湯志平

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

紙護(hù)角是多層高強(qiáng)牛皮紙用黏合劑黏合壓制而成,具有耐壓強(qiáng)度大、抗載力大、堅(jiān)韌性好、不易破裂、強(qiáng)度和剛度高等特點(diǎn),用于保護(hù)產(chǎn)品邊角、增加立體抗壓、避免運(yùn)輸撞擊等。然而我們對于紙護(hù)角的抗壓性能研究還不夠,目前使用時(shí)大多憑借經(jīng)驗(yàn)來選擇紙護(hù)角,這樣在使用中會(huì)帶來較大的盲目性,選用的紙護(hù)角性能過大,將直接增加包裝成本；選用的紙護(hù)角抗壓性能不足,起不到保護(hù)產(chǎn)品的作用?？紤]到目前紙護(hù)角絕大部分使用在通底型包裝箱設(shè)計(jì)中，且主要是在堆碼過程中起到支撐作用，其壓縮變形量在11mm左右時(shí)紙護(hù)角已經(jīng)失效。因此，本次我們主要對紙護(hù)角高度、厚度、寬度與抗壓強(qiáng)度在其一定變形范圍內(nèi)的相關(guān)性進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)方案及過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)原理：從紙護(hù)角的任意部位截取300、450、600mm長度的試樣五根，樣品的端面光滑平整、無磨損，且與側(cè)面垂直，將試樣垂直放置于壓縮試驗(yàn)機(jī)兩平板的中央，活動(dòng)板以10mm／min±2 mm／min的速率壓縮試樣直至壓潰，記錄壓潰時(shí)的抗壓最大值，取五根樣品的平均值。目前常用紙護(hù)角尺寸規(guī)格為：寬度×厚度×長度，單位mm：50×50×5×250、50×50×5×615、5 0×5 0×6×5 8 1、5 0×5 0×7×6 3 5、5 0×5 0×7×5 0 5、5 0×5 0×7×5 1 0、5 0×5 0×7×5 0 0、7 0×7 0×7×5 0 5、70×70×7×510。因此，我們選取以下規(guī)格進(jìn)行試驗(yàn)，50×50×5×300、50×50×5×450、5 0×5 0×5×6 0 0、5 0×5 0×4×3 0 0、5 0×5 0×4×4 5 0、5 0×5 0×4×6 0 0、5 0×5 0×7×3 0 0、5 0×5 0×7×4 5 0、5 0×5 0×7×6 0 0、7 0×7 0×7×3 0 0、70×70×7×450、70×70×7×600。

圖1

圖2

圖3

通過抗壓試驗(yàn)測試，我們發(fā)現(xiàn)紙護(hù)角在抗壓過程中，基本力學(xué)（載荷—位移）表現(xiàn)形式為兩個(gè)性能階段：第一階段，線彈性變形階段，主要在剛發(fā)生壓縮的小范圍位移內(nèi)；第二階段，屈服階段即外載荷變化不大，而紙護(hù)角位移變形量卻在逐漸增加。

1.2 紙護(hù)角高度與抗壓強(qiáng)及相關(guān)性分析

以下為紙護(hù)角規(guī)格為5 0×5 0×4、50×50×5、50×50×7,高度與抗壓強(qiáng)及相關(guān)性分析過程。

圖4

圖1、圖2、圖3、圖4分別為紙護(hù)角規(guī)格為50×50×4、50×50×5、50×50×7、70×70×7,高度分別為300、450、600mm，載荷（單位kN）與壓縮位移（單位mm）之間的曲線圖。

圖1對比分析結(jié)果：A.對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50×4，壓縮變形量在0～10mm范圍內(nèi)時(shí)，壓縮載荷與紙護(hù)角變形量呈線性關(guān)系；B.紙護(hù)角高度（長度）對性能影響：當(dāng)紙護(hù)角高度為300、450時(shí)，兩者的抗壓性能相當(dāng)，高度基本無影響，但在高度上升到600時(shí)，紙護(hù)角的抗壓性能下降比較明顯，其斜率下降明顯，在壓縮變形量為1mm左右開始，高度為600mm的紙護(hù)角抗壓性能開始明顯變化。

圖2對比分析結(jié)果：A.對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50×5，壓縮變形量在0～10mm范圍內(nèi)時(shí)，壓縮載荷與紙護(hù)角變形量呈線性關(guān)系或近似線性關(guān)系；B.對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50×5，紙護(hù)角高度不同導(dǎo)致的抗壓性能差異較大。圖3對比分析結(jié)果：A.對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50×7，壓縮變形量在0～11mm范圍內(nèi)時(shí)，壓縮載荷與紙護(hù)角變形量呈線性關(guān)系或近似線性關(guān)系；B.對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50×7，在高度為300、450mm時(shí)，抗壓性能相近。

圖6

圖4 對比分析結(jié)果：對于紙護(hù)角規(guī)格為70×70×7，壓縮變形量在0～2mm范圍內(nèi)時(shí)三種紙護(hù)角基本無變化，隨著受壓時(shí)間增加，高度為600mm的紙護(hù)角受高度影響出現(xiàn)屈服波動(dòng)狀態(tài)比較大。

1.3 紙護(hù)角厚度與抗壓強(qiáng)及相關(guān)性分析

以下為紙護(hù)角規(guī)格為50×50，高度分別為3 0 0 m m、4 5 0 m m、6 0 0 m m，厚度分別為4 m m、5m m、7m m時(shí)，厚度與抗壓強(qiáng)及相關(guān)性分析過程。

圖5、圖6、圖7分別為紙護(hù)角規(guī)格為50×50,高度分別為300mm、450mm、600mm，厚度分別為4m m、5m m、7m m時(shí)壓縮變形量在0～11m m范圍內(nèi)，載荷（單位kN）與壓縮位移（單位mm）之間的曲線圖。

圖5對比分析結(jié)果：對于紙護(hù)角規(guī)格寬度為50×50，高度為300時(shí)，壓縮變形量在0～10mm范圍內(nèi)時(shí)，在相同載荷作用條件下，總體來說，厚度為7mm時(shí)具有較強(qiáng)的抗壓性能；5mm次之、4mm最差；可見，在0～300mm范圍內(nèi)紙護(hù)角厚度越厚其抗壓性能會(huì)越強(qiáng)些。

圖6對比分析結(jié)果：對于紙護(hù)角規(guī)格寬度為50×50，高度為450時(shí)，壓縮變形量在0～7mm范圍內(nèi)時(shí)，在相同載荷作用條件下，厚度為4.7mm時(shí)具有相近的抗壓性能，但在壓縮變形量超過7mm后，厚度為7mm的紙護(hù)角抗壓性能較好。

圖7對比分析結(jié)果：對于紙護(hù)角規(guī)格寬度為50×50，高度為600時(shí)，壓縮變形量在0～9mm范圍內(nèi)時(shí)，紙護(hù)角表現(xiàn)為線性特性；在相同載荷作用條件下，且壓縮變形量在0～2.5mm小范圍內(nèi)時(shí)，三種厚度的紙護(hù)角性能相當(dāng)，但在壓縮變形量超過7mm后，厚度為7mm的紙護(hù)角抗壓性能較好,5mm厚次之。

1.4 紙護(hù)角寬度與抗壓強(qiáng)及相關(guān)性分析

由于目前使用最多的是50×50、70×70寬度的紙護(hù)角，而當(dāng)規(guī)格為70×70寬度的紙護(hù)角一般使用厚度為7mm，因此，我們本次對該厚度為7mm、高度分別為300、450、600條件下的性能變化情況進(jìn)行分析。

圖8對比分析結(jié)果：從上述圖片可以看出除50×50×7-600規(guī)格的紙護(hù)角外，50×50、70×70寬度，厚度均為7mm的紙護(hù)角在壓縮變形量0～15mm內(nèi)抗壓性能相當(dāng)。可見，在紙護(hù)角高度為600mm時(shí)，寬度值對紙護(hù)角強(qiáng)度的影響并不大，在同等條件下為節(jié)省成本建議優(yōu)先50×50mm規(guī)格的紙護(hù)角。

2 分析結(jié)論

2.1 實(shí)驗(yàn)測試意義與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比分析

實(shí)測值意義：檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求將試樣垂直放置于壓縮試驗(yàn)機(jī)兩平板的中央，記錄壓潰時(shí)的抗壓最大值，再取其平均值，通過實(shí)地測試我們發(fā)現(xiàn)紙護(hù)角在抗壓實(shí)驗(yàn)過程中壓潰階段會(huì)出現(xiàn)載荷上升的情況，如文中曲線圖，但壓潰階段時(shí)紙護(hù)角的抗壓性能對包裝設(shè)計(jì)來說已基本失效了，因此，分析和研究紙護(hù)角在0～11mm壓縮變形內(nèi)的彈性階段更有實(shí)際意義和價(jià)值。

誤差分析：理想的實(shí)驗(yàn)樣品要求端面光滑平整、無磨損，且與側(cè)面垂直，而實(shí)際上來料時(shí)紙護(hù)角的兩端面無法達(dá)到平整。

圖7

2.2 紙護(hù)角寬度對抗壓強(qiáng)度的影響

通過1.4我們可以得知，對于50×50、70×70寬度的紙護(hù)角其寬度值并不是最關(guān)鍵的影響因素。

2.3 紙護(hù)角高度對抗壓強(qiáng)度的影響

對于紙護(hù)角規(guī)格為50×50，厚度分別為4 m m、5m m、7m m的紙護(hù)角，隨著高度不斷增加，存在以下變化規(guī)律：A.不論厚度是4mm，還是5mm、7mm，隨著紙護(hù)角高度不斷增加，同一種規(guī)格的紙護(hù)角其抗壓強(qiáng)度基本層下降趨勢，特別是紙護(hù)角高度達(dá)到600mm后，下降趨勢較明顯；B.隨著紙護(hù)角高度不斷增加，對于厚度是7mm的紙護(hù)角50×50，其抗壓強(qiáng)度變化值小于厚度是4、5mm的紙護(hù)角50×50。

2.4 紙護(hù)角厚度對抗壓強(qiáng)度的影響

對于紙護(hù)角規(guī)格為5 0×5 0，厚度分別為4 m m、5 m m、7 m m 的紙護(hù)角，隨著厚度不斷增加，存在以下規(guī)律：A.在0～30 0 m m高度范圍內(nèi)，優(yōu)先厚度為5 m m的紙護(hù)角；B.在300～450m m范圍內(nèi)，厚度為5m m、4m m的紙護(hù)角抗壓強(qiáng)度相當(dāng)；C.在450～600mm范圍內(nèi)，厚度為7mm的紙護(hù)角抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)較明顯；在0～3mm位移變形范圍內(nèi)厚度為4、5mm的紙護(hù)角抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。

2.5 小結(jié)

綜上對比分析，我們可知在紙護(hù)角設(shè)計(jì)高度一定的條件下，通過厚度、寬度的不同組合可達(dá)到抗壓性能穩(wěn)定且又能適當(dāng)降低成本的紙護(hù)角。

2.6 實(shí)際壓縮試驗(yàn)測試情況

從實(shí)際壓縮試驗(yàn)測試情況來看，紙護(hù)角首先在兩端處發(fā)生壓縮失效再擴(kuò)展至其他區(qū)域?？梢?，我們可以改變思路即對紙護(hù)角的兩端處提高其剛度值，這樣整體抗壓強(qiáng)度會(huì)有提升。

圖8

3 總結(jié)沉淀

為了平衡紙護(hù)角設(shè)計(jì)成本與設(shè)計(jì)強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)合本次實(shí)地抗壓測試，針對家電包裝產(chǎn)品在倉儲(chǔ)堆碼過程中承載一定時(shí)，我們應(yīng)從以下順序進(jìn)行考慮，第一步：計(jì)算包裝產(chǎn)品在堆碼過程中的總載荷,再轉(zhuǎn)化為單根紙護(hù)角的承載；第二步：明確堆碼過程中最底層包裝產(chǎn)品的壓縮變形設(shè)計(jì)預(yù)留量；第三步：根據(jù)第二步中壓縮變形設(shè)計(jì)預(yù)留量或者第一步中計(jì)算的單根紙護(hù)角承載載荷大小，結(jié)合測試曲線圖，找出最適合的紙護(hù)角規(guī)格，先核對紙護(hù)角厚度（厚度對強(qiáng)度影響最大，寬度一般先選用50×50mm作為基準(zhǔn)），再核對紙護(hù)角長度。

本次我們主要研究紙護(hù)角在彈性變形階段、變形量約在0～11mm范圍內(nèi)的性能特性，主要涉及紙護(hù)角高度、厚度、寬度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析，希望能夠?qū)堊o(hù)角合理選用提供一種有效的設(shè)計(jì)思路和參考。