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[实木家具检验] 基于ASTM标准的4款实木靠背椅力学强度测试与分析

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发表于 2021-1-8 11:18:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
基于ASTM标准的4款实木靠背椅力学强度测试与分析
论文来源:《林业机械与木工设备》2011年第6期
论文作者:刘学莘,张报忠, 杨文斌
作者单位:福建农林大学材料工程学院,大田县林业局
摘要:参照ASTM标准制定了靠背椅类家具的力学强度测试方法与质量要求,对4款实木靠背椅进行了坐板静压承载、靠背承压、垂直冲击和循环冲击试验。结果表明,4款靠背椅的力学强度依次为3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅。椅子的结构不同是导致椅子力学强度差异的主要原因(直腿结构优于交腿结构),在结构相同的条件下,椅子强度与所用材料的力学强度大小成正比,且坐框材料比腿部材料对椅子力学强度影响更为显著。另外,在椅子零部件接合处安装五金件可提高其力学强度。
关键词:ASTM标准;靠背椅;力学强度
靠背椅是现代椅类家具中最重要的品种之一,其中实木靠背椅以其优良的材质与性能已成为当前国内外家具购买者的首选。然而,近年来家具设计师与生产商更多地追求靠背椅的款式新颖与外形美观,对其结构强度的设计与研究重视不够。尽管早在 1989年我国就开始制定椅凳类家具强度与耐久性的试验与检测标准,但一方面该标准中的测试内容较为繁杂,缺乏对靠背椅力学性能有针对性的量化评价,另一方面质量达到该标准的靠背椅也未必满足国外家具销售商与消费者的质量需求。本文以美国ASTM标准为基础,制定了靠背椅类家具的力学强度测试方法,通过测试4款常见实木靠背椅的坐板静压承载能力、靠背承压能力、抗垂直冲击与抗循环冲击能力,比较这4款靠背椅的力学强度大小,并对影响其力学强度的因素进行了分析,旨在为当前实木靠背椅的设计与生产提供参考。
1 试验材料与方法
1.1 试验对象与设备
试验采用福州市碧泉家具有限公司提供的4款实木靠背椅。其中,1号椅为皮革坐面折叠椅(见图1),尺寸为450mm×520mm×800mm,前腿采用苦槠木材,后腿为光皮桦木,坐框为杂木,前后腿与坐框连接处均由金属包裹;2号椅为五金件加固梳背椅(见图2),尺寸为420mm×550mm×908mm,前后腿均采用苦槠木材,坐框为华南桦木,前后腿与坐框间加设连接件加固,前腿可折叠;3号椅为矮靠背高脚吧椅(见图3),尺寸为450mm×360mm×1200mm,前后腿均采用栲木木材,坐框为光皮桦木;4号椅亦为皮革坐面折叠椅(见图4),尺寸为460mm×500mm×810mm,造型与1号椅相似,坐框亦为杂木,但前后腿均采用栲木木材,仅在前腿与坐框连接处设金属包裹。
试验设备为台湾正邦公司生产的BA-7122型办公椅冲击耐久测试机。
1.2 试验方法与要求
①坐板静压承载能力测试:首先在椅面中心线距前沿100mm处垂直施加300磅(136kg)静压力,加载时间为60s,测试加载前后椅子坐面高度变化是否在6.35mm之内。然后利用同样的方法进行500磅(226kg)静压力测试,要求椅子在承载压力后仍能正常使用且未发生永久性破坏,产品的结构或部件也未出现明显损坏和削弱。
②靠背承压能力测试:将椅子四足固定,在椅背中心线距上沿100mm处以10mm/s速度施加200磅(90.6kg)压力,加载时间持续15s,观察加载后椅子外观与结构变化情况,接受标准要求同①。
③坐板垂直冲击测试:使用180磅(81.5kg)冲击器,以200mm为高度,分别垂直冲击4款椅子的几何中心,测试冲击前后坐垫前沿距工作台面的高度;再采用同样方式连续冲击9次,观察重复冲击后椅子外观与结构变化情况,接受标准要求同①。
④坐板循环冲击测试:使用150(68.0kg)磅冲击器,以150mm为高度,分别反复垂直冲击4款椅子几何中心15000次,接受标准要求如下:坐板经循环冲击测试后椅子没有散架,没有出现永久性的破坏以及因椅子部件受损导致其无法使用或不能安全使用的现象。
图1,皮革坐面折叠椅(加强型)
9 i4 M8 j2 T0 B$ k(欢迎光临家具知识网http://www.furniture-club.com)

图2,五金件加固梳背椅
图3,矮靠背高脚吧椅

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图4,皮革坐面折叠椅
$ z, s  U! }. ~(欢迎光临家具知识网http://www.furniture-club.com)

2 试验结果与分析
2.1 试验结果
①坐板静压承载能力测试结果:表1所示为300磅(136kg)静压力测试前后4款椅子的坐框高度,从中可以看出1号椅前框高度相差3.6mm,后框高度相差3.4mm;2号椅前框高度相差1.9mm,后框高度相差1.7mm;3号椅前框高度相差0.8mm,后框高度相差0.5mm;4号椅前框高度相差5.3mm,后框高度相差5.2mm。4款椅子前后框高度变化均在6.35mm的接受标准之内。由此表明,4款椅子均通过了300磅(136kg)静压力测试,承载能力的顺序是3号椅最优,2、1号椅次之,4号椅最弱
                                                                            。      
表1, 300磅(136kg)静压力测试前后4把椅子的坐框高度

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在 500 磅(226kg)的静压力作用下,1、2、3 号椅也都通过了测试,达到了接受标准的要求。其中1号椅出现肉眼可观察到的形变,但不影响使用,2、3号椅没有明显形变,4号椅则出现了永久性破坏,无法使用(图略)。对3号椅另外进行前稳定性和横档强度测试,结果表明:椅子未出现永久性破坏,其结构和部件没有明显削弱,横档与椅子腿部连接处也没有发生明显松动现象。综合分析300磅(136kg)和500磅(226kg)静压力测试结果可知,4款靠背椅的静压承载能力依次为:3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅。
②椅子靠背承压能力测试结果:经靠背压力测试后,4款靠背椅均未发生永久性破坏,产品的结构和部件未出现明显损坏或削弱,椅子均能正常使用。其中2、3号椅外观几乎无变化,仅3号椅在施压过程中发出声响,疑似内部圆榫胶层破裂所致;1、4号椅在前后腿连接处出现了较明显的松动,且4号椅松动比较严重。由此可知,4款椅子靠背承压能力依次为2号椅子大于3号椅子大于1号椅子大于4号椅子。
③坐板垂直冲击测试结果:由表2所示第一次垂直冲击前后的坐垫前沿高度可知,1号椅前沿高度相差2.4mm,2号椅前沿高度相差1.5mm,3号椅前沿高度相差0.9mm,4号椅前沿高度相差4.5mm,4款椅子的前沿高度变化均在6.35mm的接受标准之内;但经后面的9次循环冲击以后,1、2、3号椅的结构和部件没有明显的破坏,其中1号椅出现轻微变形,但能负重且不倒塌,2号椅接头处有轻微松动和裂缝,3号椅未发现肉眼可见的变化,4号椅则出现了结构破坏、接头处断裂和榫头脱开,已无法使用(图略)。由此可知,4款靠背椅坐板抗冲击强度依次为3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅。
表2, 第一次垂直冲击前后的坐垫前沿高度

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④坐板循环冲击测试结果:在15000次的循环冲击后,4款椅子均达到接受标准。但其中的1号椅在前后腿连接处出现轻微松动,2号椅整体构架完好,但在前腿折叠时发现有所形变,3号椅未发现肉眼可见的变化,4号椅前后腿接合处则出现了明显的松动和裂缝。由此可见,4款靠背椅抗循环冲击的能力依次为3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅。
综合①~④的四项测试结果可以得出以下结论,4款靠背椅整体力学强度依次为3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅。
2.2 试验结果分析
由表3所示几种木材的物理力学性能可知,4款靠背椅所用的木材分别以光皮桦、华南桦较为优异,栲木和苦槠次之。但测试结果显示以栲木和苦槠为腿部材料的3、2号椅力学强度反而较大。造成这种现象的主要原因是3、2号椅的坐框采用了力学强度较高的光皮桦与华南桦,而1、4号椅坐框采用的是杂木所致;此外,3、2号椅与1、4号椅的不同结构也影响了其自身强度。其中1、4号椅结构基本相同,将前腿和靠背作为一体,与坐面成70°夹角,当向椅面施加垂直载荷时作用力会集中在坐面与前腿交点处,此处最易发生结构性破坏;不同的是,当3、2号椅面受到垂直载荷时作用力会分散到四条腿上,因此其结构牢固。
表3, 几种木材的物理力学性能

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3号椅力学强度高于2号椅,主要由于3号椅前、后腿(栲木)与坐框(光皮桦)材料强度均高于2号椅前、后腿(苦槠)与坐框(华南桦)材料所致。
1号椅力学强度高于4号椅,主要是由于1号椅前、后腿与坐框连接处均设金属包裹,而4号椅则仅在前腿与坐框连接处设置金属包裹所致。
通过以上分析可知,影响实木靠背椅力学强度的主要因素是其结构与所用材料。在材料力学性能有所差异的前提下,结构对椅子力学强度的影响更为显著,且直腿(3、2号椅)结构强度优于交腿(1、4号椅)结构强度;坐框材料力学性能比腿部材料力学性能对椅子力学强度影响更为显著。对于同一结构,所用材料力学性能越好,椅子结构强度越佳。另外通过在椅子零部件结合处设置五金连接件也可以提高椅子的力学强度。
3 小结
4款实木靠背椅的力学强度依次为3号椅大于2号椅大于1号椅大于4号椅,且仅有4号椅未通过500磅(226kg)静压力和循环冲击测试。对其影响因素分析表明,椅子强度主要是由其结构与所用材料决定的,两个因素既相互影响又相互制约,并以结构的影响更为显著。在结构相同的条件下,椅子力学强度与所用材料的力学性能成正比,且坐框材料比腿部材料对椅子力学性能影响更为显著,零部件接合处安装五金件可提高椅子力学强度。因此在靠背椅实际设计中,应综合考虑结构和材料两个因素,以使椅子获得最佳的整体强度和保证质量达标。
参考文献:(略)
第一作者简介:刘学莘(1987-),男,硕士,福建农林大学材料工程学院教师,研究方向为设计艺术与木材加工,电子邮箱:liuxueshen412@163.com
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