徐 淳，龐 燕

（中南林業(yè)科技大學(xué) 物流與交通學(xué)院，湖南 長沙 410004）

新型小徑木通用平托盤力學(xué)性能理論研究

徐 淳，龐 燕

（中南林業(yè)科技大學(xué) 物流與交通學(xué)院，湖南 長沙 410004）

新型小徑木通用平托盤是一種用森林低質(zhì)資源小徑木材及廢棄木材為原材料制成的綠色環(huán)保型托盤，是一種應(yīng)用前景廣闊的托盤，但對于小徑木托盤的設(shè)計理論研究還較少。本研究運用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，建立小徑木通用平托盤在均布載荷及集中載荷不同作業(yè)情況下的力學(xué)模型，進(jìn)行抗彎力學(xué)性能理論分析得出小徑木通用平托盤的彎曲強(qiáng)度與彎曲剛度條件，提出小徑木通用平托盤的尺寸與托盤承載性能關(guān)系的設(shè)計模型。為新型小徑木通用平托盤實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣提供理論依據(jù)。

小徑木托盤；力學(xué)性能；尺寸設(shè)計

托盤是一種用于運輸、搬運、儲存等物流各環(huán)節(jié)的重要裝備，它能將零星物品規(guī)整為集裝單元，將靜態(tài)物品轉(zhuǎn)變成動態(tài)物品，是集合包裝設(shè)備的兩大支柱之一。同時，它的應(yīng)用程度代表著現(xiàn)代物流發(fā)展的水平，充分運用托盤進(jìn)行帶板作業(yè)也是有效提高裝卸搬運效率、把控物流管理過程的重要手段[1]。

目前，市面上使用較多的托盤包括：木質(zhì)托盤、塑料托盤和紙質(zhì)托盤等。2015年中國倉儲協(xié)會調(diào)研的各材質(zhì)托盤產(chǎn)量占比數(shù)據(jù)顯示木質(zhì)托盤占比超過3/4，達(dá)到78%；楊世軍等[2]人的研究也表明，雖然未來木質(zhì)托盤的市場占有率會隨著復(fù)合材料托盤的出現(xiàn)而有所下降，但仍舊會占據(jù)著托盤市場的主導(dǎo)地位。這主要是因為木材的彈性較好，能夠承受沖撞、持續(xù)振動、重負(fù)荷等作用，在制作工藝方面程序也較簡單，同時長久的使用習(xí)慣使得物流行業(yè)更愿意使用木質(zhì)托盤。但是以往木質(zhì)托盤的制作更多是利用松木類、楊木類等大徑原木，據(jù)統(tǒng)計一顆成熟木材只能做6個托盤，這對我國本來就缺乏的叢林資源帶來了嚴(yán)重的損耗[3-4]。且隨著國家近年來提出的禁伐政策，使得制作木托盤的原料問題凸顯出來。為解決因原材料壓力所帶來的物流壓力，本研究設(shè)計了一種利用低質(zhì)木材資源小徑木為原料而制成的平托盤，不但可以緩解托盤制作原材料壓力，保持木質(zhì)托盤的優(yōu)點。而且能夠擴(kuò)展的小徑木的利用途徑，充分運用劣質(zhì)木材，對于林業(yè)經(jīng)濟(jì)的節(jié)約型發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展都有著重要的意義。

1 新型小徑木通用平托盤簡介

1.1 小徑木國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

小徑木是一種林副產(chǎn)品，指在天然次生林或人工速生林培育過程中必須間伐下來的直徑為4～12 cm 的木材[5]。2000年，Boren和Barnard[6]測試了scots pine小徑木的順紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度，發(fā)現(xiàn)該小徑木抗彎強(qiáng)度特征值達(dá)到了30 N/mm2。同年，Ranta-Maunus[7]用4種北歐樹種小徑木制作了直徑120 mm左右的足尺試件，檢測了其抗彎、順紋抗壓、順紋強(qiáng)度和彈性模量值。試驗表明，除一些試件的順紋抗壓強(qiáng)度外，小徑木的材性并不比成熟材差。之后的2000年，wolfe和Moseley[8]測試了3個樹種（Pseudotsuga menziesii，Pinus ponderosa和Abies concolor） 的小徑材和成熟材的抗彎和順紋抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)顯示小徑材的抗彎強(qiáng)度值與成熟材無明顯差別，而抗壓強(qiáng)度則較成熟材稍弱。2003年，楊玲[9]檢測了東北落葉松小徑木的順紋抗拉、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等，得出的結(jié)果表明小徑木的強(qiáng)度和彈性模量比成熟木材的指標(biāo)較低，但小徑木的強(qiáng)度值仍然很可觀。2011年，龐鳳艷[10]測試了東北落葉松小徑木的材性，同樣發(fā)現(xiàn)小徑材的強(qiáng)度和彈性模量較成熟材低，但仍高于強(qiáng)度等級低的其他樹種成熟材的材性指標(biāo)。通過以上國內(nèi)外現(xiàn)狀，我們不難發(fā)現(xiàn)某些小徑木材在抗彎性能與成熟木材并無很大差距，從理論上說明小徑木能夠滿足托盤制作的要求。

1.2 新型小徑木通用平托盤的結(jié)構(gòu)、類型及尺寸

新型小徑木通用平托盤制作原材料主要包括各類小徑木材及廢棄木材。它主要由鋪板和縱梁組成，包括上鋪板和下鋪板，上鋪板與下鋪板之間設(shè)置有3根縱梁支撐的托盤，保證其牢固性；上鋪板和下鋪板的上下兩面均由小徑木板材制成的上層蓋板和下層蓋板組成，上層蓋板與下層蓋板之間為瓦楞芯結(jié)構(gòu), 其具有在同等載荷的情況下有重量輕，強(qiáng)度大，成本低，防震效果好優(yōu)點。托盤聯(lián)結(jié)處采用鋼釘固定，鋪板連接處采用指接形式；設(shè)計托盤結(jié)構(gòu)類型為R2型1 200×1 000，二向進(jìn)叉、雙面使用型；設(shè)定托盤的額定載荷為1 000 kg，集中載荷與均布載荷均能作業(yè)；鋪板長寬尺寸初始設(shè)計為目前市面上推廣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸1 200 mm×1 000 mm；鋪板封邊條厚10 mm；上下蓋板尺寸，長1 200 mm，寬1 000 mm，厚5 mm；墊塊尺寸為：長1 000 mm，寬90 mm，高90 mm；瓦楞芯的長1 180 mm，寬980 mm。

2 新型小徑木通用平托盤的力學(xué)性能理論分析

托盤的力學(xué)性能決定了托盤上貨物在物流操作各環(huán)節(jié)中的受保護(hù)程度，而力學(xué)性能則由托盤材料的抗彎性能來衡量。所以本研究分析了小徑木托盤在集中載荷和均布載荷兩種不同作業(yè)情況下的抗彎力學(xué)性能包括材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度。材料抗彎強(qiáng)度要求構(gòu)件在規(guī)定的載荷作用下不應(yīng)發(fā)生斷裂或者過大的塑性變形，若托盤因為負(fù)荷過大而變形則會使托盤失效，無法使用；抗彎剛度要求在規(guī)定載荷作用下構(gòu)件不應(yīng)發(fā)生過大的彈性變形，有些構(gòu)件即使不破壞，但若變形過大，也不能再使用[11]。保證了托盤彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度，才能保證托盤的承載能力。

2.1 小徑木通用平托盤均布載荷下的力學(xué)性能理論分析

2.1.1 均布載荷下的彎曲強(qiáng)度計算

均布載荷為模擬托盤在堆碼操作時的作業(yè)情況，此時主要由托盤的頂鋪板和底鋪板受力。建立托盤簡要力學(xué)模型圖、受力簡圖，如圖1、圖2所示。

圖1 均布載荷下力學(xué)模型Fig. 1 Mechanical model of pallet under uniform load

圖2 均布載荷下受力Fig. 2 Schematic diagram of pallet under uniform load

托盤鋪板彎曲時通常有剪力和彎矩兩個變量，但材料的失效主要與彎矩有關(guān)，所以主要分析托盤鋪板的彎矩情況。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論[12]，公式為：

列出彎矩方程：

式（1）至式（6）中，L為托盤長；b為托盤寬；q為托盤所受的均布載荷；h為托盤鋪板厚度。因為公式中L、b、q已確定，所以當(dāng)要滿足彎曲強(qiáng)度條件時，可通過調(diào)整h來校核托盤尺寸；鋪板的許用應(yīng)力需在實驗室里進(jìn)行，采用小而無疵病的標(biāo)準(zhǔn)試件在一定的靜力條件下求得。

2.1.2 均布載荷下托盤的彎曲剛度計算

根據(jù)材料力學(xué)理論，材料的剛度由撓度來衡量。將小徑木托盤上的載荷分解為中點作用集中力W′B，鋪板作用均布載荷WB″的兩種情況，鋪板的撓度WB即：

根據(jù)剛度條件：

2.2 小徑木通用平托盤集中載荷下的力學(xué)性能理論分析

2.2.1 集中載荷下托盤的彎曲強(qiáng)度計算

集中載荷為模擬托盤在叉車、搬運車叉舉等操作時的作業(yè)情況，此時主要由托盤的頂鋪板受力。建立簡要力學(xué)模型圖，受力簡圖，如圖3、圖4所示。

圖3 集中載荷下力學(xué)模型Fig. 3 Mechanics model of pallet under concentrated load

圖4 集中載荷下受力Fig. 4 Schematic diagram of pallet under concentrated load

同理可通過強(qiáng)度公式調(diào)整鋪板的高度h，進(jìn)行校核。

2.2.2 集中載荷下托盤的彎曲剛度計算

根據(jù)剛度條件：

式（12)中[W]為許用撓度，當(dāng)WB不滿足剛度條件時，需調(diào)整托盤鋪板尺寸。

3 結(jié)論與討論

3.1 小徑木通用平托盤尺寸設(shè)計公式總結(jié)

根據(jù)不同作業(yè)情況下的彎曲強(qiáng)度及彎曲剛度條件公式(6)、(8)、(10)、(12)，總結(jié)出小徑木托盤的尺寸設(shè)計公式，即托盤鋪板厚度h需要同時滿足以下幾個公式：

3.2 小徑木通用平托盤抗彎力學(xué)性能提高措施

(1)合理安排托盤的支座和載荷。從彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件可以看出，在抗彎截面系數(shù)WZ不變的情況下，Mmax越小，托盤的承載能力越高。因此，應(yīng)合理安排托盤鋪板和梁的支承及加載方式，以降低最大彎矩值；目前小徑木托盤設(shè)計的支座是在托盤1/2L和托盤兩端，考慮到托盤的承載能力，可以加大托盤支座縱梁的尺寸。

(2)采用合理的截面形式。由正應(yīng)力強(qiáng)度條件可知，托盤的抗彎能力還取決于抗彎截面系數(shù)WZ。為提高托盤的抗彎強(qiáng)度，應(yīng)找到一個合理的截面以達(dá)到既提高又節(jié)省材料的目的，如小徑木托盤在不同作業(yè)情況下最大彎矩發(fā)生在托盤鋪板1/3L和1/2L處，則可在該處設(shè)計成大截面，在彎矩較小處采用小截面。

對于托盤彎曲剛度來說，從撓度計算公式可知，托盤鋪板的彎曲變形與托盤縱梁的跨度、鋪板截面的慣性矩、材料的彈性模量、托盤的作用載荷的類別和分布情況有關(guān)。因為材料的彈性模量和作用載荷已無法通過設(shè)計改變，因此，為提高托盤的剛度，可從通過減小托盤縱梁的跨度及通過改變鋪板尺寸h來提高托盤剛度。

通過小徑木托盤的理論抗彎力學(xué)性能分析，計算得出了托盤的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度條件，并提取了小徑木通用平托盤的尺寸與托盤承載性能關(guān)系的設(shè)計模型，為完善托盤的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)；本研究不足之處在于，目前還處于理論研究階段，有待進(jìn)一步開展實驗測試。

[1] 魏占國,王忠偉,龐 燕. 木塑托盤力學(xué)性能測試方法研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014,34(10):116-122.

[2] 楊世軍,楊學(xué)春,尤浩田. 木托盤的發(fā)展前景及存在的問題研究[J]. 森林工程,2013,29(2):135-138+160.

[3] 龐 燕,尹千才,曾 光. 竹環(huán)蜂窩托盤設(shè)計及理論研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(3):103-106+111.

[4] 李文燕,王翠翠,王丹丹,等. 木質(zhì)刨花模壓工業(yè)托盤生產(chǎn)工藝分析[J]. 木材加工機(jī)械,2016(6):47-49.

[5] 劉玉善. 人工速生材和小徑木加工利用的途徑與方法[J]. 林業(yè)科技,2012,37(3):55+62.

[6] Boren H, Barnard G. Analysis of the Strength and Stiffness Properties for Small Diameter Round Scots Pine Timber Tested in Bending and Compression parallel to the Grain [J].Paperi Ja Puu, 2000,82(1):48-56.

[7] Ranta-Maunus A. Bending and Compression Properties of Smal Diameter Round Timber [C].World Conference on Timber Engineering. Whistler, Canada: 2000.

[8] Wolfe R, Moseley C. Small-Diameter Log Evaluation for Value-Added Structural Applications[J].Forest Products Journal,2000: 48-58.

[9] 楊 玲, 王宏棟. 淺談利用小徑木制作木結(jié)構(gòu)房屋[J]. 林業(yè)科技, 2003,28(6):42-44.

[10] 龐鳳艷.落葉松人工林小徑木異型材集成加工技術(shù)與工藝研究[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2011.

[11] 張功學(xué). 材料力學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2015 .

[12] 趙桂平.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社,2013.

Theoretical study on mechanical properties of new type small diameter wood universal flat pallet

XU Chun, PANG Yan
(College of Logistics &Transportation, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

A new type of small-diameter wood flat pallet is a kind of green environment-friendly pallet which has been made of wood and waste wood, and is a kind of pallet with wide application foreground.But there is less research on the design theory of the wooden pallet.By using the theory of structural mechanics, the mechanical model of the general flat pallet of small diameter wood under the condition of uniform load and concentrated load is established.The flexural strength and flexural stiffness conditions of the general flat pallet of small diameter wood were obtained by theoretical analysis of the flexural mechanical properties.The design model of the relationship between the size of the general flat pallet and the loading performance of the pallet was extracted.It provides the theoretical basis for the popularization of the new-type general flat pallet.

small diameter wooden pallet; mechanical properties; size design

S781.29

A

1673-923X(2017)08-0135-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.08.022

2017-06-08

國家社科基金項目“制造業(yè)綠色供應(yīng)鏈生態(tài)補(bǔ)償激勵相容性與機(jī)制研究”（15BGL083）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目“新型小徑木材通用平托盤力學(xué)性能研究”（CX2017B19）

徐 淳，碩士研究生

龐 燕，教授，博士，碩士生導(dǎo)師；E-mail：pangyanzima@163.com

徐 淳，龐 燕. 新型小徑木通用平托盤力學(xué)性能理論研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(8): 135-138.

[本文編校：文鳳鳴]