木 材材 質 の実用 的評価 法 と しての衝 撃硬 さ 験 * 1

603

[木材学会誌 Vol.28,No.10,p,603‑608(1982)(論文)]

木 材材 質 の実用 的評価 法 と しての衝 撃硬 さ 験 * 1

祖 父江 信 夫*2

I mpa c tHa r dne s sTe s ta saPr a c t i c a lMe t hod f orWoodQua l i t yEv a l u a t i on

^+I

Nobuo

SoBUE* 2

Thi spape rde a l swi t h t her e bound ofas t e e lha mme ron t r opi c a lha r dwoodsa ndt he a de qua c yoft hei mpa c tha r dne s st e s tf orwoodqua l i t ye v a l ua t i on･

Theha mme rha sas t ee lba l

l10

mm i ndi a me t e roni t sl owe re ndwe i g hi ng

25･26

g

･

Ther e s t i t ut i onc oe f f i c i e nt

(e)

,t hebounc i nghe i g ht( h

max),

a ndt het i mebe t we e nt hef i r s t c ol l i s i ona nd t het ot a lr e s t i ngoft heha mme ra th

.max

( t h)we r eme a s ur e df ordr ophe i ght s of

5

mm ,

10

mm,a nd

100

mm･Thes t a t i cha r dne s soft hewoodbyJa pa nI ndus t r i a lSt a nda r d ( JI S)Z

2117

乱 l s owa sme a s ur e d･

Thequa nt i t a t i ver e l a t i ons hi psbe t we e nt hes t a t i cha r dn es sbyJI S

Z2117

a ndt hei ndi c e s e , h

max

, andt hWe r eObt a i ne dbyt heme t hodofl e a s ts qu ar ei nt hec a s eoft h edr ophe i ght of

10

mm a ss howni nEqua t i ons4t o

12･

Ther e s ul t sobt a i ne ds uppor tt he･ a de qua c yoft he s equa n t i t i e sa st hei ndi c e soft heha r dne s s orwood.

somepr ac t i c a lme t hodsf orme a s ur i n gt hei ndi c e sh

max

a nd t h i nf a c t or i e sa ndya r ds a l s oa r ec ons i de r e d.

工場 などの現場で簡単 にできる材質拭験法 として,衝撃硬さ試験法について検討 した｡熱帯産広葉樹 材に鋼製‑ ンマ(先端庄子 :直径10mmの鋼球O‑ ンマの豪農 :25.26g)を 自由落下 させたときに得 ら れる反発係数 C,跳ね上 り高 さk ax,跳ね上 り時間

t

hなどの物理量と

JI S Z

2117による木材 の 硬 さ との定鼠的な関係について調べたo

e

,hmax,thと

JIS

硬さとの関係を最小二乗法によって求め ると(4)式‑(12)式 の関係 が得 られ,

C, hmax,

t

hは木材の硬 さと商い相関を持ち,衝撃硬 さの指標 として利用できることが分ったO また, hmax,thの実際的な測定法について も検討 したo

1 .

緒 言

木材と鋼球の衝突現象に関す る研究は古 く,衝突時の エれ レギー吸収能カの評価や,実用面では木製品に硬い ものが衝突 した時の耐力など表面硬度の評価法 としての 換肘がなされてい る1,2･8)O

金属材料では,小型‑ ンマを材料 に自由落下 させ,衝 突後の‑ ンマの跳ね上 り高 さを硬 さの指標 とす るシ ョア

*l

Re c e i ve dApr i

130,1982･ この研究は,欝 32回 日本木材学会大会(1982年4月, 福間)はおいて発 表 した｡

ii

*2名古屋大学農学部

Sc ho . olofAgr i c ul t ur e i Na g bya Uni v e ' r s l ● t y , Na g oya464

硬さ4)の

JI S

規格などがあり,工場など現場での簡便な 材質試験法として利用 されている｡木材の場合には現在 このよ うな規格はないが,跳ね上 り高 さや反発係数など が木材の硬さの指標 として意味を持つことが確 かめ られ れば,実用的な硬さ試験法として利用できる｡

近年わが国に輸入 される熱帯産材には,耗加工材や材 質の不明な雑木が増加する傾向がみ られ,これ らの有効 な利用が望まれている｡そこで,加工前に現場 で簡単な 材質試験が実施できれば,難加工材などの適切な概械加 工条件や選別などの目安を得 ることが期待で きる｡

本研究では,このような用途への簡易な硬 さ試験の適 用を目的 とし,木材

に

鋼製ハ ンマを自由落下 させた際に 得 られ る反発係数やノ､yマの跳ね上 り･高さなどの物理盈

604 _{祖父江 信 夫 [木材学会誌} Vol.28,No.10

とJISZ2117によ る木材 の静 的便 さとの関係 について 調 べ ,動 的な木材硬 さの妥 当性 を検討 した｡

2. 自由落 下 に よ る物 体 の衝 突

Fig.1のように,高 さ 九Oにあ る質量 肌の‑ ンマが 自由 落下 して試験片

S

に衝突 す るとき,衝突直前 およ び直後 め‑ ンマの速 度をそれぞれ^vl,輿,反発後 の‑ ンマの跳 ね上 り最高高 さを hmax(以後,跳 ね上り高 さと呼ぶ)とす れば,反発係数ehは(1)式で定 義 される古)o

e

h ‑ p‑ V l

⁽¹⁾

また,‑ ンマが落下を開始 して か ら最初 に試験体 に衝 突す るまでの時間を

t

l,2回 目に衝突す るまでの時 間を

t2とすれ ば,ハ ンマの跳 ね上 り高 さは

(5'‑一2≡5m九 ‑･†む⁝〇一.‑∫̲ 2 2hJ一LVgl一2≡り︼Eiid ₍₂₎ となる｡ここでgは重力 加速度で あるo

t

hは‑ ンマが衝 突 してか ら九maxまで上昇す る間 の時間で,以後 ,跳ね上 が り時間 と呼ぶ｡

さらに,(2)式を(1)式に代入 すると,反発係数 は

t

h

か らも求 まり,thに一次 比例す ることがわか る｡

et‑J諾

t

h

(3)

Fig･1･Free以 lofhammer･ 3.実 験

3 . 1

試 料

供試樹種 と気乾比重 はそれ ぞれ,バルサ0.1上 ジ ェル トン0.26,エ リマ0.29,ゲロンガ ン0･33,0･45,ワ ワ0･41, レッ ドメランチ0.49,テ ラ リン0.50,モア ビ0･59. ラミ ン0.64,ローズウッ ド0.67,マ コ‑レ0･68,ケ ラッ ト0･71, マ トア0.77,ア ピ トン0.79,タイラ0･83,メソベ ニ ン0･91, オノオ レカ ンバ0.951チ ンチ ャ ン1.07,ホ ンジュ ラスロ ーズウ ッ ド1.10で ある｡硬材試料 として温帯産 のオ ノオ レカンバを加え たが,他 は全て熱帯 産広葉樹で あ るQな

お,4.1‑ 4.3頓 の実験では,バルサ,エ リマ,ゲ ロン ガ ン0.45,テ ラ リン,ケ ラッ ト,メ ソベニ ン,チ ンチ ャ ンの7樹種を用いた｡

試験体 の寸法はJISZ2117に準 じ,試験時 における 含 水率 は9‑11番であ った0

3.2 測定方法

測定方法 の概 要をFig.2に示す｡ 差動変圧器型変位計 DTF(コイル電流 :

1 ■ ok Hz )

の心棒 の下端に直径10mm の鋼球を固定 して‑ ンマ(寮巌25.26g)と し,上端 を電 磁石で保持 した｡瞬間的に電磁石の電流を遮断 して‑ ン マの落下を開始 させ ,‑ ンマ の 高 さをDTFで, また木 材 と‑ ンマの衝突音 をマイクロフォンで検出 した｡ 検出 したそれ ぞれの波形 は,デ ィジタル波形記憶装置 に記憶 したの ち. レコーダーの記録紙上 に画かせ たO

毒 ≡

F短.2.Blockdi喝ram OfequlPment･

Notes:Amp･:Amplifier;DTF:Differentialtrans^‑ former; DWM: D*tal wave memory;

ER:Electromagneticrelease;

i .:

Cut‑off frequency; LPF:Low‑passfdter; Mic･: Microphone; Rec暮: Recorder; Sync･: Synchroscope･

試験は まず衝突実験を行い,試験 休表面をデ ィスクカ ッタで整 え たのちJISZ2117に準 じて静的かた さ試験 を行 ったO ハ ンマの衝突面 は木 口面 ,板 目面,ま さ目面 とし,各 面 につ いて5点ずつ の測定 を行 い,それ ぞれの 平均値 を 以下 の検討 に用いた｡DTFを剛 ､た場 合の‑

ンマ の落 下 高 さは5mmと10mmとし,落 下 高 さ100 mmの場 合 は別途 に作製 した ‑ ンマ (豪農25.26g)を用 いて衝突音 のみの測定を行 った｡ また,衝突時 に試験体 が 跳 ね上 らな いよ うに試験体 を重 い鉄 製 ステー ジ(豪農 8短 )の上 に置 き,周辺を約2短以上のカで精 圧 して測 定を行 った｡

4.

結果 と考察

4.1 跳 ね上 り高 さhmaXと跳 ね 上 り時 間 fhとの 関係

Fig.

Sに

結果を示鶴 実験値の回帰 曲線 耽 拡

‑0 ･ 5kt h B )

か ら求めた定数kの億 は977.8(S.d.=20.6)cm/sec急と

1 9 82年 1 01

月 木 材 材質肌割 田的紳輔法とLLCの衝 撃硬 さ試験

︹ufui)Yt2㌔}q恩aLl叫uTUunOqun書霊芝 4321

0

10 20 30

B o unci ngti mc ㌔ 師 弼

Fi g ･3･Re l a t i on s hi p bet we en

m

axi mum bounc i こ 二 ng hei ght

h

m且 Xa ndbounci ngt i met h

･

I

なり, ほぼ槽準緋 虻力加速

艦齢9 80 . 7c m/s ec 盟

に等 しく, 本態験ではDTF紬 に､棒 の摩擦 や肇無抵抗によるエれ レ

ギ‑ロスは非常 に少 ない附で近似的

は

^{(2)式を用いてよ}

いことがわか る̀･,離 こ,

t

hか ら(3)式によ って求めた底 党係数etとhm胤Xか ら日 )式によ って 求めた反発係数の 比

e

上/

e

hの

平均

柄 は

用

(H s

. d. ‑0 . 01

日 となり,

e

tと

e

h

との差は認め られなか った0

4. 2

衝 突 回 数 と反 発 係 数 との関係

Fi g. 4ほ

‑ ンマ揖繭 下端

連用mm

の域唐の結果を示す｡

敏初の

衝

窯では,比魔 の増加につれて反発係数が増加 し ている｡ しか し, 2回目以降 の梯i衆では比蔚 ･衝究衝に 関係な くほぼr,‑r,･‑

定

植

( 0 . 7‑0 . 7 5)

は近づく傾向がみ られるO 愚初の衝突によって木材

表面

が硬化 した もの と考え られ, 木材の硬 さとの関係私 渦ペるには,バ ージンな表

面

にお ける最初の衝突 に注 目す る必要があ るO

なお,^落 下

商さ5mr

nの脇倉 もほぼ同様 な始巣 となっ

た 0

4. 3

反 発 係 数 に お よぽ す 比鹿 ･‑ ンマ の落 下 高 さの影響

Fi g. 5

に各衝突

薗

どとの姑巣を示すQ

比蚤との関係 についてみ ると,木 口面･板 目蘭の域食 には比葦の増加 にほぼ比 例 して反発係数が増加 している｡

ところが,まさ目面では比 寮の小 さい ところで反発係数 の減少がみ られず,比 教 が約

0 . 3

付近で塵中値かこれ以 下で‑定植を示す傾 向がみ られ るO

‑ ンマの落下高 さとの関係 についてみ ると,各衝突面 とも落下高 さが増すほつれて,反発係数が減少 しているO また,木 口面では落下 高 さが

1 00mm

にな ると,比寮的

3uatリTJ3aOUuO!3n}叫}Sad ′D5t●00 4巾J7■●nVハU

6 0 5

14

√⊥O

ti)

r

2

e LU

41

m

3

Nu

21

2 34 1 2 34

bound s

Fi g.4･￡f f e c toft henumbe rofboundsont he r e s t i t ut i onc oe f f i c i e nt .

Not e s :Se ve n s pe c i e s ,

A

t oG l i s t e di ni t e m 3･ 1 ,

w

c r eus e d. Thev al ue si nt hef i g ur es how t hes pe c i f i cg r a v i t i 怨 sOfA t oG･Thef r e e f a l lhe i g htoft heha mme rwa s10mm･

● :Ends ur f a c e ;

rj:

Ta nge nt i a ls ur f ac e;

^ :Ra

di a ls ur f a c e.

}ua叫U巾叫JaOUtlO!1ntT)Sad

0.5

Specific gravi ty

Fi g.5.Ef f e ctofs pe c i f i cg r a vi 1 t y a nd f r e ef a l l he i g htont her e s t i t ut i onc oe f f i c i e nton e a c hc ol l i s i ons ur f a c e .

Not e: ●: . 5 mm; ○: 10mm,a nd△: 100mm

i nf r e e ‑ f a l lhe i g ht s ･

606 [木材学会誌 Vol.28,No.10

lHJaHrlHJaHSSauPJt!tlJOid.1)OSTtZV Lt143210

●

0

○ o O

' He/Ht oHe/Hr

○ 1】

√ ･

⁰

^{. .}

^{00 ｡}

●

ⁱ

^●

^●o

_{● ●}

○^{h o}

_●

^O

● ●

○ ^{B ちB}

0.5 1.0

Specific gravity

Fig･6･Anisotropiesofstatichardnessby JIS Z 2117.

Note: Thesuffixese

,

t

,

and rcorrespond to theend

,

tangential

,

andradialsurfaces

,

respectively･

0.5以上の範囲で反発係数が頭打 ち現象を示す｡

同一試料で,木 口面 と側面 (板 目面およびまさ目面)と では,Fig.6に示すように静 的 かた さに2‑6倍程 度の 差 がみ られ るが ,反発係数 ではほとんど差がみ られなし㌔

この速 いほ,試験法の違い と細胞構造の異方性に起因す るもの と考え られ る｡静的かたさは細胞の弾性および塑 性変形 の しやす さに依存 し,反発係数は衝突時に木材か ら‑ ンマに受け渡 され る瞬間弾性回復 エネルギーの多少 に依存す るO従 って,側面 のよ うに細胞がパイプと して の構造変形をす る自由度が ある場合 には,変形は大 きく なるが,パイプ としての構造弾性 が付与されるので弾性 回復 エネルギー は大 きくな り,静的かたきが小 さい割 に は反発係数が大 きくなるものと考え られる｡

4 . 4

反発 係 数 と静 的 か た さ と の関係

F鹿.5の結果よ り,反発係数は比蔓の増加につれて増 し,また‑般に,比重の増加ほつれて静的かたさが単調 に増加す る傾向がみ られるので7),反発係数 と静的かた きの間には単純 な関数関係 が期待 される｡

そ こで,両者の関数関係 を求め るのに,測定条件 とし て‑ ンマの落下高 さ九Oを どの程度にしたらよいかが問題

となる｡ Fig.5より, 九0‑100m では木口面の場合に 頭打ち現象がみ られ^, また h.が低い と測定精度の点で得 策 でない｡従 って,その中間で関数関係が単純 となると ころが合理的で あると考え られるので,以下の実験 では

(U021

(NtutuJg

)

aaHSSauPldtlUTl票S 53っム

0.2 0.4 0.6 0.8 Restitution coefficient

Fig･7･Relationshipbetweenstatichardnessby JISZ 2117andtherestitutioncoeffi^･ cient(endsurface)･

Note: Linearregressionequation

,

Hee

=

0.136exp(7･04eh)･

correlationcoefficient:r

=

0.96.

(NE E ＼g jaH tlざ 55 2IU PL巾 エ

UJ

.

1?lS 皿LLJノーくノ00

0.勺 0▲5 0.6 0.7 0.8 Restitutioncoefficient

Fig･8･Relationshipbetweenstatichardnessby JISZ 2117 and therestitution coe統一 cient(sidesurfaces).

Note: Linearregressionequations.

‑ Tangentialsurface:

Het‑0.00895exp(10.21

e

h), r‑0193･

一 一 ‑ ‑ Radialsurface:

He,‑0.00417exp(10･30eh),r‑0･93･

A ,

.‑10mmの場合について検討を行 うことにした0 5のように反発係数が極小値を示すので,静的かたさが 反発係数 と静 的かたさの対数 との関係を各衝突面 ごと 約0･3kg/Trm 2以下 の極めて栗かな材料については適用 に最小二乗韓によって求め ると次式 とな り,ノFig.7,8に を除外 して考えることにしたo

爽線 または破線で示すOただし,まさ目面についてはFig. 木口面 :

H

ee‑0.136exp(7.04eh),

r:

0･96

( 4 )

1982年10月] 木材材質 の実用的評価法 としての衝撃硬 さ試験 607

板 目面 :

He t

‑0.00895exp

( 1 0 . 21

eh),r:

0 . 9 3

(5) まき日面 :

He r

‑0･00417exp(10.30eh),

r:

0.93

(6) ただ し,

He ,>

0･3kg/cm2o rは相 関係数であ るQ

相関係数はいずれ も0.93以 上 でか な り高 く,とくに木 口面では0.96の値を示 し,反発係数 が木材 の便 さの指標 とな り得ることを示 している｡

4. 5

乗用的 な動的 硬 さ指標

前項の結果 よ り,木材 の硬 さ指標 と して反 発係数を用 い ることの妥 当性 が 確かめ られ たが ,反発係 数は九maxま たはthから間接 的 に計算 され る物理慶 であ るか ら,実用 的な硬さ指標 としては直接 測定 され る

h

maxやthを用いるほ うが都合よ

いo

^(1),(3)式 か らわか るよ うに,hmaxは 反発係数の2東 に比 例 し,

t

hは反発係数に 1次比例するo 従 って ,h,nan, thはい ずれ も反 発係数 の場合 と同様 に, 静的かた さとの問 に‑定 の関数 関係 が成 り立つ ことが期 待で きる｡

h,naxと静的かた きの対数 との関係 を最小二 乗法 によっ て求め ると次 式 となるo図はFig.7,8に類似するので省 略す る｡

木 口面 :Hhe‑0.884exp(0.647hmax),

r:

0.95(7) 板 目面 :

H

ht

‑

0.

1 3 2

exp(0.948hmax),

r:

0.92(8) まさ目面 :Hhr‑0.130exp(0.768h,nay),

r:

0･93

〔9) ただ し,〟 hr>0.3kg舟m 2

また,thと静 的かたさとの関係 は,(10)〜 (12)式 とな るo ただ し,th :〔msec〕,

H

t

, >

0･3kg/mm忠とす る｡

木 口面 :

H

te‑0.134exp〔0.1571h),

r:

0･96 (10) 板 目面 :

H

tt‑0.00910exp(0.225

t

h),r:0･93

(ll) まさ目面 :

H

tr

‑0 . 00 486

exp(0.223

t

h),

r:

0･92

(12) 反発係数 の場 合と同様 に高 い相 関関係 が得 られ ,九max,

fhを硬さの指標 と して利用 で きることがわか ったo 動的かた きの指標 と してhmax,

t

hを 利用 す る場 合 , それぞれ は長 さ,時間 の単位 を持 つので,硬さの単位 (た とえばkg/mm2)と一 致 しな い ことは明 らかであ るO し か し,hm ax,thを それ ぞれmm,msec単位 で読 み とり, 単位を除いた数値 のみを指標 にす ることと定義すれ ば, 矛盾は起こらないO また,

h

max,

t

hか ら

JIS

で 規 定 す る硬 さに換算す るには ,衝突面 ごとに(7)一日2)式を適 用すれ ばよい0

4.6 hmax,

t

hの実用的 な測定方法

本実験では実 験室で の険封 を試 みたので ,Fig.2のよ うに記録紙上 でhrnaxや thを読 み とったO しか し,工場

な ど現場での測定 では,hmaxや

t

hを 直読す る方法 など, 計測上の工夫をす る必要が ある｡

差動変圧器型 変位計を剛 ､る方法 は,hmaxの測定 に適 してい る. た とえば,Fig.9(a)のよ うにピーク ホール ド回路 を結合すれ ば,hmaxの直読 も可能で あるO

‑ ンマの衝突音を検出す る方法 は,thの測定 に適 して い る｡ しか し,工場 な ど騒 音 レベルが高 く,突発的な音 の発生する環境 では

S / N

比が低下する欠点がある0本実 験で も,窯験室 内で落下高 さ100mmの場合 は衝突音を 明瞭 に分離することがで きたが ,10mmの場合に比重の 小 さな木材 の側面を打撃 したときに音 圧 レベルが低 く, ノイズ との分離がで きないことがあった｡騒 音 レベルの 高い環境で は,Fig.9〔b)のよ うにハ ンマに小型加速 度 計や ロー ドセルを取 りつけ,衝突時 の衝撃力を検 出 して thを測 る方法 も有効 と考 え られる.

t

hの測定 に電子 タ イマを用 いれ ば ,衝突音 または衝撃力パル スに よってゲ ー トコン トロールを行 い,時間の測定 およびデ ィジタル 表示を行 うこと も可能 と考 え られ る｡

L･･･*

(a)

Fig･9･Practicalmethodsformeasuringhmax

l andeh.

5 .

結 論

先端 に鋼球を付けた‑ ンマを木材 に自由落下 させて反 発係数 β,‑ ンマの跳ね上 り高 さ九maxおよび跳ね上 り時 間

t

hを測定 し.

JI S Z

2117によ る木材 の硬 さとの関係 につ いて検討 した｡

動的硬 さの指標 と して考 え られ る C,hmaxおよび

t

hは (4)〜 (12)式 のようにいずれ も

JI Sに

よる硬 さと高い相 関関係 が認 め られ ,実用的な便さの指標 と して利用でき ることが 明 らか とな った｡ただ し,これ らの指標 は静的 硬 さとの関数 関係が木 口軋 板 目面 ,まさ目面の各衝突 面 によって異 な り,各衝突面での相対的な便 さを示す も ので ある｡従 って ,木材 の硬 さの絶 対値が問題 とな る場

608 祖父江 信 大 [人相

学, 慮. 三 : . ! . A .Ⅴ

()I.細 NL.).10

倉には, (4ト (12)式によって換算す る必要があるO いた だい た来園 中温アハ ウザ再 摘

謝

鹿叡赦しますO 従来の

J I S

規格による硬 さ拭験法がこれ ら三面以外の

任意の蘭に も適用できるのは対 し,上記の指標を求める 方櫨では銑験蘭が限定 され るQ しか し,工場などの現場 で硬さ拭験を実施 しようとす る場合には土壌などに既か れた原木が測定対象 となる ことが多 く, この様な場合に は拭験面が木 口面,板 日面 となるので,本研究の方法の 適用の機会は多い ものと考え られるO

現行の

J I S

試験が拭験体を採取 して行 う実験室むきの 方法であるの に対 し,hm乱Xや thを測定す る方法はポー タブルな拭験装鷺を用い ることがで きるので,試験体を 採取す る必要 もなく,現場での簡便な材質斌験に適 した 方法であると考 えられるO

謝 辞

凍研究は, ｢ウエア‑ウザ一研究助成プ ログラム

｣

の

‑部 と して行 った ものであ り,実施 に当り多大な擾助を

文 献

I) D･

Na r a yana mur t iul l d

H･(二･

P こ l I ユ ー :I I t J I =a t s Roj

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:1 8

^.447‑一･451(1960)

2) D･Na r a yana mur t ia ndM･S･Rukmi ni :I I ( ) Z

^Z‑

f or s c hun g uno HoI EP e r We r t u噸,

19

,

80‑84 (1967)

3)平井摺二, 凍,Jf洋二 :木材1憲二磯, 相.522‑528 日964)

4)町田周郎 :tt機番拭観櫨 と骨の応用 伸∴it野沢虎男鰯, 基準JJi,p.1川 ‑1fi･･1(1977.1

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