非標準托盤彎曲力學性能實驗

周志強 陸佳平 華 巖

(江南大學，無錫，214122) (國家輕工業(yè)包裝制品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心)

托盤是現(xiàn)代物流產(chǎn)業(yè)中最為基本的搬運工具［1］，在商品的流通領域中，為保證產(chǎn)品運輸包裝的安全發(fā)揮著極其重要的作用［2］。很多行業(yè)領域由于產(chǎn)品本身尺寸和規(guī)格的限制均采用了非標準托盤進行集合包裝［3］，對于需要承擔復雜的物流儲運，托盤的多向彎曲性能始終是評價其承載能力的主要指標之一。基于非標準托盤長寬兩方向抗彎性能的特殊性和不同于標準托盤的要求，非標準托盤的不同結(jié)構設計必將帶來其多向綜合承載特性的不同影響。本研究將運用物料搬運平托盤試驗程序和標準方法對3種不同結(jié)構的非標準托盤進行靜態(tài)彎曲試驗、底部鋪板彎曲試驗和對比分析，研究在不增加托盤成本的前提下，不同結(jié)構設計對托盤綜合彎曲承載能力的影響，從而為高性價比非標準托盤設計開辟途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗樣品

實驗樣品以某典型規(guī)格的非標準實木托盤結(jié)構為基礎，經(jīng)過初步設計，確定了3種不同整體結(jié)構的非標準托盤。3種樣品托盤的實體結(jié)構如圖1所示，設計托盤樣品主要結(jié)構差異在于鋪板厚度及鋪設方向、墊塊數(shù)量及分布位置等。托盤的長、寬尺寸規(guī)格相同，均為1 675 mm×1 115 mm，高度約為150 mm，頂部鋪板和底部鋪板材質(zhì)均為杉木，縱梁板材質(zhì)為松木。樣品托盤由工廠專業(yè)制作。

圖1 非標準托盤實體結(jié)構圖

1.2 理論基礎

按照平托盤靜態(tài)彎曲試驗和底部鋪板彎曲試驗的方法，分別對上述3種樣品托盤的實驗過程進行簡化，同時對應建立其力學模型，最后得出了初步的結(jié)論供實驗參考。

1.2.1 靜態(tài)彎曲試驗模型的建立

3種樣品托盤在進行長度方向的靜態(tài)彎曲試驗時，主要承載結(jié)構是鋪板或縱梁與墊塊形成的一個整體結(jié)構。在進行寬度方向的靜態(tài)彎曲試驗時，主要承載結(jié)構是縱梁或鋪板。因此，模型簡化為如圖2所示。

圖2 靜態(tài)彎曲試驗簡化示意圖

試驗載荷為集中載荷方式，載荷P的施加位置處于梁的中點對稱，最大撓度發(fā)生在梁跨度中點的位置［5］。

如圖2所示a＞b，當施加一個載荷P時，梁跨度中點的撓度為:式中:P為施加載荷;b為施加載荷點距離B點的距離;L為梁的長度;E為彈性模量;I為截面慣性矩。因此，當梁受到對稱的兩個相同載荷P時由上式可以得知，通過減小載荷施加點與底部支座之間的距離可以降低梁的撓度變形量，通過增加梁的數(shù)量同樣可以降低托盤整體撓度變形量。

1.2.2 底鋪板彎曲試驗模型的建立

3種樣品托盤在進行底鋪板靜態(tài)彎曲試驗時，主要承載結(jié)構為底部鋪板。因此，模型簡化為圖3所示。

圖3 底鋪板彎曲試驗簡化示意圖

試驗載荷為集中載荷方式，載荷P的施加位置是梁的中點，最大撓度發(fā)生在每段梁跨度中點的位置。

1.3 儀器設備

實驗用主要儀器設備為GT－7001－DS抗壓試驗機，可以進行較大型結(jié)構制品的壓縮和堆碼等試驗，最大試驗載荷為98 000 N。托盤的靜態(tài)彎曲試驗和底部鋪板彎曲試驗均在該實驗設備上進行，其中還包括了實驗所必須的鋼制實驗附件及測量用千分表和鋼直尺等。

1.4 實驗原理與方法

3種非標準實木托盤分別進行長度方向、寬度方向的靜態(tài)彎曲試驗和底部鋪板的彎曲試驗，試驗原理和流程參照GB/T 4996聯(lián)運通用平托盤試驗方法［5］，并對實驗用3種托盤樣品分別進行規(guī)定的環(huán)境預處理。

1.4.1 靜態(tài)彎曲試驗

托盤靜態(tài)彎曲試驗通常要求按長度和寬度兩個方向進行［6］。參照靜態(tài)彎曲試驗的基本原理方法，見圖4(a)、圖5(a)，借助于專用實驗附件把樣品托盤按照位置要求放置在設備實驗臺上，通過上部加載板施加試驗載荷，見圖4(b)、圖5(b)。為了更精確測量結(jié)果，需借助千分表來直接反映特定點的撓度。

在長度方向靜態(tài)彎曲試驗中，利用千分表分別記錄載荷點為 0、980、2 940、4 900、6 860、8 820、9 800 N 時y點的撓度值;在寬度方向靜態(tài)彎曲試驗中，利用千分表分別記錄載荷點為 0、980、2 940、4 900、6 860、7 840 N 時y點的撓度值。

圖4 托盤長度方向彎曲試驗

圖5 托盤寬度方向彎曲試驗

1.4.2 底部鋪板彎曲試驗

底部鋪板彎曲試驗是針對托盤底部鋪板進行的彎曲試驗。參照底部鋪板彎曲試驗的基本原理方法，見圖6(a)，借助于專用實驗附件把樣品托盤按照位置要求反向放置在設備實驗臺上，通過上部加載板施加試驗載荷，見圖6(b)。為了消除局部變形對測量結(jié)果的影響，需借助千分表或鋼直尺來直接反映特定點的撓度。

在底部鋪板彎曲試驗中，利用千分表或鋼直尺分別記錄載荷點為 0、980、4900、7840、9800、11270 N 及持壓3 min 時y點的撓度值。

圖6 底部鋪板彎曲試驗

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)彎曲試驗

3種樣品托盤長度和寬度方向上彎曲試驗時各點載荷的撓度值分別如表1和表2所示。

表1 托盤長度方向彎曲試驗結(jié)果

表2 托盤寬度方向彎曲試驗結(jié)果

托盤長度方向彎曲試驗結(jié)果可以得知，試驗載荷在980 N之前，3種托盤特定點撓度的變化量都很小，基本上都是處在預壓狀態(tài);隨著載荷的不斷增加，在980～9 800 N階段，3種托盤的特定點撓度值隨著載荷量的逐漸增加而增大，從表1中數(shù)據(jù)可以得知特定點撓度值變化呈線性變化趨勢。因此，由表1中試驗結(jié)果可以得知，樣品一的撓度值變化最大，樣品二的撓度值變化次之，樣品三的撓度值變化最小，約為樣品二的1/2。對于長度方向彎曲承載性能，樣品三表現(xiàn)最優(yōu)。

托盤寬度方向彎曲試驗結(jié)果可以得知，試驗載荷在980 N之前，3種托盤特定點撓度的變化量都很小，基本上都是處在預壓狀態(tài);隨著載荷的不斷增加，在980～7 840 N階段，3種托盤的特定點撓度值隨著載荷量的逐漸增加而增大，從表2中數(shù)據(jù)可以得知特定點撓度值變化呈線性變化趨勢;載荷在6 860 N之后，樣品一、樣品三的撓度變化量小于樣品二的撓度變化量。因此，樣品一的撓度值變化最大，樣品二的撓度值變化次之，樣品三的撓度值變化最小，約為樣品一的1/2。而樣品一和樣品二的撓度變化在大部分載荷下幾乎一致。對于寬度方向彎曲承載性能，樣品三表現(xiàn)最優(yōu)。

2.2 底部鋪板彎曲試驗

3種樣品托盤底部鋪板彎曲試驗時各點載荷的撓度值分別如表3所示。

表3 底部鋪板彎曲試驗結(jié)果

托盤底部鋪板彎曲試驗研究發(fā)現(xiàn)，試驗載荷在980 N之前，3種托盤特定點撓度的變化量都很小，基本上都是處在預壓狀態(tài);隨著載荷的增加，特別在980～11 270 N階段，3種托盤的特定點撓度值隨著載荷量的逐漸增加而迅速增加，從表3中數(shù)據(jù)可以得知特定點撓度值變化呈線性變化趨勢。同時，研究對比發(fā)現(xiàn)，不同載荷下的底部鋪板特定點撓度值始終是樣品一最大，樣品二次之，而樣品三明顯最小，約為樣品一的1/2;而且持壓后樣品三的蠕變最小。對于底部鋪板彎曲承載性能，樣品三表現(xiàn)最優(yōu)。

3 結(jié)論

3種結(jié)構模型的非標準托盤中，樣品三的綜合抗彎承載能力最高，樣品二次之，對于非標準托盤，通過合理結(jié)構設計，可以實現(xiàn)提高并優(yōu)化其多向綜合抗彎承載特性的目標。

樣品三改變了單面使用的標準托盤在進行鋪板設計時其鋪板的板寬總和為托盤長的80%以上的準則［7］，改變了頂部鋪板和縱梁板的布置方向及鋪設方式等局部結(jié)構［8］。研究表明，其結(jié)構改變是可行的、有效的。

適當增加托盤墊塊數(shù)量，并輔以墊塊鋪設位置的改變，減小墊塊支撐跨距，同時調(diào)整其板材厚度，可以顯著有效地增強非標準托盤整體的抗彎曲性能。

本研究可以為特定產(chǎn)品使用的大長寬比非標準托盤結(jié)構設計提供思路和實驗基礎，在保證托盤整體基本性能要求的前提下，能有效地降低結(jié)構材料成本［9］。

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［6］劉峰楓，陸佳平.木質(zhì)托盤彎曲承載特性與試驗研究［D］.無錫:江南大學機械工程學院，2008.

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