石膏金蛋動靜態力學性能研究及運輸包裝件設計

任春華　張佩佩

摘要：為研究石膏金蛋的動靜態力學性能，優化運輸包裝結構，減少石膏金蛋在運輸過程中破損的風險，通過壓縮實驗和跌落實驗分析石膏金蛋的力學性能，選擇合適的材料作為緩沖包裝。以瓦楞紙箱作為外包裝，設計紙箱尺寸，計算抗壓強度。通過對瓦楞紙箱堆碼強度進行校核計算，可知紙箱抗壓強度遠大于堆碼載荷，設計安全。由此可以得出結論：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構和聚乙烯泡沫材料（expandable polyethylene， EPE）作為內部包裝、AB型瓦楞紙板作外包裝的石膏金蛋整體運輸包裝設計具有可行性。研究結果對石膏金蛋包裝規格標準化出廠以及產品裝卸、運輸、倉儲的機械化、自動化有重要指導意義。

關鍵詞：石膏金蛋;力學性能;包裝設計中國分類號：TB482.2

文獻標識碼：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”。石膏金蛋廣泛應用于商業促銷、公司年會等多種場合。“砸金蛋”是在慶典活動和節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致商品的破損，使其失去商業價值，因此為其設計緩沖包裝非常有必要。業內一些學者對產品的緩沖包裝結構進行了理論研究，促進了緩沖包裝設計理論及知識體系的完善。一些學者采用實驗手段分析緩沖包裝結構。其中，方海峰等對陶瓷工藝品緩沖包裝的力學特性與包裝設計進行了研究。李碧程等對盤式易碎品通用包裝結構進行了設計和改進。鞏雪等、王章蘋等、吳萍等對高腳杯、紅酒等玻璃制品設計了緩沖包裝。姜魯萌等對雞蛋進行創新包裝結構設計，所設計結構具有優良的緩沖性和促銷性。整體而言，學者針對易碎品包裝研究較少，對于遠途運輸的包裝緩沖設計比較局限，許多制造行業沒有完善的包裝設計體系，運輸包裝設計缺乏標準化、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，產品的保護性要求需要提高。選擇合適的包裝材料，為石膏金蛋設計出結構合理、成本較低的包裝結構，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，對其動靜態力學性能進行了實驗研究。根據金蛋自身特點，對其包裝緩沖結構進行了改進設計，提出了可用作運輸包裝的設計方案，該方案有利于石膏金蛋包裝流程的自動化、標準化。

1石膏金蛋動靜態力學性能測試與分析

1.1靜態壓縮實驗

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。實驗設備為島津AUTOGRAPH-IC電子萬能試驗機。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實驗結果分析

試驗統計數據如表1所示，不同壓縮速度下的最大載荷如圖l所示。結果顯示，壓縮速度為6mm/min的第一組樣品所能承受的載荷遠小于其他組。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

實驗所采用的設備為蘇州新區東陵振動試驗儀器有限公司生產的PD315A型跌落試驗機。本機最大載荷為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）的聚乙烯發泡塑料（expandable polyethylene，EPE）作為內襯緩沖襯墊。EPE置于沖擊臺上，將金蛋試驗樣品提升至預先設置的高度，模擬初速度為o的自由落體跌落，使其按預定狀態落到緩沖襯墊上，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。為排除實驗結果的偶然性，每層高度跌落3個金蛋，記錄統計不同跌落高度時金蛋的損壞個數和完整個數。

1.2.2實驗結果分析

金蛋跌落在厚度為1.3mm和2.5mm的緩沖材料上，在高度預設為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性能。緩沖材料厚度為5mm和7.5mm時，金蛋的損壞情況統計如圖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，金蛋損壞的個數在減少，對金蛋的保護性能越好。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金蛋。緩沖材料對產品的保護性能有限，

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，對石膏金蛋進行緩沖設計很有必要。以石膏金蛋跌落在不同厚度緩沖材料的測試為依據，選擇厚度為7.5mm的EPE緩沖材料作為緩沖襯墊。

2石膏金蛋包裝結構設計

2.1緩沖結構設計

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，直接作用于產品上的力將會增加，產品將承受較大的沖擊能量。因此，通過設計選擇適當的緩沖方式，可實現對內裝物的保護。

2.1.1內部隔條的設計

根據金蛋易碎、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品，防止產品在運輸過程中的碰撞，避免產品破損。對于一箱多件產品，本設計中一個紙箱內裝24個石膏金蛋，分上下兩層，每層以3行4列形式排列。為能將產品輕松放入隔條空間中，且保證產品在運輸過程中在隔條內的晃動不明顯，需要對隔條的尺寸進行合理設置。隔條內部與內裝物之間的預留空隙為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。據所測產品尺寸，外包裝的內尺寸長初定為600mm，寬初定為450mm。經計算可得：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緩沖襯墊的設計

緩沖材料作為一種能有效溝通產品和包裝的介質，在吸收沖擊能量的過程中能減少振動對產品的沖擊。目前石膏金蛋多采用瓦楞紙板作為緩沖材料，通過調研發現，在長途運輸中產品破損率較高。發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，具有質量輕、易吸收變形能量、應用范圍廣等優點，尤其適合類似于石膏金蛋這類易碎品的包裝設計。EPE又稱珍珠棉，經物理發泡產生無數獨立氣泡而成，有隔水防震、可塑性能佳、循環再造、環保等諸多優點，是傳統緩沖包裝材料的理想替代品。本設計采用EPE為緩沖材料。

在產品上層、中間層、底層分別放置EPE作為緩沖包裝結構，用于夾緊固定產品，防止產品在包裝內晃動。分析包裝箱的整體尺寸，緩沖材料的長、寬要和紙箱內尺寸相匹配，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部產品的保護要求，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石膏金蛋外包裝設計

根據運輸包裝選用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱的標準，單個石膏金蛋平均質量為280g，一箱金蛋的數量是24個，產品的質量大約為7kg。且本次設計石膏金蛋的包裝用于國內長途運輸，屬于內銷產品，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度為1.1MPa，邊壓強度為4.5kN/m。外側選用瓦楞較密的紙板，可抵御較大外力，有良好的印刷性能。內側選用瓦楞數較少的紙板，在受到沖擊載荷時有緩沖作用。綜上所述，選用A、B型相結合的雙瓦楞紙板。A型作為內側，楞高為5mm，楞數為35個/300 mm;B型作為外側，楞高為3mm，楞數為50個/300 mm。

根據箱紙板技術指標，由于所選用雙瓦楞紙板為一等品，其所對應的紙的定量自取。內外面紙定量取300g/㎡，耐破指數為2.55KPa.㎡/g，環壓指數為9N.m/g;中間墊紙定量取280g/㎡，耐破指數2.65KPa.㎡/g，環壓指數為8.5N.m/g。根據瓦楞芯紙技術指標，兩層瓦楞的定量取160g/㎡，環壓指數為6.3N.m/g。

石膏金蛋紙箱設計選用經典箱型。02型箱是由一整塊紙板經過裁切、開槽、壓線制作而成，加工工藝成熟，適宜于自動化生產。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GB/T65432008《運輸包裝用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱》，內尺寸伸放量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、生產工藝水平有關，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表示紙箱的搖蓋尺寸。

根據GB/T6543-2008可知，0201型紙箱外尺寸和內尺寸的關系如下：

由此可以計算瓦楞紙箱的外尺寸為：

經計算，可繪制瓦楞紙箱外包裝尺寸圖，如圖5所示。

3堆碼結構設計及強度校核

3.1托盤集裝

現有的托盤尺寸中，根據GB/T31148-2014聯運通用木質平托盤的管理方法，結合所設計瓦楞紙箱尺寸，可以選擇平面尺寸為1200mm xlOOOmm川字式托盤。為保證穩定性，選擇簡單重疊式堆碼。為保證穩定性，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堆碼強度校核

3.2.1紙箱抗壓強度計算

瓦楞紙箱的抗壓強度的評價，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、角跌落進行壓縮測試，得出關于包裝件的特性曲線和強度。這種方法直觀可靠，但費時費工。相對來說，計算法是根據紙箱原紙種類的選用推算瓦楞紙箱的抗壓強度，采用經驗估算法，方法簡單有效，方便調整原紙的選用，可以預測紙箱強度，使用廣泛。因此選用計算法獲得瓦楞紙箱的抗壓強度。

（1）計算瓦楞紙板的綜合環壓強度Px

瓦楞紙板綜合環壓強度公式為：

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

由箱紙板技術指標知，箱板紙的環壓指數：內外面紙的環壓指數r=r=9N·m/g，中間墊紙r=8.5N·m/g。由瓦楞原紙性質知，瓦楞原紙的環壓指數I==6.3N·m/g。運輸包裝用雙瓦楞紙板為AB型瓦楞，其展開系數為分別為1.6和1.4。

因此，本次設計所用瓦楞紙板的綜合環壓強度為：

（2）計算瓦楞紙箱的抗壓強度Pc

根據美國林產研究所的凱里卡特公式（K. QKellicutt）：

其中Pc為紙箱的抗壓強度（N）;Px為瓦楞紙板的綜合環壓強度（N/cm）;z為紙箱周長（cm）;aXz和J分別為楞常數、箱常數，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，所設計瓦楞紙箱的抗壓強度為：

3.2.2堆碼強度校核

堆碼強度在包裝行業中有很深的實際意義，因此除了對瓦楞紙箱計算抗壓強度外，也應該進行堆碼強度校核。包裝件進行堆碼時，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，當紙箱承受壓力為紙箱抗壓強度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度的60%。貨物的堆碼層數與交通運輸工具的選擇、儲存空間所允許的高度有關，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。

為保護箱內產品，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度。為保證這一條件的實現，需要有合理的安全系數。堆碼強度條件表達式為：

式中K為安全系數。貨物的儲存時間決定堆碼的安全系數：當貨物在倉庫的時間少于30天時，K=1.6;當時間在30-100天時，K=1.65;當時間超過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），因為紙箱的抗壓強度遠大于堆碼載荷，所以所設計瓦楞紙箱具有足夠的堆碼強度。4結語

（1）對石膏金蛋進行了靜態壓縮實驗，結果表明：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）對石膏金蛋進行了跌落實驗，結果表明：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，金蛋破損的個數在減少，對金蛋的保護性能更優越。選用厚度為7.5mm的EPE用于石膏金蛋包裝件設計。

（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，在設計中增加隔條和EPE緩沖襯墊結構進一步保護產品。

（4）設計石膏金蛋的包裝結構，選用AB型雙瓦楞紙板制作0201箱型紙箱。內外面紙和中間墊紙選用箱紙板，內外面紙定量取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）設計石膏金蛋包裝箱的堆碼結構。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度為24.26kN，遠大于堆碼載荷，設計安全。

本文研究結果對石膏金蛋包裝規格標準化出廠以及產品裝卸、運輸、倉儲的機械化、自動化有重要指導意義。