可伸缩托盘的设计与研究

谢沁伶，周 游，王桂宇，谢家贵

（西南交通大学希望学院，四川 成都 610400）

0 引言

为了提高出入库效率、节约仓库使用面积以及通过机械化作业节约装卸成本，出现了带板运输[1]。目前，带板运输已经在上海等地进行了试点运营，在仓库中人工装卸的效率已经提高了50%，供应链协调作用率提高23%，并且交接效率提高了2倍。此外，带板运输利用越库作业、共享配送等方式实现部分行业库存优化和管理，还可以实现降低库存成本的目的。但是，在带板运输过程中，托盘广泛存在匹配性不足、空返率高等问题。为了解决以上问题，本文提出设计可伸缩托盘。

现有可伸缩托盘主要依靠拼接技术，只能单向调节。本文直接实现伸缩功能，结合现阶段较成熟的伸缩技术，在长度和宽度两个方向都可以实现尺寸的双向伸缩，用于满足不同尺寸的集装单元需求，增强与货物和运输车辆车厢的匹配性。同时结合带板运输，进一步减少托盘的生产，节约生产成本。

1 可伸缩托盘的基础要素分析

1.1 可伸缩托盘伸缩尺寸分析

现代物流系统中标准托盘的定义在各个国家存在差异，根据美国、欧洲、日韩和中国的标准托盘尺寸，可知世界上现有托盘长度最大值为1 219mm，最小值为1 067mm；宽度最大值为1 144mm，最小值为800mm。现有托盘叉车所需叉孔的高度为90mm～100mm，所以可伸缩托盘的高由上铺板、下铺板、支撑座的高组成，其厚度分别为30mm、30mm、100m。即可伸缩托盘的厚度为160mm。

为匹配国际贸易和国内物流运输装卸活动，可伸缩托盘的量度需要满足在上述长、宽的最大与最小区间内。首先，国际贸易托盘中宽度最小为800mm，为满足国际贸易，同时本文设计的托盘又需要满足双向可伸缩，所以在初始长宽上需要保持同样的长度，即最小的长、宽为800mm。同时可伸缩托盘叉车孔所需要的高度必须高于现代标准叉车车叉高度90mm，加上两块铺板30mm 的高度得到可伸缩托盘的高为160mm。根据上述原因，本文设计的可伸缩托盘将伸缩前的尺寸设定为800mm×800mm×160mm。同时，托盘的长、宽可以在800～1 219mm之间进行伸长或缩短。

1.2 可伸缩托盘的结构分析

标准托盘根据载物面板分为单面托盘和双面托盘，双面托盘是在两层面板中间夹有纵梁或者柱脚，单面托盘是纵梁上设有相互垂直的铺板。其各自特性见表1。

表1 单双面托盘特性

因托盘上下两板间存在使托盘可伸缩的滑槽和铺面连接处的滑槽，又需要同时兼备承重的能力，选择可伸缩托盘上下板间不设纵梁，视为上下板互为纵梁，通过上下板交错使可伸缩托盘载物时所受压力分散。

本文设计的可伸缩托盘使用的是铺板错位拉伸结构，指利用错位原理使铺面间的间隙变大或减小，以此来伸长或缩短托盘。结合上下板交错的结构，铺板错位拉伸结构对载荷的影响较小，且整个托盘的重心不会随之变化过大。

1.3 可伸缩托盘需求分析

现阶段物流发展在运输效率、装卸效率、装载效率上存在瓶颈。根据共研网《2023-2029年中国托盘行业全景调研及发展前景预测报告》，2015-2021年中国各行业托盘的总产量、中国托盘总保有量和托盘年需求量变化趋势如图1所示。

图1 2015-2021年中国托盘情况

根据图1可以看出：

（1）托盘产量与托盘需求量出现巨大的落差，产量平均比需求量多了2 到3 倍。原因是托盘种类较多，托盘的标准化程度还不够，导致托盘生产企业很难较为准确的预测托盘需求量。

（2）通过2016-2021年托盘的需求量变化可以看出，随着现代物流的稳步发展，托盘作为物流活动的必要集成单元在一系列物流活动中地位显著。托盘需求稳步增长，表明现有托盘逐渐无法满足现代物流的效率要求，只能通过托盘的量来进行补足。

（3）托盘保有量稳步增长，但托盘的保有量太大。由于托盘尺寸不同，存在某些尺寸的托盘在一些时间段使用较少的情况，使得囤积的托盘数量过大，但为满足市场需求，又不得不继续生产此类托盘。

目前的物流企业需要一款能够实现标准化的同时又能灵活使用的托盘，托盘市场也同样需要一款标准化的托盘。托盘产品的上下游形成统一后，托盘的制造、储存和使用各环节都能有效节省成本，并减少由于非标准化托盘带来的效率较低的问题。

2 可伸缩托盘的设计

2.1 可伸缩托盘的功能设计

本文设计的这一款可伸缩托盘可以实现目前公路运输所需托盘尺寸的全覆盖，即托盘尺寸可在800mm～1 219mm 之间伸缩，从而达到空间利用率最大化以及带板运输更加高效的目的。由此，可伸缩托盘必须具有以下功能：

（1）提高车厢空间利用率。运输车辆的车厢尺寸是固定的，可伸缩托盘可根据车厢的尺寸进行托盘尺寸的调节，能够最大程度的覆盖车厢平面，从而提高车厢的空间利用率。

（2）提高货物与托盘的适配度。由于可伸缩托盘能够实现托盘尺寸的调节，因此，当货物尺寸一定时，通过调节可伸缩托盘使得更多的货物放在托盘上，从而提高货物与托盘的适配度。

2.2 可伸缩托盘的结构设计

对可伸缩托盘进行基础要素分析以及功能设计之后，确定了其结构，如图2所示。

图2 可伸缩托盘结构图

（1）可伸缩托盘的铺板和底部设计。伸缩板1包括U 型板3 和T 型板2，T 型板2 竖直段的外侧壁与U型板3 两个竖直段的内侧壁均水平设置有滑轨4，在伸缩板1底部端面还设有6个支撑座9，支撑座9均设置于外侧伸缩板1的底部端面。外侧T型板2的竖直段与水平段各设置一个支撑座9，其支撑座的尺寸为66mm×66mm×100mm。外侧U型板3的水平段设置一个支撑座9，一共有4个，其尺寸为80mm×80mm×100mm。该设计可进一步增加可伸缩托盘的整体稳定性，如图3所示。

图3 下铺板底部结构图

进一步对可伸缩托盘的铺板进行设计，在位于外侧的U型板3或T型板2的水平段上端面设置有滑槽6，位于内侧的U型板3或T型板2的竖直段上端面设置有滑槽6。滑槽6的延伸方向与U型板3或T型板2竖直段的延伸方向平行，且滑槽6内设置有滚珠7，滚珠的直径为10mm。使用时，可将两块可伸缩托盘上下叠置，位于上方的可伸缩托盘翻转90°倒扣在下方的可伸缩托盘上，通过滚珠7滑动，使托盘可以实现水平及竖直两个方向的伸缩，更进一步提高了托盘的适用范围。

更进一步地，可伸缩托盘的四个边角处设置有螺纹孔8，螺纹孔8 内设置有配套的螺钉。当两块可伸缩托盘上下叠置时，通过螺钉固定。两块可伸缩托盘叠置不仅可以实现水平及竖直两个方向的伸缩，提高托盘的流通范围，还能提高托盘的承载力。可伸缩托盘铺板结构如图4所示。

图4 可伸缩托盘铺板设计图

当可伸缩托盘上铺板中T型板可伸缩处10长度为354mm时（考虑到滑槽距边界还有10mm的距离），可实现托盘宽度在800mm～1 144mm之间伸缩；同理，可伸缩托盘的下铺板中T 型板可伸缩处10 长度为439mm时（考虑到滑槽距边界还有10mm的距离），可以实现托盘宽度在800mm～1 219mm之间伸缩。考虑到托盘上下铺板移动更加方便，因此，确定上、下铺板板中的T型板伸缩处10长度全部为429mm，因此宽度也可以实现800mm～1 219mm之间的伸缩。如图5所示。

图5 T型板可伸缩处示意图

（2）可伸缩托盘的滑轨、滑槽设计。分别位于T型板2竖直段与U型板3竖直段上且相对设置的两个滑轨4之间设有滑块5。滑轨4的横向剖面呈U型，滑轨4上还设置有若干限位凹槽41，滑块5上设置有扭簧51，在扭簧51的两个活动端设置有与限位凹槽41相配合的限位块52。如图6 所示，在使用过程中，调节尺寸时，扭簧51因受到水平推力的作用，能够向内收缩，使滑块5在滑轨4内实现位移功能。当滑块从限位凹槽41 处移动到下一处限位凹槽时，由于限位块52的活动端具有回弹能力，其向外扩张卡合在限位凹槽内，根据限位凹槽设置的数量不同以及设置的间距变化，托盘可伸缩调节为多个尺寸，增加了托盘的可调节灵活度。

图6 滑轨的横剖视图

在下铺板上也存在6 条不锈钢制滚珠滑槽6，其中有4条分别位于外侧伸缩板1的非T型板可伸缩处，还有2 条分别位于内侧伸缩板1 的T 型板可伸缩处。考虑到滑槽距边界还有10mm的距离。因此，确定两侧的4条滑槽尺寸为175.5mm×10mm×15mm，中间2条滑槽的尺寸为419mm×10mm×15mm，上铺板同理。滑槽6均采用弹性卡扣，滚珠滚过之后，卡扣自动弹出，固定铺板，如图7所示。

图7 铺板间滑槽设计图

3 可伸缩托盘的其他说明

3.1 拉伸尺寸说明

托盘以长×宽为800mm×800mm作为基础平面尺寸，固定高度为160mm。在此基础上，根据需求不同，可对长和宽在800mm～1 219mm 进行伸缩调节。对托盘进行伸缩时，是以10mm作为一个节点进行伸缩，通过长度变换以及组合，得到所需的托盘尺寸。

3.2 滑轨、滑块及卡扣说明

此可伸缩托盘上、下铺板间结合，采用的滑槽是嵌入式不锈钢制滚珠滑槽6，滑块使用的是直径为10mm的不锈钢珠，其优点是能够使托盘的移动更加灵活，并且实现两个方向的伸缩。各伸缩板侧边采用的是方形滑块，滑轨宽度为10mm，且每10mm为一个卡扣。

3.3 可伸缩托盘使用说明设计

可伸缩托盘使用时的具体操作步骤如下：（1）取下可伸缩托盘螺纹孔8上的4个螺丝钉，使得上下铺板可移动；（2）根据所需尺寸进行可伸缩托盘的尺寸调节，调节单位为10mm，其中上、下铺板通过不锈钢滚珠在嵌入式不锈钢制滚珠滑槽中移动实现，各伸缩板间的移动通过调节侧边的滑轨实现；（3）调节好可伸缩托盘的尺寸后，将螺丝钉扭入螺纹孔8，固定托盘后即可使用。

3.4 可伸缩托盘承压能力测试

本文使用Ansys软件对可伸缩托盘进行承压能力测试，主要仿真实际使用过程中可伸缩托盘整体受到承载物体压力时的承载能力是否合格，并对其进行静力学分析。使用SolidWorks建立可伸缩托盘3D模型，如图8所示。

图8 可伸缩托盘3D图

综合对比后使用杨木作为可伸缩托盘的材料。杨木的平均密度为0.43g/cm3，泊松比取0.45，杨氏模量取9.29GPa。取10mm为单元对模型进行自动网格划分。取实际作业时的压强为0.002 928Mpa。求解出可伸缩托盘的总变形，如图9所示。

图9 可伸缩托盘总形变图

从总形变结果可以看出，在正常货物的压力下，可伸缩托盘的形变最大位置也只有0.003毫米左右，形变量很小。接着进行等效应力分析，如图10所示。

图10 等效应力图

由图10可知，应力值最高值在底座与下铺板结合处，为3.24MPa，小于杨木多层板的抗弯容许应力值17.02MPa。且其他位置应力分布均匀，满足强度要求。

综上所述，可伸缩托盘可以完成现实生活中的承载任务，能够通过承压测试。

4 可伸缩托盘在带板运输中的应用

带板运输是指货物按一定要求成组装在一个标准托盘上，组合成为一个运输单位，并便于利用铲车或托盘升降机进行装卸托运和堆存的一种运输方式。带板运输的关键在于组成合适的运输单位，即托盘与车厢以及托盘与货物的匹配度。因此，这里对不同尺寸的固定托盘和可伸缩托盘，与货物的匹配性和车厢的匹配性进行对比分析。

4.1 与货物的匹配性分析

（1）不同尺寸固定托盘与货物的匹配性分析。货物的包装尺寸是固定的，可以分为非标准包装货物和标准包装货物。这里以标准包装货物为例，分析托盘与货物之间的匹配性。以1 200mm×1 000mm，1 200mm×800mm，1 100mm×1 100mm这3种主流托盘且只装一层货物为例，得到托盘对常见标准包装货物的载货效率，见表2。

表2 不同尺寸固定托盘对常见标准包装货物的载货效率表

由表2可知，主流的三种托盘对常见标准包装货物的匹配性较高，但仍存在载盘效率低于80%的情况。

（2）可伸缩托盘与货物的匹配性分析。可伸缩托盘可以根据实际需要调节托盘尺寸，得到可伸缩托盘对常见标准包装货物的载货效率，见表3。

表3 可伸缩托盘对常见标准包装货物的载货效率表

从表3可以看出，货物尺寸确定后，可伸缩托盘就可以调节成与其货物满铺托盘时的对应尺寸，从而达到100%的载货率。

4.2 与运输车辆车厢的匹配性分析

（1）不同尺寸固定托盘与运输车辆车厢的适配性分析。通常，我们用载盘效率来表示可伸缩托盘与运载工具的匹配性。载盘效率是指某一运载工具能够装载同一规格托盘的最大数量和每只托盘的载货面积之积，占该运载工具货台面积的比例，一般用百分比来表示。因此载盘效率越高，表示载货效率越高[2]。

这里选取了部分常用装载托盘的运输车辆，进行托盘与货箱的匹配性分析[3]。以一层托盘为例，首先对现目前常用的标准托盘进行货箱匹配性分析，得到部分常用装载托盘运输车辆货箱与可伸缩托盘的载盘率，见表4。

表4 常用3种尺寸标准托盘的载盘效率表

从表4 可以看出，即使使用现有的标准尺寸托盘，也存在载盘率较低的情况，甚至有些低于50%。

（2）可伸缩托盘与运输车辆车箱的匹配性分析。在车厢尺寸一定的情况下，得到了可伸缩托盘的载盘效率表，见表5。

表5 可伸缩托盘的载盘效率表

从表5可以看出，使用可伸缩托盘后，其与常用运输车辆的载盘率很高，基本在95%以上，是现有常用尺寸托盘达不到的，极大的提高了运输车辆的载盘率。可伸缩托盘能够通过调节变化，得到人们需要的尺寸，某种意义上来讲，它是一种更高级的标准托盘。

这里对比分析了不同尺寸的固定托盘与可伸缩托盘与货物和运输车辆货箱的匹配性，通过载货率和载盘率体现出了可伸缩托盘的灵活性和先进性。载货时需要什么尺寸，就可以使用什么尺寸。进一步实现带板运输，减少装卸和空返次数，降低成本。

5 结语

本文通过设计一款可伸缩托盘，将其应用于带板运输。将现有常用托盘进行货物和车厢的匹配性分析，得出了常用托盘的载货率和载盘率都不高的结论。由此，可以看出现有常用托盘在尺寸上存在一定的问题。将可伸缩托盘应用于带板运输，通过计算得到了可伸缩托盘能够使常见标准包装货物的载货效率达到100%，使运输车辆车厢的载盘率达到95%以上。这极大的提高了托盘的载货率和载盘率，甚至消除了现有常用托盘载货和带板运输的局限性。可见本研究设计的可伸缩托盘能够使得托盘更标准化，具有一定的现实意义。