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包装尺寸和瓦楞纸箱楞型对荷载作用下支撑强度的影响
设计运输托盘时经常假设其载重量是灵活的，且均匀地分布在托盘表面。但是，托盘上的包装可以作为一系列的离散载荷，同时包装之间的物理相互作用可以增加刚度的托盘/负载组合。术语“支撑强度”则被用来描述以上这种现象。本文报道的研究调查包装尺寸的关系、楞型、托盘刚度、支撑强度和由此产生的单位荷载挠度。实验结果表明，箱子尺寸的增加改变了单位负荷挠度高达75%。槽型被发现影响支撑强度和由此产生的单位荷载挠度。将瓦楞纸箱的楞型从B楞或BC楞改变成E楞能够降低单位负荷挠度高达40%。此外，实验数据表明了对低刚度托盘来说，包装尺寸和瓦楞纸板楞型对托盘挠度的影响是最大的。这个结果提供的信息可以用来在设计单位负荷时更有效率地使用材料。
简介
在2011年，国际集装箱贸易产业转移了1亿5100万标准箱（20英尺当量单位），包括约12亿吨干品【1】。通常情况下，货物在供应链中一般以某一点的单位负荷的形式被运输和存储。单位负荷被定义为“使负载可以存储，拿起，并在两个地点之间移动作为一个单一的质量的一个项目、一些项目或被排列和约束的散装物料【2】。”一个单位负载由装有适当负载稳定器的托盘上的负载（含产品的包装）组成。 托盘是最常见的单位装载平台，它有利于货物的运输和储存。 虽然运输托盘可以由几种材料（如金属，纸张和各种塑料）制成，但在美国托盘市场估计木制占百分之90以上【3】。在2011年，美国约有4亿1600万个新的木制托盘被制造出来【4】。在由单位负荷承载的各种载荷类型中，瓦楞纸箱是美国最广泛使用的运输货物的包装形式【5】。虽然当它们通过供应链移动时单元负载器件之间有明显的机械相互作用，但该组件通常是由彼此间只进行过有限沟通的不同设计师独立设计的，这将导致成本的增加、安全性的降低和相当大的产品损坏【5】。为了克服这一供应链设计的局限性，研究如何托盘，包装，单位负载的搬运、储存和运输设备的机械互动是必要的。
虽然，许多研究调查了托盘设计对包装的影响7-15，关于有效载荷特性（箱、鼓、袋等）对托盘性能的影响方面的信息依然很匮乏。在设计托盘时，通常假定载荷是灵活的并且均匀地分布在托盘的顶部。然而，在托盘上的包装可以作为一系列的离散载荷，托盘上的包装之间的物理相互作用增加了有效负载的刚度，并使得有效负载跨越托盘支撑件，例如仓库存储架。这可以通过重新分配支撑强度负载从托盘中心的支持，从而降低最大弯矩由托盘经历了影响机组负荷的偏转。此支撑强度的效果是增加托盘的负载能力。
两个早期的研究16，17，研究了不同的单元负载特性对支撑强度的影响，发现堆垛模式和托盘刚度显着影响单位负载偏转。White18证实，托盘的偏转高度依赖于包装的类型（例如瓦楞箱、袋、桶）、堆垛方式和使用的负载类型（如稳定剂拉伸包装、捆扎）。Yoo等人12调查了瓦楞纸箱和托盘的顶面之间的压缩应力分布和基于包装刚度和托盘顶部甲板刚度的量化压缩应力的重新分配。
虽然有支撑强度的确认，以及托盘和有效载荷类型之间复杂的相互作用的理解,然而包括封装尺寸的影响、瓦楞纸箱的楞型和负载稳定器的遏制力在内的这些方面的知识是没有记录的。缺乏这方面的知识，导致了在今天使用的托盘设计方法是基于对托盘承载的不同类型的负载的影响的保守的调整。
本研究的目的是调查刚性包装尺寸和瓦楞纸箱楞型对仓储货架中模拟单元载荷挠度的影响。
图1
图一中，商业托盘通过测试中使用的托盘段模拟刚度范围。南方松桁条木托盘（左上），混合阔叶树砌块木托盘（右上），再生聚丙烯一次性塑料托盘的材料是（左下）和聚丙烯多用途塑料托盘（右下）。
局限性
由于单位负载的组件之间相互作用的复杂性，为了研究关注的现象下面的简化是必要的。
bull;只有规则的开槽，瓦楞纸箱才能进行有效的调查研究。
bull;为了隔离瓦楞纸箱的大小对托盘垂直偏转的影响，只对1024毫米times;254毫米托盘段的一排瓦楞纸箱进行了调查。
bull;忽略了托盘的蠕变响应。施加荷载后立刻对测量的挠度进行记录。
材料和方法
材料
模拟托盘段。四种不同的商业托盘设计被选择来表示在使用中的托盘的刚度范围（图1）。托盘的规格如表1所示。使用固定压板压缩测试仪四个托盘的弯曲刚度值由三点弯曲试验测定。（Tinius Olsen），托盘悬挂在两个间距为914毫米的宽度为50毫米直径的圆形梁。一个额外的循环荷载作用下的梁在托盘的顶部居中，并且由压缩试验机上压板装载完成。在托盘底部的甲板的中心，通过一个字符串电位计测定托盘挠度（UniMeasure，模型p510-5-s3）。通过将整个托盘的测量刚度除以托盘的实际宽度和托盘部分的254毫米宽度（表1），将托盘的弯曲刚度进行调整，以表示刚度为1016毫米times;254毫米的托盘段。
研究中分别准备三个1016毫米times;254毫米的木板模拟低，中，高刚度范围的托盘。这些托盘段的特征见表1。
瓦楞纸箱
普通开槽（RSC）型瓦楞纸箱有三种不同的外部维度（508毫米times;254毫米times;254毫米、254毫米times;254毫米times;254毫米、127毫米times;254毫米times;254毫米）和三种楞型（E、B和BC）被用于这项研究。箱子完全地被America, Roanoke, Virginia, USA的包装公司制造和运输。平压试验按TAPPI 825（2009）进行了测定，用于测定本研究中每个楞型的平压强度和刚度。表2包含了瓦楞纸箱的物理特性。
使用定制夹具确保箱子被安装时每个边缘形成一个90°角。对于精确的瓦楞纸箱内尺寸，刚性的定向刨花板（OSB）箱制造采用13毫米厚的OSB板，分别放置在瓦楞纸箱。定向结构刨花板箱装满了重物，同时盖子固定在顶部以封住盒子。瓦楞纸箱用热熔胶密封。根据ASTM D 4332（2006），装配箱的条件设定在23°C和50%的相对湿度至少72小时。
表1 在这项研究中调查的商业托盘和模拟托盘段的相对刚度（调整宽度的差异）
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托盘 |
材料 |
尺寸 (L times; W) |
调整后的抗弯刚度 |
|
砌块木托盘 |
混合阔叶树 |
1219 mm times; 1016 mm |
13 kg/mm |
|
多用塑料托盘 |
聚乙烯 |
1219 mm times; 1016 mm |
7 kg/mm |
|
桁条木托盘 |
南方松 |
1219 mm times; 1016 mm |
5 kg/mm |
|
一次性塑料托盘 |
循环再生 |
1130 mm times; 978 mm |
1 kg/mm |
|
聚乙烯 |
|||
|
模拟托盘段 |
尺寸(L times; W) |
抗弯刚度 |
|
|
高刚度（19毫米）云杉实木 |
1016 mm times; 254 mm |
9 kg/mm |
|
|
中等刚度（19毫米）桦木胶合板 |
1016 mm times; 254 mm |
5 kg/mm |
|
|
低刚度（13毫米）桦木胶合板） |
1016 mm times; 254 mm |
2 kg/mm |
|
表2 对填充瓦楞纸箱用于支撑强度试验说明
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纸箱尺寸 |
重量/每盒 |
楞型 |
平压试验3 |
标称边缘压碎试验值2 |
卡尺 |
|||
|
(kg)a |
(mm) |
|||||||
|
(L times; W times; H) |
平均强度 |
平均弹性模量 |
||||||
|
(kPa) |
未使用材料 |
|||||||
|
（N / mm） |
||||||||
|
(kN/m) |
||||||||
|
127 mm times; 254 mm times; 254 mm |
4.54 |
E |
549 (11%) |
25.7 |
(19%) |
5.6 |
1.78 |
|
|
B |
292 (18%) |
2.9 |
(37%) |
5.6 |
2.80 |
|||
|
BC |
— |
— |
8.5 |
6.22 |
||||
|
254 mm times; 254 mm times; 254 mm |
9.10 |
B |
292 (18%) |
2.9 |
(37%) |
5.6 |
||
|
504 mm times; 254 mm times; 254 mm |
18.10 |
B |
292 (18%) |
2.9 |
(37%) |
5.6 |
||
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