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一款新型纸质托盘的研发故事

时间:2013-01-08 14:33:12来源:作者:张伟
  近年来,在仓储、物流和外贸出口领域,作为包装运输、储存和随商品一起出口的包装载体—托盘已被广泛使用。其中,使用量最大的应属木质托盘和塑料托盘。这两种托盘都有各自的不足之处:木质托盘自重较重(每个重约10公斤),价格在40元左右,可周转使用,也适用于叉车运输,不过人工搬运易发生伤害事故,使用一段时间后,钉帽会凸出来硌损商品或包装物,其最大的缺点还在于浪费木材资源和无法回收;塑料托盘自重较轻(每个重约5公斤),可周转使用,也适用于叉车运输,但价格昂贵(每只价格在百余元左右),易碎,同样无法进行有效回收。
  上述两种托盘在作为包装物与商品一起出口时会面临诸多门槛。如木质托盘要经过蒸煮处理并经严格繁琐的海关检查后才能出口;而塑料托盘本身成本就比较高,如果使用无法回收的材质进行生产,在出口时也会面临限制。
  在日益高涨的“以纸代木”浪潮中,目前在外贸出口中也出现了一小部分蜂窝纸板托盘,能在某种程度上规避传统托盘的固有弊端。但这种蜂窝纸板托盘的托盘腿经常发生脱落或损坏,俗称“掉腿”。而托盘一旦“掉腿”,就不能再使用了。蜂窝纸板托盘的这一致命缺点,至今仍无法有效解决,这也是制约蜂窝纸板托盘得到进一步推广应用的重要原因。
  能不能研发一种新型的纸质托盘,解决使用过程中的这些问题呢?旭阳企业集团下属的旭阳包装纸制品有限公司进行了大量的思考和研发工作。

  客户委托
  2005年,日本富士通天汽车配件有限公司在天津市开发区投资建厂,主要生产和出口销售汽车用CD机。富士通天的包装流程是这样的:将CD机装在瓦楞纸箱内,一个纸箱价值80多元,一箱CD机的价值是200万元;再将纸箱装在托盘上,每只托盘装24个纸箱。据此估算,每只托盘所装载的商品价值约在4800万元左右,可谓价值不菲。



  在选用什么托盘的问题上,富士通天遇到了困难。该公司有关负责人找到我们提出委托:能不能研制一种适合该产品出口的纸质托盘?富士通天还为产品提出了2个具体的指标:托盘每平方米面积须能承重2吨左右的货物;使用周期不得少于一个月。
  为完成客户的委托,我们投入了较大的资金和人力开展研发工作,并购入必要的实验设备和仪器,改造现有的设备和工艺,力争尽快研制出新型纸质托盘,满足客户的出口需求。

  研发思路
  经过缜密的市场调研和对拟研制产品的材料特性进行了解,为满足客户关于托盘产品轻便、可仓储、可周转、无污染、可回收的要求,我们认为应充分利用瓦楞纸板的物理特性进行研制。
  我们拟定的设计方案和研发思路如下所述。
  1.托盘面板采用15层重型瓦楞纸板,将3张五层瓦楞纸板用聚醋酸乙烯粘合在一起。托盘面板是实心的,而且中间无格栅,采用纵横交错的粘合方法,以增强托盘的挺度和坚固耐用性,同时也增强托盘面板的平整度,便于装载商品。
  2.托盘抗压强度的大小取决于托盘腿,托盘腿的单体抗压强度和数量多少决定了托盘最终的抗压效果。我们将托盘腿的数量定为9只,并将托盘抗压强度的保险系数定为2.5,那么单只托盘腿单位面积的最小承重应在550公斤以上。由于半圆柱体瓦楞纸板的立式强度最大,我们在研发过程中始终坚持利用瓦楞纸板的这一特点,从而实现预定的抗压强度目标。
  3.对托盘面板与托盘腿之间的结合方式,我们决定采用胶黏剂而非钉子。这样既可以达到安全环保、牢固耐用、不损害商品的目的,同时也可实现包装及托盘表面无锈痕的美观效果。
  在确定研发思路的过程中,我们已经认识到,如何设计托盘腿的结构,并合理解决托盘面板和托盘腿之间的连接关系,从而最大程度地防止“掉腿”问题的出现,是这一项目的研发重点所在。

  研发重点
  为解决托盘腿的研制难题,我们仔细研究了蜂窝纸板托盘,发现其托盘腿和托盘面板之间的粘合为线连接,且粘合得不够紧密。由于人工搬运时不太注意轻拿轻放,叉车搬运作业中也难免会碰着异物(如地面等),稍微一受力,托盘腿就掉下来了。托盘腿的粘合问题应该如何解决?最初,我们将瓦楞纸板裁成几十片面积为200mm×110mm的小片,并用聚醋酸乙烯(白乳胶)胶黏剂将其粘成200mm×200mm×110mm的单体托盘腿,再将其立面与面板粘合,如图1所示。但在试验过程中问题出现了,虽然单体托盘腿可抗压600公斤,但极易发生“掉腿”现象,其原因依然在于托盘腿的立面与面板是线的粘合,而且单张纸的厚度仅为0.16~0.20mm,虽然胶黏剂的用量很大,但实际粘合面积很小,粘合力是不够的。

                                                                                                                                                                                       用纸定量:里、面纸160g/m2,AB芯纸120g/m2²
                                                                                                                                                                                       托盘规格:1090mm×1090mm×150mm

                                                                                                                                                                                       用纸重量:5.67公斤/只
                                                                                                                                                                                       抗压强度:5吨
                                                                                                                                                                                       使用日期:一个月

  再次试验,我们放弃了原方案,将瓦楞纸设计为折叠式的小盒,由线粘合改为面粘合,解决了“掉腿”问题。但由于此时的托盘腿不是百分之百实心的立式支撑,故达不到预定承重2吨的目标,亦告失败。
  在接下来的试验中,我们反复研究、论证和试验,研制了一种呈三角形交叉的支撑片,命名为“剪刀叉支撑”,如图2所示。
  “剪刀叉支撑”看似简单,其实蕴含着较深的物理学原理。它充分综合了之前两个试验方案的优点:既利用了瓦楞纸半圆柱体立式支撑的物理优势,又实现了托盘面板和托盘腿之间面的结合,较好地解决了线粘合不牢固的问题。而且“剪刀叉支撑”用较少的材料获得了最大的强度值,由于体积较小,制作托盘腿时不必使用成材原料,只使用生产过程中剩下的边角余料即可,降低了生产成本。
  在设计时,我们进行了大量的动画运动分析和计算,并在电脑中进行了模拟验证,将复杂的物理学原理简单地整合在一起,有效保障了设计的准确性和可靠性,成品如图3所示。设计完成后,我们在实验条件下进行了测试,测试结果显示:单个托盘腿的抗压强度为560公斤,9个托盘腿的抗压强度合计为5040公斤,超过了既定目标,保险系数为2.52,同时也很好地解决了“掉腿”问题。
  之后,我们又进行了实用实验:将重达2吨的重物压在托盘上,静压40个小时后,托盘没有丝毫变形。为了充分论证这一设计的可行性,我们又与富士通天联合进行了一次更接近实用的动态试验:将重量达2吨的沙子装在托盘上,用轮船运输,从天津塘沽港出发,运至美国洛杉矶,卸货重装后运至墨西哥,再经过一次卸货重装后运至日本大阪,最后回到天津。航行近4万海里,历时40余天。最终托盘完好无损,受到了客户的高度认可和赞誉。
  至此,我们终于可以欣慰地宣布,一款强度高且牢固耐用的新型纸质托盘研发成功了!

  实用价值
  完成试制后,我们将这一新产品在客户间进行推广,目前已生产20多万只,效果良好,从未受到质量投诉。最近又有日本、瑞典等新客户进行了预订。
  从经济效益指标来看,按目前年产12万只的产能计算,一只纸质托盘重5.67公斤,176只托盘共用纸1吨,其中80%是再生纸,20%是原生木浆。每年减少12万只木质托盘的使用量,相当于节约木材2046立方米,除去80%再生纸浆的用量,也可节约原生木材409立方米。
  这一产品同时减少了不可回收、不可降解塑料的使用量。一只塑料托盘约重5公斤,12万只约600吨,即每年可少用塑料600吨,这对环境保护的贡献也是不可低估的。
  从废弃物的再生价值来看,12万只纸质托盘达到使用周期报废后,将可回收重新造纸,680吨废纸可生产再生纸525吨。减少原生木浆的生产,就是为减排做了贡献。
  此外,有了适用的托盘,自然会对商品出口起到了促进的作用,目前使用该托盘的客户不断增加,其带来的效益也在大幅提高。而且上述效益只是目前我们一家企业一年的贡献,无论如何都是有限的,如果能以此倡导同行业和相关行业的企业重视科技、重视环保,都能使用本技术或研发其他具有科技含量、倡导环保理念的新技术,那对地球的贡献将是无法估量的。
  (本文作者为旭阳企业集团副总经理)


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