钢卷木托架垫木材料承载特性及其影响因素研究*

王洪光，林 威

(1.宝山钢铁股份有限公司 冷轧厂，上海 201900；2.燕山大学 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

根据不同用户的加工生产需求，钢卷的包装形式分为卧式、立式以及板包。对于钢卷立托架垫木所使用的材料而言，在满足钢卷运输过程中的静载强度及吊运过程中的冲击载荷强度要求之外，也应当保证垫木在堆垛时所受静载荷下的蠕变量能够满足用户的正常存储运输要求。国内外学者对于木材在恒载作用下蠕变量的研究主要偏重于简化蠕变量测量方法及对部分影响因素对比分析的研究，比较典型的有：刁林海等给出了通过应变测量获取木材蠕变特性的原理和方法[1，2]；Hsieh Tai-Yun等分析了水和温度对木材蠕变的影响[3]；Sun Nanjian等提出了干木的蠕变模式时间、温度研究对木质部聚合物行为的影响[4]；卢宝贤等根据蠕变特性曲线测得了几个蠕变量模型的各个参数[5]。如何在现有方案及蠕变模型的基础上，建立能够满足现场生产实际的实验方案，并根据该实验标准建立影响钢卷垫木材料在当前环境参数下的蠕变量模型，验证钢卷立托架在极端环境下是否满足特定时间内的蠕变极限，本文研究即在此背景下展开。

1 钢卷木托架垫木承载特性分析

钢卷运输过程中立托架承载状态如图1所示。立式钢卷经过行车吊运将同种型号的产品进行堆放，在堆放的过程中，底层立托架垫木不但承受上层钢卷所产生的静载荷，还要承受吊运下放过程中产生的冲击载荷，此外由于立托架形状结构不规则受力情况复杂，底层立托架垫木除了要满足存储过程中动载荷承载要求，在静载荷作用下垫木蠕变量还应当能够满足后续运输生产要求。

图1 钢卷运输过程中立托架承载状态

2 钢卷木托架垫木承载特性试验研究

2.1 实验方案的制定

本文研究的目的是为验证立托架在实际承载过程中，垫木高度受各种因素变化的影响，但由于托架规格较多且尺寸较大，整体实验相对复杂。因此，先根据木托架典型受力情况，研究垫木所用材料五桠果的力学性能，及其在不同条件下的蠕变特性曲线。

2.2 实验原理与试样制备

由于压力机的压头尺寸有限，而木托架的垫木尺寸长宽高过大，因此不能把整个木托架放到压力机上，木托架垫木单位所受压力σy(MPa)计算公式为：

(1)

其中：c为堆放层数；MG为钢卷重量，kg；ML为立托架重量，kg；Ldc为垫木长度，mm；Kdk为垫木宽度，mm。

为简化受力情况，根据木托架垫木加工技术标准可知实际受力只有边脚垫木，根据试样尺寸结合木托架单位面积所受压应力，设定压力机对试样施加的压力。垫木蠕变实验原理如图2所示。

图2 垫木蠕变实验原理

2.3 实验研究

为了定量分析立托架堆放过程中各影响因素对垫木材料蠕变特性的影响，分别对不同条件下的垫木材料蠕变量随承载载荷、含水率、缺陷的变化趋势进行实验测量，对比其在不同工况下的蠕变特性。

2.3.1 实际载荷实验

在木托架垫木试样的含水率为23.5%、施加载荷为12.54 kN情况下，得到五桠果的压缩特性曲线如图3所示。

由图3可以看出，五桠果材料的蠕变量变化过程中会出现蠕变速率变化的现象，但变化后的蠕变速率仍然为一常数。这是由于五桠果材料在承载方向上横纹、顺纹分布不均匀且密度不一致导致的。

图3 五桠果许用载荷压缩特性曲线 图4 五桠果不同含水率压缩特性曲线 图5 五桠果极限载荷压缩特性曲线

2.3.2 含水率对比实验

在木托架垫木试验载荷为12.54 kN、不同含水率情况下，得到五桠果的压缩特性曲线如图4所示。

由图4可以看出，在含水率增大时，五桠果的弹性蠕变量和蠕变速率均会增加，这是由于当前含水率已经超过五桠果材料的纤维饱和点，降低了五桠果材料的抗压性能，使得弹性蠕变量和蠕变速率增大。

2.3.3 极限载荷对比实验

为了进一步确定五桠果蠕变量与极限载荷的关系，对木托架垫木试样分别施加12.54 kN、25.08 kN、43.89 kN载荷，得到的压缩特性曲线如图5所示。

由图5可以看出，随着载荷的增加，五桠果材料的弹性蠕变量和蠕变速率均会增加，当载荷超过五桠果材料的屈服应力时，蠕变速率极大增加，并在短时间内发生破坏。

2.3.4 缺陷对比试验

为了进一步确定缺陷对垫木压缩蠕变特性的影响，选取含水率为56%的试样，施加12.54 kN载荷，得到有、无虫眼缺陷的五桠果试样压缩特性曲线如图6所示。

图6 五桠果存在缺陷与否压缩特性曲线

由图6可以看出，五桠果材料存在缺陷时，并未增加弹性蠕变量，但是增加了其蠕变速率。

3 蠕变模型的建立

本部分以开尔文锁作为基本蠕变模型，在实验测得蠕变特性曲线模型的基础上，求得五桠果木材各个参数，通过参数影响系数分析，建立一个适合于根据环境参量预测钢卷垫木蠕变柔量的模型：

(2)

其中：J0为蠕变弹性柔量，cm2/N；χh0为含水率对蠕变弹性柔量影响系数；t为压缩时间，min；η0为粘滞阻尼，N/(cm2/min)；ξqx为缺陷对蠕变速率影响系数；τi为开尔文体达到平衡的时间，min；Ji为i号开尔文体的蠕变柔度,cm2/N。

根据公式(2)结合蠕变速率稳定原则求出其在含水率分别为23.5%和57%条件下的蠕变柔量模型：

(3)

(4)

根据式(3)、式(4)假设含水率及缺陷对木材蠕变柔量影响均为线性，则根据垫木不同含水率条件下压缩量数据可得：

χh0=0.616(w-12).

(5)

(6)

其中:w为含水率，%；Vqx为缺陷体积，mm3；Vz为垫木总体积，mm3。

为考虑密度对压缩量的影响，综合考虑横纹中弦向体积分布比例占比、材料密度、含水率等影响，得到钢卷垫木压缩量模型：

Y(t)=Φxq·λde·Srb·J1(t)·σpr.

(7)

其中：Φxq为材料横纹弦向轴向体积系数；λde为密度影响系数；Srb为蠕变载荷系数；σpr为单位面积载荷应力，N/cm2。

密度影响系数计算公式为：

(8)

其中:γ为当前材料密度，g/cm3。

材料的横纹弦向轴向体积系数计算公式为：

Φxq=1/(k1tanα+(1-tanα)).

(9)

其中:α为弦向纹理与轴向夹角；k1为弦向抗压强度与轴向抗压强度比值，一般取0.7～0.8。

蠕变载荷系数的值一般根据垫木材料密度及施加载荷按经验公式(10)进行选择：

(10)

当含水率w=47%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.704 g/cm3，代入公式(7)可得压缩量为1.809 mm，实验测得压缩量为1.758 mm；当含水率w=24.5%，ξqx=1，t=1 000 min，α=0°，γ=0.727 g/cm3，代入公式(7)可得压缩量为3.614 mm，实验测得压缩量为3.452 mm。比较发现两者的误差较小，验证了模型的准确性。

4 结论

(1)结合钢卷堆垛立托架垫木受力情况，在实验室条件的基础上，建立了一套适合于现场生产条件的立托架垫木蠕变实验方案。

(2)根据实验方案，测量了五桠果在不同载荷、含水率以及是否存在缺陷等情况下的压缩特性曲线。

(3)建立了在不同载荷、含水率、缺陷率下垫木的压缩特性模型，并结合其他条件下的实验数据对模型精度进行校核，其精度符合长时间预测模型的要求。