物流降本紧迫形势下托盘耐久性优化的探讨

文/ 彭国勋 侯俊 林伟清

根据国家统计局发布的数据，2020年我国国民生产总值已超过100万亿元，达到101.6万亿元。来自中国物流与采购联合会的信息显示，2020年我国社会物流总费用为14.9万亿元，占国国民生产总值的比率高达14.7%；其中运输费用7.8万亿元，占社会物流总费用的比率为52.4%；保管费用5.2万亿元，占社会物流总费用的比率为34.9%；管理费用1.9万亿元，占社会物流总费用的比率为12.7%。

发达国家的社会物流总费用占国国民生产总值的比率不到9%，我国的社会物流总费与发达国家存在5.7%的巨大差距。如果能通过物流成本优化，将我国社会物流总费用占国国民生产总值的比率降低到先进国家的水平，每年就将可以节约5.8万亿元，这是一座值得挖掘的巨大“金山”。

目前，推行托盘单元包装，是降低社会物流总费用和每年3000亿物流货物损耗的重要举措。降低托盘共用系统的运营费用，成为物流企业的首选热点问题，而其中的最关键影响因素是托盘耐久性。

一、托盘计算器

为了分析托盘耐久性，以及托盘共用系统的绿色运营成本，美国环保署（EPA）开发了一种称作《托盘选用成本计算器（Pallet alternatives cost calculator）》的分析工具。每吨垃圾处理费36.69$和通胀率按1.04计算，美国四种典型托盘的成本分析结果，如表1所示。由分析结果可见，美国常用的应用结构发泡低压注塑工艺生产的塑料平托盘，其耐久性最好，运营成本也最低，其次是可循环使用的木托盘。

表1 美国四种托盘的成本分析结果

二、斜面冲击试验与仿真

国家标准GB/T 4995-1996《联运通用平托盘性能要求》，参考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》，对GB 4995-85《木制联运平托盘技术条件》进行了修订。该标准规定了通过如图1（a）所示剪切斜面冲击试验、图1（b）所示顶铺板边缘斜面冲击剪切试验、图1（c）所示斜面冲击剪切试验、和角跌落试验等平托盘的耐久性测试方法及其性能要求，用于评价平托盘耐久性。

图1 平托盘斜面冲击试验示意图

国家标准GB/T4995-1996《联运通用平托盘性能要求》规定了通过如图1（a）所示剪切斜面冲击试验、图1（b）所示顶铺板边缘斜面冲击剪切试验、图1（c）所示斜面冲击剪切试验、和角跌落试验等平托盘的耐久性测试方法及其性能要求，用于评价平托盘耐久性。

GB/T 4995-2014《联运通用平托盘 性能要求和试验选择》，参考ISO 8611-2-2011《Pallets for materials handling -Flat pallets -Part2-Performance requirements and selection》修订时，将耐久性中的斜面冲击的性能要求改为对比试验项目。

美国托盘标准ASTM D1185-98a(Reapproved 2009)《Standard Test Methods for pallets and Related Structures Employed in Materials Handling and Shipping》规定了不同于ISO 8611:1991的评价平托盘耐久性的斜面冲击试验方法和性能要求，托盘上加载500lb(2250N)，冲击速度为50in./s(1.27m/s)。

在美国，满足上述耐久性试验的各种平托盘，基本上都可达到表1所示使用寿命次数。但是，冲击试验只能得到“通过”或“不通过”的结果，难以对托盘选用材料、结构、构件尺寸、尺寸和连接形式等参数进行定量优化，有针对性地降低成本。为此，需进行托盘斜面冲击动力学仿真。

动力学仿真，比一般的承载能力有限元分析静力学仿真，计算量大得多，难以用普通微机完成。受集保委托，利用国家超级计算无锡中心的神威·太湖之光超级计算机，针对包括复杂木结构和钢钉连接建模的木托盘，提供了FEM斜面冲击的动力学仿真计算的方便条件，获得了冲击仿真云图的0.025秒动态过程的完整分析结果（如图2 所示）。

图2 水平冲击仿真云图的动态过程结果

图2上半部分是木托盘斜面冲击过程中，在某个时刻截图的云图结果，可以清楚地看到顶铺板、纵梁板、垫块和底铺板的各点主应力大小，可以观察到钢钉从垫块中被拔出的过程，可以测量出如图1（a）所示顶铺板与纵梁板的水平和垂直变形的x'和y'值。

图2下半部分是木托盘斜面冲击过程中，不同时刻的纵梁板与垫块间的界面力，界面力为0期间表示纵梁板与垫块脱开而出现垂直变形y'。根据对仿真云图全部动态过程的后处理，可以按应力与变形要求对各构件的参数进行优化，获得满足要求的最低成本设计。

三、基于额定载荷的智能优化

通过GB/T 4995-2014中规定的额定载荷试验中得到的性能极限，意味着安全系数为2，适合于一次性托盘的使用情况。共用系统中的托盘，要求多次重复使用，一般取安全系数为7。目前欧美各国使用的共用系统平托盘的额定载荷，一般为货架载荷1000kg，叉举载荷1500kg，堆码载荷4000kg，底铺板弯曲载荷1000kg。

目前，开发成功的各种木质平托盘设计软件，为优化设计提供了快速和有效的智能设计工具。例如，图3(a)所示为周底式托盘结构智能设计界面，输入托盘平面尺寸、构件尺寸和载荷要求，选择树种，即可自动完成图纸设计；图3(b)为周底式托盘强度和刚度智能优化设计界面，通过不同载荷的静力学分析，就能自动给出相应的强度和刚度、及其安全系数；多次重复使用共用系统托盘安全系数应在6～8之间；如果太大，可以减少有关构件尺寸；如果太小，应适当加大构件尺寸；最终找到最优结果。

图3 周底式托盘智能设计的界面