小径木通用平托盘力学性能检测实验研究

邢碧滢，庞 燕

（中南林业科技大学 物流与交通学院，湖南 长沙 410004）

托盘作为包装、运输、仓储、周转、装卸、搬运等物流环节中的重要要素，对提高物流效率、降低物流成本具有重要的意义[1]。截至2016年底我国托盘市场保有量达到11.6亿[2]，其中木质托盘约占78%[3]，并且每年新托盘需求量为2 500万个[4]。随着天然林禁伐令政策的实施，使得木材大部分依靠进口，而传统的木质托盘消耗大量的木材，造成木材资源的巨大浪费[5]。在环境压力增加的社会背景下，使得传统的成年木制作的木托盘在物流领域的应用正在被其他材料托盘逐步替代。虽然木托盘在托盘市场中所占的比例会下降，但未来很长一段时间木托盘占据托盘市场主导地位的情况不会改变。所以，开发在经济、技术、环保、性能、尺寸等方面均符合要求的新型木质托盘,是振兴物流业的一项重要工作,也是当前国内外面临的一项重大课题。

1 小径木通用平托盘简介

1.1 小径木研究现状

小径木通用平托盘是由杉木小径木材、抚育间伐[6]材以及木材加工剩余物等原材料经过刨片加工、施加胶黏剂等添加剂，热压而成，原材料来源广泛。王红彦等[7]估算出2013年的木材加工剩余物1 492万t，抚育间伐剩余物20 544万t。对其综合利用，可有效利用林区资源，提高林区经济效益。小径木的开发利用经B Perkins等[8]人验证具有经济可行性。目前，一些学者已经验证小径木可以用于建筑行业：2003年，杨玲等[9]通过木材强度试验，对小径木的力学性能进行分析表明强度值和弹性模量完全符合建筑结构用材的允许应力和弹性模量要求的最小值。2015年，WuGF等[10]在循环侧向载荷下测试一种利用小径木做成的剪力墙。结果表明，剪力墙在循环侧向荷载作用下表现相当好，具有足够的横向阻力以用于轻木结构。同年，武国芳等[11]为研究小径木组合墙骨的承载性能，对其进行了轴心受压试验以及偏心受压试验，获得了该墙骨的破坏形式以及竖向承载力。结果表明该类墙骨有足够的竖向承载力，可作为剪力墙墙骨使用，与轻型木木结构剪力墙中常用规格材墙骨的竖向承载力接近，可作为规格材墙骨的替代品。2017年，Liao Y等[12]测试了小径木制成的CLT板材的力学性能，验证了快速生长的小直径桉树木材可用来制作建筑材料。最近，有学者开始尝试将小径木用于托盘制造，并开始理论研究：2017年，徐淳[13]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。目前还没有人验证将小径木用于托盘制造，其力学性能是否能够符合国家标准。本实验通过抗弯试验、叉举试验以及堆码试验，验证小径木通用平托盘的力学性能符合用于货架存取和堆码作业使用场合的物流托盘国家标准，为小径木通用平托盘投入市场生产提供理论指导。

1.2 小径木通用平托盘的结构

小径木通用平托盘由铺板和纵梁组成。铺板包括上铺板和下铺班，上下铺板之间有3根纵梁支撑托盘。托盘采取瓦楞芯结构。托盘链接处采用钢钉固定，铺板连接处采用指接形式；托盘为R2型1 200×1 000二向进叉、双面使用性：额定载荷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。单个托盘重44.5 kg。

2 小径木通用平托盘力学性能检测

2.1 抗弯试验原理与方法

试验目的：本试验的目的是确定托盘在货架存取条件下的抗弯强度（试验1 a）和抗弯刚度（试验1 b）。

试验原理：GB/T4996-2014&GB/T4995—2014。

抗弯试验检测设备见表1。

表1 抗弯试验检测设备Table1 Bending test detection equipment

试验照片如图1所示：

图1 抗弯试验过程Fig.1 Bending test process

检测方法及说明：

试验l a：测定抗弯强度（图3）。

1）将样品置于加大型纸箱抗压试验机下压板上，按图2方式加载；

2）在顶铺板上放置加载头，加载头放在距支座内侧0.18L1（L1=1 050 mm）的位置，以12.7 mm/min的速度加载，当托盘某个构件破裂或产生6%L1（63 mm）的挠度时，停止试验并记录该点的极限载荷U1。

图2 加载方式Fig.2 Load mode

试验1 b：测定抗弯刚度（图4）。

1）按试验l a方法进行加载，以(1.5±0.5)%U1作为试验准载荷，以0.5U1作为试验满载荷；

2）以12.7 mm/min的速度加载，分别记录B1、B2点在以下各时间点时的挠度值：

①加到基准载荷时；

②加到满载时；

③满载保持24 h时；

④卸载1 h时。

3）计算各点在负载下的挠度及卸载后的挠度，取最大变形点的数据报告结果。

注：①样品先进行1 b试验，然后进行1 a试验。②按照标准，1 b试验中的U1应由试验l a得出，实际1 b试验中样品满载荷为9 800 N（1 000 kgf），准载荷为294 N（30 kgf）。

2.2 叉举试验原理与方法

图3 1a试验曲线Fig.3 1a Test curve

图4 1b试验曲线Fig.4 1b Test curve

试验目的：确定既不用于货架存取也不用于堆码的单面或双面托盘由货叉在托盘顶铺板下支撑时托盘的挠曲。此类托盘的极限工作条件由该挠度值决定。

试验原理：GB/T4996-2014&GB/T4995—2014。

叉举试验检测设备见表2。

表2 叉举试验检测设备Table2 Fork lift test detection equipment

试验照片如图5所示。

检测方法及说明：

试验2 a：测定抗弯强度（图7）。

1）将样品置于加大型纸箱抗压试验机下压板上，按图6方式加载，支座间距为570 mm；

图5 叉举试验过程Fig.5 Fork lift test process

2）以12.7 mm/min的速度加载，当托盘构件破坏或被压溃时，停止试验并记录该点的极限载荷U2。

图6 加载方式Fig.6 Load mode

试验2 b：测定抗弯刚度（图8）。

1）按试验2 a方法进行加载，以(1.5±0.5)%U2作为试验准载荷，以0.5U2作为试验满载荷；

2）以12.7 mm/min的速度加载，分别记录A、B、C、D、E、F、H点在以下各时间点时的挠度值：

①加到基准载荷时；

②加到满载时；

③满载保持30 min时；

④卸载30 min时。

3）计算各点在负载下的挠度及卸载后的挠度，取最大变形点的数据报告结果。

注：①样品先进行2 b试验，然后进行2 a试验；②按照标准，2 b试验中的U2应由试验2 a得出，实际2b试验中样品满载为9 800 N（1 000 kgf），准载荷应为294 N（30 kgf），由于试验中加载杠的自重为594 N（61 kgf），实际使用594 N（61 kgf）作为准载荷。

图8 2b试验曲线Fig.8 2b Test curve

2.3 堆码试验原理与方法

试验目的：本试验的目的是确定托盘在块状堆码状态下横跨于垫块或纵梁之间的顶铺板和底铺版承受大范围变化的局部有效载荷的能力。

试验原理：GB/T4996-2014&GB/T4995—2014。

检测设备见表3。

表3 堆码试验检测设备Table3 Stacking test and testing equipment

试验照片如图9所示。

检测方法及说明：

试验4 a：测定铺板强度（图11）。

1）将样品置于加大型纸箱抗压试验机下压板上，按图10方式加载；

图9 堆码试验过程Fig.9 Stacking test process

2）顶铺板上放置4根加载杠,加载杠放在距垫块内侧0.18L1（L1=460 mm）的位置，以12.7 mm/min的速度加载，当托盘破裂或产生6%L1（27.6 mm）的挠度时，停止试验并记录该点极限载荷U4。

试验4 b：测定铺板刚度（图12）。

1）按试验4 a方法进行加载，以(1.5±0.5)%U1作为试验准载荷，以0.5U4作为试验满载荷；

2）以12.7 mm/min的速度加载，分别记录B1、B2、B3、B4点在以下各时间点时的挠度值：

①加到基准载荷时；

②加到满载时；

图10 加载方式Fig.10 Load mode

③满载保持24 h时；

④卸载1 h时。

3）计算各点在负载下的挠度及卸载后的挠度，取最大变形点的数据报告结果。

注：①样品先进行4 b试验，然后进行4 a试验；②按照标准，4 b试验中的U4应由试验4 a得出，实际4 b试验中样品满载荷为9 800 N（1 000 kgf），准载荷应为294 N（30 kgf），由于试验中加载杠的自重为529 N（54 kgf），实际使用529 N（54 kgf）作为准载荷。

图11 4a试验曲线Fig.11 4a Test curve

图12 4b试验曲线Fig.12 4b Test curve

3 小径木通用平托盘力学性能检测比较分析

小径木通用平托盘抗弯试验结果见表4，小径木通用平托盘叉举试验结果见表5，小径木通用平托盘堆码试验结果见表6。

表4 小径木通用平托盘抗弯试验结果Table4 Bending test of small diameter wood flat pallet

表5 小径木通用平托盘叉举试验结果Table5 Fork lift test of small diameter wood flat pallet

4 结论与讨论

小径木材的推广与运用，对林业的节约、可持续性发展意义重大。将其应用于托盘制作更是一种响应绿色物流发展的新思路。本试验研究数据验证了小径木通用平托盘的试验载荷水平和性能极限符合GB/T4996-2014中试验1、2以及4的性能极限要求，可制造用于货架存取、叉车或托盘搬运以及堆码的通用平托盘，为市场推广小径木通用平托盘提供了数据以及可行性参考。

表6 小径木通用平托盘堆码试验结果Table6 Stacking test of small diameter wood flat pallet

根据试验检测员提供的建议，下一步可重点研究小径木通用平托盘连结处钢钉的设计，进一步增强小径木通用平托盘的力学性能。本试验产品由木质胶合板制成，质量较大，后续可考虑用密度更小的材料作为托盘的垫块，以减轻托盘自重。