速生松木家具幾種節(jié)點接合方式的強度比較研究

李素瑕，劉文金，孫德林

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

速生松木家具幾種節(jié)點接合方式的強度比較研究

李素瑕，劉文金，孫德林

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

以南方速生脫脂馬尾松松木為基材，以“L”型和“T”型構(gòu)件為基本構(gòu)件形式，采用力學實驗方法,對理想使用狀態(tài)——即在外力垂直荷載勻速加載的作用下使構(gòu)件節(jié)點發(fā)生破壞或變形，測試構(gòu)件節(jié)點破壞強度值及其破壞或變形形式。實驗針對8種不同框架節(jié)點接合方式（貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、雙圓榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合）的接合強度進行測定。實驗結(jié)果表明：(1)對于直角連接構(gòu)件，采用貫通直角單榫接合時的節(jié)點接合強度最大；雙圓榫與倒刺螺母共同連接的節(jié)點接合強度次之；然后強度值從高到低依次為雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通直角單榫接合，接合強度最小的是偏心連接件接合；(2)對于45 °斜角連接構(gòu)件，采用45 °不貫通榫斜角接合的節(jié)點強度大于45 °雙圓榫斜角接合的節(jié)點強度；(3)在相同條件下，“T”型實木構(gòu)件的節(jié)點接合強度總體上大于“L”型實木構(gòu)件的節(jié)點接合強度。研究表明：節(jié)點處的基本構(gòu)件形式（“L”型或“T”型）、角部構(gòu)件的連接形式（直角構(gòu)件或斜角構(gòu)件），以及節(jié)點的接合方式等都不同程度地影響著馬尾松松木家具框架節(jié)點的接合強度。

速生馬尾松木材；家具；節(jié)點；強度

家具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的基礎。過去以及我國目前的家具設計基本上偏重于家具的造型設計，而對家具結(jié)構(gòu)強度設計重視不夠，結(jié)果往往造成兩方面的失誤：一方面是家具設計過程中的安全性即家具制品的強度和剛度滿足不了設計要求，導致結(jié)構(gòu)變形，甚至破壞，達不到設計年限，縮短了產(chǎn)品使用壽命；另一方面，安全系數(shù)過大，沒有最大限度的節(jié)省原材料，造成資源浪費，制品粗大笨重，反過來又降低了產(chǎn)品的藝術(shù)魅力[1]。

隨著社會的進步，人們生活和文化水平的提高，消費者變得更加理性。他們有權(quán)利要求產(chǎn)品有足夠的強度，以保證產(chǎn)品在使用過程中的安全性；另一方面，隨著環(huán)境惡化，森林資源相對減少，而現(xiàn)代家具工業(yè)不斷發(fā)展壯大，這一矛盾造成的直接后果就是可加工利用的木材資源日趨緊張，生產(chǎn)成本相對提高。因此，通過合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度設計可以達到節(jié)省材料、避免浪費，降低生產(chǎn)成本的目的，這也使得社會各界對家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度設計的需求更加迫切。

影響家具結(jié)構(gòu)強度的因素有很多，如家具材料本身的力學性能、零部件的斷面尺寸大小、連接件本身的強度、零部件之間的連接方式以及各連接節(jié)點的接合強度等。所謂“節(jié)點”， 是指在家具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，利用各種榫、膠或金屬連接件等把兩個或更多個零部件進行連接的部位，即家具零部件間的接合處，它是家具結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，大多數(shù)家具的破壞，都是由于節(jié)點強度不夠而引起的[1-2]。節(jié)點設計是整個設計過程中最重要的一環(huán)，家具在外力作用下，即使零部件強度都足夠，如果節(jié)點強度不夠，整個木制品也會遭到破壞。實際上由于節(jié)點強度低而引起家具破壞，比其它原因要多的多，所以科學地設計家具框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點就顯得特別重要[3-5]。

節(jié)點處的接合方式及接合強度決定了家具產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的強度[3]。家具結(jié)構(gòu)有框式和板式之分?？蚴郊揖咭愿鞣N榫接合為主要接合方式，木方通過榫接合構(gòu)成承重框架，圍合的板件附設于框架之上，一般不可反復拆裝，其框架形式主要有直角接合框架和斜角接合框架兩種[4-6]，如圖1所示。板式家具是一類以人造板構(gòu)成板式部件，用專用的金屬連接件，如鉸鏈、偏心連接件、螺栓、螺釘或圓棒榫將板式部件接合裝配的家具，一般可以反復拆裝[4-5]。

對實木框架節(jié)點強度性能的研究可以簡化成對“T”型直角構(gòu)件和“L”型直角構(gòu)件，以及“L”型斜角構(gòu)件三種基本形式的節(jié)點強度進行研究[7-10]（見圖2）。

圖1 實木家具基本框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic framework of pinewood furniture

圖2 基本構(gòu)件形式Fig.2 Basic component forms

我國南方人工速生松木資源豐富，其中馬尾松Pinus massonianaLamb. 是我國松類中分布最廣、數(shù)量最多的樹種[11]，也是我國南方的主要用材樹種之一[12-14]。由于馬尾松資源豐富、取材方便，馬尾松家具產(chǎn)品紋理優(yōu)美、色澤亮麗、材質(zhì)較軟、綠色環(huán)保，深受消費者的喜愛[15-16]，現(xiàn)階段廣泛用于生產(chǎn)與制造家具，尤其以兒童和青少年家具居多。研究人工林速生松木家具結(jié)構(gòu)強度性能可直接指導人工林速生松木家具的安全強度設計和零部件的尺寸設計。當前松木家具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)多以可拆裝結(jié)構(gòu)為主，便于產(chǎn)品的包裝、運輸及組裝。通常，產(chǎn)品部件間的連接多使用金屬連接件，如倒刺螺母連接件、偏心連接件，以及各種鉸鏈等；而對于產(chǎn)品部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則主要采用不可拆裝的框架結(jié)構(gòu)，常見的接合方式主要有各種直角榫、圓棒榫、螺釘，以及膠接合等。

本實驗以湖南產(chǎn)速生脫脂馬尾松Pinus massonianaLamb.為基材，以“T”型和“L”型構(gòu)件為主要結(jié)構(gòu)形式，采用力學實驗方法, 針對八種常見的松木家具框架節(jié)點接合方式（包括：雙圓榫接合、貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45°雙圓榫斜角接合和45°不貫通榫斜角接合）的節(jié)點接合強度進行測定，對理想使用狀態(tài)即在外力垂直載荷勻速加載的作下使構(gòu)件節(jié)點發(fā)生破壞或變形進行研究，測得構(gòu)件節(jié)點破壞的強度值及其破壞或變形形式，計算各種節(jié)點的平均接合強度，分析各種節(jié)點的破壞規(guī)律特征，最后得出結(jié)論，以期對人工林速生松木家具的開發(fā)設計和生產(chǎn)實踐具有一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 實驗基材

實驗用脫脂馬尾松Pinus massonianaLamb.木材直接取自湖南長沙某松木家具廠，已經(jīng)過脫脂處理。試驗測得脫脂馬尾松試材平均含水率為13.9%。由于在生產(chǎn)實際中不可能精確選材，試驗與實際生產(chǎn)中隨機購材的實質(zhì)相同，故試驗使用的基材指“泛意義的”速生脫脂馬尾松松木。

1.2 實驗設備

實驗使用的設備和儀器主要有：微機控制電子式木材萬能力學實驗機，山東濟南思達測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號為MWD-50 kg；電子秤，精確至0.001 g，以及游標卡尺等。

1.3 實驗用圓棒榫、膠粘劑和五金件

實驗使用的圓棒榫樹種為樺木，類型為螺紋型，尺寸規(guī)格選用Φ100 mm×40 mm。圓棒榫含水率控制在8%左右。圓榫與榫孔配合間隙約為0.0 mm；榫端與榫孔底部間隙約為1.0 mm。

實驗用膠全部采用聚醋酸乙烯酯乳液膠，俗稱乳白膠或白乳膠，pH值6.7，固體含量為48.6%，粘度為0.64 Pa·s。試件接合時榫的涂膠量大約為150～200 g/m2。

實驗使用的五金件為三件式偏心連接件，偏心輪尺寸為Φ15 mm×11.5 mm、連接螺桿尺寸為0 mmΦ5 mm×32 mm、倒刺螺母規(guī)格為Φ10 mm×11 mm。

1.4 實驗方法

實驗采用8種不同的節(jié)點接合方式，即：雙圓榫接合、直角貫通單榫接合、不貫通直角榫接合、普通倒刺螺母螺桿連接件接合、圓榫和普通倒刺螺母螺桿共同接合、三件式偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合等。這8種不同的接合方式，分別采用“L”型和“T”型構(gòu)件進行連接，共組成16種不同的構(gòu)件連接形式。

實驗時垂直荷載P在“L”型和“T”型直角構(gòu)件的橫向試件上進行勻速加載[10]，加載速度為10 mm/min，在外力荷載P勻速加載的作用下使構(gòu)件節(jié)點發(fā)生破壞或變形，從而測得構(gòu)件節(jié)點破壞的強度值及其破壞或變形形式，如圖3所示。

圖3 “L”型和“T”型構(gòu)件加載Fig.3 Loading of T-form and L-form components

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)件節(jié)點平均強度值綜合比較

為方面圖表描述，在以下圖表中一律用字母代號表示各種構(gòu)件的接合方式。其中直角接合代號為O(Orthogonal corner joints)；斜角接合代號為M（Mitred corner joints）；“T”型構(gòu)件代號為T；“L”型構(gòu)件代號為L；圓榫接合，代號為D(Dowels joints)；偏心連接件接合，代號為E(Eccentric fi ttings joints)；倒刺螺母螺桿連接件接合，代號為S(Screw joints)；圓榫+倒刺螺母連接件接合，代號為DS；貫通直角單榫接合，代號為T(Trough mortise and tenon joints)；不貫通直角暗榫接合，代號為H(Hidden mortise and tenon joints)。

下面對以上8種類型的節(jié)點接合方式，14種不同的直角構(gòu)件和斜角構(gòu)件的加載實驗強度值進行綜合比較。其中，直角接合構(gòu)件主要采用圓榫、倒刺螺母連接件、圓榫與倒刺螺母共同接合、偏心連接件、貫通直角單榫和不貫通直角暗榫等6種接合方式；斜角接合采用了45 °雙圓榫和45 °不貫通榫兩種斜角接合方式。每種接合節(jié)點的平均強度值見表1。

2.2 直角接合“T”型構(gòu)件節(jié)點強度值比較與分析

6種“T”型連接直角接合構(gòu)件中，以貫通直角單榫的接合強度最大，其次是雙圓榫與倒刺螺母螺桿共同接合、雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通單榫接合，強度最小的是偏心連接件接合（見圖4）。

2.3 直角接合“L”型構(gòu)件節(jié)點強度值比較與分析

6種“L”型直角接合構(gòu)件中，雖然“L”型連接構(gòu)件在采用倒刺螺母螺桿連接件接合時，其節(jié)點的接合強度比采用雙圓榫接合時的節(jié)點強度稍大，使二者的排列順序發(fā)生了變化，但二者的節(jié)點強度值僅相差0.15%，這一數(shù)值可以忽略不計。由此可認為，“L”型直角接合構(gòu)件的節(jié)點接合強度排列順序與“T”型直角構(gòu)件的接合強度排列順序基本一致（見圖5）。

表1 構(gòu)件節(jié)點強度值比較Table 1 Comparison among all joints strength values

圖5 “L”型構(gòu)件節(jié)點平均強度值比較Fig.5 Comparison among strength values of L-form component joints

2.4 直角接合“L”型、“T”型構(gòu)件節(jié)點強度值對比

在所有直角接合構(gòu)件中，除了不貫通直角暗榫接合的“T”型構(gòu)件比“L”型構(gòu)件的接合強度稍低以外，其余5種接合方式的“T”型構(gòu)件節(jié)點接合強度均大于“L”型構(gòu)件的節(jié)點接合強度，其中高出值最多的是貫通直角單榫，其“T”型構(gòu)件的節(jié)點強度比“L”型構(gòu)件的節(jié)點強度高出1/3以上。由此可認為，“T”型構(gòu)件的節(jié)點接合強度總體上比“L”型構(gòu)件的節(jié)點強度要高（見圖6）。

圖6 “L”型與“T”型構(gòu)件節(jié)點強度值比較Fig.6 Comparison between strength values of T-form and L-form component joints

2.5 斜角接合“L”型構(gòu)件節(jié)點強度比較與分析

45 °不貫通榫斜角接合的構(gòu)件節(jié)點強度比45 °雙圓榫斜角接合的構(gòu)件節(jié)點強度平均高出129 N，增強百分率為20.9%，具體如圖7所示。

圖7 斜角接合構(gòu)件節(jié)點強度比較Fig.7 Comparison between of strength values of mitred corner joints

3 結(jié)論與討論

以上通過對速生脫脂馬尾松“T”型和“L”型構(gòu)件的8種不同連接接合方式（貫通直角單榫接合、不貫通直角暗榫接合、雙圓榫接合、倒刺螺母連接件接合、雙圓榫與倒刺螺母共同接合、偏心連接件接合，以及45 °雙圓榫斜角接合和45 °不貫通榫斜角接合）的節(jié)點接合強度性能進行研究，就單因子我們可以得出以下結(jié)論：

(1)在所有直角接合構(gòu)件中，綜合起來比較，以貫通直角單榫的節(jié)點接合強度最大；雙圓榫與倒刺螺母共同連接的接合強度次之；然后強度值從高到低依次是雙圓榫接合、倒刺螺母螺桿連接件接合、不貫通單榫接合，接合強度最小的是偏心連接件接合。由此可知，在對家具進行結(jié)構(gòu)設計時，對于受力比較大、要求牢固性比較高的部位盡量使用倒刺螺母連接件或直角榫（尤其是貫通直角榫）進行連接，盡量避免使用偏心連接件。

(2)在兩種45 °斜角接合構(gòu)件中，采用45 °不貫通榫斜角接合的節(jié)點強度大于45 °雙圓榫斜角接合的節(jié)點強度。

(3)實驗結(jié)果表明，在相同條件下，“T”型實木構(gòu)件的節(jié)點接合強度總體上大于“L”型實木構(gòu)件的節(jié)點接合強度。這一研究結(jié)果與2002年司傳領的碩士研究課題 “板式家具角部接合性能的研究”的結(jié)論——“‘T’型結(jié)合方式連接的角部結(jié)合試件的強度值大于以‘L’型結(jié)合方式連接的角部結(jié)合試件的強度值[2]”相一致。因此，當結(jié)構(gòu)允許時，松木家具產(chǎn)品應盡可能采用“T”型結(jié)構(gòu)。

(4)當采用貫通直角單榫接合時，實木構(gòu)件端部木材的順紋抗剪強度以及膠層的膠合強度是影響節(jié)點接合強度性能的關鍵因素。當采用不貫通直角單榫接合時，其節(jié)點接合強度性能主要受膠層的膠合強度和榫頭木材抗彎強度的影響。實驗證明，榫接合的強度普遍比較高，因此在進行家具結(jié)構(gòu)設計時可以考慮適當外露榫接合結(jié)構(gòu)，或者直接以榫卯結(jié)構(gòu)形式做裝飾元素進行造型設計，這樣既增加了接合強度，又體現(xiàn)了中國家具的傳統(tǒng)工藝。

(5)當采用雙圓榫接合時，圓榫的抗彎強度和實木構(gòu)件側(cè)邊部的抗拔力是影響其節(jié)點接合性能的主要因素，通過比較可知，直角構(gòu)件的節(jié)點接合強度與45 °斜角構(gòu)件的接合強度基本相等。

(6)當采用倒刺螺母螺桿連接件接合時，其節(jié)點的接合強度主要取決于倒刺螺母與木材之間的摩擦力即抗拔力。如果采用雙圓榫與倒刺螺母螺桿連接件共同接合，實驗結(jié)果表明，使用圓榫不僅起到了定位的作用，同時更增強了構(gòu)件節(jié)點接合的緊密度，因而大大提高了連接件的接合強度性能。

(7)當采用偏心連接件接合時，其節(jié)點接合強度遠低于其它接合方式，而且接合部位不夠牢固，在實驗過程中容易松動?？梢?，對于強度和剛度要求較高的家具部位應盡量避免單一使用偏心連接件。

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Comparative study on corner joints strength of fast-growing Pinus massoniana wood furniture

LI Su-xia, LIU Wen-jin, SUN De-lin
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China )

By taking the fast-growing Pinus massoniana wood degreased and dried preferably which come from Hunan province as the base material, using T-form and L-form component as the basic pine-wood component, and employing mechanics experimental method,the damage or deformation occurred at the component nodes under the action of external vertical load uniform loaded (an ideal working condition) were studied so as to measure the strength values and the damage or deformation types. Eight kinds of frame joints bonding modes were used to determine the node joining strength, such as run-through mortise and tenon joint, hidden mortise and tenon joint,double dowels joints, screw fi ttings joints, double dowels and screw fi ttings joints, eccentric fi ttings joints, mitred double dowels joints and hidden mitred mortise and tenon joint. The results of the experiments show that the value of run-through mortise and tenon joint strength was the maximum, the double dowels and screw fi ttings joints strength was the second, the double dowels joints strength was the next, and the screw fi ttings joints strength and hidden mortise and tenon joints strength followed successively, the eccentric fi ttings joints strength was the minimum; for the 45 degree bevel join widget, the mitred double dowels joints strength was higher than hidden mitred mortise and tenon joint strength; in the same situation, the joint strength of basic component T-form was higher than that of the basic component L-form. Finally, the studying results show that the corner joints strength values with furniture framework were affected in different degrees by the basic components (T-form or L-form), joint modes of corner parts (run-straight or mitred), and the connected methods of corner joints.

fast-growing Pinus massoniana wood; furniture design; corner joints; strength

S781.3

A

1673-923X(2014)02-0122-05

2013-04-28

湖南省教育廳一般項目（11C1317）；中南林業(yè)科技大學校青年基金（QJ2020019B）

李素瑕（1979-），女，湖南洪江人，講師，主要從事家具產(chǎn)品與木質(zhì)工程材料研究； E-mail：lisuxia@yeah.net

劉文金（1963-），男，湖南常德人，教授，博士生導師，主要從事木制品設計與制造技術(shù)研究； E-mail：csfulwj@163.com

[本文編校：文鳳鳴]