新型小径木通用平托盘力学性能理论研究

徐 淳，庞 燕

（中南林业科技大学 物流与交通学院，湖南 长沙 410004）

新型小径木通用平托盘力学性能理论研究

徐 淳，庞 燕

（中南林业科技大学 物流与交通学院，湖南 长沙 410004）

新型小径木通用平托盘是一种用森林低质资源小径木材及废弃木材为原材料制成的绿色环保型托盘，是一种应用前景广阔的托盘，但对于小径木托盘的设计理论研究还较少。本研究运用结构力学理论，建立小径木通用平托盘在均布载荷及集中载荷不同作业情况下的力学模型，进行抗弯力学性能理论分析得出小径木通用平托盘的弯曲强度与弯曲刚度条件，提出小径木通用平托盘的尺寸与托盘承载性能关系的设计模型。为新型小径木通用平托盘实现产业化推广提供理论依据。

小径木托盘；力学性能；尺寸设计

托盘是一种用于运输、搬运、储存等物流各环节的重要装备，它能将零星物品规整为集装单元，将静态物品转变成动态物品，是集合包装设备的两大支柱之一。同时，它的应用程度代表着现代物流发展的水平，充分运用托盘进行带板作业也是有效提高装卸搬运效率、把控物流管理过程的重要手段[1]。

目前，市面上使用较多的托盘包括：木质托盘、塑料托盘和纸质托盘等。2015年中国仓储协会调研的各材质托盘产量占比数据显示木质托盘占比超过3/4，达到78%；杨世军等[2]人的研究也表明，虽然未来木质托盘的市场占有率会随着复合材料托盘的出现而有所下降，但仍旧会占据着托盘市场的主导地位。这主要是因为木材的弹性较好，能够承受冲撞、持续振动、重负荷等作用，在制作工艺方面程序也较简单，同时长久的使用习惯使得物流行业更愿意使用木质托盘。但是以往木质托盘的制作更多是利用松木类、杨木类等大径原木，据统计一颗成熟木材只能做6个托盘，这对我国本来就缺乏的丛林资源带来了严重的损耗[3-4]。且随着国家近年来提出的禁伐政策，使得制作木托盘的原料问题凸显出来。为解决因原材料压力所带来的物流压力，本研究设计了一种利用低质木材资源小径木为原料而制成的平托盘，不但可以缓解托盘制作原材料压力，保持木质托盘的优点。而且能够扩展的小径木的利用途径，充分运用劣质木材，对于林业经济的节约型发展，可持续发展都有着重要的意义。

1 新型小径木通用平托盘简介

1.1 小径木国内外研究现状

小径木是一种林副产品，指在天然次生林或人工速生林培育过程中必须间伐下来的直径为4～12 cm 的木材[5]。2000年，Boren和Barnard[6]测试了scots pine小径木的顺纹抗压强度、抗弯强度和抗弯刚度，发现该小径木抗弯强度特征值达到了30 N/mm2。同年，Ranta-Maunus[7]用4种北欧树种小径木制作了直径120 mm左右的足尺试件，检测了其抗弯、顺纹抗压、顺纹强度和弹性模量值。试验表明，除一些试件的顺纹抗压强度外，小径木的材性并不比成熟材差。之后的2000年，wolfe和Moseley[8]测试了3个树种（Pseudotsuga menziesii，Pinus ponderosa和Abies concolor） 的小径材和成熟材的抗弯和顺纹抗压强度，数据显示小径材的抗弯强度值与成熟材无明显差别，而抗压强度则较成熟材稍弱。2003年，杨玲[9]检测了东北落叶松小径木的顺纹抗拉、抗压强度和弹性模量等，得出的结果表明小径木的强度和弹性模量比成熟木材的指标较低，但小径木的强度值仍然很可观。2011年，庞凤艳[10]测试了东北落叶松小径木的材性，同样发现小径材的强度和弹性模量较成熟材低，但仍高于强度等级低的其他树种成熟材的材性指标。通过以上国内外现状，我们不难发现某些小径木材在抗弯性能与成熟木材并无很大差距，从理论上说明小径木能够满足托盘制作的要求。

1.2 新型小径木通用平托盘的结构、类型及尺寸

新型小径木通用平托盘制作原材料主要包括各类小径木材及废弃木材。它主要由铺板和纵梁组成，包括上铺板和下铺板，上铺板与下铺板之间设置有3根纵梁支撑的托盘，保证其牢固性；上铺板和下铺板的上下两面均由小径木板材制成的上层盖板和下层盖板组成，上层盖板与下层盖板之间为瓦楞芯结构, 其具有在同等载荷的情况下有重量轻，强度大，成本低，防震效果好优点。托盘联结处采用钢钉固定，铺板连接处采用指接形式；设计托盘结构类型为R2型1 200×1 000，二向进叉、双面使用型；设定托盘的额定载荷为1 000 kg，集中载荷与均布载荷均能作业；铺板长宽尺寸初始设计为目前市面上推广的标准尺寸1 200 mm×1 000 mm；铺板封边条厚10 mm；上下盖板尺寸，长1 200 mm，宽1 000 mm，厚5 mm；垫块尺寸为：长1 000 mm，宽90 mm，高90 mm；瓦楞芯的长1 180 mm，宽980 mm。

2 新型小径木通用平托盘的力学性能理论分析

托盘的力学性能决定了托盘上货物在物流操作各环节中的受保护程度，而力学性能则由托盘材料的抗弯性能来衡量。所以本研究分析了小径木托盘在集中载荷和均布载荷两种不同作业情况下的抗弯力学性能包括材料的弯曲强度和弯曲刚度。材料抗弯强度要求构件在规定的载荷作用下不应发生断裂或者过大的塑性变形，若托盘因为负荷过大而变形则会使托盘失效，无法使用；抗弯刚度要求在规定载荷作用下构件不应发生过大的弹性变形，有些构件即使不破坏，但若变形过大，也不能再使用[11]。保证了托盘弯曲强度和弯曲刚度，才能保证托盘的承载能力。

2.1 小径木通用平托盘均布载荷下的力学性能理论分析

2.1.1 均布载荷下的弯曲强度计算

均布载荷为模拟托盘在堆码操作时的作业情况，此时主要由托盘的顶铺板和底铺板受力。建立托盘简要力学模型图、受力简图，如图1、图2所示。

图1 均布载荷下力学模型Fig. 1 Mechanical model of pallet under uniform load

图2 均布载荷下受力Fig. 2 Schematic diagram of pallet under uniform load

托盘铺板弯曲时通常有剪力和弯矩两个变量，但材料的失效主要与弯矩有关，所以主要分析托盘铺板的弯矩情况。

根据结构力学理论[12]，公式为：

列出弯矩方程：

式（1）至式（6）中，L为托盘长；b为托盘宽；q为托盘所受的均布载荷；h为托盘铺板厚度。因为公式中L、b、q已确定，所以当要满足弯曲强度条件时，可通过调整h来校核托盘尺寸；铺板的许用应力需在实验室里进行，采用小而无疵病的标准试件在一定的静力条件下求得。

2.1.2 均布载荷下托盘的弯曲刚度计算

根据材料力学理论，材料的刚度由挠度来衡量。将小径木托盘上的载荷分解为中点作用集中力W′B，铺板作用均布载荷WB″的两种情况，铺板的挠度WB即：

根据刚度条件：

2.2 小径木通用平托盘集中载荷下的力学性能理论分析

2.2.1 集中载荷下托盘的弯曲强度计算

集中载荷为模拟托盘在叉车、搬运车叉举等操作时的作业情况，此时主要由托盘的顶铺板受力。建立简要力学模型图，受力简图，如图3、图4所示。

图3 集中载荷下力学模型Fig. 3 Mechanics model of pallet under concentrated load

图4 集中载荷下受力Fig. 4 Schematic diagram of pallet under concentrated load

同理可通过强度公式调整铺板的高度h，进行校核。

2.2.2 集中载荷下托盘的弯曲刚度计算

根据刚度条件：

式（12)中[W]为许用挠度，当WB不满足刚度条件时，需调整托盘铺板尺寸。

3 结论与讨论

3.1 小径木通用平托盘尺寸设计公式总结

根据不同作业情况下的弯曲强度及弯曲刚度条件公式(6)、(8)、(10)、(12)，总结出小径木托盘的尺寸设计公式，即托盘铺板厚度h需要同时满足以下几个公式：

3.2 小径木通用平托盘抗弯力学性能提高措施

(1)合理安排托盘的支座和载荷。从弯曲正应力强度条件可以看出，在抗弯截面系数WZ不变的情况下，Mmax越小，托盘的承载能力越高。因此，应合理安排托盘铺板和梁的支承及加载方式，以降低最大弯矩值；目前小径木托盘设计的支座是在托盘1/2L和托盘两端，考虑到托盘的承载能力，可以加大托盘支座纵梁的尺寸。

(2)采用合理的截面形式。由正应力强度条件可知，托盘的抗弯能力还取决于抗弯截面系数WZ。为提高托盘的抗弯强度，应找到一个合理的截面以达到既提高又节省材料的目的，如小径木托盘在不同作业情况下最大弯矩发生在托盘铺板1/3L和1/2L处，则可在该处设计成大截面，在弯矩较小处采用小截面。

对于托盘弯曲刚度来说，从挠度计算公式可知，托盘铺板的弯曲变形与托盘纵梁的跨度、铺板截面的惯性矩、材料的弹性模量、托盘的作用载荷的类别和分布情况有关。因为材料的弹性模量和作用载荷已无法通过设计改变，因此，为提高托盘的刚度，可从通过减小托盘纵梁的跨度及通过改变铺板尺寸h来提高托盘刚度。

通过小径木托盘的理论抗弯力学性能分析，计算得出了托盘的弯曲强度和弯曲刚度条件，并提取了小径木通用平托盘的尺寸与托盘承载性能关系的设计模型，为完善托盘的设计提供理论基础；本研究不足之处在于，目前还处于理论研究阶段，有待进一步开展实验测试。

[1] 魏占国,王忠伟,庞 燕. 木塑托盘力学性能测试方法研究[J].中南林业科技大学学报,2014,34(10):116-122.

[2] 杨世军,杨学春,尤浩田. 木托盘的发展前景及存在的问题研究[J]. 森林工程,2013,29(2):135-138+160.

[3] 庞 燕,尹千才,曾 光. 竹环蜂窝托盘设计及理论研究[J].中南林业科技大学学报,2013,33(3):103-106+111.

[4] 李文燕,王翠翠,王丹丹,等. 木质刨花模压工业托盘生产工艺分析[J]. 木材加工机械,2016(6):47-49.

[5] 刘玉善. 人工速生材和小径木加工利用的途径与方法[J]. 林业科技,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] 杨 玲, 王宏棟. 浅谈利用小径木制作木结构房屋[J]. 林业科技, 2003,28(6):42-44.

[10] 庞凤艳.落叶松人工林小径木异型材集成加工技术与工艺研究[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2011.

[11] 张功学. 材料力学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2015 .

[12] 赵桂平.结构力学[M]. 西安: 西安交通大学出版社,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

国家社科基金项目“制造业绿色供应链生态补偿激励相容性与机制研究”（15BGL083）；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目“新型小径木材通用平托盘力学性能研究”（CX2017B19）

徐 淳，硕士研究生

庞 燕，教授，博士，硕士生导师；E-mail：pangyanzima@163.com

徐 淳，庞 燕. 新型小径木通用平托盘力学性能理论研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(8): 135-138.

[本文编校：文凤鸣]