托盘与单元包装的智能设计
2019-03-09彭国勋
文/彭国勋
一、托盘与单元包装的国内外现状
以托盘和单元包装为基础物流器具的现代物流系统的优化设计,已经成为企业追求最受关注的“第三利润源泉”的主要抓手。据中国物流与采购联合会发布的信息,2017年我国的社会物流总费用为12.1万亿元,占GDP的15.4%。如果通过物流包装的智能设计进行优化,能把目前的物流费用降低到美国8%的先进水平,即可挖掘出5.81万亿元的巨大金山。并且,推行托盘共用系统托盘的单元包装系统,可以大大提高物流效率。
据中商产业研究院发布的《2017年中国托盘市场发展预测报告》显示,截至2016年底,中国托盘市场保有量达到11.69亿片,同比增长8.2%,其中1.2m×1.0m标准托盘市场占比达到27%左右,较2015年底提高2个百分点,重点商贸物流领域1托盘标准化率达到65%。2016年,标准托盘租赁池规模达到1700万片,较2015年底(1460万片)增长16.4%。可见,我国人均拥有托盘数还不到0.9片,美国人均拥有托盘数是7片左右,差距很大。如果我国人均拥有托盘数要达到5片,平托盘市场保有量则需要到达67亿片,这是一个巨大的市场需求。据中国仓储与配送协会和中物联托盘委测算,2016年的标准托盘产量为2.8514亿片,其中木托盘占80%以上。
表1:典型托盘的堆码工况PDS设计结果
Support Condition 支撑条件Side View侧视图 End View 端视图Safe Maximum Load安全最大载荷De fl ection at Maximum Load最大载荷下的变形User Speci fi ed De fl ection Limit用户规定的变形极限Maximum Load for De fl ection Limit变形极限的最大载荷Critical Member危险构件10810 lbs...0.15 in 0.25 in NA 内部顶铺板6352 lbs. per pallet..0.17 in 0.25 in NA 内部底铺板
《GB/T 31148——2014联运通用平托盘 木质平托盘》中的常用1200x1000川字型中国标准木质平托盘和欧标托盘如图1所示。中标托盘构件尺寸都是套用路凯的同类托盘,没有做过优化设计。当木材材种或使用工况发生变化,急需采用智能设计软件进行构件的快速优化设计分析。而目前我国有的单位发布的所谓托盘设计软件,只能画图,没有不同工况强度与刚度的分析,无法对构件尺寸进行优化设计。
美国木托盘和容器协会(National Wooden Pallet and Container Association ,NWPCA)花费数百万美元,开发出托盘设计系统™(PDS)软件,可以选择不同锯材或人造板,根据托盘要求的载荷和工况,优化设计构件的尺寸,还可进行单元包装载荷的分析。早在1984年,PDS就已经在物流行业中享有崇高的声誉,为企业降低物流采购成本和减少货损做出了重大贡献。表1给出了一个典型托盘的堆码工况PDS设计结果。该软件的年租金为7150美元。
二、托盘与单元包装智能设计软件的算法
美国PDS软件的算法和数据库目前没有对外公布。我们开发的托盘与单元包装智能设计软件的算法首先基于结构力学的公式,并对《GB/T 4996-2014 联运通用平托盘 试验方法》中的4种典型结构工况进行有限元分析,通过托盘测试结果的参数识别获得有限元分析的结构参数,再用图2所示有限元分析等结果对结构力学计算结果进行修正,使得便于编写软件的结构力学算法近似计算结果尽可能与比较符合实测结果的结果一致。于是,按软件计算的结果,基本上与实际测试的结果是相符的。
例如货架载荷的结构力学分析简图假定如图3所示的简支梁。托盘跨距为l,货架载荷Pr=2P,P为左右集中载荷,长短力臂各为l1与l2,R为中央垫块的反力,支座反力为R1与R2,剪力为Q,弯矩为M,挠度为y。
按理论公式可得托盘等截面顶铺板或纵梁板组件中央向下的最大挠度为:
根据线性叠加原理,双侧加2个对称的P时,结果为:
托盘受力P变形y时,托盘顶铺板或纵梁板中央变形时经垫块作用于底铺板中央,产生一个向下的反力R,同时也产生一个向上相同大小的反力R。顶铺板或纵梁板虽然两端被钉在垫块上,货架载荷向下加载时顶铺板或纵梁板与垫块之间的连接钢钉会被部分拔起,因此近似假定顶铺板或纵梁板为两端简支梁模型;中垫块反力向上或向下加载时,可近似假定为两端固定梁模型。前述反力R同时向下作用于底铺板,产生相同的变形y。计算变形和应力时,需注意铺板为非等截面梁组装件。
当有底铺板时中垫块的反力R在顶铺板或纵梁板组件产生的向上挠度按两端固定梁模型计算为:
顶铺板或纵梁板组件的总挠度则为:
反力R对等截面底铺板组件产生的向下挠度为:
顶铺板或纵梁板组件的总挠度与反力R对底铺板产生的向下变形相等,由此可推出二集中载荷情况下的反力为:
Pallet Design System (PDS)Developed and owned by:National Wooden Pallet and Container Association (NWPCA)Research and development for early versions of PDS were conducted in cooperation with: Center for Unit Load Design, Virginia Tech Department of Wood Science and Forest Products; U.S.D.A. Forest Service and Forest Products Laboratory; APA - The Engineered Wood Association; Software Technologies Laboratory, Virginia Tech Department of Industrial and Systems Engineering The recommendations from PDS are based on the NWPCA's continuing program of laboratory and fi eld research. They represent the best available engineering information compiled to date. However, the quality of workmanship, the input data, and the conditions in which pallets are used may vary widely.Therefore, the Association cannot accept responsibility for pallet performance or design as actually constructed. Wood pallets manufactured to this PDS design are for the sole purpose of storing and/or transporting material. Under no circumstance should any person stand, step, or lean upon them or otherwise use them for support.Pallet Design System - Version 5.1 (C) Copyright 1985-2013 National Wooden Pallet and Container Association, 1421 Prince Street, Suite 340, Alexandria, Virginia 22314-2805 http://www.palletcentral.com All Rights Reserved
其中跨距l可考虑纵梁板和垫块的影响;Et和EB分别为二者的弹性模量;顶铺板或纵梁板的总宽为bt和厚度为ht的顶铺板或纵梁板组件的惯性矩为:
求得R后,代入式(7),便可求得铺板中央的最大变形。
宽为bt和厚度为ht的顶铺板或纵梁板组件的抗弯截面矩为:
宽为bB厚度为hB的底铺板或底梁板组件的抗弯截面矩为:
各点的弯曲应力则为:
货架工况长方向强度安全系数为:
货架工况长方向刚度安全系数为:
叉举、堆码、和底铺板弯曲等工况的算法同样可以推导出不同的算法公式。
三、托盘与单元包装的智能设计软件应用实例
利用上述算法开发出的木质平托盘智能设计软件具有三维制图、BOM表等成本分析、强度与刚度分析、安全系数分析、单元包装优化设计等功能。1200x1000川字型中国标准木质平托盘智能设计软件的部分输出结果如图4所示。
由图4,可以算出按1200x1000(mm)川字型中国标准木质平托盘的所选马尾松等材种的构件尺寸下各种工况的强度与刚度的安全系数。如果为了保证共用系统托盘的承载能力是货架载荷为1000kg,叉举载荷为1500kg,堆码载荷为4000kg,底铺板弯曲载荷为1000kg,具有100次的循环次数的使用寿命,假定取安全系数为7,则所设计的构件材种和尺寸,只有叉取工况下的宽方向强度安全系数为6.823比假定的目标值7稍差一点,其他工况都较保守。因此中国标准木质平托盘的影响成本的构件尺寸和材种选择,还存在有一定的优化余地。
根据《GB/T 34394-2017 平托盘最大工作载荷》的规定,图5所示几种单元包装的平托盘强度和刚度也可给出分析结果。
针对各种木质平托盘和单元包装开发出的智能设计软件,虽然在某些功能和分析精度等方面与当今国内外软件相比有若干优点,但随着智慧物流的发展仍然有待进行更深层次的开发,以便为今后更大幅度降低物流成本和实现绿色物流做出贡献。