蜂窝纸托盘的堆码动态特性试验分析*

张 丽

南京工程学院 江苏南京 211167

蜂窝纸托盘的堆码动态特性试验分析*

张 丽

南京工程学院 江苏南京 211167

作为一种新型的绿色环保产品，蜂窝纸托盘原料丰富、成本低、重量轻、弹性好、缓冲性能优良，可以回收，符合国际包装的发展趋势。但目前国内对蜂窝纸托盘的研究尚属起步阶段。鉴于此，本文针对蜂窝纸板托盘的动态特性进行了研究，制作了蜂窝纸托盘模型，利用蜂窝纸板模型对单个蜂窝纸托盘模型以及两个托盘堆码的振动传递特性进行模拟试验，进而分析得出蜂窝纸板托盘在两层堆码情况下的一些动态性能。

蜂窝纸托盘；蜂窝纸板；堆码；振动传递率

一、蜂窝纸托盘介绍

托盘是现代物流作业中最基本的载体，是最基本的物流单元化器具，从一定意义上讲，托盘应用水平是衡量一个国家现代物流发展水平的重要标准之一。我国国家标准GB/T18354-2001《物流术语》将托盘(Pallet)定义为“用于集装、堆放、搬运和运输的放置作为单元负荷的货物和制品的水平平台装置。”在流通过程中，托盘与叉车配合使用，实现了机械化、专业化作业，提高了物流作业效率，降低了产品的破损率及物流成本。

按照托盘的材质分类，托盘可分为木制、钢制、塑料、胶合板制托盘等，我国木质托盘约占托盘总量的90%。这种情况下，一方面，大量采用木质托盘，而且大部分木托盘仅供一次性使用，质量偏低，循环利用率也不高，造成了森林资源的浪费，对我国的生态环境造成了不良影响；另一方面，加入WTO之后，国内企业面临着严峻的绿色壁垒的考验，不仅要求出口产品本身符合贸易进口国的环保技术要求，而且其外包装也必须符合各项技术要求。1998年，美国和加拿大政府为防止光肩天牛虫的传入，决定对从1998年12月17日和1999年1月4日以后离港的中国货物的木质包装进行熏蒸或防腐剂处理，否则将禁止货物入境或拆除销毁木质包装，并由出口方负担所有费用，这对我国出口商品木质包装及木质托盘是一个很大的挑战。保护森林资源和减少“白色污染”的呼声，都要求包装界必须寻找一种真正的木材替代品。因此，积极开发和使用新型包装材料替代木包装材料，减少天然木材用量势在必行。蜂窝纸板所具有的独特性能和便宜的价格以及表现出的环保性，为目前正在寻找替代木质包装及托盘的企业打开了思路。

蜂窝纸板是继瓦楞纸板之后出现的一种新型包装材料。蜂窝纸板的制造与应用是从蜂窝技术的发明和应用中发展起来的。早在20世纪40年代，美英等一些发达国家率先在军工领域中研究、开发、应用具有蜂窝结构的材料。这些材料大多以铝合金或轻质合金加工制作而成，具有强度高，质量轻的特点，主要用于航天器和飞机机翼的制造上，在很大程度上减轻了飞行器自身重量，从而使飞行器的速度得到了很大的提高。二战之后，蜂窝夹层材料的生产应用在发达国家发展很快。特别是荷兰、英国，技术装备好，产品质量稳定，广泛用于航天、航空、建筑、包装、装饰、家具、仓储、交通运输等领域。经过10年的发展应用，蜂窝夹层材料技术早已成熟，应用领域不断扩大。

由于蜂窝纸板有极高的平面抗压强度，所以蜂窝纸板可以用于托盘的上下铺板，也可以用作托盘的纵梁或垫块，这时就要按纵梁或垫块的标准尺寸由几层较厚的蜂窝纸板组合加工而成。正是由于蜂窝纸托盘的出现，对于托盘行业以及整个包装行业是一个里程碑式的发展。

二、蜂窝纸托盘的特点

1.蜂窝纸托盘的优点

(1)用料省，成本低。托盘的主要制作材料为可再生的蜂窝纸板，蜂窝拉伸成型时，只有1%～10%的蜂窝材料，其余皆为空气，因而节约了大量材料。蜂窝纸板托盘成品价格也低于同等要求的木托盘，尤其适合出口企业一次性使用。

(2)强度高，重量轻。由于蜂窝材料类似于工字梁结构的独特特性，使蜂窝纸托盘具有很大的强度/重量比和极佳的性能/价格比。承重结构合理，最高承重可达3吨，而重量平均仅为6千克，是同等木托盘的1/4，方便搬运，无论在空运还是海运中都可以使用户节约大量运费，降低产品成本。

(3)抗冲击、缓冲性好。由于蜂窝纸托盘采用富有弹性的蜂窝纸板材料，依靠蜂窝特殊受力构造的优势，可大大降低来自运输过程中的颠簸冲击，可大量吸收外部的动能，使货品安全、完好抵达目的地。

(4)清洁卫生。无虫蛀，完全不需熏蒸消毒，符合欧美市场对托盘的要求，医药食品等行业可直接使用。

(5)平整光滑，美观专用。由于蜂窝纸板在裁切时公差非常小，因而制成的托盘表面光滑平整，没有木托盘粗糙的缺点，也无碎屑及铁钉等有可能损坏货物的问题，可最大程度地保护承载物。并且在托盘上可印刷公司徽标、商标、广告，提升公司品质形象。

(6)易于产生多种附加性能。蜂窝纸板是全纸质材料，易于通过特殊工艺处理而使托盘获得防水、防潮、阻燃防火、防霉等特殊性能，以适应使用环境的要求。

(7)绿色环保，无污染。蜂窝纸托盘可全部由再生纸制作，可百分百回收利用，不产生遗弃物、不污染环境，符合环保要求，用后可直接送造纸厂回收再利用，是真正意义上的绿色环保产品。

2.蜂窝纸板托盘的生产工艺

蜂窝纸托盘的生产工艺主要分为3个部分：托盘面板生产，托盘底脚生产和面板与底脚的粘结(如图1所示)。

图1 蜂窝纸托盘的生产工艺流程

3.蜂窝纸托盘目前存在的问题

目前,蜂窝纸托盘存在着抗弯曲试验合格率偏低,在跌落、堆码等试验中出现托盘结构崩溃、支离、上铺板被戳穿等严重不合格问题。这些问题,一方面与蜂窝纸板的动静态力学性能特点以及托盘结构有关,另一方面也与多层托盘堆码的动静态特性有关。目前,关于蜂窝纸板的动静态特性,郭彦峰等已进行了研究,但关于堆码托盘包装系统的研究尚少有涉及。

三、蜂窝纸托盘振动传递率的测定

1.单个托盘的动态特性

试验设备：苏州试验仪器厂的Vibration Test Systems Model DC-600-5和Re-2000 Digital Vibration Controller以及苏州东华试验技术有限公司的DH592动态信号测试分析仪。试验系统原理如图2所示。

图2 振动传递特性试验系统

由于试验设备中振动台台面的尺寸达不到实际托盘的尺寸，为避免托盘部分面积不在托盘上带来的试验误差，按照实际托盘的结构制作500mm×350mm的托盘模型来进行模拟试验（如图3所示）。

图3 蜂窝纸托盘模型尺寸

选择30mm厚的蜂窝纸板作为托盘模型的最上边的平板；中间的3个支撑是选择7层蜂窝纸板，其中7层蜂窝纸板的芯纸有两种规格，两边的两个是30mm蜂窝纸板的芯纸，中间的是采用10mm厚蜂窝纸板的芯纸；最下边的3个蜂窝纸板采用5mm规格。按照图3所示在需要粘接的部位依次用淀粉胶粘上保压，然后烘干即可得到所要的托盘模型(如图4所示)。

图4 蜂窝纸托盘模型实物图

试验过程：将DC-600-5振动试验台、RC-2000控制仪、SA-5开关式功率放大器、FJ-1000鼓风机、DH5920动态信号分析系统、加速度传感器和信号适调器等硬件部分连接好；将托盘和质量块叠放在一起，并利用胶带和橡皮带固定在试验台上；将两个加速度传感器分别固定在振动台面和质量块上。打开控制仪和DH5920动态信号分析系统的电源开关；运行振动控制仪软件，选择正弦试验(频率范围：F1=5Hz，F2=300Hz；扫频速率：0.5oct/min；扫频次数：A=1)；打开功率放大器的电源开关，按下“ON”键，开启增益；启动动态信号分析软件；平衡与清零；完成前面的工作以后，点击控制工具栏上的“启动采样”按钮，即可开始采样；按下振动控制仪软件“Start”键，试验开始，开始显示振动曲线，单个托盘振动传递率曲线如图5所示。

图5 单个托盘振动传递率曲线

本试验中质量块是9.4kg,托盘受力面积310mm×200mm,即所受压强为1485.8Pa。

2.两个托盘堆码的动态特性

在试验中要先在振动台上放上托盘(如图6所示)，并在托盘上放置质量块，在质量块上安装传感器；然后再在质量块上放置另一托盘，托盘上放上质量块，并在质量块上安装另一传感器。要采集两个通道的数据时，在动态信号分析测试软件中将两个通道同时打开进行数据的采集，所得到的就是两个托盘堆码的振动传递率曲线(如图7、图8所示)。

图6 两个托盘堆码试验的实物系统

图7 两层堆码托盘系统振动传递率曲线(松固定)

图8 两层堆码托盘系统振动传递率曲线(紧固定)

对比分析下边托盘在3种不同情况下的振动传递情况，3种情况振动传递率曲线如图9所示。

图9 三种情况托盘振动传递率曲线比较

(1-松固定；2-紧固定；3-单个托盘)

分析可得结论：

(1)根据图9中传递率曲线上出现两个尖峰可知，托盘在振动时都是先发生一次共振，即第一共振；接着还有第二次共振现象发生。

(2)对比3种情况可见，3种托盘几乎是在同一频率发生第一次共振的。单个托盘时共振频率是23.5 Hz；两个托盘堆码时在固定较松时的共振频率是22 Hz，在固定较紧时共振频率是24.4Hz。因此可知这种托盘模型的固有频率在22Hz～25Hz之间，托盘的堆码方式以及固定的松紧影响较小。

(3)对比两个不同受力固定情况下的两层托盘包装系统振动传递特性可知，当托盘和质量块固定的比较松时，托盘系统会晃得比较厉害，也就是托盘系统的传递率Tr比较高，最大时Tr有67.93；而当托盘和质量块固定的比较紧时，托盘系统就会平稳一些，就是托盘系统的振动传递率比较小，最大时Tr为20.82，比前一种情况小了很多。分析两种不同情况下下边托盘的振动传递特性可知，在固定较松的情况下，下边托盘的最大传递率1.75，而固定比较紧的情况下下边托盘的振动传递率达到了6.35，略有增大。

结合托盘系统不同情况下的振动特性可得：在运输包装中，使货物和托盘之间的固定较紧有利于降低托盘系统的振动传递率。

(4)理论中物体的固有频率：

3个试验中下边托盘的上边都是放置9.4kg的质量块，两个托盘堆码时忽略了上个托盘质量的影响。由于上边托盘的质量会造成m偏大，这样固有频率就会有所减小，这与试验结果基本一致。

四、结束语

托盘包装系统是一个非常复杂的多自由度非线性缓冲系统，本文仅对单层和两层蜂窝纸托盘进行了试验分析，得到了托盘的固有频率和振动传递率曲线，对物流包装提供了设计依据，并可以进一步优化设计托盘结构。针对多层情况以及蜂窝纸托盘不同的结构对托盘包装系统的影响都有待于进一步研究。另外，由于托盘为手工制作的模型，与实际托盘在性能上有一定的差距，也会对试验数据的可靠性产生影响。

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Honeycomb paper pallet stacking experimental analysis of dynamic characteristics

Zhang Li
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

As a new kind of green product, honeycomb paper pallet is accordant with the development trend of international packaging for the advantages of raw materials-rich, low cost, light weight, good flexibility, and excellent cushioning properties and easy to recycle. However, the current domestic research on the honeycomb paper pallet is still at the initial stage. In view of this point, this article studied the dynamic characteristics of honeycomb paper pallet, produced the model of the honeycomb paper pallet, tested vibration transmission characteristics of a single honeycomb paper pallet and two stacking pallets, and then analyzed the dynamic performance.

honeycomb paper pallet; honeycomb paper; stacking; vibration transmissibility

book=68,ebook=186

2010-02-26

张丽，讲师。

*本文系南京工程学院院级项目KXJ08058。