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[實木家具檢驗] 基于ASTM標準的4款實木靠背椅力學強度測試與分析

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發表于 2021-1-8 11:18:50 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
基于ASTM標準的4款實木靠背椅力學強度測試與分析
論文來源:《林業機械與木工設備》2011年第6期
論文作者:劉學莘,張報忠, 楊文斌
作者單位:福建農林大學材料工程學院,大田縣林業局
摘要:參照ASTM標準制定了靠背椅類家具的力學強度測試方法與質量要求,對4款實木靠背椅進行了坐板靜壓承載、靠背承壓、垂直沖擊和循環沖擊試驗。結果表明,4款靠背椅的力學強度依次為3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅。椅子的結構不同是導致椅子力學強度差異的主要原因(直腿結構優于交腿結構),在結構相同的條件下,椅子強度與所用材料的力學強度大小成正比,且坐框材料比腿部材料對椅子力學強度影響更為顯著。另外,在椅子零部件接合處安裝五金件可提高其力學強度。
關鍵詞:ASTM標準;靠背椅;力學強度
靠背椅是現代椅類家具中最重要的品種之一,其中實木靠背椅以其優良的材質與性能已成為當前國內外家具購買者的首選。然而,近年來家具設計師與生產商更多地追求靠背椅的款式新穎與外形美觀,對其結構強度的設計與研究重視不夠。盡管早在 1989年我國就開始制定椅凳類家具強度與耐久性的試驗與檢測標準,但一方面該標準中的測試內容較為繁雜,缺乏對靠背椅力學性能有針對性的量化評價,另一方面質量達到該標準的靠背椅也未必滿足國外家具銷售商與消費者的質量需求。本文以美國ASTM標準為基礎,制定了靠背椅類家具的力學強度測試方法,通過測試4款常見實木靠背椅的坐板靜壓承載能力、靠背承壓能力、抗垂直沖擊與抗循環沖擊能力,比較這4款靠背椅的力學強度大小,并對影響其力學強度的因素進行了分析,旨在為當前實木靠背椅的設計與生產提供參考。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗對象與設備
試驗采用福州市碧泉家具有限公司提供的4款實木靠背椅。其中,1號椅為皮革坐面折疊椅(見圖1),尺寸為450mm×520mm×800mm,前腿采用苦櫧木材,后腿為光皮樺木,坐框為雜木,前后腿與坐框連接處均由金屬包裹;2號椅為五金件加固梳背椅(見圖2),尺寸為420mm×550mm×908mm,前后腿均采用苦櫧木材,坐框為華南樺木,前后腿與坐框間加設連接件加固,前腿可折疊;3號椅為矮靠背高腳吧椅(見圖3),尺寸為450mm×360mm×1200mm,前后腿均采用栲木木材,坐框為光皮樺木;4號椅亦為皮革坐面折疊椅(見圖4),尺寸為460mm×500mm×810mm,造型與1號椅相似,坐框亦為雜木,但前后腿均采用栲木木材,僅在前腿與坐框連接處設金屬包裹。
試驗設備為臺灣正邦公司生產的BA-7122型辦公椅沖擊耐久測試機。
1.2 試驗方法與要求
①坐板靜壓承載能力測試:首先在椅面中心線距前沿100mm處垂直施加300磅(136kg)靜壓力,加載時間為60s,測試加載前后椅子坐面高度變化是否在6.35mm之內。然后利用同樣的方法進行500磅(226kg)靜壓力測試,要求椅子在承載壓力后仍能正常使用且未發生永久性破壞,產品的結構或部件也未出現明顯損壞和削弱。
②靠背承壓能力測試:將椅子四足固定,在椅背中心線距上沿100mm處以10mm/s速度施加200磅(90.6kg)壓力,加載時間持續15s,觀察加載后椅子外觀與結構變化情況,接受標準要求同①。
③坐板垂直沖擊測試:使用180磅(81.5kg)沖擊器,以200mm為高度,分別垂直沖擊4款椅子的幾何中心,測試沖擊前后坐墊前沿距工作臺面的高度;再采用同樣方式連續沖擊9次,觀察重復沖擊后椅子外觀與結構變化情況,接受標準要求同①。
④坐板循環沖擊測試:使用150(68.0kg)磅沖擊器,以150mm為高度,分別反復垂直沖擊4款椅子幾何中心15000次,接受標準要求如下:坐板經循環沖擊測試后椅子沒有散架,沒有出現永久性的破壞以及因椅子部件受損導致其無法使用或不能安全使用的現象。
圖1,皮革坐面折疊椅(加強型)
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圖2,五金件加固梳背椅
圖3,矮靠背高腳吧椅

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圖4,皮革坐面折疊椅
! I, {) K9 }% V; j# E(歡迎光臨家具知識網http://www.02za.com)

2 試驗結果與分析
2.1 試驗結果
①坐板靜壓承載能力測試結果:表1所示為300磅(136kg)靜壓力測試前后4款椅子的坐框高度,從中可以看出1號椅前框高度相差3.6mm,后框高度相差3.4mm;2號椅前框高度相差1.9mm,后框高度相差1.7mm;3號椅前框高度相差0.8mm,后框高度相差0.5mm;4號椅前框高度相差5.3mm,后框高度相差5.2mm。4款椅子前后框高度變化均在6.35mm的接受標準之內。由此表明,4款椅子均通過了300磅(136kg)靜壓力測試,承載能力的順序是3號椅最優,2、1號椅次之,4號椅最弱
                                                                            。      
表1, 300磅(136kg)靜壓力測試前后4把椅子的坐框高度

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在 500 磅(226kg)的靜壓力作用下,1、2、3 號椅也都通過了測試,達到了接受標準的要求。其中1號椅出現肉眼可觀察到的形變,但不影響使用,2、3號椅沒有明顯形變,4號椅則出現了永久性破壞,無法使用(圖略)。對3號椅另外進行前穩定性和橫檔強度測試,結果表明:椅子未出現永久性破壞,其結構和部件沒有明顯削弱,橫檔與椅子腿部連接處也沒有發生明顯松動現象。綜合分析300磅(136kg)和500磅(226kg)靜壓力測試結果可知,4款靠背椅的靜壓承載能力依次為:3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅。
②椅子靠背承壓能力測試結果:經靠背壓力測試后,4款靠背椅均未發生永久性破壞,產品的結構和部件未出現明顯損壞或削弱,椅子均能正常使用。其中2、3號椅外觀幾乎無變化,僅3號椅在施壓過程中發出聲響,疑似內部圓榫膠層破裂所致;1、4號椅在前后腿連接處出現了較明顯的松動,且4號椅松動比較嚴重。由此可知,4款椅子靠背承壓能力依次為2號椅子大于3號椅子大于1號椅子大于4號椅子。
③坐板垂直沖擊測試結果:由表2所示第一次垂直沖擊前后的坐墊前沿高度可知,1號椅前沿高度相差2.4mm,2號椅前沿高度相差1.5mm,3號椅前沿高度相差0.9mm,4號椅前沿高度相差4.5mm,4款椅子的前沿高度變化均在6.35mm的接受標準之內;但經后面的9次循環沖擊以后,1、2、3號椅的結構和部件沒有明顯的破壞,其中1號椅出現輕微變形,但能負重且不倒塌,2號椅接頭處有輕微松動和裂縫,3號椅未發現肉眼可見的變化,4號椅則出現了結構破壞、接頭處斷裂和榫頭脫開,已無法使用(圖略)。由此可知,4款靠背椅坐板抗沖擊強度依次為3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅。
表2, 第一次垂直沖擊前后的坐墊前沿高度
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④坐板循環沖擊測試結果:在15000次的循環沖擊后,4款椅子均達到接受標準。但其中的1號椅在前后腿連接處出現輕微松動,2號椅整體構架完好,但在前腿折疊時發現有所形變,3號椅未發現肉眼可見的變化,4號椅前后腿接合處則出現了明顯的松動和裂縫。由此可見,4款靠背椅抗循環沖擊的能力依次為3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅。
綜合①~④的四項測試結果可以得出以下結論,4款靠背椅整體力學強度依次為3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅。
2.2 試驗結果分析
由表3所示幾種木材的物理力學性能可知,4款靠背椅所用的木材分別以光皮樺、華南樺較為優異,栲木和苦櫧次之。但測試結果顯示以栲木和苦櫧為腿部材料的3、2號椅力學強度反而較大。造成這種現象的主要原因是3、2號椅的坐框采用了力學強度較高的光皮樺與華南樺,而1、4號椅坐框采用的是雜木所致;此外,3、2號椅與1、4號椅的不同結構也影響了其自身強度。其中1、4號椅結構基本相同,將前腿和靠背作為一體,與坐面成70°夾角,當向椅面施加垂直載荷時作用力會集中在坐面與前腿交點處,此處最易發生結構性破壞;不同的是,當3、2號椅面受到垂直載荷時作用力會分散到四條腿上,因此其結構牢固。
表3, 幾種木材的物理力學性能

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3號椅力學強度高于2號椅,主要由于3號椅前、后腿(栲木)與坐框(光皮樺)材料強度均高于2號椅前、后腿(苦櫧)與坐框(華南樺)材料所致。
1號椅力學強度高于4號椅,主要是由于1號椅前、后腿與坐框連接處均設金屬包裹,而4號椅則僅在前腿與坐框連接處設置金屬包裹所致。
通過以上分析可知,影響實木靠背椅力學強度的主要因素是其結構與所用材料。在材料力學性能有所差異的前提下,結構對椅子力學強度的影響更為顯著,且直腿(3、2號椅)結構強度優于交腿(1、4號椅)結構強度;坐框材料力學性能比腿部材料力學性能對椅子力學強度影響更為顯著。對于同一結構,所用材料力學性能越好,椅子結構強度越佳。另外通過在椅子零部件結合處設置五金連接件也可以提高椅子的力學強度。
3 小結
4款實木靠背椅的力學強度依次為3號椅大于2號椅大于1號椅大于4號椅,且僅有4號椅未通過500磅(226kg)靜壓力和循環沖擊測試。對其影響因素分析表明,椅子強度主要是由其結構與所用材料決定的,兩個因素既相互影響又相互制約,并以結構的影響更為顯著。在結構相同的條件下,椅子力學強度與所用材料的力學性能成正比,且坐框材料比腿部材料對椅子力學性能影響更為顯著,零部件接合處安裝五金件可提高椅子力學強度。因此在靠背椅實際設計中,應綜合考慮結構和材料兩個因素,以使椅子獲得最佳的整體強度和保證質量達標。
參考文獻:(略)
第一作者簡介:劉學莘(1987-),男,碩士,福建農林大學材料工程學院教師,研究方向為設計藝術與木材加工,電子郵箱:liuxueshen412@163.com。

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