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声发射技术在木材加工领域的应用$

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-16  来源:中国办公家具网  浏览次数:1038

  世界林业研究声发射技术在木材加工领域的应用申珂楠赵海龙丁馨曾李明(西南林业大学机械与交通学院,昆明653224)体内部损伤程度并确定损伤位置。声发射技术为木材加工过程应力监测提供了一种主动无损检测模式,但受木材自身各向异性等特点的限制,目前声发射技术在木材工业中的应用尚处于探索阶段。为此,文中重点介绍了目前声发射技术在木材切削加工、木材及木质结构、木材力学性能、木材干燥过程等木材加工过程的应用现状,并在此基础上根据木材声发射信号特点,提出一种基于LabView及高速采集设备的木材干燥过程声发射监测系统设计方案。

  :2014基金项目:国家自然科学基金资助项目(31100424);云南省教育厅科学研究基金(2013018)-mail:kekedear126.com通信作者:李明(1977-),男,江苏省盐城市人,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为智能控制,E-mail:swfulmswfu.edu.声发射技术作为一种主动式无损检测技术引起了广泛关注,并已应用于汽车、航空航天、金属加工、桥梁检测与监控、石油化工等领域。声发射技术在木材工业中的研究和应用还不是很广泛,目前主要集中在木材切削加工、木材及木质结构的无损检测、木材力学性能检测、木材干燥过程应力变化检测等方面。

  其中声发射技术应用于木材干燥的研究在国内还比较罕见。木材干燥过程比较复杂,会产生应力、应变,同时伴随声发射现象。通过声发射监测可以客观反映应力应变的变化程度,有利于控制木材的干燥过程。因此,本文在总结介绍声发射技术在木材加工领域应用的基础上,提出一种基于LabView及高速采集设备的木材干燥过程声发射监测系统设计方案。

  1声发射技术简介声发射可以定义为物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的种物理现象。声发射检测技术是一种主动式无损检测和探伤技术,可以主动接收木材内部产生的信号,木材在受力或者内部断裂时都会产生声发射现象。现代声发射技术开端于20世纪50年代初的德国,Kaiser观察到多种金属在受力或变形过程中会产生声发射现象,并于60年代应用于无损检测领域中。我国对于声发射的研究开始于70年代,并于80年代开始应用于金属容器的检测方面。经过近半个世纪的发展,目前声发射技术已经广泛应用于汽车、航空航天、金属加工、桥梁检测与监控、石油化工等领域。声发射检测系统一般由硬件和软件2部分组成,硬件部分包括声发射传感器、前置放大器、数据采集卡和计算机,软件部分可采用NI公司的LabView可视化编程软件实现。其中声发射信号采集卡是整个声发射系统中的核心硬件,采集卡的采样精度和采样速度决定了系统对声发射信号的获取能力。而声发射传感器是声发射检测系统的重要组成部分,是影响系统整体性能的重要因素。

  声发射源定位是声发射技术应用的关键之一,其中最为典型的定位方法是时差定位法。时差定位法在运算中具有定位准确、分辨率高的特点,是目前工程应用中常用的一种定位方式。为了更准确地定位声源位置和发生时间,F.Ciampa和M.Meo提出了基于连续小波变换和频域分析的方法来定位声源,并取得良好效果,提高了定位精度1.ShukriMohd提出了基于连续小波变换分析和模态定位分析的声发射源定位方法,并对核管道裂纹扩展进行了监测,将检测结果与传统定位方式进行比较得出,利用该方法确定声源位置和声源起止时间更为准确0.in-SeopKim提出一种Wigner-Ville分布(WVD)与色散岩石理论模型相结合的全新声发射源定位方法,该方法不需要测量信号的到达时间,与传统定位方法相比,WVD算法更加接近于真实位置0.由于木材是一种弹塑性体,声发射信号作为弹性波在不同方向上的传播速率不同,并且受传输过程中衰减的影响,信号通常非常微弱。根据声波传播原理,随着传播距离的增加其波前能量逐渐减弱,信号幅度降低,引起声波衰减的因素主要有扩散衰减、散射衰减、吸收衰减等4.因此,声发射信号的采集工作非常困难,但声发射信号能客观地反映材料内部的复杂应力应变,具有很重要的研究意义。

  为了得到真实信号,去除噪声影响,I.BuaNunez利用多通道采集卡采集石油管道中的声发射信号,然后利用虚拟仪器进行数字化去噪,同时利用声学实验平台对信号去噪,保持了良好的去噪效果。木材加工过程中刀具是极其重要的一部分,木材磨损问题作为一种复杂的变化过程,采用常规的监控方式难以实现,因此采用声发射技术对刀具磨损进行在线监控是一种良好的监控方式。

  2.3木材及木质结构无损检测孙建平等采用万能力学试验机结合声发射仪的方式对木材受损过程进行研究,经过多次试验后,对实验结果进行神经网络预测,得出利用结构为6x5x1网络能很好地根据序列的前6个值精确预测出木材即将承受的载荷M.朱红娟对木材损伤信号的区分进行了研究,将试样分为完整、部分缺陷以及缺陷3种,对其进行加载,测定出不同的信号,通过分析发现,完整的试件信号能量小,缺陷越大的试件信号能量越大E7.德国斯图加特大学的对云杉的裂纹扩展进行了研究,在加载过程中收集到大量的声发射信号M.张志研分别对桦木、水曲柳和落叶松3种木材的裂纹类型试样进行了三点弯曲试验,利用声发射仪采集信号,研究得出,裂纹扩展临界应力以及无裂纹试样裂纹产生临界应力相差较大M.木材及木质结构的无损检测可以在不损伤木质材料的条件下实现在线监控木材的加工过程,提早预测构件的疲劳状态并预防破坏。因此,木材无损检测技术有着广泛的研究和应用前景。

  2.4木材干燥过程检测木材干燥过程的有效控制将直接影响木材的品质和性能,但由于木材干燥过程和木质材料的特殊性和复杂性,对于干燥过程的控制大部分还停留在经验控制方面,有关木材干燥过程中AE信号的具体分析以及识别的研究还比较罕见。丁小康对木材在干燥过程中产生的声发射信号进行了采集和特征分析,得出木材干燥过程中主要采集到2种不同类型的声发射信号,一种信号来自木材内部自由水的蒸发,另一种信号与木材干燥过快时自身形变开裂相关20.孟兆新以典型的木材联合干燥系统为研究对象,提出一种应用于复杂工作环境下的多系统优化思想,通过实验将该思想实现并应用于设计技术当中21.东芬兰大学的MarkkuTtta对现有的木材干燥过程进行了仿真,得出含水量、水分梯度、温度、密度等数据的参数变换,并可以利用参数变化,较好地估计出木材的应力集中部分和细微裂纹产生部分,为木材干燥过程提供数据支持122.孙丽萍研究了木材干燥过程中木材含水率参数的影响,建立了温度、湿度与最小二乘支持向量机(LSSVM)模型,在该模型基础上实现了木材含水率的预测输出,为木材含水率的在线监测提供了23.由于木材干燥过程中受到的影响因素很多,因此目前的木材干燥研究多半停留在对声发射信号的参数分析层面,很少有波形分析。但波形分析能直接反映木材内部的各种变化,因此木材的波形分析应当作为重点研究内容。

  3木材干燥过程声发射监测系统设计由于木材干燥过程受外界影响复杂,受到温度场、湿度场以及力场相耦合的复杂工作环境的影响,在高温低湿状况下干燥速率高,但是加工出的木材质量不高,在常温常湿状况下干燥又会导致干燥速率过低。所以,要找到个温度、湿度和质量的平衡点是一项困难的工作。

  针对这一问题,我们根据木材干燥的工作方式,模拟干燥窖的工作模式,设计出一种可以研究木材干燥过程和受力过程的实验平台。该平台由硬件和软件2部分组成,硬件部分由恒温恒湿箱、传感器、信号放大装置、NI数据采集卡和计算机组成,以实现对声发射信号的采集工作;软件部分由LabView软件编程实现,对数据采集卡采集到的声发射信号进行储存、分析和处理。通过该平台,在实验环境下可以实现较好的木材加工干燥模拟过程;在此基础上对云南地区多种常见木材的受力和干燥过程进行了研究,得出在木材干燥和受力过程中声发射信号与木材干燥速度、干燥湿度和干燥温度之间存在的关系;力求从理论上得出种合理的干燥温度和湿度自动控制方式,以实现木材干燥过程中既能保证较高的干燥速率、又保证较高的干燥质量的方法。系统结构简图如下。

  设计研究系统思路结构图其中,传感器选择使用声华SR150N型声发射传感器,该传感器的信号采集频率范围为22~220kHz,识别范围广,具有灵敏度高、采集频率范围广的优点,可以准确完成数据采集工作。前置放大器采用PAI前置放大器,响应频率为10kHz该放大器具有内置降噪效果,能在有效放大信号的同时减少噪声信号。采用美国NI公司的多通道采集卡对数据进行采集,采集速率能满足采集需求,具有高速准确的数据采集性能。软件部分采用NI公司的LabView可视化编程平台实现对硬件部分采集数据的保存、调用以及分析工作。在实验过程中采用恒温恒湿箱,以保障木材干燥过程中温度和湿度的可控,在数据采集中对传感器进行多种方式排列,力求选择一种最佳的排列模式。对于降噪,不但有硬件中的信号放大器降噪过程;在软件方面,LabView具有强大的数据采集和分析功能,使用LabView的高级数据处理工具包,利用小波分析软件,可对信号进行二次降噪,并对降噪后的信号进行分析。

  4结语木材本身具有的优良的隔热、吸声、除湿功能以及低耗能、可再生等优点,使其具有广阔的应用前景。

  但与其他固体材料相比,木材是一种具有弹塑性的各向异性生命体,在运输和加工过程中特性变化非常复杂,甚至会因周围温湿度的变化而引起细胞内的水分迁移,导致内部应力集中直至发生内部开裂。这种因应力变化而产生的木材塑性变形不仅会直接降低木材的效用,甚至会导致相应机构的失效。动态获取木材应力应变状态是维持木材性能、预防失效的关键所在。声发射技术作为一种动态无损检测方式在判断木质材料内部变化、预测断裂点、监控木材含水率方面有着明显的优势,因此其在木材加工方面的应用有着广阔的空间。目前,声发射技术在木材工业方面的应用才刚刚开始,尚待不断深入探索。但是声发射技术作为一种动态的无损检测方式已经广泛应用于其他行业和领域,在木材加工领域的应用应当注重借鉴在其他行业应用的实践经验。

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