚体，不发生形变。

实施例中，通过力学试验机输出的载荷值可直接测量得到榫接合节点的正压力，同时，可通过力学试验机进行位移控制，来模拟被测试件、钢制测试件的榫头与榫孔间不同的过盈量。通过等效替换法，计算得到榫接合时榫头及榫孔的变形量。

该种测量榫接合节点压力与变形量的测量装置及方法，将被测试件的木制榫孔以及钢制测试件的钢制榫孔均剖分为相同的两部分，并借助力学试验机通过等效替换方法进行测量。被测试件的榫接合节点的接触压力可通过力学试验机输出，被测试件的榫接节点过盈量可通过力学试验机的位移进行控制，被测试件的木制榫头8及木制榫孔的变形量可经计算得到；同时，被测试件不局限于本实用新型中所采用的椭圆榫接合形式，其他形式的榫接合节点经调整钢制测试件的形状后同样适用。木制榫头8采用椭圆形、圆形、方形。