劉偉，王洪江，張東杰，2，曹龍奎，2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心）

瓦楞紙箱是由瓦楞紙板通過模切、壓痕、訂箱或粘箱制作而成，使用最廣泛的紙包裝容器[1]。20 世紀初瓦楞紙箱已經(jīng)應(yīng)用于商品包裝領(lǐng)域和商品運輸領(lǐng)域。由于其可代木、代塑，綠色環(huán)?？苫厥绽茫哂辛己玫募庸ば?，優(yōu)越的使用性，剛?cè)峒骖櫟谋Ｗo性、低廉的成本以及可折疊節(jié)省空間等特點而得到廣泛應(yīng)用并逐步取代了其他運輸包裝容器，目前已成為運輸包裝領(lǐng)域的主力軍，尤其是在食品、飲料、電商等相關(guān)行業(yè)，這些行業(yè)的快速發(fā)展給瓦楞紙箱企業(yè)帶來了新的機遇，促使瓦楞紙箱的應(yīng)用得到進一步的發(fā)展[2-5]。

在產(chǎn)品流通過程中瓦楞紙箱起著保護產(chǎn)品的重要作用，而抗壓強度是衡量瓦楞紙箱強度的重要指標，搬運手孔設(shè)計能夠方便產(chǎn)品搬運但也造成瓦楞被切斷，導(dǎo)致瓦楞紙箱抗壓強度降低，影響瓦楞紙箱對產(chǎn)品的保護性能。搬運手孔開孔面積、形狀、位置的不同對瓦楞紙箱抗壓強度的降低程度也有所不同[6-7]，因此研究搬運手孔對瓦楞紙箱抗壓強度的影響具有重要的現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)外學者對此作了相關(guān)的研究，如Jongkoo Han 等[8]采用有限元分析（FEA）研究了瓦楞紙箱表面通風孔和手孔的主要設(shè)計參數(shù)（形狀、位置和尺寸），并對模擬結(jié)果進行了驗證，得出了通風孔形狀為對稱分布于箱前后面中心處垂直的橢圓形，手孔形狀為位于高于側(cè)面中心的位置水平橢圓形形狀，以及孔的長度小于箱體深度的1/4，孔的長寬比應(yīng)為1/3.5～1/2.5 時瓦楞紙箱箱體抗壓強度降低最小。Benjamin Frank[9]闡述了瓦楞紙箱測試過程及濕度因素對抗壓強度的影響，提出了Urbanik 模型及影響參數(shù)，總結(jié)了粘合劑質(zhì)量、搖翼、封口、開孔、制造商、時間、濕度等因素對抗壓測試的影響，確認了箱體的強度隨著孔的增大和孔的位置離中心越遠而降低。廖梓廷[10]通過分析開孔對瓦楞紙箱耐壓強度的影響得出開孔位置與側(cè)板中線的距離應(yīng)小于長度的八分之三時瓦楞紙箱耐壓強度最大。廖玉文[11]總結(jié)了印刷和開孔對瓦楞紙箱抗壓強度的影響，指出了印刷和開孔都對瓦楞紙箱強度產(chǎn)生較大的影響。劉鑫等[12]通過研究不同開口位置與瓦楞紙箱抗壓強度的關(guān)系得出了瓦楞紙箱的開孔位置在原點附近對瓦楞紙箱抗壓強度的影響較小，位置越遠，對瓦楞紙箱抗壓強度影響越大。謝勇等[6]研究了同一規(guī)格、不同手孔形狀的提手孔對重型裝飾燈具外包裝瓦楞紙箱的抗壓強度的影響，得出了在提手孔形狀滿足舒適度的前提下，弧形提手孔強度損失最少，梯形提手孔最大的結(jié)論。胡亞萍等[13]探討了對同一規(guī)格、不同開孔位置的提手孔對某重型裝飾燈具外包裝瓦楞紙箱抗壓強度的影響得出紙箱側(cè)面開孔后，紙箱的抗壓強度會降低；當提手孔開孔位置處于箱面中線上方H/18 高度時，抗壓強度損失最小。李春偉等[3]研究了同一規(guī)格，不同手孔位置的提手孔對瓦楞紙箱抗壓強度的影響得出手孔位置在箱寬度中線上方H/6 以內(nèi)時，對紙箱抗壓強度影響最小。胡力萌等[14]重點關(guān)注了搬運手孔自身強度問題，通過試驗從搬運手孔開孔方向、手孔形狀、手孔位置方面對搬運手孔拉伸強度進行測試，得出垂直瓦楞楞型方向開孔的抗拉伸性能大于平行方向；弧形手孔承重能力更強；瓦楞紙箱開孔位置離寬度中心線的距離越遠，瓦楞紙箱搬運手孔的拉伸強度就越小。潘家杰[15]從分析了影響瓦楞紙箱抗壓強度的材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、環(huán)境等因素，提出了分析屈服曲線的新方法，并從實際出發(fā)，以娃哈哈包裝箱為例采取相應(yīng)改善措施以提高瓦楞紙箱的抗壓強度，其中提到了箱壁上開孔破壞了箱壁的整體結(jié)構(gòu)，容易造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致瓦楞紙箱抗壓強度下降。瓦楞紙箱抗壓強度受多種因素影響，如箱型、溫度、濕度、長寬比、箱高、開孔等[7，16-17]，其中對于手孔雖已有較多研究，但大多數(shù)僅關(guān)注了手孔單一方面對瓦楞紙箱強度的影響，對手孔形狀、位置、大小等多方面因素對瓦楞紙箱抗壓強度的影響關(guān)注較少，因此實驗主要在單因素試驗的基礎(chǔ)上進行正交試驗，并進行優(yōu)化，旨在進一步了解搬運手孔對瓦楞紙箱抗壓強度的影響，為搬運手孔的實踐研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗使用紙箱為本地采購的0201 型瓦楞紙箱（三層B 型單瓦楞紙箱），瓦楞紙箱尺寸為450 mm×300 mm×300 mm；其配紙為：瓦楞面紙A 等，定量為150 g·m-2，瓦楞芯紙定量為130 g·m-2，瓦楞里紙定量為130g·m-2。瓦楞紙板紙厚度為3.15 mm；瓦楞面紙正反面耐破度分別為5.4 J 和4.8 J；平壓強度（FCT）為80.44 N·m-1；邊壓強度（ECT）為4 370 N·m-1。

1.2 主要試驗儀器

主要試驗儀器：ZXYD-501 型電子式整箱壓縮試驗機，長春市小型試驗機廠；ZWPY-322 型平壓試樣取樣器，長春市小型試驗機廠；BYD-25 型邊壓取樣器，長春市小型試驗機廠；ZYD-3 型電子式壓縮試驗儀，長春市小型試驗機廠；ZUS-20 型瓦楞紙板厚度測定儀，長春市小型試驗機廠；ZCD-48 型紙板戳穿強度試驗儀，長春市小型試驗機廠。

1.3 試樣處理

為了減小誤差，首先在AutoCAD 中畫好搬運手孔，打印后裁切制成搬運手孔輪廓模版，而后在紙箱寬度側(cè)面用鋼尺測量標出搬運手孔的具體位置，并將搬運手孔模版貼在紙箱上，再畫出搬運手孔的輪廓，最后用刀片切割去多余的部分，完成瓦楞紙箱搬運手孔的開取。根據(jù)GB/T 6545-2008《運輸用單瓦楞和雙瓦楞紙箱》的方法，將瓦楞紙箱用膠帶封合后置于電子式整箱壓縮試驗機上進行測定瓦楞紙箱抗壓強度。試樣按GB/T 10739-2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標準大氣條件》進行預(yù)處理，即將瓦楞紙箱置于試驗溫度為（23±1）℃，相對濕度為（50±2）%的標準大氣環(huán)境中，使其水分和大氣平衡。

1.4 實驗方案

1.4.1 搬運手孔對瓦楞紙箱抗壓強度影響的單因素實驗

根據(jù)1.3 試驗方法，按下列單因素設(shè)計實驗：

（1）5 個搬運手孔形狀：搬運手孔的形式多樣，按照黃秋艷等[18]提出的常見的6 種搬運手孔形狀，實驗根據(jù)實際使用情況，在比較其舒適度的基礎(chǔ)上，重點研究了跑道形、山形、梯形、半圓形和弧形5 種手孔結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其中開孔瓦楞紙箱開孔大小均為86 mm×30 mm，開孔位置為中心/（0，0）處。

（2）5 個搬運手孔大小/mm：采用半圓形搬運手孔，搬運手孔位置中心/（0，0）處，參考黃秋燕等[18]對手孔大小的設(shè)置，研究以下五種規(guī)格的開孔大小86 mm×30 mm、96 mm×40 mm、106 mm×50 mm、116 mm×60 mm、126 mm×70 mm 對瓦楞紙箱抗壓強度的影響；

（3）5 個搬運手孔位置：在瓦楞紙箱的寬度端面開孔搬運手孔（大?。?6 mm×30 mm；形狀：半圓形），以寬度端面的中心為坐標原點建立坐標軸，X 軸為平行于瓦楞紙箱的寬度方向，Y 軸為平行于瓦楞紙箱的高度方向，Y 軸上開孔中心點以50 mm 為間距，依次向Y 軸的正、負方向排開，即孔的中心坐標分別為A（0，100）、B（0，50）、C（0，0）、D（0，-50）、E（0，-100），如圖2 所示。

圖2 瓦楞紙箱端面坐標圖Fig.2 The head face coordinates of corrugated box

1.4.2 正交設(shè)計

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，選取影響瓦楞紙箱抗壓強度的因素水平做正交試驗，并對結(jié)果進行分析，以確定最佳的工藝參數(shù)，采用L9（34）作為正交試驗試驗設(shè)計[19]，以搬運手孔形狀、搬運手孔大小、搬運手孔位置作為3 個考察因素，選取3 個水平（見表1）進行試驗。

1.5 瓦楞紙箱抗壓強度的測試

首先，將紙箱平放在ZXYD-501 型電子式整箱壓縮試驗機上下壓板之間，置于實驗機下壓板的中心位置，并將實驗機上壓板移動到合適位置，使其靠近紙箱上表面（不接觸）。以此作為位移記錄的起點，然后設(shè)置電子式整箱壓縮試驗機參數(shù)，以（10±3）mm·min-1的速度均勻移動上壓板下壓，軟件開始記錄下壓板位移和載荷大小的曲線圖，瓦楞紙箱逐漸被壓縮變形，直至瓦楞紙箱損壞或壓力值降至最大值的70%，軟件生成的瓦楞紙箱的載荷-變形曲線中出現(xiàn)的最高峰值即為該試件的抗壓強度，單位以N 表示，記錄最大壓力值，完成實驗，記錄數(shù)據(jù)。每組進行3 次重復(fù)試驗，求取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 搬運手孔形狀對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

開有跑道形、山形、梯形、半圓形和弧形搬運手孔的瓦楞紙箱和未開孔的瓦楞紙箱經(jīng)壓縮實驗測得的抗壓強度如圖3 所示。從圖3 可以看出，不同形狀的搬運手孔對瓦楞紙箱抗壓強度的影響由小到大為：半圓形＜圓弧形＜山形＜橢圓形＜梯形。未開孔的瓦楞紙箱抗壓強度為1 864 N，其抗壓強度大于所有開孔瓦楞紙箱強度，這說明瓦楞紙箱抗壓強度與是否開孔有著直接影響，開孔后的強度會出現(xiàn)降低，其原因應(yīng)是開孔造成瓦楞被切斷，導(dǎo)致瓦楞紙箱整體抗壓強度降低，這與李春偉等[3]研究較為符合；另外從圖3 可以看出，除無孔瓦楞紙箱外，開有圓弧形、山形和半圓形搬運手孔的瓦楞紙箱抗壓強度相差不大，與謝勇等[6]研究中跑道形、山形和梯形提手孔相差不大較符合，但與其弧形提手孔損失最小略有不同。在此試驗中半圓形搬運手孔損失最小，在相同開孔條件下，半圓形搬運手孔對瓦楞紙箱抗壓強度影響最小為1 820 N，與圓弧形搬運手孔（1 799 N）相差不明顯，其原因可能與采取的紙箱材料有一定的關(guān)系，有待進一步進行驗證。

圖3 搬運手孔形狀對瓦楞紙箱抗壓強度的影響Fig.3 Effects of handing hole shape on compressive strength of corrugated box

2.2 搬運手孔大小對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

由于搬運手孔是為了便于紙箱搬運而進行設(shè)計的，根據(jù)人機工程學原理[20]，包裝箱搬運手孔的輪廓尺寸至少應(yīng)為86 mm×30 mm 才能方便多數(shù)人搬運或提攜，故實驗在此基礎(chǔ)上研究了大小為1.5.1（2）五種搬運手孔，測得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 搬運手孔大小對瓦楞紙箱抗壓強度的影響Fig.4 Effects of handing hole size on compressive strength of corrugated box

由圖4 可以看出，瓦楞紙箱抗壓強度隨著搬運手孔尺寸的增大而逐漸降低，整體呈現(xiàn)逐減趨勢。當開孔大小為86 mm×30 mm 時，瓦楞紙箱的抗壓強度最大為1 817 N，而當開孔大小為126 mm×70 mm時瓦楞紙箱的抗壓強度已降為1 600 N，這與廖玉文[11]、謝勇等[6]研究結(jié)論相符合。瓦楞紙箱抗壓強度降低的原因是因為搬運手孔開孔面積越大，被切斷的瓦楞數(shù)量越多，瓦楞紙箱抗壓強度下降越快，所以開孔大小為86 mm×30 mm 瓦楞紙箱抗壓強度遠大于開孔大小為126 mm×70 mm 瓦楞紙箱抗壓強度。在瓦楞紙箱側(cè)面進行搬運手孔設(shè)計時開孔尺寸宜越小越好，但開孔尺寸過小人工搬運時手掌不易插入或用力不均，造成手感舒適度較差，影響搬運效果，因此根據(jù)人機工程學原理宜選用86 mm×30 mm 或稍大尺寸以方便搬運。

2.3 搬運手孔位置對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

按照1.5.1（3）中搬運手孔開孔位置進行開孔，測得瓦楞紙箱抗壓強度結(jié)果如圖5 所示。

圖5 搬運手孔位置對瓦楞紙箱抗壓強度的影響Fig.5 Effects of handing hole position on compressive strength of corrugated box

從圖5 可以看出，瓦楞紙箱抗壓強度隨著搬運手孔位置的變化呈現(xiàn)正態(tài)分布。開孔位置在Y 軸上的坐標從（0，100）到（0，0）變化時，瓦楞紙箱抗壓強度呈上升趨勢；在（0，0）位置時瓦楞紙箱抗壓強度達到最大值為1 830 N；開孔位置在Y 軸上的坐標從（0，0）到（0，-100）變化時，瓦楞紙箱抗壓強度呈下降趨勢，說明開孔位置越靠近中心對瓦楞紙箱抗壓強度的影響越小。這與李春偉等[3]、胡亞萍等[13]、Benjamin Frank[9]研究較為符合。瓦楞紙箱開孔位置在端面中心或接近中心的位置對瓦楞紙箱抗壓強度影響較小，其原因可能是瓦楞紙箱抗壓強度主要來源于瓦楞紙箱的四條棱，棱的強度直接決定了瓦楞紙箱抗壓強度的大小，當搬運手孔位置遠離端面中心時，偏向于任何一條棱時，這條棱的支撐強度就會降低，從而對瓦楞紙箱整體抗壓強度起到較大的影響；只有搬運手孔位置在端面中心時，對棱的影響相對較小，因此瓦楞紙箱整體抗壓強度達到最大，所以在進行搬運手孔設(shè)計時宜將其開孔位置置于端面中心線上，以最大可能的減少對瓦楞紙箱整體抗壓強度的影響，但這種設(shè)計方法僅適合于形狀較為規(guī)則或產(chǎn)品中心位于幾何中心附近時，對于形狀不規(guī)則或重心偏移較大的產(chǎn)品應(yīng)具體問題具體分析，以達到方便搬運和瓦楞紙箱抗壓強度達到較大的效果。

2.4 正交試驗設(shè)計

由單因素對比試驗所得數(shù)據(jù)分析，選取搬運手孔形狀、搬運手孔大小、搬運手孔位置設(shè)計用L9（34）正交試驗。

以表1 中的數(shù)據(jù)在不同的開孔形狀、開孔大小及開孔位置對瓦楞紙板抗壓強度的影響的正交試驗結(jié)果如表2 所示，對上述試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表3 所示。

表2 正交試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理Table 2 Orthogonal experiment design and data processing

表3 搬運手孔影響瓦楞紙箱抗壓強度正交試驗方差分析Table 3 Analysis of influence of handing hole compressive strength of corrugated box variance of orthogonal test

表2 正交試驗方差分析結(jié)果表明，搬運手孔影響瓦楞紙箱抗壓強度的諸因素的主次關(guān)系依次為搬運手孔位置（C）＞搬運手孔形狀（A）＞搬運手孔大小（B）。

從正交試驗結(jié)果可知最佳組合C2B2A3，即開孔位置位于（0，0）處，大小為96 mm×40 mm 的半圓形搬運手孔的瓦楞紙箱抗壓強度最大。

按正交試驗得到的最佳搬運手孔條件開孔并試驗3 次，所得瓦楞紙箱抗壓強度平均值為1 842.7 N，介于未開孔瓦楞紙箱抗壓強度（1 864 N）和開孔瓦楞紙箱抗壓強度最大值（1 820 N）之間，說明結(jié)果處理條件最佳。

3 結(jié)論

研究在對搬運手孔形狀、搬運手孔大小、搬運手孔位置三個影響因素進行單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用正交試驗法對搬運手孔進行了優(yōu)化。結(jié)果表明各因素的影響程度依次為搬運手孔位置（C）＞搬運手孔形狀（A）＞搬運手孔大?。˙）；并得出對瓦楞紙箱抗壓強度影響最小的搬運手孔條件為搬運手孔位于（0，0）處，大小為96 mm×40 mm 的半圓形搬運手孔，瓦楞紙箱抗壓強度最大為1 842.7 N。通過搬運手孔大小、位置、形狀對瓦楞紙箱抗壓強度影響的研究，得出了最佳搬運手孔開孔方式，對于搬運手孔的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持，為進一步改進搬運手孔提供了數(shù)據(jù)參考，其中對于搬運手孔對于多型號、多尺寸瓦楞紙箱抗壓強度的影響仍需進一步探究。