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木箱包装底座设计
时间:2018-03-16 09:32:21 点击:

 底座是指木箱包装的底面,起安装侧面、端面及支承内装物的作用。在标准中规定了几种结构形式的底座,用户可根据内装物的情况灵活选用。


底座的各构件中,滑木是木箱包装最重要的构件之一,它应该怎样设计?这是在设计底座时首先遇到的问题。

 

1. 滑木的设计方法


在我国JB/Z 114-1982标准中,对滑木的设计是参照前苏联上个世纪50年代的标准中的滑木列线图的设计方法,该设计方法是将滑木简化为单纯简支梁的力学模式得出的,因此滑木用材非常多。前苏联在1978年修订标准时已经将列线图的设计方法取消并做了较大的改进,而我国却一直沿用这一方法。


但是,滑木的设计还有另外一种方法,这种方法以日本和美军的设计方法为代表,他们设计出的滑木用材比前苏联的少得多。若以MB1520磨床为例,分别按我国部标、日本、美军和前苏联标准设计木箱包装,在底座的用材上,我国与前苏联的几乎相同,而日本的最少,特别是滑木的用材仅为我国的35.3%


为什么同是滑木,其用材却有这么大的差别呢?这主要是基于两种不同的考虑方法:


一是把它视作弯曲构件,即在用绳索起吊木箱时,滑木是以起吊点为支承点的梁,而内装物的载荷完全由它来承担;


二是把它视作拉伸构件,即在用绳索起吊木箱时,把滑木看作是侧面桁架的下弦材,因此内装物的载荷由滑木和侧面来共同承担。我国部标和前苏联标准属前一类型,而美军标和日本标准属后一类型。


至于哪种考虑方法对,我们认为第二种方法对。因为第一种考虑方法把滑木孤立起来对待,没有考虑整个木箱的整体性。

 

2. 作为拉伸构件的滑木


我国按JB/Z 114-1982标准设计的底座,在稳上内装物之后,无须装上侧面和端面即可起吊。而日本的底座在稳上内装物后,在没有装好侧面和端面时是不允许起吊的。否则,因为滑木的截面尺寸太小而有可能会断裂。然而,日本木包装箱在储运过程中之所以不会损坏,主要是因为承受内装物载荷的不单单是底座,而是由底座和侧面、端面甚至是顶盖所组成的整体来承受的。


也就是说,侧面和端面不仅仅是包住内装物和承受堆码时的堆码载荷,它还需要承受内装物的一部分载荷。即内装物的一部分载荷分给侧面和端面去承担了,因而滑木的截面尺寸就可以变得很小,底座就可以做得很单薄了,这就很合理了。而过去我们的包装箱用不着侧面和端面,只靠底座就可以起吊,那么侧面和端面只起一个罩的作用(当然,还承受堆码载荷),这不就是一个很大的浪费吗?


根据美国林产试验所发表的框架木箱设计便览,将滑木看作桁架下弦材的一部分。他们认为用木材做的桥梁桁架,其骨架是用螺栓及连接用的金属配件组装起来的;而框架木箱的侧面,其骨架是用许多钉子把它钉在侧板上组装起来的。因此,把这两种骨架看作几乎有相同的效果也无妨。

于是,在骨架的每个构件上分别有压缩或拉伸的内力在起作用,作为整体而发挥桁架的强度。所以,作为下弦材的滑木,其截面尺寸是可以比较小的。

 

下面,对对这个侧面的框架结构进行分析


 

 

 

构件

内力的性质

内力,kN

FG

GE

GH

HI

ID

压缩

拉伸

拉伸

压缩

拉伸

21

15

15

7

21

设斜撑的角度为45°,根据该图所示的结构,以作图法求出骨架各构件内力的性质和大小。在图5a)侧面框架的下面是桁架图,其尺寸与侧面各构件的中心线相同,假定用绳索将木箱吊起的起吊点就在其两端。为简化问题起见,将这超静定桁架简化为静定桁架。用实线表示的是施以载荷时的受力构件,而虚线则表示不受力的构件。


在这里假设木箱的总重为60kN,那么一个侧面就承受30kN。设想这30kN在侧面的4个区间是均匀分布的。另外,为了便于分析问题,假定在中间的个立柱上分别有10kN向下的力在作用。这样一来,在两端就会分别产生向上的、起支持作用的反力15kN


在图5b)内力图中,以适当的长度在垂直方向上画出eb表示30kNefab15kNeddccb10kN。然后,用与桁架图FGGE夹角相同的角度在内力图上画fgge,如果斜撑的角度为45°,fg就是21kN(压缩),而ge15kN(拉伸)。


再用同样的方法画出GHgh)、HIhi)、IDid),根据实际测量就可以知道gh15kN(拉伸)、hi7kN(压缩)、id21kN(拉伸)。


框架图中滑木上最大拉伸力是在下弦的ID,为21kN,构件所需的截面积可由下式求出:

    A = P / ft

式中,A —构件的截面积,mm

             P最大拉力,N

              ft许用抗拉强度,MPa


如果现在按GB/T 7284-2016来设计,根据这个例子,查GB/T 7284-2016的表11和表12,下框木的尺寸为90mm×40mm。另外,本标准规定=14.0kPa,于是

                        

P = A × ft  = 90 × 40 × 14 = 50.4kN


即仅仅下框木还没算上滑木就可以经得住50.4 kN的拉伸力,所以对于ID21kN来说是不成问题的。


作为下弦材,即使认为最大拉伸力的25%有下框木分担,而75%由滑木分担,则本标准规定的滑木尺寸也是足够的。


如上所述本标准中规定的滑木尺寸远远大于所需的尺寸,这是考虑到实际储运过程中,滑木不可能只是单纯的拉伸构件,还可能会承受弯曲应力,同时考虑到在组装成箱时,滑木是一个基础构件,在它上面要安装枕木、侧面和端面,所以本标准规定本例的滑木尺寸为100mm×100mm


我国以往框架木箱中滑木的尺寸比本标准规定的要大得多,但有时还会出现问题,其原因除了材质因素之外,一个重要的原因是木箱加工制作比较粗糙,从而使框架不能充分发挥其桁架的作用。


另外,对于我国国内运输的一些木箱包装,有时会使用竹笆、柳笆、苇蓆或纤维板等。虽然在箱的侧面和端面也有框架,但这些框架由于其与竹笆、柳笆、苇蓆或纤维板等的连接效果与木板的情况不同,因而不能协同滑木承受内装物的载荷。这时的滑木就需要按弯曲构件来设计,对这类框架箱的底座可参照底盘的设计方法设计。


关于上面的理论分析,1985年在沈阳重型机械研究所进行的框架木箱电测试验中也得到了证实。虽然测得的数据与理论分析的数据不尽相符,但这是由于理论分析时总是把问题尽量简化,而实际上的受力状况要复杂得多。电测试验用的两个木箱是参照JIS-Z1403-1984设计的,滑木的截面尺寸都很小,但起吊时滑木的应力值一般都在许用强度以下,见附录2


制定GB/T 7284-1987时,考虑到我们对滑木的认识刚刚从弯曲构件转变为拉伸构件,而且我国国情确实与日本不同,所以为稳妥起见,当时对于不同内装物质量的滑木截面尺寸,规定得比日本标准的要大一档。经过近三十年的实践,在GB/T 7284-2016中我们规定的滑木截面尺寸已经和日本标准的一致了。

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