單面交錯鋪板帶翼木托盤的力學性能及試驗研究

潘建武，辛軍亮，楊學春

(1.東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.合肥學院管理系，合肥 230022)

我國的托盤正以不低于每年2 000萬個的速度遞增[1]。木托盤，由于取材方便、易于制造、維修容易和成本低，占托盤市場總量的70%以上。然而，木托盤在運輸、儲存過程中易發(fā)生變形、霉變和腐朽，加上木托盤傳統(tǒng)的加工技術，導致木材用量過多，木材浪費嚴重。因此，在滿足力學強度情況下，進行木托盤結(jié)構和尺寸設計研究，對減少木材浪費，降低企業(yè)運營成本，具有重要的理論價值和經(jīng)濟價值。

Walter B.Wallin認為，在設計木質(zhì)托盤時，主要是對鋪板、縱梁(連接板和墊塊)進行設計，并總結(jié)出了簡單設計方法[2]。E.George Stern介紹了經(jīng)過改良設計后的托盤的力學性能。根據(jù)木托盤實際應用中的受力特點，改變原有單面木托盤的結(jié)構尺寸，制作單面交錯鋪板帶翼木托盤，既能保證力學強度要求，又能節(jié)約木材，達到降低企業(yè)制造成本和節(jié)約木材資源的目的[3]。由于單面交錯鋪板帶翼木托盤各橫梁間距縮短了，雖在一定程度上要求了叉車操作人員的技術水平，但使得托盤的受力性能和整體強度得到了很大的提升。

1 單面交錯鋪板帶翼木托盤結(jié)構分析

托盤主要由鋪板和橫梁組成，有單面鋪板和雙面鋪板之分，其中雙面的分別為上鋪板和下鋪板[4]。單面交錯鋪板帶翼木托盤主要對單面鋪板托盤進行研究。 其主要特征有如圖1(其中：1為鋪板；2為橫梁。)所示。

(1)鋪板長度。最外側(cè)的兩鋪板是標準鋪板長度，國際標準板長度不一，較常見的為120 mm，這里為了計算方便，計算中長度設為L，其余的鋪板長度是標準長度的0.7倍。

(2)鋪板排列方式。最外側(cè)的正常排列，中間鋪板以與最外側(cè)鋪板頂端對齊的方式交錯排列。

圖1 本托盤各部分名稱

(3)鋪板與橫梁關系。鋪板與橫梁垂直放置，其中兩個橫梁分別置于距離長鋪板兩端0.2L處，另一橫梁置于距離長鋪板端點0.5L處。

單面交錯鋪板帶翼木托盤較普通托盤在滿足各項指標的情況下更省木料，符合可持續(xù)發(fā)展的思想內(nèi)涵。其木料使用量與普通托盤用量的對比見表1。

表1 單面交錯鋪板帶翼木托盤與普通托盤木料用量對比

2 單面交錯鋪板帶翼木托盤力學性能理論分析

為簡化實驗，通過查閱相關文獻[5-6]，托盤中鋪板長、寬、高分別以l、b、h表示，q為鋪板受到的均布載荷。標準托盤的簡化及字母所表示的意義采用如圖2所示。

圖2 標準托盤鋪板的力學模型

本實驗通過對單面交錯鋪板帶翼木托盤在均布載荷作用下受力變形情況的分析，建立了單面交錯鋪板帶翼木托盤鋪板的彎曲強度和剛度的力學模型，得出了在滿足標準狀態(tài)下托盤彎曲強度和剛度時的托盤的各項指標。

托盤的抗彎力學性能通常用強度和剛度來衡量。托盤的抗彎強度用來衡量托盤的抗破損能力，如果鋪板或橫梁的強度不夠就會發(fā)生破損，導致托盤承載失效；托盤的抗彎剛度用來衡量托盤的抗變形能力，托盤在堆碼過程中橫梁或鋪板將隨著時間的增加逐漸發(fā)生變形，變形量要求控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。托盤的抗彎強度和抗彎剛度都是決定托盤承載是否失效的主要表征[7]。理論分析時采用的力學簡化分析模型如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 標準托盤鋪板受力分析

圖4 單面交錯鋪板帶翼木托盤長鋪板受力分析

圖5 單面交錯鋪板帶翼木托盤短鋪板受力分析

2.1 均布載荷作用下單面交錯鋪板帶翼木托盤長鋪板的抗壓彎曲強度計算

因為木托盤長鋪板與標準托盤的鋪板長、寬、高均相等[8]，分別為1 200 mm,1 000 mm,50 mm。

圖6 均布載荷下長鋪板受力分析

2.2 均布載荷作用下單面交錯鋪板帶翼木托盤短鋪板的彎曲強度計算

設計時根據(jù)理論計算短鋪板的長度為0.84L時力學性能最優(yōu)，為保持其相對較好的穩(wěn)定性取0.7L(即短鋪板受到均布載荷q時受到橫梁對其的反作用力FA、FB分別位于距兩端點0.2L處)，如圖7所示。

以下剪力彎距方程中，字母含義如下：

FS為剪力；M為彎距；q為鋪板受到的均布載荷；FA、FB為橫梁對短鋪板的作用力，它們大小相等，方向相同；x為受力位置距離鋪板外緣端的距離，x∈[0,0.7L]。

圖7 均布載荷下受力分析

FA+FB=q·0.7L；FA=FB=0.35qL；

剪力方程為：

彎矩方程為：

根據(jù)受力分析，很容易得到彎矩最大在RA和RB處，此時Mmax=0.02qL2，

彎曲強度的最大值бmax[7]，бmax=Mmax/Z

式中：Z為梁的截面系數(shù)；Z=bh2/6；Mmax=0.02qL2。

則根據(jù)材料力學理論在均布荷載作用下鋪板的彎曲強度бmax為

бmax=Mmax/Z=0.12qL2/bh2

根據(jù)相關資料得標準托盤的均布荷載作用下鋪板的彎曲強度бmax為:

б標max=0.75q(0.5L)2/bh2= 0.1875qL2/bh2

如果二者均布載荷q相同則

б標max-бmax=0.0675qL2/bh2

這在木材性能要求的范圍內(nèi)，是可以忍受的。

3 單面交錯鋪板帶翼木托盤力學性能試驗分析

3.1 實驗模型設計

由于電子萬能試驗機(珠海三思，CMT-6305)不能直接對標準木托盤進行力學性能測試，按1∶4的比例制作實驗樣品進行力學性能分析，其木料用量及各尺寸對比見表2。

3.2 實驗步驟

(1)確定試驗所用的托盤規(guī)格，制作簡單的實驗計劃，購買、準備實驗器材。

(2)根據(jù)力學性能測試機限制，制作出一定規(guī)格長、寬、高的橫梁、鋪板(見表2)。再根據(jù)設計的結(jié)構模型制作出縮小版的標準木托盤和交錯帶翼木托盤若干，縮比為1∶4。

(3)使用力學性能測試機對縮小版的托盤做均布載抗壓實驗。根據(jù)試驗結(jié)果得出試驗圖像及數(shù)據(jù)。

(4)實驗基本參數(shù)。

3.3 試驗數(shù)據(jù)及分析處理

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)分析處理得標準鋪板和橫梁的受力面積分別為S鋪板= 6 000，S橫梁=900鋪板受力面積減少量ΔS鋪板=21×10×4=810，減小了13.50%。

表2 縮小版托盤間的原材料用量對比 cm

表3 單面交錯鋪板帶翼木托盤與普通托盤強度對比對比

注：X為實驗時間；Y為X時刻托盤所隨受外力值

由試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在均布載荷下單面交錯鋪板帶翼木托盤鋪盤載荷比標準木托盤大；

(2)在局部載荷下單面交錯鋪板帶翼木托盤的載荷和標準木托盤承受載荷相差不大；

(3)在同等材料下，改變木托盤的結(jié)構——單面交錯鋪板帶翼木托盤與標準木托盤承受最大載荷相差不大。

本實驗中單面交錯鋪板帶翼木托盤和標準木托盤結(jié)構的不同點主要表現(xiàn)在：①鋪板受力面積減小13.50%；②橫梁受力面積減少22.22%；③木料節(jié)省了4.74%；④兩邊橫梁與中間衡量的距離由42.5 cm，縮短至30 cm。

3.4 實驗結(jié)論及誤差分析

分析表明，單面交錯鋪板帶翼木托盤比標準的單面鋪板木托盤彎曲強度減少了。在均布載荷情況下單面交錯鋪板帶翼木托盤較標準木托盤受力不減反增了15.16%，局布載荷情況下標準木托盤受力為70.62 kN，單面交錯鋪板帶翼木托盤受力為69.31 kN，兩者相差不大。

實驗中為保證實驗的準確度，均布載荷時使用的是受力面積為圓盤形的均布施壓體，使托盤的外圍不能充分均衡受壓，才使得理論與實際不符，但這也證明了單面交錯鋪板帶翼木托盤的實用性。

4 結(jié)束語

單面交錯鋪板帶翼木托盤與標準木托盤的最大載荷相差不大，但木材使用量比標準木托盤木材使用量少了5%左右，因此制作單面交錯鋪板帶翼木托盤，對減少木材浪費，降低企業(yè)運營成本，具有重要的理論價值和經(jīng)濟價值。

【參 考 文 獻】

[1]李太平.論我國物流托盤標準的選擇[J].生產(chǎn)力研究，2006(8)：202-203.

[2]Wallin W B.Deformination of flexural behavior of stringer-type pallets and skids [R].USDA Forest Products Marketing Laboratory，1976.

[3]Stern E G，Norris E B.Performance of lumber pallets of conventional and improved design [R].Virginia Polytechnic Institute and State University，1979.

[4]李 玲，李大剛.竹木復合材料托盤力學性能研究[J].包裝工程，2005，26(3)；8-10

[5]羅菊英，楊學春.結(jié)構用材應力波無損評價研究現(xiàn)狀與展望[J].森林工程，2009，25(6)：31-36.

[6]孟國強，孫 珂.我國托盤應用現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].中國物流與采購，2004(12)：12-16.

[7]何為宏，盧立新.木質(zhì)托盤的設計方法及其應用[J].林產(chǎn)工業(yè)，2008，35(3)：39-42

[8]柯賢文，王曉明.托盤脆弱位置分析[M].奚德昌，第十三屆全國包裝工程學術會議論文集[C].武漢：武漢大學出版社，2010，8-11.