日化用品瓦楞紙箱 優化設計實例

武麗麗

運輸包裝是以運輸儲存為主要目的，其具有保障產品安全、方便儲運裝卸、加速交接等作用。對于日化用品而言，主要的運輸包裝容器是瓦楞紙箱，以瓦楞紙箱為基礎的運輸包裝系統設計是一個多目標多變量的問題。在運輸包裝設計時，要想做到強度最佳、成本最低的恰好設計，需要了解產品流通環境、合理利用包裝材料與包裝技術，綜合考慮各種因素，經過多次設計驗證，最終選擇最優方案。

日化用品包裝大多以玻璃瓶、塑料瓶為主。本文將以PE瓶為例，詳細介紹其運輸包裝優化設計過程，PE瓶的形狀及外形尺寸如圖1所示。由于0201型瓦楞紙箱應用最廣，具有省料、易加工、使用方便等優點，故將瓦楞紙箱箱型確立為0201型。

瓦楞紙箱尺寸設計

首先需確定內裝物數量及排列方式，根據國家標準的相關要求和實際操作（包括流通和生產搬運）的要求，單件運輸包裝的重量應不超過18kg，日化用品裝箱后總重量應不超過15kg，數量應為12的倍數或約數。該PE瓶尺寸為94mm×54mm×248mm，容量為600g，瓶重約30g，因為一般瓶裝產品為液體，只能豎立擺放，不考慮側放或平放，這樣高度較高，因此高度方向只能擺放一層。

1.尺寸比例約束條件

（1）紙板用量：長寬比例在2∶1左右的箱型，其材料用量最節省。

（2）抗壓強度：長寬比例選擇 1.2～1.6范圍內，可以使瓦楞紙箱達到最佳的保護。

（3）堆碼及標準化研究：根據常用托盤規格1200mm×1000mm，以及組合分割和模數分割相結合的方法來制定標準化尺寸系列，確定常使用的比值有3/2、4/3、5/4、6/5、17/12等。由于最終的堆碼譜為磚堆狀，上下左右均有聯系，可有效彌補整數分割堆碼譜易倒塌的不足。

（4）美學因素：黃金分割點0.618是公認的最具美感的比例。

（5）安全原則：除了特殊或大型的商品外，一般瓦楞紙箱的外形尺寸應有所限制。在現代工業社會中，作業者（人體）與作業對象和工作環境之間的協調性愈發重要，根據人體工程學原理，不合理的物體外形會導致人體作業疲勞和發生損傷。根據人體雙手平行前伸時兩臂寬度，以及人體搬箱時上臂環抱空間的尺度范圍，可推算出適合人體的瓦楞紙箱尺寸范圍。

男性：L≤4 5 0 m m，L + B≤850mm，L+B+H≤1200mm。

女性：L≤4 0 0 m m，L + B≤750mm，L+B+H≤1050mm。

2.設計尺寸計算方法

（1）接頭尺寸

瓦楞紙箱通過釘合或黏合劑黏合接頭成型時，接頭尺寸一般根據瓦楞層數及工廠的工藝水平而定。三層瓦楞紙板的接頭尺寸為35～40mm，五層瓦楞紙板的接頭尺寸為45～50mm，七層瓦楞紙板的接頭尺寸為50mm。本例中所使用的瓦楞紙板統一規定為BC五層瓦楞紙板，根據實際情況，其接頭尺寸定為45mm。

（2）對接搖蓋尺寸

在瓦楞紙箱搖蓋對接封合的箱型中，搖蓋寬度制造尺寸理論值應為箱寬或箱長的1/2 ，但是由于搖蓋的回彈作用，必然在搖蓋對接處產生間隙，使封箱不嚴造成內裝物被灰塵污染。因此，對接搖蓋寬度制造尺寸應加上一個修正值。對于常用的開槽箱型0201型紙箱，A型楞三層瓦楞紙板的修正值為2～3mm，AB型楞五層瓦楞紙板的修正值為4～5mm，BC型楞的五層瓦楞紙板的修正值為3～4mm。

根據上述設計原則，確定裝箱數量，按照一般瓦楞紙箱設計計算方法，計算各方案瓦楞紙箱尺寸及長寬比例，具體結果如表1所示。

按照上述尺寸約束比例條件限制，選擇方案3、4、5、8進行初步方案比較，如表2所示。

評價結果：①這4種方式碼垛效果相差不大；②方案8托盤利用率最高，儲運成本最省；③方案3每箱瓶數越多，紙板平均使用量越小，原材料成本最低；④每箱瓶數越少，裝箱數量越多，工藝角度人工成本略有增加。 綜合以上分析，方案3成本最低且基本滿足設計要求，因此選用方案3作為初步確定方案。

下面，以方案3的瓦楞紙箱尺寸為對象，對瓦楞紙箱進行強度設計。

瓦楞紙箱強度設計

根據產品高度確定堆碼層數Nmax=H÷h（取整數）=2.5÷0.28= 8（層）。

根據堆碼層數估算堆碼強度Ps=G×（Nmax-1）=15.12×7=105.8kg。

安全系數K的選擇：內裝物不能承受任何載荷的安全系數為7；內裝物能承受1～2倍載荷的安全系數為5；內裝物能承重3倍以上載荷的安全系數K為3。該內裝物為尺寸較規則的塑料瓶，經測試其垂直載荷強度為30kg，每箱瓶數為24瓶，總承載能力720kg，大于3倍載荷105.8×3=317.4kg，因此安全系數K取3。

計算抗壓強度P：P=Ps×K=105.8×3=317.4kg=3111N

根據邊壓強度公式ECT=P÷（5.874×T×C），其中T表示紙板厚度，C表示紙箱周長，則可確定邊壓強度為7048N/m。根據已有的紙板強度等級標準，選擇ECT>7048N/m的瓦楞紙板。

根據傳統設計方法確定出理論尺寸，制作樣箱裝箱，并進行驗證，主要包括以下幾方面：

（1）根據設計要求進行瓦楞紙箱外觀、尺寸檢驗，一般主要檢驗尺寸、釘合方式、搖蓋、印刷質量等。

（2）根據瓦楞紙箱強度標準要求對空箱及其材質的物理性能進行測試，如紙板耐破度、邊壓強度及瓦楞紙箱抗壓強度的測試，其反映了瓦楞紙箱內在強度質量，也是運輸包裝的主要考核指標。

（3）瓦楞紙箱裝入商品后，進行破壞性模擬試驗，如跌落試驗、運輸模擬試驗等，具體試驗方法可根據相關國家標準進行。

（4）需對所確定方案進行工藝驗證，確保該方案對裝箱效率、封箱設備等的適應性。

總結

綜上所述，瓦楞紙箱結構優化的步驟如下：

（1）確定內裝物的排列方向。

（2）計算內裝物長寬高尺寸排列數據。

（3）考慮瓦楞紙箱強度、堆碼狀態和美學等因素，選擇2組以上較適合內裝物排列方向的方案。

（4）綜合比較各方案的結果，選擇一個最優的瓦楞紙箱結構尺寸。

（5）根據已確定的結構尺寸進行強度設計校核，并確定紙板等級用紙。

（6）若現有紙板標準不能滿足理論強度要求，根據實際情況更改所選方案或增加紙板材質標準等級。

（7）根據設計計算結果制作樣箱，并進行驗證。endprint