集溫濕光調(diào)控的森工產(chǎn)品老化試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

李威龍 王 瀟 魏圣濤 王超越 劉沛然 徐國(guó)祺

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

近年來(lái)，隨著“碳中和”理念的提出，森林木材資源愈發(fā)珍貴，但是森工剩余物卻較為豐富。利用剩余物制作衛(wèi)生筷、工具把、細(xì)木工板芯條以及復(fù)合纖維板等，可以節(jié)省大量原木、降低成本，使森林資源利用率得到極大的提高。森工剩余物產(chǎn)品還具有良好的生態(tài)效益，收集伐區(qū)內(nèi)剩余物可以減少病蟲害蔓延；使林木種子有更多機(jī)會(huì)接觸土壤，從而促進(jìn)森林的更新；同時(shí)利于森林防火工作的開展。木質(zhì)纖維版是以木制纖維材料與膠粘劑壓制而成的一種新型人造板材，由于其組織結(jié)構(gòu)均勻、密度適中、板面平滑易于裝飾、加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，成為一種用途廣泛的森工剩余物產(chǎn)品。其耐老化性能是衡量產(chǎn)品使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以加速的方式在較短時(shí)間內(nèi)分別進(jìn)行木質(zhì)纖維和纖維板的老化從而得到精確的數(shù)據(jù)是十分必要的。目前老化試驗(yàn)主要采取2種方式：自然大氣老化方法和人工加速老化方法[1-2]。自然大氣老化方法是評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能最直接、最可靠的方法，但是缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，而且環(huán)境條件難以控制，無(wú)法分離各種環(huán)境因素(溫度、濕度、光照強(qiáng)度)對(duì)產(chǎn)品老化的影響。人工加速老化方法不受時(shí)間地點(diǎn)限制，只需在老化實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)調(diào)控溫度、濕度和紫外線的強(qiáng)度就可完成整個(gè)木材老化試驗(yàn)的全過(guò)程，試驗(yàn)周期大為縮短，提高了試驗(yàn)效率。目前，市場(chǎng)上的老化試驗(yàn)箱主要用于電子元件、塑膠類產(chǎn)品的老化試驗(yàn)，沒有只針對(duì)木質(zhì)材料的特殊老化試驗(yàn)箱。此外，市場(chǎng)上的老化試驗(yàn)箱功能較為單一，只能針對(duì)一種變量(溫度、濕度、光照強(qiáng)度和臭氧含量等)來(lái)進(jìn)行老化試驗(yàn)，無(wú)法較好地模擬自然條件，且產(chǎn)品承插座多為固定式?；谝陨犀F(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種專門應(yīng)用于森工產(chǎn)品的可拆卸多功能老化試驗(yàn)箱是十分必要的。

1 老化箱系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)材料本身和老化箱的實(shí)際需求出發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)方案[3]，如圖1所示，老化箱主要由模擬環(huán)境的控制裝置和測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感系統(tǒng)組成，木材老化分為3方面，為滿足不同的老化要求，分別設(shè)計(jì)不同的控制裝置，統(tǒng)一由控制系統(tǒng)控制。

圖1 老化箱技術(shù)方案Fig.1 technical scheme of aging box

2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量溫度、濕度、光照強(qiáng)度的功能，如圖2所示。通過(guò)鍵盤電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，將監(jiān)測(cè)出的變化量通過(guò)傳感器模擬出電流傳給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在顯示屏上顯示，根據(jù)設(shè)定參數(shù)反饋給控制系統(tǒng)，通過(guò)一系列控制使得變化量在合適范圍波動(dòng)，較好地模擬自然環(huán)境的老化條件。

圖2 傳感系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of sensing system

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用ARM9嵌入式微控制器S3C2400和Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合的嵌入式控制系統(tǒng)，具有系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、響應(yīng)速度快和功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能控制老化箱的溫度、濕度、電機(jī)開關(guān)，定時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)等，且能夠遠(yuǎn)程查詢的功能[4]。

4 老化箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 整體結(jié)構(gòu)的說(shuō)明

集溫濕光調(diào)控的森工產(chǎn)品老化試驗(yàn)箱分別設(shè)置有加熱裝置、噴淋裝置和光照裝置，可滿足不同試驗(yàn)條件下的木材老化試驗(yàn)，并且設(shè)計(jì)有溫度、濕度和光照強(qiáng)度感知測(cè)量部分。老化箱的整體結(jié)構(gòu)其中主要包括排風(fēng)裝置(11)、紫外燈裝置(5)、加熱裝置(16)、試樣夾具(7)、夾具固定裝置(15)、噴淋裝置(4)和微控制器(14)等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局如圖3—圖5所示，老化箱可調(diào)參數(shù)見表1。

圖3 老化試驗(yàn)箱主視圖(箱門打開)Fig.3 main view of aging test chamber(door open)

圖4 老化箱主視圖(箱門關(guān)閉)Fig.4 main view of aging box(door close)

圖5 老化箱后視圖Fig.5 rear view of aging box

表1 森工產(chǎn)品老化試驗(yàn)箱可調(diào)參數(shù)

改進(jìn)后的排風(fēng)裝置可保證溫度偏差變化小[5]。箱頂?shù)膰娏苎b置包括水箱、水管、水泵和噴頭。加熱裝置采用集束式管狀電熱元件，箱內(nèi)溫度為測(cè)試溫度。微控制器安裝于箱門與箱體交接處，箱體頂部同時(shí)設(shè)有紫外線燈為模擬太陽(yáng)光中的紫外線波段，選用2條UVA-340型紫外燈管，具體參數(shù)見表2，夾具拆卸槽由電機(jī)、齒輪組成。選用高性能交流接觸器、時(shí)間繼電器等電路元件進(jìn)行電路連接[6]。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、便于觀察，且能夠進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[7]，表3為各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 UVA-340型紫外燈管各項(xiàng)參數(shù)

表3 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 部分結(jié)構(gòu)的說(shuō)明

固定裝置15通過(guò)六邊形棱柱結(jié)構(gòu)與樣品夾7進(jìn)行可拆卸連接固定在箱體兩端用于夾持樣品網(wǎng)或其他板狀森工產(chǎn)品，如圖6所示。同時(shí)為滿足不同的森工產(chǎn)品的要求。

圖6 夾具連接處示意圖Fig.6 Schematic diagram of fixture connection

底部旋轉(zhuǎn)裝置13，通過(guò)螺栓與纖維樣品臺(tái)21進(jìn)行可拆卸連接，裝置緩慢搖晃，使纖維滾動(dòng)均勻老化，如圖7所示。

圖7 老化箱底部的旋轉(zhuǎn)裝置Fig.7 rotating device at the bottom of aging box

可拆卸移動(dòng)式樣品臺(tái)，如圖8所示。滾輪19通過(guò)螺栓固定在弧形支撐架20右側(cè)套設(shè)在右滾筒上，所述樣品網(wǎng)與滾輪相抵觸，以保證樣品網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的順滑程度。電滾筒通過(guò)電線與箱體后壁防水插座可拆卸連接，用于提供動(dòng)力。運(yùn)行時(shí)，履帶式樣品網(wǎng)按一定速度緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，使木質(zhì)纖維在其上緩慢滾動(dòng)；當(dāng)纖維隨之運(yùn)轉(zhuǎn)至另一端時(shí)，控制樣品網(wǎng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維的均勻老化功能?？刹鹦兑苿?dòng)式樣品臺(tái)配合試樣夾具可滿足絕大多數(shù)森工產(chǎn)品的要求。為滿足極個(gè)別特殊森工產(chǎn)品的要求，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同的樣品臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能的多樣性，可拆卸移動(dòng)式樣品臺(tái)支架如圖9所示。

圖8 可拆卸移動(dòng)式樣品臺(tái)Fig.8 design of removable movable style table

圖9 可拆卸移動(dòng)式樣品臺(tái)支架Fig.9 removable mobile sample stand stand

5 結(jié)語(yǔ)

該老化試驗(yàn)箱集溫度、濕度、光、熱老化條件于一體，從多角度考量森工產(chǎn)品的最佳使用條件及老化情況，也可以作為一種儲(chǔ)存森工產(chǎn)品裝備使用，該設(shè)備能夠廣泛應(yīng)用于森工產(chǎn)品保持、運(yùn)輸及科研中，操作友好、安全，且數(shù)據(jù)具有直接傳輸功能。