不同钻针速率对木材微钻阻力的影响规律

李 鑫，戴 俭，钱 威，常丽红1

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京工业大学建筑与城市规划学院，北京 100124；3.北京市历史建筑保护工程技术研究中心，北京 100124）

不同钻针速率对木材微钻阻力的影响规律

李 鑫1，3，戴 俭2，3，钱 威2，3，常丽红1

（1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2.北京工业大学建筑与城市规划学院，北京 100124；3.北京市历史建筑保护工程技术研究中心，北京 100124）

为了解决微钻阻力检测设备由于不同参数设置而造成的检测数据无法比较的问题，基于IML木材微钻阻力仪可调节设置不同钻针旋转速率和前进速率的特性，试验设置5档旋转速率和5档前进速率，并交叉搭配组合，形成25种情况的参数条件设置.探讨了在不同参数设置情况下，木材微钻旋转阻力和前进阻力的变化趋势及两者之间的比例关系；分析了钻针旋转速率和前进速率对微钻阻力值的影响规律，得到了相关变化系数方程.研究结果表明:同一条件下微钻旋转阻力和前进阻力的比值范围相对固定；旋转阻力和前进阻力与钻针的旋转速率成反比关系，与钻针的前进速率成正比关系，且其各自的变化系数相对一致；微钻阻力检测中，旋转阻力能更为直接精确地反映钻针速率的变化情况.

微钻阻力；旋转速率；前进速率；木构件

微钻阻力技术是目前应用于古建筑木构件无损检测的常用手段之一［1］.其原理是通过利用微型钻针在电动机的驱动下，以恒定的前进速率和旋转速率钻入木材内部，获取到相对阻力值的大小，并以阻力曲线的形式体现测量路径上的木材截面内部的密实度状况［2-3］.微钻阻力技术常用于木构件的内部缺陷检测和力学性能检测.在力学性能检测方面，很多研究证明了微钻阻力检测值与木材的各项主要力学性能指标，如密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度等，有着较强的线性关系，是基于无损检测方法对木材力学性能进行快速预测的有效手段［4-7］.

由于缺乏统一的测试标准和方法，在实际检测操作中，往往选用的设备参数因人而异，造成所测得的不同构件或同一构件不同检测批次之间的检测结果无法进行有价值的比较或作为长期判断的依据.现阶段的相关研究中，在对微钻阻力检测值的获取方法上，多是基于在一个恒定进针速率条件下进行的，试验参数设置相对较单一，针对钻针速率对阻力值的影响规律研究尚不多见.本研究中采用的IML木材微钻阻力仪可设置不同的钻针旋转速率和前进速率，并可同时采集旋转微钻阻力值和前进微钻阻力值2组数据.基于此，笔者尝试设置若干不同的参数设置组合，探讨在不同条件下，钻针的旋转速率和前进速率对微钻阻力值的影响规律，从而提高其应用的精确度和普适度.

1　材料与方法

1.1试验材料

试验用木材取自安徽南部黄山地区某古民居修缮工程中拆卸下的旧木构件，原使用功能为立柱，尺寸为1 800 mm（长度）×280 mm（直径）.经树种鉴定，树种为杉木.参考木材试验相关标准中对试件尺寸的规定惯例，本试验中采用的试件尺寸为20 mm（径向）×20 mm（弦向）×300 mm（纵向）的无疵试件［8］.

1.2试验设备

试验数据采集设备采用德国IML公司开发的木材微钻阻力仪，型号为IML-RESI PD500，钻针头部为锋利扁平状，刀头旋转直径3 mm，钻针针体为圆柱体，直径1 mm，钻削距离150～500 mm.该设备自身定义了阻力值单位:resi，取值在0～100，能够反映钻针钻入木材时相对阻力的大小，数值越大，表示阻力越大.该值是一个相对变量，与力的单位（N）和功率单位（W）没有一一对应关系［9］.在检测过程中，钻针在测量路径上每前进0.1 mm，设备记录1次旋转阻力值和前进阻力值，数据经处理器计算后显示为阻力曲线.本研究中，取阻力曲线的第1个波峰值和最后1个波峰值之间的曲线段为取值范围，计算其平均值作为试件的微钻阻力值，见图1.

1.3试验步骤

1）将旧木构件经除钉和锯解处理后，加工制作成20 mm（径向）×20 mm（弦向）×300 mm（纵向）的标准尺寸清材试件若干，随机选取10根试件作为本次试验的数据采集样本.

2）对选取试件分别编号，并确定检测路径方向.本试验规定垂直于年轮方向为钻针检测路径，这也与实际现场检测操作中对木构件的检测路径方向相同.

3）分别设置试验设备的钻针旋转速率和前进速率参数，并交叉搭配组合.本试验分别采用5档旋转速率Vr和5档前进速率Vf，共形成25种搭配组合.因此，每个试验样本共采集25组微钻阻力值，每组微钻阻力值包括旋转阻力值Rnm和前进阻力值Fnm，其中n=1，2，3，4，5，分别指代Vf的5档速率设置；m=1，2，3，4，5，分别指代Vr的5档速率设置，见表1.

4）因钻针在钻入试件时会产生直径约3～4 mm的贯穿型孔洞，故为保证检测路径的完整性，并避免路径间的相互干扰，本试验规定相邻测试点之间的距离不小于5 mm，使钻孔均匀排布，并避开试件的边缘位置.

5）用EXCEL软件对采集数据进行分析处理，探讨每一种参数条件下，R和F之间的相对比例关系，以及在不同Vr和Vf组合条件下，R和F各自的变化趋势和规律.

2　结果与讨论

2.1同一参数下R和F的关系

由表1可知，微钻阻力仪每完成1次数据采集操作（即每钻入1针），可获得R和F两个阻力值.设δ为两者的比例系数，令δnm=Rnm/Fnm，通过对全部250组样本数据进行汇总分析，最大值 δmax= 1.361，最小值δmin=0.394，平均值δa=0.736，全体样本数据的标准差为0.189，变异系数为24%.

表1　不同旋转速率和前进速率交叉组合Table 1 Cross combination between different drilling speeds and feed speeds

全体样本数据的频率分布情况如图2所示，从分布形态可见:全体样本数据基本符合正态分布，且δ值在0.540～1.020范围内的样本数量占全体样本数量的86%.由此可判定，即使在不同的设备参数条件下，微钻阻力检测的每1次钻针过程，其旋转阻力和前进阻力之间都存在相对固定范围值的比例关系.

2.2不同参数组合条件下R和F的变化趋势

图3、4分别所示为全体样本的旋转阻力值R和前进阻力值F随钻针旋转速率Vr和前进速率Vf的不同而呈现的变化趋势.由图可知，R和F皆随着Vr的增大而呈衰减趋势，即旋转速率越快，旋转阻力和前进阻力皆越小；而R和F皆随着Vf的增大而呈增大趋势，即前进速率越快，旋转阻力和前进阻力皆越大.

从图3、4中曲面的曲率起伏来看，图形基本呈近似平面状，因此，可判断R和F的增大与衰减趋势基本呈线性分布，即随着Vr和Vf的变化，对R和F的衰减或增大趋势应存在相对固定的比例关系.

2.3R和F变化趋势的定量化分析

为找出R和F与Vr和Vf之间变化趋势的定量化函数关系，分别对R和F的数据进行分组量纲一化处理，分析其在一种参数变化条件下的变化趋势.

1）Vr对R和F的影响

将表1中的数据按行进行分组，每个样本可分为5组数据，全部样本共50组数据.目的在于考查Vf固定不变的条件下，每组R和F随Vr变化而呈现的变化趋势.分别对每组数据进行量纲一化处理

式中:λr和λf分别表示在同一钻针前进速率的情况下，随着钻针旋转速率的变化，R和F的变化系数；Rnm，max和Fnm，max分别表示每组数据的最大旋转阻力值和最大前进阻力值.λr和λf的计算结果如图5、6所示.从图中可见，在每组Vf一定的情况下，随着Vr的增大，R和F皆呈衰减趋势，且其分别的变化系数相对统一，呈现线性分布特征.其回归方程分别为

其决定系数分别达到0.897和0.716.即可认为，无论在任何钻针前进速率的情况下，钻针旋转速率若每增大1倍，则其旋转阻力和前进阻力分别减小λr和λf倍.

2）Vf对R和F的影响

同理，将表1中的数据按列进行分组，目的在于考查Vr固定不变的条件下，每组R和F随Vf变化而呈现的变化趋势.分别对每组数据进行量纲一化处理

式中:ωr和ωf分别表示在同一钻针旋转速率的情况下，随着钻针前进速率的变化，R和F的变化系数；Rmn，max和Fmn，max分别表示每组数据的最大旋转阻力值和最大前进阻力值.

ωr和ωf的计算结果如图7、8所示.从图中可见，在每组Vr一定的情况下，随着Vf的增大，R和F皆呈增大趋势，且变化系数相对统一，呈现线性分布特征.其回归方程分别为

其决定系数分别达到0.965和0.853.即可认为，无论在任何钻针旋转速率的情况下，钻针前进速率若每增大1倍，则其旋转阻力和前进阻力分别增大ωr和ωf倍.

3）相关性分析

从λr与 λf、ωr与 ωf的决定系数比较可以看出，λr的决定系数大于λf，ωr的决定系数大于ωf，表明其数据离散性更小.因此，可判断在微钻阻力检测过程中，旋转阻力值更能直接、精确地反映钻针速率参数的变化情况.而对λr、λf、ωr、ωf四个函数的决定系数比较可以看出，ωr的决定系数最大，达到0.965，而λf的决定系数最小，说明旋转阻力值对钻针速率变化的反应最为敏感和准确.因此，在实际操作中，如遇节疤等木材缺陷造成钻针高速率无法钻入的情况，可调低钻针的前进速率，并计算其旋转阻力值的变化情况，即可精确掌握缺陷处的材质性能变化趋势，并可达到降低钻针磨损，保护设备安全的目的.

3　结论

1）微钻阻力检测设备的钻针旋转速率和前进速率的变化对其阻力值有显著影响.

2）微钻阻力检测中，在相同钻针速率设置下的每次入针检测，其旋转阻力和前进阻力的比值（即两者的倍数关系）数值范围相对固定，基本稳定在0.5～1.0.如检测数据超出此范围过多，则需检查试验操作流程是否正确.

3）微钻旋转阻力和前进阻力皆与钻针旋转速率和前进速率的变化存在较强的趋势性关系.即钻针旋转速率增大，其旋转阻力和前进阻力皆减小，且无论前进速率如何，其变化系数相对固定；而钻针前进速率增大，其旋转阻力和前进阻力皆增大，且无论旋转速率如何，其变化系数也相对固定.

4）决定系数分析表明，在微钻阻力检测过程中，旋转阻力值能够更加直接、精确地反映钻针速率参数的变化情况.在实际操作中如遇木材坚硬难以钻入的情况，可调低钻针前进速率，并考查其旋转阻力，既可得到精确数值，又可保护检测设备.

［1］朱磊，张厚江，孙燕良，等.古建筑木构件无损检测技术国内外研究现状［J］.林业机械与木工设备，2011，39（3）:24-27. ZHU L，ZHANG H J，SUN Y L，et al.Research status of non-destructive testing technology for wooden components of ancient architectures［J］.Forestry Machinery&Wood Working Equipment，2011，39（3）:24-27.（in Chinese）

［2］孙燕良.基于微钻阻力的古建筑木材密度与力学性能检测研究［D］.北京:北京林业大学，2012:1-18. SUN Y L.Determining wood density and mechanical properties of ancient architectural timbers with microdrillingresistance［D］.Beijing:BeijingForestry University，2012:1-18.（in Chinese）

［3］李华，陈勇平，黎冬青，等.古建筑木构件阻力仪检测中影响阻力值的因素探讨［J］.木材加工机械，2011，22（2）:19-26. LI H，CHEN Y P，LI D Q，et al.Influencing factors on the results of resistograph of wood components in historical building［J］.Wood Processing Machinery，2011，22（2）: 19-26.（in Chinese）

［4］吴福社，吴贻军，邵卓平.应力波仪和阻力仪用于雪松立木内部材性检测的研究［J］.安徽农业大学学报，2011，38（1）:127-130. WU F S，WU Y J，SHAO Z P.Determination of cedar sample interior characteristics based on stress wave and resistograph［J］.Journal of Anhui Agricultural University，2011，38（1）:127-130.（in Chinese）

［5］朱磊，张厚江，孙燕良，等.基于应力波和微钻阻力的古建筑木构件材料力学性能检测［J］.东北林业大学学报，2011，39（10）:81-83. ZHU L，ZHANG H J，SUN Y L，et al.Determination of mechanical properties of ancient architectural timber based on stress wave and micro-drilling resistance［J］.Journal of Northeast Forestry University，2011，39（10）:81-83.（in Chinese）

［6］FIKRET I，LI B L.Rapid assessment of wood density of live tree using the resistograph for selection in tree improvement programs［J］.Canadian Journal Forest Research，2003（12）:2426-2435.

［7］CERALDIC，MORMONEV，ERMOLLIER. Resistographic inspection of ancient timber structures for the evaluation of mechanical characteristics［J］.Materials and Structures，2001，34（1）:59-64.

［8］张晋，王亚超，许清风，等.基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析［J］.中南大学学报（自然科学版），2011，42（12）:3864-3870. ZHANG J，WANG Y C，XU Q F，et al.Residual strength ofservice-beyondwoodmembersofdouglasfirand cedarwood using non-destructive testing［J］.Journal of Central South University（Science and Technology），2011，42（12）:3864-3870.（in Chinese）

［9］张晓芳.阻力仪检测值影响因子分析及其在古建木构件勘查中的应用［D］.北京:北京林业大学，2007:1-12. ZHANG X F.Research on applieation of resistograph for wood component cheeking of the ancient architecture［D］.Beijing: Beijing Forestry University，2007:1-12.（in Chinese）

（责任编辑 郑筱梅）

Effect Rule of Different Drill Speeds on the Wooden Micro-drill Resistance

LI Xin1，3，DAI Jian2，3，QIAN Wei2，3，CHANG Lihong1
（1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；
2.College of Architecture and Urban Planning，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；
3.Beijing Research Center of Historic Building Protection Engineering，Beijing 100124，China）

To solve the problem that the test data cannot be compared due to the micro-drill resistance test device within different parameter setting，experiments were performed based on the characteristic that the IML resistograph can set the parameters in different drilling speeds and different feed speeds.The experiment conditions were designed in 5 types of drilling speeds and 5 types of feed speeds，and then they were paired each other，25 types of experiment conditions were provided.The variation trend of rotation resistance，feed resistance and the scaling relation between them were discussed.The effect rule of drilling speed and feed speed on the micro-drill resistance were analyzed，and the dependent equations of them were obtained.Results show that in the same experiment condition，the ratio between the rotation resistance and feed resistance were in a fixed range.Both the rotation resistance and feed resistance were in an inverse proportional relationship to the drilling speed，and in a directly proportional relationship to the feed speed.The variation factor of them were almost consistent respectively.The rotation resistance could reflect the changing circumstance of drilling speed and feed speed in resistograph testing more accurately and more directly.

micro-drill resistance；drilling speed；feed speed；wooden components

TU 531.1

A

0254-0037（2016）07-1066-05

10.11936/bjutxb2015060080

2015-06-29

国家科技支撑计划资助项目（2013BAK01B03）；国家自然科学基金资助项目（51278003）；中国人保财险灾害研究基金资助项目（2014D12）

李 鑫（1982—），男，博士研究生，主要从事木结构历史建筑遗产保护方面的研究，E-mail:lixin6722@163.com