潘建武，辛軍亮，楊學(xué)春

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

我國(guó)的托盤正以不低于每年2 000萬(wàn)個(gè)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(chǎng)總量的70%以上。然而，木托盤在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)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(shù)，導(dǎo)致木材用量過(guò)多，木材浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，在滿足力學(xué)強(qiáng)度情況下，進(jìn)行木托盤結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)研究，對(duì)減少木材浪費(fèi)，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，具有重要的理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

Walter B.Wallin認(rèn)為，在設(shè)計(jì)木質(zhì)托盤時(shí)，主要是對(duì)鋪板、縱梁(連接板和墊塊)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并總結(jié)出了簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法[2]。E.George Stern介紹了經(jīng)過(guò)改良設(shè)計(jì)后的托盤的力學(xué)性能。根據(jù)木托盤實(shí)際應(yīng)用中的受力特點(diǎn)，改變?cè)袉蚊婺就斜P的結(jié)構(gòu)尺寸，制作單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤，既能保證力學(xué)強(qiáng)度要求，又能節(jié)約木材，達(dá)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(cuò)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(shù)水平，但使得托盤的受力性能和整體強(qiáng)度得到了很大的提升。

1 單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤結(jié)構(gòu)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(cuò)鋪板帶翼木托盤主要對(duì)單面鋪板托盤進(jìn)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(zhǎng)度。最外側(cè)的兩鋪板是標(biāo)準(zhǔn)鋪板長(zhǎng)度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)度不一，較常見的為120 mm，這里為了計(jì)算方便，計(jì)算中長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)，其余的鋪板長(zhǎng)度是標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(duì)齊的方式交錯(cuò)排列。

圖1 本托盤各部分名稱

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

單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤較普通托盤在滿足各項(xiàng)指標(biāo)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(duì)比見表1。

表1 單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤與普通托盤木料用量對(duì)比

2 單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤力學(xué)性能理論分析

為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]，托盤中鋪板長(zhǎng)、寬、高分別以l、b、h表示，q為鋪板受到的均布載荷。標(biāo)準(zhǔn)托盤的簡(jiǎn)化及字母所表示的意義采用如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)托盤鋪板的力學(xué)模型

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)單面交錯(cuò)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(cuò)鋪板帶翼木托盤鋪板的彎曲強(qiáng)度和剛度的力學(xué)模型，得出了在滿足標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下托盤彎曲強(qiáng)度和剛度時(shí)的托盤的各項(xiàng)指標(biāo)。

托盤的抗彎力學(xué)性能通常用強(qiáng)度和剛度來(lái)衡量。托盤的抗彎強(qiáng)度用來(lái)衡量托盤的抗破損能力，如果鋪板或橫梁的強(qiáng)度不夠就會(huì)發(fā)生破損，導(dǎo)致托盤承載失效；托盤的抗彎剛度用來(lái)衡量托盤的抗變形能力，托盤在堆碼過(guò)程中橫梁或鋪板將隨著時(shí)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(qiáng)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(shí)采用的力學(xué)簡(jiǎn)化分析模型如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)托盤鋪板受力分析

圖4 單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤長(zhǎng)鋪板受力分析

圖5 單面交錯(cuò)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(cuò)鋪板帶翼木托盤長(zhǎng)鋪板的抗壓彎曲強(qiáng)度計(jì)算

因?yàn)槟就斜P長(zhǎng)鋪板與標(biāo)準(zhǔn)托盤的鋪板長(zhǎng)、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(zhǎng)鋪板受力分析

2.2 均布載荷作用下單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤短鋪板的彎曲強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)理論計(jì)算短鋪板的長(zhǎng)度為0.84L時(shí)力學(xué)性能最優(yōu)，為保持其相對(duì)較好的穩(wěn)定性取0.7L(即短鋪板受到均布載荷q時(shí)受到橫梁對(duì)其的反作用力FA、FB分別位于距兩端點(diǎn)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(duì)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(shí)Mmax=0.02qL2，

彎曲強(qiáng)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(xué)理論在均布荷載作用下鋪板的彎曲強(qiáng)度бmax為

бmax=Mmax/Z=0.12qL2/bh2

根據(jù)相關(guān)資料得標(biāo)準(zhǔn)托盤的均布荷載作用下鋪板的彎曲強(qiáng)度бmax為:

б標(biāo)max=0.75q(0.5L)2/bh2= 0.1875qL2/bh2

如果二者均布載荷q相同則

б標(biāo)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(cuò)鋪板帶翼木托盤力學(xué)性能試驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

由于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(珠海三思，CMT-6305)不能直接對(duì)標(biāo)準(zhǔn)木托盤進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，按1∶4的比例制作實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行力學(xué)性能分析，其木料用量及各尺寸對(duì)比見表2。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)確定試驗(yàn)所用的托盤規(guī)格，制作簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，購(gòu)買、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材。

(2)根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試機(jī)限制，制作出一定規(guī)格長(zhǎng)、寬、高的橫梁、鋪板(見表2)。再根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型制作出縮小版的標(biāo)準(zhǔn)木托盤和交錯(cuò)帶翼木托盤若干，縮比為1∶4。

(3)使用力學(xué)性能測(cè)試機(jī)對(duì)縮小版的托盤做均布載抗壓實(shí)驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出試驗(yàn)圖像及數(shù)據(jù)。

(4)實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)。

3.3 試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)比 cm

表3 單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤與普通托盤強(qiáng)度對(duì)比對(duì)比

注：X為實(shí)驗(yàn)時(shí)間；Y為X時(shí)刻托盤所隨受外力值

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

(1)在均布載荷下單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤鋪盤載荷比標(biāo)準(zhǔn)木托盤大；

(2)在局部載荷下單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤的載荷和標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)——單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤與標(biāo)準(zhǔn)木托盤承受最大載荷相差不大。

本實(shí)驗(yàn)中單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤和標(biāo)準(zhǔn)木托盤結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論及誤差分析

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

實(shí)驗(yàn)中為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，均布載荷時(shí)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(shí)際不符，但這也證明了單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤與標(biāo)準(zhǔn)木托盤的最大載荷相差不大，但木材使用量比標(biāo)準(zhǔn)木托盤木材使用量少了5%左右，因此制作單面交錯(cuò)鋪板帶翼木托盤，對(duì)減少木材浪費(fèi)，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，具有重要的理論價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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