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纸托盘嵌入式底脚横向强度研究

更新时间:2016-07-05

0 引言

托盘作为衔接运输、仓储、包装、装卸、搬运等物流环节的关键要素,是企业降低物流成本、提高物流效率的重要工具[1-2]。纸托盘随着代木托盘的研制而发展,目前代木托盘主要有塑料托盘、纸浆模塑托盘、塑木托盘和纸托盘。纸托盘因为价格低、质量轻、免熏蒸,符合绿色环保要求而逐渐得到广泛应用[3-4]。蜂窝纸板优良的承载能力受到了物流运输包装行业的关注,从而出现了多种形式的蜂窝纸板托盘,但目前相关研究工作还不够充分,制约了蜂窝纸板托盘的推广及应用[5-6],需要针对蜂窝纸板等纸质包装材料的特点及流通环境条件,开展更深入的研究工作。R.Alvarez-Valdés等[7-8]对影响托盘承载的因素进行了研究,得出了最佳的底脚排列方式。刘晓红等[9]探讨了蜂窝纸板的结构与性能,提出了蜂窝纸板结合其他材料的复合方式可以提高蜂窝纸板托盘性能的建议。徐炜峰[10]研究发现,改变托盘托底结构可以有效地增强蜂窝纸托盘的抗弯强度,另外铺板材料的选用也影响抗弯强度,铺板表层面纸克重越大、厚度越高,其抗弯强度相应越大。朱永辉[11]针对柱脚式蜂窝托盘,使用有限元软件建模的方法分析了柱脚对蜂窝托盘力学性能的影响。曾克俭等[12]对蜂窝纸托盘的研究现状进行了综述,认为现有蜂窝纸板托盘的研究工作中对真实物流环境因素的影响分析不够充分。李志强等[13]对蜂窝纸板式铺板与木屑复合材料式底脚组合托盘进行了试验分析,发现动态冲击试验时底脚容易脱落。对于纸质托盘,底脚与底板的联结强度也是业内比较关注的问题。

本文针对纸质托盘在物流过程中底脚易脱落的问题,提出一种嵌入式底脚蜂窝纸托盘结构,并对不同的嵌入方式与普通直粘式底脚的联结强度进行了试验分析。

5.一定法,也就是经常所说的排除法与定选法的结合。针对组合型选择题,找到最准确的那个选择肢进行定选或者错得最离谱的那个选择肢进行排除。这两个过程相结合基本就能确定应选项。

1 嵌入式底脚托盘设计

1.1 纸质托盘的底脚与底板联结形式

纸质托盘由铺板、底脚和纸护角3部分组成,几种典型的纸质托盘如图1所示。按照铺板结构的不同,全纸质托盘可分为瓦楞纸板托盘,蜂窝纸板托盘,纸浆模塑托盘3种。瓦楞纸板托盘与蜂窝纸板托盘都具有原料丰富、可回收再利用、制造成本低、表面光滑利于印刷、质轻便于搬运等优点。与蜂窝纸板相比,瓦楞纸板具有更好的缓冲性能,但蜂窝纸板的抗弯性能和面外承载性能较瓦楞纸板更加优良,因此蜂窝纸板托盘具有广阔的发展前景。纸浆模塑托盘是开口的立体空间均匀薄壁结构,大型的纸浆模塑结构强度及刚度较差,因此目前市场上纸浆模塑主要是作为产品的内衬包装使用,作为承受重载的物流托盘使用的非常少[14]

图1 常见纸质托盘结构形式 Fig.1 Common paper tray structures

目前纸质托盘的结构及成型方法受木质托盘结构及成型方法影响较大(参见图1),存在较多的问题[15]。纸托盘的托盘底脚与铺板之间通常采用胶粘固定,但是胶粘强度远远小于木托盘的钉合强度,以及钢托盘的螺丝紧固或焊接强度,因此常常出现底脚脱落或错位等情况。尤其是蜂窝纸板托盘,底脚和底板的联结强度问题更为突出,一些制造商甚至通过钢钉加固底脚,如图1d所示。蜂窝纸板属于阵列式空间薄壁结构,材料具有不均匀性,握钉能力极差,采取钢钉加固的方式不仅破坏了纸板的纤维结构,而且联结强度也不会得到显著改善。

1.2 底脚嵌入方式设计

针对蜂窝纸板托盘底脚易脱落的问题,本文突破传统的蜂窝纸板托盘设计思路,提出了嵌入式底脚的全纸质托盘结构。该托盘的所有结构件均采用胶粘方式连接,支脚与铺板之间采用嵌入式加胶粘方式连接,大大提高了联结强度。嵌入式底脚回避了纸质材料的纤维结合强度低的缺点,不仅结构合理,而且成型方法简单。本文提出开槽嵌入式和护角嵌入式两种结构形式(参见图2)。嵌入底脚分别选择了目前应用比较广泛的方管脚和瓦楞底脚(参见图3)。制作两种嵌入式底脚与底板联结方式的试样,以及底脚与底板直粘式托盘试样。

图2 底脚嵌入方式 Fig.2 Foot embedding pattern

图3 底脚形式 Fig.3 Foot form

2 嵌入式底脚托盘横向承载机理

对于普通直接粘合式底脚结构,底脚与底板之间只有一个接触面,设面积为A,当承受横向载荷Fn时,接触面A承受切应力τn,底脚受力状态如式(1)所示:

譬如在妈妈心烦意乱的时候,孩子不管说什么、做什么,你都看着不顺眼;而在轻松愉快的状态 ,即使孩子做了错事,你也可能只是一笑了之。一般的情绪反应持续的时间比较短,几小时甚至几秒钟就过去了,可是一种心境可能持续很多小时,甚至很多天。

对于嵌入式底脚结构,底脚与底板之间有5个接触面,当承受横向载荷Fq时,受力方向如图4、5所示,面1承受压应力σ1,面3承受拉应力σ3,面2承受切应力τ2、面4承受切应力τ4、面5承受切应力τ5,底脚受力状态如式(2)所示:

由公式(1)及公式(2)可知,普通直粘式底脚只有一个联结面起承载作用,而嵌入式结构将受力面从1个变为5个。如果Fn=Fq,则τ5τn,因此嵌入式底脚结构改善了和连接部位的应力状态,使托盘抵抗横向载荷的能力增强。

图4 开槽嵌入式底脚 Fig.4 Slotted embedded foot

图5 护角嵌入式底脚 Fig.5 Protection corner embedded foot

3 嵌入式底脚托盘横向强度测试

由开槽嵌入式联结强度实验结果发现,方管脚对嵌入结构效果更好。又因为材料有限,此次实验只针对方管脚做护角式嵌入进行改变。试样制备,将6个相同方管脚分别标号,按图5方式嵌入,效果如图2b所示,标号1,2,3嵌入规格是30 mm×30 mm×3 mm的小号纸护角,4,5,6嵌入规格是40 mm×40 mm×4 mm的大号纸护角。对以上这6个底脚依次加压,观察受压变形情况,结果如图7所示。受压后6个方管脚破坏情况类似,均为托盘铺板面纸脱胶导致底脚脱离铺板,但是方管脚的底脚及护角与面纸仍粘贴牢固没有损伤,只是底脚受压端与纸护角粘连处轻微开胶。大、小号护角嵌入式实验结果如图7a所示,实验对比可知,小护角最大抗压力为460.60 N,大护角最大抗压力为496.53 N。采用规格40 mm×40 mm×4 mm的纸护角嵌入与采用规格30 mm×30 mm×3 mm的纸护角抗压强度相差不多。

3.1 开槽嵌入式底脚强度测试

3.1.1 方管脚强度测试

选择图3a所示的方管脚,采用图4所示的嵌入方式,嵌入槽深3 mm,制作3个方管脚嵌入式试样,分别测试其联结强度,对测试数据进行平均处理,其抗压力与位移曲线如图6a所示。

选择图3a所示的方管脚,采用普通粘合方式,制作3个方管脚直接粘合在纸盘底部,分别测试其联结强度,对测试数据进行平均处理,其抗压力与位移曲线如图6a所示。

通过开槽嵌入式与普通粘合式抗压力与位移曲线的对比,可发现方管脚嵌入式最大抗压力为787.30 N,明显高于普通粘合方式的方管脚底脚,并且嵌入后方管脚的脱落时间得到了延缓。因此开槽式嵌入能提高方管脚与铺板底部(即底板)的联结强度,改善方管脚在受压时易脱落的问题。

本文以TMS320DM642处理器为核心芯片,摄像头为前端,农产品服务器为总存储器,PC机与智能手机为终端设计了农产品生产全过程监控系统。该系统使用视频/图像定点数字信号处理器TMS320DM642对视频信号进行压缩,使用H.264编码算法且进行优化,压缩比能达到200∶1,满足3G传输的理论要求,视频信号处理系统流程如图1所示。

3.1.2 瓦楞底脚强度测试

将测试样品改为3个如图3b所示的瓦楞底脚后,重复和方管脚强度测试相同的步骤,其抗压力与位移曲线如图6b所示。对比开槽嵌入式瓦楞底脚和普通粘合瓦楞底脚的抗压力与位移曲线图可知,开槽嵌入式瓦楞底脚最大抗压力为712.13 N,与普通粘合的瓦楞底脚抗压情况相差不多,甚至嵌入式底脚的耐脱落时间相对提前,这说明嵌入式设计对提高瓦楞底脚与铺板底部联结强度无明显作用。其主要原因是集中受力时,瓦楞结构被破坏,导致瓦楞底脚很容易压溃。

图6 底脚平均抗压力-位移对比曲线 Fig.6 Foot average resistance to pressure - displacement contrast curve

通过观察底脚的受压破坏情况,分析底脚抗压实验曲线发现,瓦楞底脚在受压时不容易脱落,而方管脚只要开始脱胶就会迅速脱落。其原因为方管脚由纸管和蜂窝纸板两部分组成,内填充的蜂窝纸板与纸管不完全在同一平面上,粘合时底脚粘胶不均匀,受到外力后表现为大面积脱落。开槽式嵌入对瓦楞底脚没有起到优化作用,但是增强了方管脚底脚粘合效果,使底脚受到冲击时不易脱落。

3.2 护角嵌入式底脚

利用纸箱抗压试验机对底脚联结强度进行强度测试,在抗压试验机上压板与测试底脚之间垫上刚度与强度比较大的方木,并施加载荷。分别测试不同嵌入式底脚结构的横向承载能力,并与普通直粘式底脚的横向承载强度进行对比分析。

图7 方管脚平均抗压力-位移对比曲线 Fig.7 Square foot average resistance to pressure- displacement contrast curve

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4 结论

通过对底脚破坏情况以及抗压数据的分析,可得以下结论:

1)由于瓦楞材料的原因,瓦楞结构压溃先于瓦楞底脚开胶脱落。嵌入式设计的目的是提高底脚的联结强度使底脚不易脱落,因此嵌入式设计不适应于瓦楞底脚。

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3)护角包裹式嵌入可有效提高方管脚与铺板的联结强度,能够保护底脚,使底脚在受到冲击时仍然粘合牢固,从而可解决方管脚易脱落问题。但由于护角集中粘贴在铺板局部,在受到冲击时铺板面纸会因局部受力而脱胶。

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其二,构建与中国特色城市社会相适应的历史文化。深刻理解中国历史文化底蕴是把握中国特色的关键。历史文化是中华民族的民族性和民族性格的实现方式与体现,是中华文明的独特内涵展现,是中国城市社会个性在世界性城市社会中的独特存在。传承优秀的历史文化是创新城市社会发展范式的出发点,是走出模仿逻辑困境的指南针,同时也是中国城市社会发展的精神根基,亦是城市社会从外延型增长向内涵型增长转换的软实力发展的关键所在。

2)方管脚受压时极易脱落,开槽式嵌入可提高方管脚的抗压强度,但不能有效阻止方管脚脱落。

有递减规律的三种情况:一是区块产量有明显规律,直接拟合递减率;二是区块产量没有明显递减规律,但平均单井产量有明显递减规律的取平均单井产量递减率;三是与开发历史背景及开发方式结合,分阶段、分构成、分开发方式拟合递减规律。

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德克萨斯大学阿林顿分校生物系教授Woo-Suk Chang分析认为:“作物产量不仅取决于土壤的结构和营养状况,还取决于土壤中的微生物组成和活性,特别是根际土壤。”然而,近几十年来,随着人类活动而导致的环境污染和生态破坏的问题日益突出,土壤侵蚀、盐碱化、酸化、沙漠化、重金属污染等导致的土壤退化或污染现象越来越严重,土壤健康状况趋于恶化。目前,我国耕地土壤40%以上面积出现退化。

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由公式(1)可知,底脚与底板之间联结面积越大,横向承载能力越强。

小号护角嵌入式与普通粘合式的抗压力及位移曲线如图7b所示,结果对比可知,小护角嵌入式粘合底脚的最大抗压力高于普通粘合的底脚。实验表明:一定压力下,普通粘合式底脚受压后迅速脱落,而护角嵌入式方管脚没有脱落仍在继续抗压,这种护角式嵌入能解决方管脚易脱落的问题。

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式(1)的寿命预测方程精度较低,Manson等人又对50多种材料的平均疲劳性能进行研究,提出了修正的通用斜率方程:

[15]滑广军,谢 勇,赵德坚.一种嵌入式底脚的全纸质组合重载托盘及其成型方法:CN105730823A [P].2016-07-06.HUA Guangjun,XIE Yong,ZHAO Dejian.A Kind of Integral Heavy-Duty Tray and Its Forming Method for Embedded Foot:CN105730823A [P].2016-07-06.

陈鑫,吴若梅,赵德坚,滑广军
《包装学报》 2018年第1期
《包装学报》2018年第1期文献

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