文/ 彭國(guó)勛 侯俊 林偉清

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值已超過(guò)100萬(wàn)億元，達(dá)到101.6萬(wàn)億元。來(lái)自中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)的信息顯示，2020年我國(guó)社會(huì)物流總費(fèi)用為14.9萬(wàn)億元，占國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的比率高達(dá)14.7%；其中運(yùn)輸費(fèi)用7.8萬(wàn)億元，占社會(huì)物流總費(fèi)用的比率為52.4%；保管費(fèi)用5.2萬(wàn)億元，占社會(huì)物流總費(fèi)用的比率為34.9%；管理費(fèi)用1.9萬(wàn)億元，占社會(huì)物流總費(fèi)用的比率為12.7%。

發(fā)達(dá)國(guó)家的社會(huì)物流總費(fèi)用占國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的比率不到9%，我國(guó)的社會(huì)物流總費(fèi)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在5.7%的巨大差距。如果能通過(guò)物流成本優(yōu)化，將我國(guó)社會(huì)物流總費(fèi)用占國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的比率降低到先進(jìn)國(guó)家的水平，每年就將可以節(jié)約5.8萬(wàn)億元，這是一座值得挖掘的巨大“金山”。

目前，推行托盤單元包裝，是降低社會(huì)物流總費(fèi)用和每年3000億物流貨物損耗的重要舉措。降低托盤共用系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，成為物流企業(yè)的首選熱點(diǎn)問(wèn)題，而其中的最關(guān)鍵影響因素是托盤耐久性。

一、托盤計(jì)算器

為了分析托盤耐久性，以及托盤共用系統(tǒng)的綠色運(yùn)營(yíng)成本，美國(guó)環(huán)保署（EPA）開(kāi)發(fā)了一種稱作《托盤選用成本計(jì)算器（Pallet alternatives cost calculator）》的分析工具。每噸垃圾處理費(fèi)36.69$和通脹率按1.04計(jì)算，美國(guó)四種典型托盤的成本分析結(jié)果，如表1所示。由分析結(jié)果可見(jiàn)，美國(guó)常用的應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)泡低壓注塑工藝生產(chǎn)的塑料平托盤，其耐久性最好，運(yùn)營(yíng)成本也最低，其次是可循環(huán)使用的木托盤。

表1 美國(guó)四種托盤的成本分析結(jié)果

二、斜面沖擊試驗(yàn)與仿真

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4995-1996《聯(lián)運(yùn)通用平托盤性能要求》，參考ISO/TR10233:1989《General-purpose flat pallets for through transit of goods-Performance requirements》和ISO 8611:1991《General-purpose flat pallets for through transit of goods-test methods》，對(duì)GB 4995-85《木制聯(lián)運(yùn)平托盤技術(shù)條件》進(jìn)行了修訂。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通過(guò)如圖1（a）所示剪切斜面沖擊試驗(yàn)、圖1（b）所示頂鋪板邊緣斜面沖擊剪切試驗(yàn)、圖1（c）所示斜面沖擊剪切試驗(yàn)、和角跌落試驗(yàn)等平托盤的耐久性測(cè)試方法及其性能要求，用于評(píng)價(jià)平托盤耐久性。

圖1 平托盤斜面沖擊試驗(yàn)示意圖

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4995-1996《聯(lián)運(yùn)通用平托盤性能要求》規(guī)定了通過(guò)如圖1（a）所示剪切斜面沖擊試驗(yàn)、圖1（b）所示頂鋪板邊緣斜面沖擊剪切試驗(yàn)、圖1（c）所示斜面沖擊剪切試驗(yàn)、和角跌落試驗(yàn)等平托盤的耐久性測(cè)試方法及其性能要求，用于評(píng)價(jià)平托盤耐久性。

GB/T 4995-2014《聯(lián)運(yùn)通用平托盤 性能要求和試驗(yàn)選擇》，參考ISO 8611-2-2011《Pallets for materials handling -Flat pallets -Part2-Performance requirements and selection》修訂時(shí)，將耐久性中的斜面沖擊的性能要求改為對(duì)比試驗(yàn)項(xiàng)目。

美國(guó)托盤標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1185-98a(Reapproved 2009)《Standard Test Methods for pallets and Related Structures Employed in Materials Handling and Shipping》規(guī)定了不同于ISO 8611:1991的評(píng)價(jià)平托盤耐久性的斜面沖擊試驗(yàn)方法和性能要求，托盤上加載500lb(2250N)，沖擊速度為50in./s(1.27m/s)。

在美國(guó)，滿足上述耐久性試驗(yàn)的各種平托盤，基本上都可達(dá)到表1所示使用壽命次數(shù)。但是，沖擊試驗(yàn)只能得到“通過(guò)”或“不通過(guò)”的結(jié)果，難以對(duì)托盤選用材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸、尺寸和連接形式等參數(shù)進(jìn)行定量?jī)?yōu)化，有針對(duì)性地降低成本。為此，需進(jìn)行托盤斜面沖擊動(dòng)力學(xué)仿真。

動(dòng)力學(xué)仿真，比一般的承載能力有限元分析靜力學(xué)仿真，計(jì)算量大得多，難以用普通微機(jī)完成。受集保委托，利用國(guó)家超級(jí)計(jì)算無(wú)錫中心的神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)，針對(duì)包括復(fù)雜木結(jié)構(gòu)和鋼釘連接建模的木托盤，提供了FEM斜面沖擊的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的方便條件，獲得了沖擊仿真云圖的0.025秒動(dòng)態(tài)過(guò)程的完整分析結(jié)果（如圖2 所示）。

圖2 水平?jīng)_擊仿真云圖的動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)果

圖2上半部分是木托盤斜面沖擊過(guò)程中，在某個(gè)時(shí)刻截圖的云圖結(jié)果，可以清楚地看到頂鋪板、縱梁板、墊塊和底鋪板的各點(diǎn)主應(yīng)力大小，可以觀察到鋼釘從墊塊中被拔出的過(guò)程，可以測(cè)量出如圖1（a）所示頂鋪板與縱梁板的水平和垂直變形的x'和y'值。

圖2下半部分是木托盤斜面沖擊過(guò)程中，不同時(shí)刻的縱梁板與墊塊間的界面力，界面力為0期間表示縱梁板與墊塊脫開(kāi)而出現(xiàn)垂直變形y'。根據(jù)對(duì)仿真云圖全部動(dòng)態(tài)過(guò)程的后處理，可以按應(yīng)力與變形要求對(duì)各構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿足要求的最低成本設(shè)計(jì)。

三、基于額定載荷的智能優(yōu)化

通過(guò)GB/T 4995-2014中規(guī)定的額定載荷試驗(yàn)中得到的性能極限，意味著安全系數(shù)為2，適合于一次性托盤的使用情況。共用系統(tǒng)中的托盤，要求多次重復(fù)使用，一般取安全系數(shù)為7。目前歐美各國(guó)使用的共用系統(tǒng)平托盤的額定載荷，一般為貨架載荷1000kg，叉舉載荷1500kg，堆碼載荷4000kg，底鋪板彎曲載荷1000kg。

目前，開(kāi)發(fā)成功的各種木質(zhì)平托盤設(shè)計(jì)軟件，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了快速和有效的智能設(shè)計(jì)工具。例如，圖3(a)所示為周底式托盤結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)界面，輸入托盤平面尺寸、構(gòu)件尺寸和載荷要求，選擇樹(shù)種，即可自動(dòng)完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)；圖3(b)為周底式托盤強(qiáng)度和剛度智能優(yōu)化設(shè)計(jì)界面，通過(guò)不同載荷的靜力學(xué)分析，就能自動(dòng)給出相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度、及其安全系數(shù)；多次重復(fù)使用共用系統(tǒng)托盤安全系數(shù)應(yīng)在6～8之間；如果太大，可以減少有關(guān)構(gòu)件尺寸；如果太小，應(yīng)適當(dāng)加大構(gòu)件尺寸；最終找到最優(yōu)結(jié)果。

圖3 周底式托盤智能設(shè)計(jì)的界面