可伸縮托盤的設計與研究

謝沁伶，周 游，王桂宇，謝家貴

（西南交通大學希望學院，四川 成都 610400）

0 引言

為了提高出入庫效率、節(jié)約倉庫使用面積以及通過機械化作業(yè)節(jié)約裝卸成本，出現(xiàn)了帶板運輸[1]。目前，帶板運輸已經(jīng)在上海等地進行了試點運營，在倉庫中人工裝卸的效率已經(jīng)提高了50%，供應鏈協(xié)調(diào)作用率提高23%，并且交接效率提高了2倍。此外，帶板運輸利用越庫作業(yè)、共享配送等方式實現(xiàn)部分行業(yè)庫存優(yōu)化和管理，還可以實現(xiàn)降低庫存成本的目的。但是，在帶板運輸過程中，托盤廣泛存在匹配性不足、空返率高等問題。為了解決以上問題，本文提出設計可伸縮托盤。

現(xiàn)有可伸縮托盤主要依靠拼接技術(shù)，只能單向調(diào)節(jié)。本文直接實現(xiàn)伸縮功能，結(jié)合現(xiàn)階段較成熟的伸縮技術(shù)，在長度和寬度兩個方向都可以實現(xiàn)尺寸的雙向伸縮，用于滿足不同尺寸的集裝單元需求，增強與貨物和運輸車輛車廂的匹配性。同時結(jié)合帶板運輸，進一步減少托盤的生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 可伸縮托盤的基礎(chǔ)要素分析

1.1 可伸縮托盤伸縮尺寸分析

現(xiàn)代物流系統(tǒng)中標準托盤的定義在各個國家存在差異，根據(jù)美國、歐洲、日韓和中國的標準托盤尺寸，可知世界上現(xiàn)有托盤長度最大值為1 219mm，最小值為1 067mm；寬度最大值為1 144mm，最小值為800mm。現(xiàn)有托盤叉車所需叉孔的高度為90mm～100mm，所以可伸縮托盤的高由上鋪板、下鋪板、支撐座的高組成，其厚度分別為30mm、30mm、100m。即可伸縮托盤的厚度為160mm。

為匹配國際貿(mào)易和國內(nèi)物流運輸裝卸活動，可伸縮托盤的量度需要滿足在上述長、寬的最大與最小區(qū)間內(nèi)。首先，國際貿(mào)易托盤中寬度最小為800mm，為滿足國際貿(mào)易，同時本文設計的托盤又需要滿足雙向可伸縮，所以在初始長寬上需要保持同樣的長度，即最小的長、寬為800mm。同時可伸縮托盤叉車孔所需要的高度必須高于現(xiàn)代標準叉車車叉高度90mm，加上兩塊鋪板30mm 的高度得到可伸縮托盤的高為160mm。根據(jù)上述原因，本文設計的可伸縮托盤將伸縮前的尺寸設定為800mm×800mm×160mm。同時，托盤的長、寬可以在800～1 219mm之間進行伸長或縮短。

1.2 可伸縮托盤的結(jié)構(gòu)分析

標準托盤根據(jù)載物面板分為單面托盤和雙面托盤，雙面托盤是在兩層面板中間夾有縱梁或者柱腳，單面托盤是縱梁上設有相互垂直的鋪板。其各自特性見表1。

表1 單雙面托盤特性

因托盤上下兩板間存在使托盤可伸縮的滑槽和鋪面連接處的滑槽，又需要同時兼?zhèn)涑兄氐哪芰?，選擇可伸縮托盤上下板間不設縱梁，視為上下板互為縱梁，通過上下板交錯使可伸縮托盤載物時所受壓力分散。

本文設計的可伸縮托盤使用的是鋪板錯位拉伸結(jié)構(gòu)，指利用錯位原理使鋪面間的間隙變大或減小，以此來伸長或縮短托盤。結(jié)合上下板交錯的結(jié)構(gòu)，鋪板錯位拉伸結(jié)構(gòu)對載荷的影響較小，且整個托盤的重心不會隨之變化過大。

1.3 可伸縮托盤需求分析

現(xiàn)階段物流發(fā)展在運輸效率、裝卸效率、裝載效率上存在瓶頸。根據(jù)共研網(wǎng)《2023-2029年中國托盤行業(yè)全景調(diào)研及發(fā)展前景預測報告》，2015-2021年中國各行業(yè)托盤的總產(chǎn)量、中國托盤總保有量和托盤年需求量變化趨勢如圖1所示。

圖1 2015-2021年中國托盤情況

根據(jù)圖1可以看出：

（1）托盤產(chǎn)量與托盤需求量出現(xiàn)巨大的落差，產(chǎn)量平均比需求量多了2 到3 倍。原因是托盤種類較多，托盤的標準化程度還不夠，導致托盤生產(chǎn)企業(yè)很難較為準確的預測托盤需求量。

（2）通過2016-2021年托盤的需求量變化可以看出，隨著現(xiàn)代物流的穩(wěn)步發(fā)展，托盤作為物流活動的必要集成單元在一系列物流活動中地位顯著。托盤需求穩(wěn)步增長，表明現(xiàn)有托盤逐漸無法滿足現(xiàn)代物流的效率要求，只能通過托盤的量來進行補足。

（3）托盤保有量穩(wěn)步增長，但托盤的保有量太大。由于托盤尺寸不同，存在某些尺寸的托盤在一些時間段使用較少的情況，使得囤積的托盤數(shù)量過大，但為滿足市場需求，又不得不繼續(xù)生產(chǎn)此類托盤。

目前的物流企業(yè)需要一款能夠?qū)崿F(xiàn)標準化的同時又能靈活使用的托盤，托盤市場也同樣需要一款標準化的托盤。托盤產(chǎn)品的上下游形成統(tǒng)一后，托盤的制造、儲存和使用各環(huán)節(jié)都能有效節(jié)省成本，并減少由于非標準化托盤帶來的效率較低的問題。

2 可伸縮托盤的設計

2.1 可伸縮托盤的功能設計

本文設計的這一款可伸縮托盤可以實現(xiàn)目前公路運輸所需托盤尺寸的全覆蓋，即托盤尺寸可在800mm～1 219mm 之間伸縮，從而達到空間利用率最大化以及帶板運輸更加高效的目的。由此，可伸縮托盤必須具有以下功能：

（1）提高車廂空間利用率。運輸車輛的車廂尺寸是固定的，可伸縮托盤可根據(jù)車廂的尺寸進行托盤尺寸的調(diào)節(jié)，能夠最大程度的覆蓋車廂平面，從而提高車廂的空間利用率。

（2）提高貨物與托盤的適配度。由于可伸縮托盤能夠?qū)崿F(xiàn)托盤尺寸的調(diào)節(jié)，因此，當貨物尺寸一定時，通過調(diào)節(jié)可伸縮托盤使得更多的貨物放在托盤上，從而提高貨物與托盤的適配度。

2.2 可伸縮托盤的結(jié)構(gòu)設計

對可伸縮托盤進行基礎(chǔ)要素分析以及功能設計之后，確定了其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 可伸縮托盤結(jié)構(gòu)圖

（1）可伸縮托盤的鋪板和底部設計。伸縮板1包括U 型板3 和T 型板2，T 型板2 豎直段的外側(cè)壁與U型板3 兩個豎直段的內(nèi)側(cè)壁均水平設置有滑軌4，在伸縮板1底部端面還設有6個支撐座9，支撐座9均設置于外側(cè)伸縮板1的底部端面。外側(cè)T型板2的豎直段與水平段各設置一個支撐座9，其支撐座的尺寸為66mm×66mm×100mm。外側(cè)U型板3的水平段設置一個支撐座9，一共有4個，其尺寸為80mm×80mm×100mm。該設計可進一步增加可伸縮托盤的整體穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 下鋪板底部結(jié)構(gòu)圖

進一步對可伸縮托盤的鋪板進行設計，在位于外側(cè)的U型板3或T型板2的水平段上端面設置有滑槽6，位于內(nèi)側(cè)的U型板3或T型板2的豎直段上端面設置有滑槽6。滑槽6的延伸方向與U型板3或T型板2豎直段的延伸方向平行，且滑槽6內(nèi)設置有滾珠7，滾珠的直徑為10mm。使用時，可將兩塊可伸縮托盤上下疊置，位于上方的可伸縮托盤翻轉(zhuǎn)90°倒扣在下方的可伸縮托盤上，通過滾珠7滑動，使托盤可以實現(xiàn)水平及豎直兩個方向的伸縮，更進一步提高了托盤的適用范圍。

更進一步地，可伸縮托盤的四個邊角處設置有螺紋孔8，螺紋孔8 內(nèi)設置有配套的螺釘。當兩塊可伸縮托盤上下疊置時，通過螺釘固定。兩塊可伸縮托盤疊置不僅可以實現(xiàn)水平及豎直兩個方向的伸縮，提高托盤的流通范圍，還能提高托盤的承載力。可伸縮托盤鋪板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可伸縮托盤鋪板設計圖

當可伸縮托盤上鋪板中T型板可伸縮處10長度為354mm時（考慮到滑槽距邊界還有10mm的距離），可實現(xiàn)托盤寬度在800mm～1 144mm之間伸縮；同理，可伸縮托盤的下鋪板中T 型板可伸縮處10 長度為439mm時（考慮到滑槽距邊界還有10mm的距離），可以實現(xiàn)托盤寬度在800mm～1 219mm之間伸縮?？紤]到托盤上下鋪板移動更加方便，因此，確定上、下鋪板板中的T型板伸縮處10長度全部為429mm，因此寬度也可以實現(xiàn)800mm～1 219mm之間的伸縮。如圖5所示。

圖5 T型板可伸縮處示意圖

（2）可伸縮托盤的滑軌、滑槽設計。分別位于T型板2豎直段與U型板3豎直段上且相對設置的兩個滑軌4之間設有滑塊5。滑軌4的橫向剖面呈U型，滑軌4上還設置有若干限位凹槽41，滑塊5上設置有扭簧51，在扭簧51的兩個活動端設置有與限位凹槽41相配合的限位塊52。如圖6 所示，在使用過程中，調(diào)節(jié)尺寸時，扭簧51因受到水平推力的作用，能夠向內(nèi)收縮，使滑塊5在滑軌4內(nèi)實現(xiàn)位移功能。當滑塊從限位凹槽41 處移動到下一處限位凹槽時，由于限位塊52的活動端具有回彈能力，其向外擴張卡合在限位凹槽內(nèi)，根據(jù)限位凹槽設置的數(shù)量不同以及設置的間距變化，托盤可伸縮調(diào)節(jié)為多個尺寸，增加了托盤的可調(diào)節(jié)靈活度。

圖6 滑軌的橫剖視圖

在下鋪板上也存在6 條不銹鋼制滾珠滑槽6，其中有4條分別位于外側(cè)伸縮板1的非T型板可伸縮處，還有2 條分別位于內(nèi)側(cè)伸縮板1 的T 型板可伸縮處?？紤]到滑槽距邊界還有10mm的距離。因此，確定兩側(cè)的4條滑槽尺寸為175.5mm×10mm×15mm，中間2條滑槽的尺寸為419mm×10mm×15mm，上鋪板同理?；?均采用彈性卡扣，滾珠滾過之后，卡扣自動彈出，固定鋪板，如圖7所示。

圖7 鋪板間滑槽設計圖

3 可伸縮托盤的其他說明

3.1 拉伸尺寸說明

托盤以長×寬為800mm×800mm作為基礎(chǔ)平面尺寸，固定高度為160mm。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)需求不同，可對長和寬在800mm～1 219mm 進行伸縮調(diào)節(jié)。對托盤進行伸縮時，是以10mm作為一個節(jié)點進行伸縮，通過長度變換以及組合，得到所需的托盤尺寸。

3.2 滑軌、滑塊及卡扣說明

此可伸縮托盤上、下鋪板間結(jié)合，采用的滑槽是嵌入式不銹鋼制滾珠滑槽6，滑塊使用的是直徑為10mm的不銹鋼珠，其優(yōu)點是能夠使托盤的移動更加靈活，并且實現(xiàn)兩個方向的伸縮。各伸縮板側(cè)邊采用的是方形滑塊，滑軌寬度為10mm，且每10mm為一個卡扣。

3.3 可伸縮托盤使用說明設計

可伸縮托盤使用時的具體操作步驟如下：（1）取下可伸縮托盤螺紋孔8上的4個螺絲釘，使得上下鋪板可移動；（2）根據(jù)所需尺寸進行可伸縮托盤的尺寸調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)單位為10mm，其中上、下鋪板通過不銹鋼滾珠在嵌入式不銹鋼制滾珠滑槽中移動實現(xiàn)，各伸縮板間的移動通過調(diào)節(jié)側(cè)邊的滑軌實現(xiàn)；（3）調(diào)節(jié)好可伸縮托盤的尺寸后，將螺絲釘扭入螺紋孔8，固定托盤后即可使用。

3.4 可伸縮托盤承壓能力測試

本文使用Ansys軟件對可伸縮托盤進行承壓能力測試，主要仿真實際使用過程中可伸縮托盤整體受到承載物體壓力時的承載能力是否合格，并對其進行靜力學分析。使用SolidWorks建立可伸縮托盤3D模型，如圖8所示。

圖8 可伸縮托盤3D圖

綜合對比后使用楊木作為可伸縮托盤的材料。楊木的平均密度為0.43g/cm3，泊松比取0.45，楊氏模量取9.29GPa。取10mm為單元對模型進行自動網(wǎng)格劃分。取實際作業(yè)時的壓強為0.002 928Mpa。求解出可伸縮托盤的總變形，如圖9所示。

圖9 可伸縮托盤總形變圖

從總形變結(jié)果可以看出，在正常貨物的壓力下，可伸縮托盤的形變最大位置也只有0.003毫米左右，形變量很小。接著進行等效應力分析，如圖10所示。

圖10 等效應力圖

由圖10可知，應力值最高值在底座與下鋪板結(jié)合處，為3.24MPa，小于楊木多層板的抗彎容許應力值17.02MPa。且其他位置應力分布均勻，滿足強度要求。

綜上所述，可伸縮托盤可以完成現(xiàn)實生活中的承載任務，能夠通過承壓測試。

4 可伸縮托盤在帶板運輸中的應用

帶板運輸是指貨物按一定要求成組裝在一個標準托盤上，組合成為一個運輸單位，并便于利用鏟車或托盤升降機進行裝卸托運和堆存的一種運輸方式。帶板運輸?shù)年P(guān)鍵在于組成合適的運輸單位，即托盤與車廂以及托盤與貨物的匹配度。因此，這里對不同尺寸的固定托盤和可伸縮托盤，與貨物的匹配性和車廂的匹配性進行對比分析。

4.1 與貨物的匹配性分析

（1）不同尺寸固定托盤與貨物的匹配性分析。貨物的包裝尺寸是固定的，可以分為非標準包裝貨物和標準包裝貨物。這里以標準包裝貨物為例，分析托盤與貨物之間的匹配性。以1 200mm×1 000mm，1 200mm×800mm，1 100mm×1 100mm這3種主流托盤且只裝一層貨物為例，得到托盤對常見標準包裝貨物的載貨效率，見表2。

表2 不同尺寸固定托盤對常見標準包裝貨物的載貨效率表

由表2可知，主流的三種托盤對常見標準包裝貨物的匹配性較高，但仍存在載盤效率低于80%的情況。

（2）可伸縮托盤與貨物的匹配性分析?？缮炜s托盤可以根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)托盤尺寸，得到可伸縮托盤對常見標準包裝貨物的載貨效率，見表3。

表3 可伸縮托盤對常見標準包裝貨物的載貨效率表

從表3可以看出，貨物尺寸確定后，可伸縮托盤就可以調(diào)節(jié)成與其貨物滿鋪托盤時的對應尺寸，從而達到100%的載貨率。

4.2 與運輸車輛車廂的匹配性分析

（1）不同尺寸固定托盤與運輸車輛車廂的適配性分析。通常，我們用載盤效率來表示可伸縮托盤與運載工具的匹配性。載盤效率是指某一運載工具能夠裝載同一規(guī)格托盤的最大數(shù)量和每只托盤的載貨面積之積，占該運載工具貨臺面積的比例，一般用百分比來表示。因此載盤效率越高，表示載貨效率越高[2]。

這里選取了部分常用裝載托盤的運輸車輛，進行托盤與貨箱的匹配性分析[3]。以一層托盤為例，首先對現(xiàn)目前常用的標準托盤進行貨箱匹配性分析，得到部分常用裝載托盤運輸車輛貨箱與可伸縮托盤的載盤率，見表4。

表4 常用3種尺寸標準托盤的載盤效率表

從表4 可以看出，即使使用現(xiàn)有的標準尺寸托盤，也存在載盤率較低的情況，甚至有些低于50%。

（2）可伸縮托盤與運輸車輛車箱的匹配性分析。在車廂尺寸一定的情況下，得到了可伸縮托盤的載盤效率表，見表5。

表5 可伸縮托盤的載盤效率表

從表5可以看出，使用可伸縮托盤后，其與常用運輸車輛的載盤率很高，基本在95%以上，是現(xiàn)有常用尺寸托盤達不到的，極大的提高了運輸車輛的載盤率?？缮炜s托盤能夠通過調(diào)節(jié)變化，得到人們需要的尺寸，某種意義上來講，它是一種更高級的標準托盤。

這里對比分析了不同尺寸的固定托盤與可伸縮托盤與貨物和運輸車輛貨箱的匹配性，通過載貨率和載盤率體現(xiàn)出了可伸縮托盤的靈活性和先進性。載貨時需要什么尺寸，就可以使用什么尺寸。進一步實現(xiàn)帶板運輸，減少裝卸和空返次數(shù)，降低成本。

5 結(jié)語

本文通過設計一款可伸縮托盤，將其應用于帶板運輸。將現(xiàn)有常用托盤進行貨物和車廂的匹配性分析，得出了常用托盤的載貨率和載盤率都不高的結(jié)論。由此，可以看出現(xiàn)有常用托盤在尺寸上存在一定的問題。將可伸縮托盤應用于帶板運輸，通過計算得到了可伸縮托盤能夠使常見標準包裝貨物的載貨效率達到100%，使運輸車輛車廂的載盤率達到95%以上。這極大的提高了托盤的載貨率和載盤率，甚至消除了現(xiàn)有常用托盤載貨和帶板運輸?shù)木窒扌??？梢姳狙芯吭O計的可伸縮托盤能夠使得托盤更標準化，具有一定的現(xiàn)實意義。