物流降本緊迫形勢下托盤耐久性優化的探討

文/ 彭國勛 侯俊 林偉清

根據國家統計局發布的數據，2020年我國國民生產總值已超過100萬億元，達到101.6萬億元。來自中國物流與采購聯合會的信息顯示，2020年我國社會物流總費用為14.9萬億元，占國國民生產總值的比率高達14.7%；其中運輸費用7.8萬億元，占社會物流總費用的比率為52.4%；保管費用5.2萬億元，占社會物流總費用的比率為34.9%；管理費用1.9萬億元，占社會物流總費用的比率為12.7%。

發達國家的社會物流總費用占國國民生產總值的比率不到9%，我國的社會物流總費與發達國家存在5.7%的巨大差距。如果能通過物流成本優化，將我國社會物流總費用占國國民生產總值的比率降低到先進國家的水平，每年就將可以節約5.8萬億元，這是一座值得挖掘的巨大“金山”。

目前，推行托盤單元包裝，是降低社會物流總費用和每年3000億物流貨物損耗的重要舉措。降低托盤共用系統的運營費用，成為物流企業的首選熱點問題，而其中的最關鍵影響因素是托盤耐久性。

一、托盤計算器

為了分析托盤耐久性，以及托盤共用系統的綠色運營成本，美國環保署（EPA）開發了一種稱作《托盤選用成本計算器（Pallet alternatives cost calculator）》的分析工具。每噸垃圾處理費36.69$和通脹率按1.04計算，美國四種典型托盤的成本分析結果，如表1所示。由分析結果可見，美國常用的應用結構發泡低壓注塑工藝生產的塑料平托盤，其耐久性最好，運營成本也最低，其次是可循環使用的木托盤。

表1 美國四種托盤的成本分析結果

二、斜面沖擊試驗與仿真

國家標準GB/T 4995-1996《聯運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GB 4995-85《木制聯運平托盤技術條件》進行了修訂。該標準規定了通過如圖1（a）所示剪切斜面沖擊試驗、圖1（b）所示頂鋪板邊緣斜面沖擊剪切試驗、圖1（c）所示斜面沖擊剪切試驗、和角跌落試驗等平托盤的耐久性測試方法及其性能要求，用于評價平托盤耐久性。

圖1 平托盤斜面沖擊試驗示意圖

國家標準GB/T4995-1996《聯運通用平托盤性能要求》規定了通過如圖1（a）所示剪切斜面沖擊試驗、圖1（b）所示頂鋪板邊緣斜面沖擊剪切試驗、圖1（c）所示斜面沖擊剪切試驗、和角跌落試驗等平托盤的耐久性測試方法及其性能要求，用于評價平托盤耐久性。

GB/T 4995-2014《聯運通用平托盤 性能要求和試驗選擇》，參考ISO 8611-2-2011《Pallets for materials handling -Flat pallets -Part2-Performance requirements and selection》修訂時，將耐久性中的斜面沖擊的性能要求改為對比試驗項目。

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

在美國，滿足上述耐久性試驗的各種平托盤，基本上都可達到表1所示使用壽命次數。但是，沖擊試驗只能得到“通過”或“不通過”的結果，難以對托盤選用材料、結構、構件尺寸、尺寸和連接形式等參數進行定量優化，有針對性地降低成本。為此，需進行托盤斜面沖擊動力學仿真。

動力學仿真，比一般的承載能力有限元分析靜力學仿真，計算量大得多，難以用普通微機完成。受集保委托，利用國家超級計算無錫中心的神威·太湖之光超級計算機，針對包括復雜木結構和鋼釘連接建模的木托盤，提供了FEM斜面沖擊的動力學仿真計算的方便條件，獲得了沖擊仿真云圖的0.025秒動態過程的完整分析結果（如圖2 所示）。

圖2 水平沖擊仿真云圖的動態過程結果

圖2上半部分是木托盤斜面沖擊過程中，在某個時刻截圖的云圖結果，可以清楚地看到頂鋪板、縱梁板、墊塊和底鋪板的各點主應力大小，可以觀察到鋼釘從墊塊中被拔出的過程，可以測量出如圖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程中，不同時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而出現垂直變形y'。根據對仿真云圖全部動態過程的后處理，可以按應力與變形要求對各構件的參數進行優化，獲得滿足要求的最低成本設計。

三、基于額定載荷的智能優化

通過GB/T 4995-2014中規定的額定載荷試驗中得到的性能極限，意味著安全系數為2，適合于一次性托盤的使用情況。共用系統中的托盤，要求多次重復使用，一般取安全系數為7。目前歐美各國使用的共用系統平托盤的額定載荷，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，開發成功的各種木質平托盤設計軟件，為優化設計提供了快速和有效的智能設計工具。例如，圖3(a)所示為周底式托盤結構智能設計界面，輸入托盤平面尺寸、構件尺寸和載荷要求，選擇樹種，即可自動完成圖紙設計；圖3(b)為周底式托盤強度和剛度智能優化設計界面，通過不同載荷的靜力學分析，就能自動給出相應的強度和剛度、及其安全系數；多次重復使用共用系統托盤安全系數應在6～8之間；如果太大，可以減少有關構件尺寸；如果太小，應適當加大構件尺寸；最終找到最優結果。

圖3 周底式托盤智能設計的界面