輕型發動機包裝箱局部以紙代木應用研究

付兆利 巨楊妮 譚磊 張輝魯 崔佩羽 程森杰

摘 要：本文以輕型發動機包裝箱為研究對象，研究使用七層瓦楞紙板作為包裝材料進行輕型發動機包裝方案的設計、力學分析、空箱抗壓試驗，最終得到適用于輕型發動機的局部瓦楞紙包裝箱方案，為解決發動機實木包裝箱啟封后難處理以及實木原料緊張的問題提供了依據。

關鍵詞：局部以紙代木包裝箱；包裝箱結構；瓦楞紙板；單板層積材；力學分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.001

0 引言

長期起來，木材作為產品包裝的基礎材料之一，在箱、托盤、托架等運輸包裝產品中應用非常普遍。而近年來，出于對森林資源匱乏和環境保護方面的高度關注，各國對木制包裝產品提出了許多綠色壁壘和政策要求，致使世界范圍內的木制包裝容器已經日益受到限制[1]。同時失去使用功能的廢棄木制品中通常含有鐵釘、連接件等磁性金屬雜物[2]，加之利用廢舊木材需經過回收、分揀、儲運、加工等多個環節，其成本較高，導致用廢舊木材還不如用好木材原料更為合算，這樣就失去了利用廢舊木材的經濟性[3]。因此發展代木包裝對國家、對企業都具有特別重要的意義。

為解決上述問題，打造從材料生產、包裝設計和包裝廢棄物的回收處理全生命周期的綠色生態化，本文以輕型發動機用包裝箱為研究對象，研究選用七層瓦楞紙板作為包裝材料進行包裝箱方案的設計、力學分析、抗壓試驗，為后續發動機紙包裝箱的設計提供有益參考。

1 研究對象及防護包裝要求

本文研究對象是某企業輕型發動機用包裝箱，輕型發動機基本參數為：重量320kg，外輪廓尺寸1200mm×660mm×800mm，采用運輸支架及螺栓固定在包裝箱底盤上。

根據對發動機貯運和貯存期的綜合調研考慮，發動機瓦楞紙包裝箱設計有效壽命為一年，日期從包材入庫開始計算，保證發動機在有效截止日期內不發生機械物理損傷、不降低性能。

為提高運輸效率、降低運輸成本，滿足轉運需求，要求瓦楞紙包裝箱能實現雙層堆碼。

2 包裝箱材料選擇

根據包裝箱承載及可靠性的要求，包裝箱方案設計為木制底盤+高強度多層瓦楞紙圍板結構。

2.1 底盤材料

底盤主要起承重及固定發動機作用，選擇單板層積材作為底盤主要承力木構件，因單板層積材是由厚單板沿順紋方向層積組坯、熱壓膠合后切割而成的工程材料。其可以利用小徑木、短原木以及彎曲木等低質木生產，體現了小材大用與劣勢優用的增值效應；同時，單板層積材的許用設計應力較高，強度變異系數小，具有極強的減震與抗震性能。

2.2 圍板材料

圍板起支撐上部堆碼載荷及防護整機作用，包裝箱用七層瓦楞紙板（由三層瓦楞紙和四層薄紙交替粘合而成），厚度15 mm，配紙為：450g美卡/180g高強瓦楞/190g牛卡/180g高強瓦楞/190g牛卡/180g高強瓦楞/450g美卡。

2.3 箱蓋材料

箱蓋起支撐上部堆碼載荷及防護整機的作用，本方案選擇蜂窩紙板作為蓋板材料，厚度20mm。

2.4 加強材料

為保障包裝箱在多變的運輸環境中功能持續，本方案增加以牛皮紙和紗管紙為原料的護角，布置在包裝箱內部四豎邊和圍板內部中間位置，以增加包裝箱的整體承重能力。

3 包裝箱局部以紙代木模型確定

根據包裝箱設計輸入確定方案如下：

包裝箱三視圖及立體分解圖見圖1。

4 包裝箱底盤力學分析

包裝箱底盤材料主要由單板層積材及瓦楞紙護邊組成，受力構件采用單板層積材，箱板采用膠合板發動機使用運輸支架固定在底盤枕木上，底盤枕木受兩點集中載荷的作用。

底盤枕木受力分析參照框架木箱國家推薦標準GB/T7284-2016進行。如圖2（a）所示，枕木在a點和b點受到W/2的兩點集中載荷時，點a的彎矩為：

Ma={L-（l1-l2）/L}*（W l1）/2 （1）

點b的彎矩為：

Mb={L-（l2-l1）/L}*（W l2）/2 （2）

為計算簡便，將枕木受力模型簡化為簡支梁，當在其長度方向上受均布載荷作用時，如圖2（b）所示，枕木的許用彎曲載荷W為：

W=（4bh2fb）/（3L） （3）

式中：W—枕木的許用彎曲載荷，單位為牛頓（N）；b—枕木的寬度，單位為毫米（mm）；h—枕木的厚度，單位為毫米（mm）；fb—木材的許用抗彎強度，單位為兆帕（MPa）；L—外側滑木的內間距，單位為毫米（mm）。

當枕木受均布載荷時其彎矩為：

Md=（WL）/8 （4）

本方案中L=700 mm， l1=185 mm， l2=136 mm，l1>l2。

此時a點的彎矩大于b點的彎矩，選彎矩大的a點，作為計算枕木受兩點集中載荷時對受均布載荷時許用彎曲載荷的倍數，即：

Md/Ma=（L2）/{4（L-l1+l2）*l1} （5）

即：Md/Ma=1.04

據GB/T7284-2016中表8可得，枕木厚度為60mm時，每10mm寬枕木的許用彎曲載荷（均布載荷時）為754.3N，從而得出枕木受兩點集中載荷時的許用彎曲載荷為：f=784.5N；內裝物質量按400kg計算，則內裝物載荷為：400kg×9.8N/kg=3920N；考慮到包裝箱在儲運過程中受力特點，將包裝箱內裝物在儲運過程受的動載荷取值為靜載荷的2倍，即動載荷為：7840N；從而得出單根枕木的寬度為：3920N/754.3N×10mm=52 mm。

因枕木上運輸包裝支架固定孔直徑為?15，理論所需枕木寬度為70mm，為保證運輸包裝支架底板完全落在枕木上，故包裝箱底盤枕木規格80mm×60mm滿足應用要求。

5 包裝箱紙圍板堆碼強度分析

為滿足包裝箱雙層堆碼需求，包裝箱采用3A高強瓦楞紙板及相應的紙護角作為箱體承重結構。堆碼時，上層包裝箱和包裝件的總重量對下層包裝箱產生的作用力，主要由箱蓋和包裝箱體承受[5]。

包裝箱紙圍板的理論抗壓強度可以運用馬基簡易公式獲得：

P=5.874Pm *sqrt（tZ） （6）

式中：P—瓦楞紙板抗壓強度 （N）；Pm—瓦楞紙板邊壓強度（N/m）；Z—瓦楞紙箱周長（m）；t—瓦楞紙板厚度（m）；5.874為常數。

由此得出包裝箱理論空箱抗壓強度：P=2t。因瓦楞紙板的抗壓能力與實際儲運流通環境、儲存期、堆碼方式及裝卸條件有關，所以包裝箱的抗壓強度需考慮一個安全系數K，強度安全系數K的計算方式如下表2所示：

由此可得：K=5，所以包裝箱在強度安全系數K=5的情況下可承載：400kg，某輕型發動機整機重量320kg，包裝箱重量49kg，堆碼載荷重量為369kg。包裝箱理論空箱抗壓強度符合要求。

6 包裝箱空箱抗壓強度測試

紙包裝箱抗壓強度是指包裝箱空箱立體放置時，對其上面勻速施壓，箱體所承受的最大壓力值，瓦楞紙箱的抗壓強度可以等效為瓦楞紙板屈曲時所受載荷的總和。瓦楞紙箱的抗壓強度既是評價瓦楞紙箱的重要指標，又是設計瓦楞紙箱的重要條件[6]。

因本方案中紙護角及紙方管的抗壓能力未進行理論值計算，為得到包裝箱綜合抗壓能力，進行空箱抗壓測試。

試驗方法：將制作好的包裝箱置于恒溫恒濕實驗箱中，按照GB457.2-2005的要求在濕度85%，溫度為38℃的條件下預處理24小時，預處理結束，將包裝箱試件置于抗壓試驗機下壓板中心部位，給上壓板和試件一個預壓力，使試件在試驗過程中受力更加均勻，預壓力取19.6KN，然后以12mm/min的速度均勻移動壓板的距離，直到試驗樣品變形壓潰為止，如圖3所示。通過試驗得出包裝箱的載荷-變形曲線，其載荷峰值即為包裝箱的綜合抗壓強度。

經抗壓試驗局部以紙代木包裝箱綜合抗壓能力為5t，符合應用要求。

7 結論

通過對輕型發動機用包裝箱進行局部以紙代木結構設計，以及對此結構包裝箱底盤、圍板強度進行理論校核，最后進行包裝箱空箱抗壓強度試驗，得出局部以紙代木包裝箱可以滿足輕型發動機的包裝與堆碼需求，并且局部以紙代木包裝箱能大量節省實木，包裝廢料處理簡單，為輕型發動機用包裝箱綠色設計提供了參考。

參考文獻：

[1]張新昌等.代木包裝：資源循環利用的重要途徑[J].包裝論壇，2009（01）.

[2]肖小兵等.我國廢舊木材回收利用需要解決的問題[J].林產工業，2006（01）.

[3]陶以明.我國廢舊木材回收利用存在的問題及其解決對策[J].中國人造板，2008（02）.

[4]鄢臘梅等.瓦楞紙箱抗壓強度計算方法及計算機輔助設計[J].株洲工學院學報，2000（01）.

[5]丁毅等.局部以紙代木包裝箱的研究[J].包裝工程，2011（05）.

[6]陳瓊.瓦楞紙箱振動疲勞損傷試驗研究與有限元分析[D].暨南大學，2013.