集温湿光调控的森工产品老化试验箱的设计

李威龙 王 潇 魏圣涛 王超越 刘沛然 徐国祺

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

近年来，随着“碳中和”理念的提出，森林木材资源愈发珍贵，但是森工剩余物却较为丰富。利用剩余物制作卫生筷、工具把、细木工板芯条以及复合纤维板等，可以节省大量原木、降低成本，使森林资源利用率得到极大的提高。森工剩余物产品还具有良好的生态效益，收集伐区内剩余物可以减少病虫害蔓延；使林木种子有更多机会接触土壤，从而促进森林的更新；同时利于森林防火工作的开展。木质纤维版是以木制纤维材料与胶粘剂压制而成的一种新型人造板材，由于其组织结构均匀、密度适中、板面平滑易于装饰、加工性能优良等优点，成为一种用途广泛的森工剩余物产品。其耐老化性能是衡量产品使用性能的一项重要指标，因此在实验室内以加速的方式在较短时间内分别进行木质纤维和纤维板的老化从而得到精确的数据是十分必要的。目前老化试验主要采取2种方式：自然大气老化方法和人工加速老化方法[1-2]。自然大气老化方法是评价产品性能最直接、最可靠的方法，但是缺点是耗时长，而且环境条件难以控制，无法分离各种环境因素(温度、湿度、光照强度)对产品老化的影响。人工加速老化方法不受时间地点限制，只需在老化实验箱内调控温度、湿度和紫外线的强度就可完成整个木材老化试验的全过程，试验周期大为缩短，提高了试验效率。目前，市场上的老化试验箱主要用于电子元件、塑胶类产品的老化试验，没有只针对木质材料的特殊老化试验箱。此外，市场上的老化试验箱功能较为单一，只能针对一种变量(温度、湿度、光照强度和臭氧含量等)来进行老化试验，无法较好地模拟自然条件，且产品承插座多为固定式。基于以上现状，设计一种专门应用于森工产品的可拆卸多功能老化试验箱是十分必要的。

1 老化箱系统技术方案设计

根据材料本身和老化箱的实际需求出发设计技术方案[3]，如图1所示，老化箱主要由模拟环境的控制装置和测量数据的传感系统组成，木材老化分为3方面，为满足不同的老化要求，分别设计不同的控制装置，统一由控制系统控制。

图1 老化箱技术方案Fig.1 technical scheme of aging box

2 传感系统设计

传感系统以单片机为控制核心，进而实现同时测量温度、湿度、光照强度的功能，如图2所示。通过键盘电路进行参数设定，将监测出的变化量通过传感器模拟出电流传给A/D转换器转换成数字量在显示屏上显示，根据设定参数反馈给控制系统，通过一系列控制使得变化量在合适范围波动，较好地模拟自然环境的老化条件。

图2 传感系统原理图Fig. 2 Schematic diagram of sensing system

3 控制系统设计

控制系统采用ARM9嵌入式微控制器S3C2400和Linux操作系统相结合的嵌入式控制系统，具有系统扩展性强、可靠性高、响应速度快和功能强大等特点。实现了系统功能控制老化箱的温度、湿度、电机开关，定时存储测试数据等，且能够远程查询的功能[4]。

4 老化箱结构设计

4.1 整体结构的说明

集温湿光调控的森工产品老化试验箱分别设置有加热装置、喷淋装置和光照装置，可满足不同试验条件下的木材老化试验，并且设计有温度、湿度和光照强度感知测量部分。老化箱的整体结构其中主要包括排风装置(11)、紫外灯装置(5)、加热装置(16)、试样夹具(7)、夹具固定装置(15)、喷淋装置(4)和微控制器(14)等，结构设计与布局如图3—图5所示，老化箱可调参数见表1。

图3 老化试验箱主视图(箱门打开)Fig.3 main view of aging test chamber(door open)

图4 老化箱主视图(箱门关闭)Fig.4 main view of aging box(door close)

图5 老化箱后视图Fig.5 rear view of aging box

表1 森工产品老化试验箱可调参数

改进后的排风装置可保证温度偏差变化小[5]。箱顶的喷淋装置包括水箱、水管、水泵和喷头。加热装置采用集束式管状电热元件，箱内温度为测试温度。微控制器安装于箱门与箱体交接处，箱体顶部同时设有紫外线灯为模拟太阳光中的紫外线波段，选用2条UVA-340型紫外灯管，具体参数见表2，夹具拆卸槽由电机、齿轮组成。选用高性能交流接触器、时间继电器等电路元件进行电路连接[6]。此设计结构简单、使用方便、便于观察，且能够进行对比试验[7]，表3为各项实验参数。

表2 UVA-340型紫外灯管各项参数

表3 各项实验参数

4.2 部分结构的说明

固定装置15通过六边形棱柱结构与样品夹7进行可拆卸连接固定在箱体两端用于夹持样品网或其他板状森工产品，如图6所示。同时为满足不同的森工产品的要求。

图6 夹具连接处示意图Fig.6 Schematic diagram of fixture connection

底部旋转装置13，通过螺栓与纤维样品台21进行可拆卸连接，装置缓慢摇晃，使纤维滚动均匀老化，如图7所示。

图7 老化箱底部的旋转装置Fig.7 rotating device at the bottom of aging box

可拆卸移动式样品台，如图8所示。滚轮19通过螺栓固定在弧形支撑架20右侧套设在右滚筒上，所述样品网与滚轮相抵触，以保证样品网运转时的顺滑程度。电滚筒通过电线与箱体后壁防水插座可拆卸连接，用于提供动力。运行时，履带式样品网按一定速度缓慢运转，使木质纤维在其上缓慢滚动；当纤维随之运转至另一端时，控制样品网反向运转，以此实现木质纤维的均匀老化功能。可拆卸移动式样品台配合试样夹具可满足绝大多数森工产品的要求。为满足极个别特殊森工产品的要求，可根据需求设计不同的样品台，进而实现功能的多样性，可拆卸移动式样品台支架如图9所示。

图8 可拆卸移动式样品台Fig.8 design of removable movable style table

图9 可拆卸移动式样品台支架Fig.9 removable mobile sample stand stand

5 结语

该老化试验箱集温度、湿度、光、热老化条件于一体，从多角度考量森工产品的最佳使用条件及老化情况，也可以作为一种储存森工产品装备使用，该设备能够广泛应用于森工产品保持、运输及科研中，操作友好、安全，且数据具有直接传输功能。