单面交错铺板带翼木托盘的力学性能及试验研究

我国的托盘正以不低于每年2 000万个的速度递增[1]。木托盘，由于取材方便、易于制造、维修容易和成本低，占托盘市场总量的70%以上。然而，木托盘在运输、储存过程中易发生变形、霉变和腐朽，加上木托盘传统的加工技术，导致木材用量过多，木材浪费严重。因此，在满足力学强度情况下，进行木托盘结构和尺寸设计研究，对减少木材浪费，降低企业运营成本，具有重要的理论价值和经济价值。

Walter B.Wallin认为，在设计木质托盘时，主要是对铺板、纵梁(连接板和垫块)进行设计，并总结出了简单设计方法[2]。E.George Stern介绍了经过改良设计后的托盘的力学性能。根据木托盘实际应用中的受力特点，改变原有单面木托盘的结构尺寸，制作单面交错铺板带翼木托盘，既能保证力学强度要求，又能节约木材，达到降低企业制造成本和节约木材资源的目的[3]。由于单面交错铺板带翼木托盘各横梁间距缩短了，虽在一定程度上要求了叉车操作人员的技术水平，但使得托盘的受力性能和整体强度得到了很大的提升。

1 单面交错铺板带翼木托盘结构分析

托盘主要由铺板和横梁组成，有单面铺板和双面铺板之分，其中双面的分别为上铺板和下铺板[4]。单面交错铺板带翼木托盘主要对单面铺板托盘进行研究。 其主要特征有如图1(其中：1为铺板；2为横梁。)所示。

(1)铺板长度。最外侧的两铺板是标准铺板长度，国际标准板长度不一，较常见的为120 mm，这里为了计算方便，计算中长度设为L，其余的铺板长度是标准长度的0.7倍。

(2)铺板排列方式。最外侧的正常排列，中间铺板以与最外侧铺板顶端对齐的方式交错排列。

图1 本托盘各部分名称

Fig.1 Each part of the wooden pallet

(3)铺板与横梁关系。铺板与横梁垂直放置，其中两个横梁分别置于距离长铺板两端0.2 L处，另一横梁置于距离长铺板端点0.5 L处。

单面交错铺板带翼木托盘较普通托盘在满足各项指标的情况下更省木料，符合可持续发展的思想内涵。其木料使用量与普通托盘用量的对比见表1。

表1 单面交错铺板带翼木托盘与普通托盘木料用量对比

Tab.1 Comparison of material usage for single staggered ceiling winged wooden pallet and ordinary wooden pallet

2 单面交错铺板带翼木托盘力学性能理论分析

为简化实验，通过查阅相关文献[5-6]，托盘中铺板长、宽、高分别以l、b、h表示，q为铺板受到的均布载荷。标准托盘的简化及字母所表示的意义采用如图2所示。

图2 标准托盘铺板的力学模型

Fig.2 Standard pallet planking mechanics model

本实验通过对单面交错铺板带翼木托盘在均布载荷作用下受力变形情况的分析，建立了单面交错铺板带翼木托盘铺板的弯曲强度和刚度的力学模型，得出了在满足标准状态下托盘弯曲强度和刚度时的托盘的各项指标。

托盘的抗弯力学性能通常用强度和刚度来衡量。托盘的抗弯强度用来衡量托盘的抗破损能力，如果铺板或横梁的强度不够就会发生破损，导致托盘承载失效；托盘的抗弯刚度用来衡量托盘的抗变形能力，托盘在堆码过程中横梁或铺板将随着时间的增加逐渐发生变形，变形量要求控制在规定的范围之内。托盘的抗弯强度和抗弯刚度都是决定托盘承载是否失效的主要表征[7]。理论分析时采用的力学简化分析模型如图3、图4和图5所示。

图3 标准托盘铺板受力分析

Fig.4 Force bearing analysis on the ceiling of standard pallet

图4 单面交错铺板带翼木托盘长铺板受力分析

Fig.4 Force bearing analysis on the ceiling of single staggered ceiling winged long wooden pallets

图5 单面交错铺板带翼木托盘短铺板受力分析

Fig.5 Stress analysis of the single staggered ceiling winged short planks wood tray

2.1 均布载荷作用下单面交错铺板带翼木托盘长铺板的抗压弯曲强度计算

因为木托盘长铺板与标准托盘的铺板长、宽、高均相等[8]，分别为1 200 mm,1 000 mm,50 mm。

图6 均布载荷下长铺板受力分析

Fig.6 Stress analysis of the long deck under uniformly distributed load

2.2 均布载荷作用下单面交错铺板带翼木托盘短铺板的弯曲强度计算

设计时根据理论计算短铺板的长度为0.84 L时力学性能最优，为保持其相对较好的稳定性取0.7 L(即短铺板受到均布载荷q时受到横梁对其的反作用力FA、FB分别位于距两端点0.2 L处)，如图7所示。

以下剪力弯距方程中，字母含义如下：

FS为剪力；M为弯距；q为铺板受到的均布载荷；FA、FB为横梁对短铺板的作用力，它们大小相等，方向相同；x为受力位置距离铺板外缘端的距离，x∈[0,0.7 L]。

图7 均布载荷下受力分析

Fig.7 Stress analysis under the uniform load

FA+FB=q·0.7L；FA=FB=0.35qL；

剪力方程为：

弯矩方程为：

根据受力分析，很容易得到弯矩最大在RA和RB处，此时Mmax=0.02qL2，

弯曲强度的最大值бmax[7]，бmax=Mmax/Z

式中：Z为梁的截面系数；Z=bh2/6；Mmax=0.02qL2。

则根据材料力学理论在均布荷载作用下铺板的弯曲强度бmax为

бmax= Mmax/Z=0.12qL2/bh2

根据相关资料得标准托盘的均布荷载作用下铺板的弯曲强度бmax为:

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

如果二者均布载荷q相同则

б标max-бmax=0.0675 qL2/bh2

这在木材性能要求的范围内，是可以忍受的。

3 单面交错铺板带翼木托盘力学性能试验分析

3.1 实验模型设计

由于电子万能试验机(珠海三思，CMT-6305)不能直接对标准木托盘进行力学性能测试，按1∶4的比例制作实验样品进行力学性能分析，其木料用量及各尺寸对比见表2。

3.2 实验步骤

(1)确定试验所用的托盘规格，制作简单的实验计划，购买、准备实验器材。

(2)根据力学性能测试机限制，制作出一定规格长、宽、高的横梁、铺板(见表2)。再根据设计的结构模型制作出缩小版的标准木托盘和交错带翼木托盘若干，缩比为1∶4。

(3)使用力学性能测试机对缩小版的托盘做均布载抗压实验。根据试验结果得出试验图像及数据。

(4)实验基本参数。

3.3 试验数据及分析处理

根据表1、表2数据分析处理得标准铺板和横梁的受力面积分别为S铺板= 6 000，S横梁=900铺板受力面积减少量ΔS铺板=21×10×4=810，减小了13.50%。

表2 缩小版托盘间的原材料用量对比 cm

Tab.2 The usage of raw materials for the smaller trays cm

表3 单面交错铺板带翼木托盘与普通托盘强度对比对比

Tab.3 Comparison of strength between single staggered ceiling winged wooden pallets and ordinary pallets

注：X为实验时间；Y为X时刻托盘所随受外力值

由试验数据可以发现：

(1)在均布载荷下单面交错铺板带翼木托盘铺盘载荷比标准木托盘大；

(2)在局部载荷下单面交错铺板带翼木托盘的载荷和标准木托盘承受载荷相差不大；

(3)在同等材料下，改变木托盘的结构——单面交错铺板带翼木托盘与标准木托盘承受最大载荷相差不大。

本实验中单面交错铺板带翼木托盘和标准木托盘结构的不同点主要表现在：①铺板受力面积减小13.50%；②横梁受力面积减少22.22%；③木料节省了4.74%；④两边横梁与中间衡量的距离由42.5 cm，缩短至30 cm。

3.4 实验结论及误差分析

分析表明，单面交错铺板带翼木托盘比标准的单面铺板木托盘弯曲强度减少了。在均布载荷情况下单面交错铺板带翼木托盘较标准木托盘受力不减反增了15.16%，局布载荷情况下标准木托盘受力为70.62 kN，单面交错铺板带翼木托盘受力为69.31 kN，两者相差不大。

实验中为保证实验的准确度，均布载荷时使用的是受力面积为圆盘形的均布施压体，使托盘的外围不能充分均衡受压，才使得理论与实际不符，但这也证明了单面交错铺板带翼木托盘的实用性。

4 结束语

单面交错铺板带翼木托盘与标准木托盘的最大载荷相差不大，但木材使用量比标准木托盘木材使用量少了5%左右，因此制作单面交错铺板带翼木托盘，对减少木材浪费，降低企业运营成本，具有重要的理论价值和经济价值。