任春華　張佩佩

摘要：為研究石膏金蛋的動靜態(tài)力學(xué)性能，優(yōu)化運輸包裝結(jié)構(gòu)，減少石膏金蛋在運輸過程中破損的風(fēng)險，通過壓縮實驗和跌落實驗分析石膏金蛋的力學(xué)性能，選擇合適的材料作為緩沖包裝。以瓦楞紙箱作為外包裝，設(shè)計紙箱尺寸，計算抗壓強(qiáng)度。通過對瓦楞紙箱堆碼強(qiáng)度進(jìn)行校核計算，可知紙箱抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于堆碼載荷，設(shè)計安全。由此可以得出結(jié)論：跌落高度和緩沖材料的厚度均對石膏金蛋的破損有明顯的影響。采用瓦楞紙板隔條結(jié)構(gòu)和聚乙烯泡沫材料（expandable polyethylene， EPE）作為內(nèi)部包裝、AB型瓦楞紙板作外包裝的石膏金蛋整體運輸包裝設(shè)計具有可行性。研究結(jié)果對石膏金蛋包裝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化出廠以及產(chǎn)品裝卸、運輸、倉儲的機(jī)械化、自動化有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：石膏金蛋;力學(xué)性能;包裝設(shè)計中國分類號：TB482.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1400 （2019） 04 -0040-07引言

中國石膏資源儲量豐富，天然石膏的開采量巨大，對于石膏的利用逐漸引起國家的重視”。石膏金蛋廣泛應(yīng)用于商業(yè)促銷、公司年會等多種場合。“砸金蛋”是在慶典活動和節(jié)日中廣受歡迎的項目，金蛋抽獎活動可以烘托氛圍，提高人們的參與度。但石膏金蛋是典型的易碎品，流通過程中的振動、沖擊、碰撞等外界變化會導(dǎo)致商品的破損，使其失去商業(yè)價值，因此為其設(shè)計緩沖包裝非常有必要。業(yè)內(nèi)一些學(xué)者對產(chǎn)品的緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究，促進(jìn)了緩沖包裝設(shè)計理論及知識體系的完善。一些學(xué)者采用實驗手段分析緩沖包裝結(jié)構(gòu)。其中，方海峰等對陶瓷工藝品緩沖包裝的力學(xué)特性與包裝設(shè)計進(jìn)行了研究。李碧程等對盤式易碎品通用包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和改進(jìn)。鞏雪等、王章蘋等、吳萍等對高腳杯、紅酒等玻璃制品設(shè)計了緩沖包裝。姜魯萌等對雞蛋進(jìn)行創(chuàng)新包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，所設(shè)計結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的緩沖性和促銷性。整體而言，學(xué)者針對易碎品包裝研究較少，對于遠(yuǎn)途運輸?shù)陌b緩沖設(shè)計比較局限，許多制造行業(yè)沒有完善的包裝設(shè)計體系，運輸包裝設(shè)計缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”。因此，在控制石膏金蛋包裝成本和運輸成本的前提下，產(chǎn)品的保護(hù)性要求需要提高。選擇合適的包裝材料，為石膏金蛋設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、成本較低的包裝結(jié)構(gòu)，對石膏金蛋的運輸流通有重要意義。

本文以高度為20cm的石膏金蛋為研究對象，對其動靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了實驗研究。根據(jù)金蛋自身特點，對其包裝緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，提出了可用作運輸包裝的設(shè)計方案，該方案有利于石膏金蛋包裝流程的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1石膏金蛋動靜態(tài)力學(xué)性能測試與分析

1.1靜態(tài)壓縮實驗

1.1.1試樣及實驗

取完整無損、表面光滑的石膏金蛋作為樣品進(jìn)行壓縮測試，石膏金蛋采購自北京，高度約為20cm，豎直放置時最寬處直徑約為14cm。實驗設(shè)備為島津AUTOGRAPH-IC電子萬能試驗機(jī)。將石膏金蛋樣品正置于壓縮臺上，以不同的速率（6、12、18、24mm/min）壓縮石膏金蛋樣品，模擬樣品在裝箱和堆碼中的受力情況。

1.1.2實驗結(jié)果分析

試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，不同壓縮速度下的最大載荷如圖l所示。結(jié)果顯示，壓縮速度為6mm/min的第一組樣品所能承受的載荷遠(yuǎn)小于其他組。其他3組石膏金蛋所能承受的最大載荷沒有明顯規(guī)律，壓縮后所承受的最大載荷值差距較大。這是由于樣品本身用于節(jié)日慶典、公司促銷等活動中，對材料的厚度沒有均勻性要求，每個金蛋厚度不均勻，承受載荷能力分散性較大。通過對壓潰之后每個金蛋頂部碎片的厚度測量，可以看出每個金蛋頂部厚度有一定差別。第一組之所以承載能力低，其主要原因在于本組樣品的壁厚遠(yuǎn)小于其他組的樣品。頂部厚度較厚的其他組金蛋，能承受較大的最大載荷。

1.2跌落實驗

1.2.1實驗

實驗所采用的設(shè)備為蘇州新區(qū)東陵振動試驗儀器有限公司生產(chǎn)的PD315A型跌落試驗機(jī)。本機(jī)最大載荷為lOOkg，下降高度為0.3-1.5m。試驗中選用密度為0.03g/cm3不同厚度（1.3、25、5、7.5mm）的聚乙烯發(fā)泡塑料（expandable polyethylene，EPE）作為內(nèi)襯緩沖襯墊。EPE置于沖擊臺上，將金蛋試驗樣品提升至預(yù)先設(shè)置的高度，模擬初速度為o的自由落體跌落，使其按預(yù)定狀態(tài)落到緩沖襯墊上，記錄石膏金蛋從不同高度（ 30、40、50、55、60、65、70、75、80cm）跌落的損傷情況。通過記錄樣品落在不同厚度緩沖材料上的破損情況，可以為緩沖材料厚度的選定提供參考。為排除實驗結(jié)果的偶然性，每層高度跌落3個金蛋，記錄統(tǒng)計不同跌落高度時金蛋的損壞個數(shù)和完整個數(shù)。

1.2.2實驗結(jié)果分析

金蛋跌落在厚度為1.3mm和2.5mm的緩沖材料上，在高度預(yù)設(shè)為30cm時，全部破損，可知厚度太薄時沒有對金蛋起到充分的緩沖保護(hù)性能。緩沖材料厚度為5mm和7.5mm時，金蛋的損壞情況統(tǒng)計如圖2所示。可以看出，對于固定厚度的緩沖材料，隨著跌落高度的減少，石膏金蛋的破損數(shù)在減少。在同一跌落高度下，隨著緩沖材料厚度的增加，金蛋損壞的個數(shù)在減少，對金蛋的保護(hù)性能越好。這是由于在跌落高度比較低時，沖擊能比較小，緩沖材料可以在一定程度上保護(hù)金蛋。緩沖材料對產(chǎn)品的保護(hù)性能有限，

通過對石膏金蛋的跌落試驗，可知金蛋是易碎品，屬于脆性材料，對石膏金蛋進(jìn)行緩沖設(shè)計很有必要。以石膏金蛋跌落在不同厚度緩沖材料的測試為依據(jù)，選擇厚度為7.5mm的EPE緩沖材料作為緩沖襯墊。

2石膏金蛋包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計

石膏金蛋在流通過程中，主要通過汽車物流運輸。在長途運輸中，如果缺少用于吸收部分沖擊能量的緩沖包裝，直接作用于產(chǎn)品上的力將會增加，產(chǎn)品將承受較大的沖擊能量。因此，通過設(shè)計選擇適當(dāng)?shù)木彌_方式，可實現(xiàn)對內(nèi)裝物的保護(hù)。

2.1.1內(nèi)部隔條的設(shè)計

根據(jù)金蛋易碎、耐沖擊力差的特點，需要選擇合適的瓦楞紙板作為隔條分隔產(chǎn)品，防止產(chǎn)品在運輸過程中的碰撞，避免產(chǎn)品破損。對于一箱多件產(chǎn)品，本設(shè)計中一個紙箱內(nèi)裝24個石膏金蛋，分上下兩層，每層以3行4列形式排列。為能將產(chǎn)品輕松放入隔條空間中，且保證產(chǎn)品在運輸過程中在隔條內(nèi)的晃動不明顯，需要對隔條的尺寸進(jìn)行合理設(shè)置。隔條內(nèi)部與內(nèi)裝物之間的預(yù)留空隙為lOmm。在隔條的插板上開槽為一個紙板的厚度8mm，便于將兩個相互垂直的隔條卡住。據(jù)所測產(chǎn)品尺寸，外包裝的內(nèi)尺寸長初定為600mm，寬初定為450mm。經(jīng)計算可得：隔條在長度方向總長590mm，高度為204mm;在寬度方向總長440mm，高度為204mm。

2.1.2緩沖襯墊的設(shè)計

緩沖材料作為一種能有效溝通產(chǎn)品和包裝的介質(zhì)，在吸收沖擊能量的過程中能減少振動對產(chǎn)品的沖擊。目前石膏金蛋多采用瓦楞紙板作為緩沖材料，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在長途運輸中產(chǎn)品破損率較高。發(fā)泡塑料作為常用的緩沖材料，相對瓦楞紙板、紙漿模塑材料來說，具有質(zhì)量輕、易吸收變形能量、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，尤其適合類似于石膏金蛋這類易碎品的包裝設(shè)計。EPE又稱珍珠棉，經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無數(shù)獨立氣泡而成，有隔水防震、可塑性能佳、循環(huán)再造、環(huán)保等諸多優(yōu)點，是傳統(tǒng)緩沖包裝材料的理想替代品。本設(shè)計采用EPE為緩沖材料。

在產(chǎn)品上層、中間層、底層分別放置EPE作為緩沖包裝結(jié)構(gòu)，用于夾緊固定產(chǎn)品，防止產(chǎn)品在包裝內(nèi)晃動。分析包裝箱的整體尺寸，緩沖材料的長、寬要和紙箱內(nèi)尺寸相匹配，所以三片緩沖材料的長度、寬度、厚度相同：長度為600mm，寬度為450mm。通過石膏金蛋的跌落試驗說明，采用厚度為7.5mm的緩沖材料可以滿足對內(nèi)部產(chǎn)品的保護(hù)要求，厚度選擇7.5mm。整體石膏金蛋放置的效果圖如圖3所示，裝箱分解模型如圖4所示。

2.2石膏金蛋外包裝設(shè)計

根據(jù)運輸包裝選用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱的標(biāo)準(zhǔn)，單個石膏金蛋平均質(zhì)量為280g，一箱金蛋的數(shù)量是24個，產(chǎn)品的質(zhì)量大約為7kg。且本次設(shè)計石膏金蛋的包裝用于國內(nèi)長途運輸，屬于內(nèi)銷產(chǎn)品，因此選擇雙瓦楞紙，紙板代號是D-2.3。此瓦楞紙板的耐破強(qiáng)度為1.1MPa，邊壓強(qiáng)度為4.5kN/m。外側(cè)選用瓦楞較密的紙板，可抵御較大外力，有良好的印刷性能。內(nèi)側(cè)選用瓦楞數(shù)較少的紙板，在受到?jīng)_擊載荷時有緩沖作用。綜上所述，選用A、B型相結(jié)合的雙瓦楞紙板。A型作為內(nèi)側(cè)，楞高為5mm，楞數(shù)為35個/300 mm;B型作為外側(cè)，楞高為3mm，楞數(shù)為50個/300 mm。

根據(jù)箱紙板技術(shù)指標(biāo)，由于所選用雙瓦楞紙板為一等品，其所對應(yīng)的紙的定量自取。內(nèi)外面紙定量取300g/㎡，耐破指數(shù)為2.55KPa.㎡/g，環(huán)壓指數(shù)為9N.m/g;中間墊紙定量取280g/㎡，耐破指數(shù)2.65KPa.㎡/g，環(huán)壓指數(shù)為8.5N.m/g。根據(jù)瓦楞芯紙技術(shù)指標(biāo)，兩層瓦楞的定量取160g/㎡，環(huán)壓指數(shù)為6.3N.m/g。

石膏金蛋紙箱設(shè)計選用經(jīng)典箱型。02型箱是由一整塊紙板經(jīng)過裁切、開槽、壓線制作而成，加工工藝成熟，適宜于自動化生產(chǎn)。選用0201型箱作為石膏金蛋的運輸包裝箱，黏合方式采用膠帶黏合。

瓦楞紙箱的內(nèi)尺寸為：

紙箱的制造尺寸是指在工廠制造紙箱時的下料尺寸。運輸包裝所選用雙瓦楞紙板為AB型瓦楞，根據(jù)GB/T65432008《運輸包裝用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱》，內(nèi)尺寸伸放量a=9mm、a=6mm、a=16mm、a=6mm。紙箱的接頭尺寸和所選瓦楞紙板的層數(shù)、生產(chǎn)工藝水平有關(guān)，雙瓦楞紙板接頭尺寸范圍為4550mm，取45mm。對于0201型紙箱，AB型雙瓦楞紙板的伸放量為45mm。

瓦楞紙箱的制造尺寸為：

其中J表示紙箱的接頭尺寸，F(xiàn)表示紙箱的搖蓋尺寸。

根據(jù)GB/T6543-2008可知，0201型紙箱外尺寸和內(nèi)尺寸的關(guān)系如下：

由此可以計算瓦楞紙箱的外尺寸為：

經(jīng)計算，可繪制瓦楞紙箱外包裝尺寸圖，如圖5所示。

3堆碼結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度校核

3.1托盤集裝

現(xiàn)有的托盤尺寸中，根據(jù)GB/T31148-2014聯(lián)運通用木質(zhì)平托盤的管理方法，結(jié)合所設(shè)計瓦楞紙箱尺寸，可以選擇平面尺寸為1200mm xlOOOmm川字式托盤。為保證穩(wěn)定性，選擇簡單重疊式堆碼。為保證穩(wěn)定性，堆碼兩層，每層擺放4箱，以2x2形式排列，對托盤的利用率超過了80%。3.2堆碼強(qiáng)度校核

3.2.1紙箱抗壓強(qiáng)度計算

瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度的評價，可以通過兩種方法：試驗法和計算法。試驗法需要對包裝件進(jìn)行不同角度的測試，在壓縮平臺上按照面跌落、棱跌落、角跌落進(jìn)行壓縮測試，得出關(guān)于包裝件的特性曲線和強(qiáng)度。這種方法直觀可靠，但費時費工。相對來說，計算法是根據(jù)紙箱原紙種類的選用推算瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度，采用經(jīng)驗估算法，方法簡單有效，方便調(diào)整原紙的選用，可以預(yù)測紙箱強(qiáng)度，使用廣泛。因此選用計算法獲得瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度。

（1）計算瓦楞紙板的綜合環(huán)壓強(qiáng)度Px

瓦楞紙板綜合環(huán)壓強(qiáng)度公式為：

式中r為面紙和墊紙的環(huán)壓指數(shù)（N·m/g），r為瓦楞芯紙的環(huán)壓指數(shù)（N·m/g），c為瓦楞紙板的瓦楞展開系數(shù)，Q為內(nèi)外面紙和中間墊紙的定量（g/㎡），Qm為瓦楞原紙的定量（g/㎡）。

由箱紙板技術(shù)指標(biāo)知，箱板紙的環(huán)壓指數(shù)：內(nèi)外面紙的環(huán)壓指數(shù)r=r=9N·m/g，中間墊紙r=8.5N·m/g。由瓦楞原紙性質(zhì)知，瓦楞原紙的環(huán)壓指數(shù)I==6.3N·m/g。運輸包裝用雙瓦楞紙板為AB型瓦楞，其展開系數(shù)為分別為1.6和1.4。

因此，本次設(shè)計所用瓦楞紙板的綜合環(huán)壓強(qiáng)度為：

（2）計算瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度Pc

根據(jù)美國林產(chǎn)研究所的凱里卡特公式（K. QKellicutt）：

其中Pc為紙箱的抗壓強(qiáng)度（N）;Px為瓦楞紙板的綜合環(huán)壓強(qiáng)度（N/cm）;z為紙箱周長（cm）;aXz和J分別為楞常數(shù)、箱常數(shù)，AB型雙瓦楞紙箱aXz=13.36，J=0.66。

紙箱周長為：z=2（L+B）=2x611十461）=2144cm

因此，所設(shè)計瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度為：

3.2.2堆碼強(qiáng)度校核

堆碼強(qiáng)度在包裝行業(yè)中有很深的實際意義，因此除了對瓦楞紙箱計算抗壓強(qiáng)度外，也應(yīng)該進(jìn)行堆碼強(qiáng)度校核。包裝件進(jìn)行堆碼時，位于底層紙箱承受的堆碼載荷公式為：

其中P為堆碼載荷，w為每件貨物的重量，H為紙箱高度，h為堆碼高度。

實際堆碼時，當(dāng)紙箱承受壓力為紙箱抗壓強(qiáng)度60%時，僅僅兩天紙箱就被壓潰，因此堆碼壓力不能超過紙箱抗壓強(qiáng)度的60%。貨物的堆碼層數(shù)與交通運輸工具的選擇、儲存空間所允許的高度有關(guān)，汽車運輸中高度低于250cm。對于裝有石膏金蛋的紙箱堆碼，紙箱高為466mm，暫定在倉庫中堆碼5層，堆碼高度為233cm。

為保護(hù)箱內(nèi)產(chǎn)品，保證紙箱不被壓潰變形，要求堆碼載荷要小于紙箱的抗壓強(qiáng)度。為保證這一條件的實現(xiàn)，需要有合理的安全系數(shù)。堆碼強(qiáng)度條件表達(dá)式為：

式中K為安全系數(shù)。貨物的儲存時間決定堆碼的安全系數(shù)：當(dāng)貨物在倉庫的時間少于30天時，K=1.6;當(dāng)時間在30-100天時，K=1.65;當(dāng)時間超過100天時，K=2。

由以上分析可以得知，堆碼高度h=233cm，H=46.6cm，每箱石膏金蛋重量由之前計算可得其值為W=8x10=80N，安全系數(shù)取2。

紙箱的堆碼載荷為：

由上述計算可得24.26kN>640N（即Pc>P），因為紙箱的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于堆碼載荷，所以所設(shè)計瓦楞紙箱具有足夠的堆碼強(qiáng)度。4結(jié)語

（1）對石膏金蛋進(jìn)行了靜態(tài)壓縮實驗，結(jié)果表明：加載速度對金蛋的承載能力無明顯的影響，金蛋的承載能力主要受到其壁厚的影響。

（2）對石膏金蛋進(jìn)行了跌落實驗，結(jié)果表明：固定厚度的EPE，隨著跌落高度的降低，石膏金蛋的破損數(shù)隨之減少。同一跌落高度下，隨著EPE厚度的增加，金蛋破損的個數(shù)在減少，對金蛋的保護(hù)性能更優(yōu)越。選用厚度為7.5mm的EPE用于石膏金蛋包裝件設(shè)計。

（3）針對石膏金蛋這類易碎品，考慮到在流通過程中的碰撞、擠壓、裝卸等問題，在設(shè)計中增加隔條和EPE緩沖襯墊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步保護(hù)產(chǎn)品。

（4）設(shè)計石膏金蛋的包裝結(jié)構(gòu)，選用AB型雙瓦楞紙板制作0201箱型紙箱。內(nèi)外面紙和中間墊紙選用箱紙板，內(nèi)外面紙定量取300g/㎡，中間墊紙定量取280g/㎡，兩層瓦楞芯紙的定量都取160g/㎡。瓦楞紙箱的外尺寸為611mmx461mmx466mm。

（5）設(shè)計石膏金蛋包裝箱的堆碼結(jié)構(gòu)。選定托盤的尺寸為1200mmxlOOOmm，紙箱在托盤上單層排列方式為2行2列的形式，堆碼高度為2層。計算所得瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度為24.26kN，遠(yuǎn)大于堆碼載荷，設(shè)計安全。

本文研究結(jié)果對石膏金蛋包裝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化出廠以及產(chǎn)品裝卸、運輸、倉儲的機(jī)械化、自動化有重要指導(dǎo)意義。