本发明涉及的是一种可应用于大型重载机电装备防护包装结构的可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘及制备方法，属于工程技术领域。
背景技术：
防护包装是大型机电装备生产、运输必不可少的重要环节。目前，我国大型机电装备防护包装每年消耗木材1100万立方米以上。为了在大型机电装备防护包装行业减少原木消耗，保护森林资源，工信部、国家发改委等七部委于2010年，联合发布了《机电产品包装节材代木工作方案》。2013年 5月11 日，国务院批复了工信部会同国家发改委、国资委、财政部等向国务院提交的《机电装备包装节材代木情况的报告》，报告针对我国在推行机电装备包装节材代木工作中存在的问题，提出了相关的政策和解决措施。在森林资源匮乏的我国，研究能取代木材的新型绿色高强生物质包装结构材料是大势所趋，符合社会可持续性发展的要求。
我国是世界上最主要的产竹国，素有“竹子王国”之誉。竹材生长期为3~5年，而木材则需要20～40年才能成材；竹材的环保性能更高，其固碳能力是普通树木的4倍，有效减少了温室效应；竹材的强度效率和刚度效率高，耗能量少。研究表明，就强度和成本而言，竹子被认为是自然界中效能最高的材料，其抗拉强度可达370MPa，相当于HRB400钢材抗拉强度设计值（360MPa），其弹性模量可达20000MPa，约为木材的2倍。竹材的短周期、高强、高产，使其在机电装备包装节材代木的应用课题上被提上议案。因此，大力推广以竹代木、甚至以竹胜木，是解决当前木材资源供需矛盾比较可靠的途径，这也将成为21世纪生物质材料发展的趋势。
近几年，我国竹产业发展迅速，先后开发出竹帘胶合板、竹层压板、重组竹、竹集成材、竹木复合板等多种工业竹产品。目前工业竹主要用在装修、装饰材料、生活用品等领域，很多学者都在积极探索如何将工业竹大量用在建筑结构领域。竹集成材是其中的一种工业竹产品，是由原竹经剖篾加工、低温干燥，涂胶、冷压、砂光平整、裁边、指接、拼压等多种工艺制成的一种力学性能优异的竹质复合材料，经过近30 年的研究与发展，其生产工艺已经标准化。目前生产的竹集成材纵向（顺纤维方向）抗拉强度和抗压强度分别可达100~120MPa 和50~60MPa，弹性模量可达10000~12000MPa。研究表明，竹集成材在节能环保、工业化生产、装配式施工等方面有着传统材料不可替代的优势。因此，竹集成材可以满足大型机电装备防护包装结构对材料的力学、环保、耐久性等方面的性能要求。在防护包装结构中使用高强竹集成材作为承重构件，可提高主梁的抗弯性能，整体提高包装箱底盘的承载力。
然而，长期以来，我国大型装备包装箱的运载防护功能并未受到业界的充分认识。传统包装箱设计理论不完善，设计手段落后，装卸、起吊、运输工况复杂简单化处理，造成包装箱设计不当而导致的过包装（包装强度与刚度过高）或欠包装（包装箱强度刚度不足）现象很普遍，造成了严重的资源浪费或重大经济损失。在此背景下，基于我国大型机电装备包装材料的综合性能要求，对高强环保的竹基包装结构材料展开研究，开发可供多种重型机电产品使用，且可替代木材与钢材的一种可重复使用的高强竹基复合材料梁式包装箱底盘，显著提高了包装箱结构的安全性与可靠性。
目前以钢材和原木为主要原料的大型机电装备防护包装结构，其缺点有以下几点：（1）钢材自重较大；（2）优质原木消耗大，森林资源紧张；（3）构件尺寸根据设计需要确定，不具有通用性，不利于标准化生产；（4）能耗高、污染大，成本相对较高。本发明能有效改善以上状况。
技术实现要素：
本发明提出的是一种可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘及制备方法，高强竹集成材梁式托盘可以提供足够的强度（即承载力）与刚度（即变形）、稳定性，满足大型机电装备防护包装的设计要求，并且具有自重小、绿色环保、可再生、可降解、低能耗、污染小、可标准化生产等特点。
本发明的技术解决方案：可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘，包括高强竹集成材主梁、高强竹集成材托架、A高强竹集成材外伸托架、B高强竹集成材外伸托架、单板层积材垫块、起吊件、卡带扣、高强螺栓、普通螺栓和自攻螺钉，其中高强竹集成材主梁与高强竹集成材托架、A高强竹集成材外伸托架、B高强竹集成材外伸托架之间通过高强螺栓连接，高强竹集成材主梁与单板层积材垫块间通过钻尾自攻螺钉连接，起吊件与高强竹集成材主梁通过普通螺栓锚固连接，卡带扣和高强竹集成材主梁、A高强竹集成材外伸托架、B高强竹集成材外伸托架通过自攻螺钉连接；工作时，中压阀的重力通过高强竹集成材托架及外伸托架传递给托盘最下面的两根主梁，且高强竹集成材主梁在跨中部位受到最大弯矩，梁上部受压，底面受拉；同时，高强竹集成材主梁与高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4通过高强螺栓连接成梁式框架结构，提高整个托盘的承载力与稳定性；托盘的单板层积材垫块上部支撑产品，下部保持整个托盘结构底面处于同一水平面；
可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备高强竹集成材主梁1；
（2）制备高强竹集成材托架2及A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4；
（3）制备单板层积材垫块5；
（4）制备起吊件6及卡带扣7；
（5）高强竹集成材主梁1与高强竹集成材托架2及A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接；
（6）A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4与单板层积材垫块5的连接；
（7）起吊件6与高强竹集成材主梁1的连接；
（8）卡带扣7与高强竹集成材主梁1、高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接。
本发明的优点：
1）采用高强竹集成材生物质复合材料制作中压阀梁式托盘，在保证包装防护结构承载力、变形能力及稳定性的基础上，充分利用了我国天然竹资源，能耗低、污染小，减轻了材料生产对环境的负荷；
2）高强竹集成材主梁、托架及外伸托架构型根据受力情况进行结构设计，梁式托盘的主要构件可根据机电产品的相关要求确定，因此，这种形式的梁式托盘既便于标准化生产，可满足装配式结构，也可满足机电产品包装多样性设计的需求；
3）托盘节点采用螺栓或自攻螺钉连接，工艺简单，连接可靠，便于拆卸回收，可重复使用，提高资源利用率，降低包装成本；
4）中压阀梁式托盘采用高强竹集成材作为承重构件，可提高主梁的抗弯性能，整体提高托盘的承载能力；
5）竹集成材相比钢材容重小，构件自身重量轻，有利于缓解运载过程中产生的振动，同时降低运输成本；
6）所述高强竹集成材的指顺纹抗拉强度不低于100MPa，顺纹抗压强度不低于50MPa，顺纹弹性模量不低于10000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%。
附图说明
附图1是可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘的结构示意图。
具体实施方式
如附图1所示，可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘，其结构包括高强竹集成材主梁1、高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4、单板层积材垫块5、起吊件6、卡带扣7、高强螺栓8、普通螺栓9和自攻螺钉10，其中高强竹集成材主梁与高强竹集成材托架、A高强竹集成材外伸托架、B高强竹集成材外伸托架之间通过高强螺栓连接，高强竹集成材主梁与单板层积材垫块间通过钻尾自攻螺钉连接，起吊件与高强竹集成材主梁通过普通螺栓锚固连接，卡带扣和高强竹集成材主梁、A高强竹集成材外伸托架、B高强竹集成材外伸托架通过自攻螺钉连接；工作时，中压阀的重力通过高强竹集成材托架及外伸托架传递给托盘最下面的两根主梁，且高强竹集成材主梁在跨中部位受到最大弯矩，梁上部受压，底面受拉；同时，高强竹集成材主梁与高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4通过高强螺栓连接成梁式框架结构，提高整个托盘的承载力与稳定性；托盘的单板层积材垫块上部支撑产品，下部保持整个托盘结构底面处于同一水平面。
可重复使用的高强竹集成材中压阀梁式托盘的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备高强竹集成材主梁1；
（2）制备高强竹集成材托架2及A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4；
（3）制备单板层积材垫块5；
（4）制备起吊件6及卡带扣7；
（5）高强竹集成材主梁1与高强竹集成材托架2及A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接；
（6）A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4与单板层积材垫块5的连接；
（7）起吊件6与高强竹集成材主梁1的连接；
（8）卡带扣7与高强竹集成材主梁1、高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接。
所述的步骤（1）制备高强竹集成材主梁1： 包括如下步骤：
1）选材，选取竹龄4年的原竹，截成长度为2500mm、宽度20mm的竹片，去除竹青和竹黄，经干燥至含水率不超过12%；
2）砂光，利用现有的砂光机对竹片进行双面砂光，加工成5mm厚的竹篾，要求竹篾表面平整、厚度一致；
3）涂胶，选用间苯二酚树脂对竹篾进行双面辊涂，涂胶量为180g/m2；
4）指接，采用榫卯连接方式，选择指接刀开指榫，各指接竹条的指榫位置相互错开；指榫间隙保持在指榫长度的3%~5%，同时保持指榫表面光滑、无刀痕、无缺损现象；
5）冷压，胶合压力为1.5MPa，在常温下进行固化，固化时间为4h；
6）二次砂光，对接长的侧压指接条侧面进行砂光，使表面保持平整；
7）拼压，将上述指接条侧面涂胶，涂胶量和胶类型与步骤3）一致，采用冷压，压力为1.5MPa，室温下胶合时间4h；
8）砂光平整，使制成的竹集成材达到工艺要求，高强竹集成材主梁1的宽度为150mm，高度为350mm，长度为3750mm；高强竹集成材托架2的宽度为120mm，高度为300mm，长度为1150mm，弧形凹槽半径为750mm；
高强竹集成材的顺纹抗拉强度不低于100MPa，顺纹抗压强度不低于50MPa，顺纹弹性模量不低于10000MPa，顺纹抗剪强度不低于12MPa，含水率不大于12%。
所述的步骤（2）制备高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4，采用高强竹集成材，其制作要求和步骤同步骤（1）制备高强竹集成材主梁1；A高强竹集成材外伸托架3的宽度为200mm，高度为280mm，长度为2650mm，弧形凹槽半径为850mm，B高强竹集成材外伸托架4的宽度为150mm，高度为150mm，长度为2800mm。
所述的步骤（3）制备单板层积材垫块5：托盘的单板层积材垫块上部支撑机电产品，下部保持整个托盘结构底面处于同一水平面，单板层积材垫块上部垫块，长度×宽度×高度为500mm×150mm×500mm，单板层积材垫块下部垫块，长度×宽度×高度为500mm×150mm×360mm。
所述的步骤（4）制备起吊件6及卡带扣7：起吊件由U型钢板和单头螺栓组成，起吊件的U型钢板厚度为10mm，宽度为180mm，槽宽为150mm，单头螺栓直径为60mm，长度为200mm；卡带扣为定型构件，主要作为钢丝绳卡口用。
所述的步骤（5）高强竹集成材主梁1与高强竹集成材托架2及A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接：通过高强螺栓装配在一起，高强螺栓直径16mm，长度650mm，高度550mm。
所述的步骤（6）A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4与单板层积材垫块5的连接：通过自攻螺钉连接在一起，自攻螺钉直径统一取为10mm，自攻螺钉的长度为550mm和850mm，间距为200mm，端距为100mm。
所述的步骤（7）起吊件6与高强竹集成材主梁1的连接：通过螺栓相接，螺栓直径12mm，长度为200mm，顺纹间距和端距为60mm，横纹间距和端距为120mm。
所述的步骤（8）卡带扣7与高强竹集成材主梁1、高强竹集成材托架2、A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4的连接：通过自攻螺钉确定，因卡带扣为非受力构件，自攻螺钉直径取8mm，自攻螺钉长度为100mm。
上述所使用的螺栓及自攻螺钉，均带螺纹，以增强连接紧密性。参考相关规范，螺栓或螺钉直径d不低于8mm，间距不小于5d，也不大于150mm，螺钉宜细而密，不宜粗而疏，参考规范GB 50005-2003。
设计制备的竹集成材纵向（顺纤维方向）抗拉强度和抗压强度分别可达120 MPa和50 MPa，弹性模量可达12000 MPa，它的结构致密均匀，其力学性能和阻燃性均优于一般木材，环保指标已达欧洲E1级标准。因此，竹集成材可以满足大型机电装备防护包装结构对材料的力学、环保及耐久性等方面的性能要求。高强竹集成材中压阀梁式托盘，因其高强竹集成材主梁截面抗弯刚度大，承载力高，高强竹集成材托架及外伸托架与主梁之间通过高强螺栓连接成梁式框架，形成具有足够承载力、变形能力及稳定性的高强竹集成材梁式托盘。本发明的可重复使用高强竹集成材梁式托盘适用于大型机电装备防护包装结构的底盘，便于机电产品的起吊与运输，提高了包装箱结构的安全性与可靠性。
托盘取材方便，低碳环保，能耗低，连接成熟可靠，质量易控制，便于运输，适用于装配式结构，大大降低了包装箱底盘的制作成本。高强竹集成材主梁、高强竹集成材托架及外伸托架的厚度与宽度通过受力情况进行计算，其主要构件的长度及托架、外伸托架的弧形开槽根据机电产品设计确定；单板层积材垫块的尺寸根据机电产品大小确定；起吊件根据机电产品的起吊设计确定；卡带扣采用定型尺寸；高强螺栓、普通螺栓根据受力计算确定，自攻螺钉则根据构造要求确定。因而，这种梁式托盘可根据机电产品型号设计，从而进行标准化生产，可满足装配式结构，也可满足机电产品防护包装多样性设计的需求。
实施时，即包装箱起吊时，中压阀的重力通过高强竹集成材托架2和A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4传递给托盘最下面的两根主梁，因竹集成材主梁截面抗弯刚度大，其承载力相应也高；受到荷载作用时，因中压阀重心位置在托盘中心，则高强竹集成材主梁在跨中部位受到最大弯矩，梁上部受压，底面受拉；同时，高强竹集成材主梁1与高强竹集成材托架2和A高强竹集成材外伸托架3、B高强竹集成材外伸托架4通过高强螺栓连接成梁式框架结构，提高整个托盘的承载力与稳定性；单板层积材垫块5上部支撑产品，单板层积材垫块5下部保持整个托盘结构底面处于同一水平面；起吊件6用单头螺栓插孔，起吊包装箱时直接将绳索从单头螺栓下部穿入，操作简单。