瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度與設(shè)計(jì)綜述

1、瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度與設(shè)計(jì)綜述瓦楞紙板容器是使用最為廣泛，制造比較簡(jiǎn)單，回收處理容易，剛?cè)嵯酀?jì)的包裝結(jié)構(gòu)物，作為由紙構(gòu)成的準(zhǔn)剛性容器瓦楞紙箱，實(shí)際含有許多獨(dú)特的科學(xué)道理。本文將就影響瓦楞紙箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、使用效果的相關(guān)重要因素、各國設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用特點(diǎn)，以及紙箱設(shè)計(jì)的實(shí)用技巧等問題作深入分析與探討，對(duì)于建立科學(xué)的設(shè)計(jì)流程以及中國標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法提出有益的建議。在由農(nóng)業(yè)社會(huì)的原始包裝向工業(yè)社會(huì)的現(xiàn)代包裝的發(fā)展過程中，瓦楞紙板堪稱是一項(xiàng)偉大的發(fā)明。瓦楞紙板容器是使用最為廣泛，制造比較簡(jiǎn)單，回收處理容易，剛?cè)嵯酀?jì)的包裝物。幾十年來它對(duì)人民日常生活、世界經(jīng)濟(jì)和商品流通作出的貢獻(xiàn)，是其他包裝物所無可比擬的。由于紙與

2、其他剛性材料有著明顯不同的性能特點(diǎn)，由紙所構(gòu)成的準(zhǔn)剛性容器瓦楞紙箱的設(shè)計(jì)，看似簡(jiǎn)單實(shí)際含有許多獨(dú)特的科學(xué)道理。我國是瓦楞紙箱的生產(chǎn)使用大國，量大面廣，但技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家有不少差距。筆者與企業(yè)界包裝設(shè)計(jì)師交流中發(fā)現(xiàn)，由于對(duì)紙箱設(shè)計(jì)中隱含的許多道理了解不深，又無中國特有的統(tǒng)一的設(shè)計(jì)計(jì)算方法可遵循，在瓦楞紙箱設(shè)計(jì)時(shí)，以類比選擇或相似設(shè)計(jì)者較多，許多人直接采用某種國外計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著國家經(jīng)濟(jì)開放，對(duì)外交流的擴(kuò)大，近年來引入了如美國、法國、芬蘭、澳大利亞等國的紙箱強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，我國的瓦楞紙箱設(shè)計(jì)等效仿采用這些國家的標(biāo)準(zhǔn)與方法也很自然。但應(yīng)該知道，各國紙箱設(shè)計(jì)計(jì)算方法是基于自己國情的研究成果，

3、其依據(jù)原理、經(jīng)驗(yàn)公式以及技術(shù)數(shù)據(jù)等各有特點(diǎn)。同樣的包裝方案，采用不同方法設(shè)計(jì)的結(jié)果可以有相當(dāng)大的差異（見本文中四計(jì)算實(shí)例）。瓦楞紙箱設(shè)計(jì)方法的粗略化和非標(biāo)準(zhǔn)化問題實(shí)際影響了我國瓦楞紙箱設(shè)計(jì)、制造與使用水平的提高。紙箱包裝要素的確定在做商品包裝紙箱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師首先碰到這幾個(gè)問題：1. 一個(gè)紙箱內(nèi)裝商品數(shù)量與單箱重量究竟多少為宜？如何來確定？ 2. 依據(jù)什么確定紙箱產(chǎn)品的內(nèi)部排列方式，如何選擇最好的排列組合？ 3. 所設(shè)計(jì)的箱體長寬高尺寸是否有利于增強(qiáng)紙箱強(qiáng)度和節(jié)省原材料？紙箱內(nèi)裝產(chǎn)品的數(shù)量、重量、排列，紙箱內(nèi)外尺寸，以及瓦楞紙板材料規(guī)格等要素，這些都是首要的考慮內(nèi)容，因?yàn)樗鼈冏罱K決定了包裝紙箱

4、的制造、容納、儲(chǔ)運(yùn)、使用的效率、經(jīng)濟(jì)性和總體功能。 單箱重量根據(jù)國際貿(mào)易慣例，作為消費(fèi)品運(yùn)輸包裝的瓦楞紙箱的單箱重量一般不超過20 kg為宜，最大25 kg。主要考慮到搬運(yùn)工或店員的操作方便，不容易導(dǎo)致人體損傷等因素。我國國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人工搬運(yùn)的單件包裝箱最大重量規(guī)定為18 kg。據(jù)此，一般消費(fèi)商品的瓦楞紙箱貨物的單件重量限定為20 kg當(dāng)屬比較合理。當(dāng)然，大中型工業(yè)產(chǎn)品的緩沖運(yùn)輸包裝紙箱不應(yīng)受此限制。由內(nèi)裝產(chǎn)品的數(shù)量乘以產(chǎn)品單位重量可計(jì)算得到包裝貨物凈重，整個(gè)紙箱貨物重量（毛重）當(dāng)然還要包含紙箱本身材料和隔襯材料的重量（皮重）。需要說明的是，按貿(mào)易慣例規(guī)定單箱重量不大于20 kg為宜。但若設(shè)計(jì)紙

5、箱的單箱重量過小也不明智，因?yàn)樾〉募埾渌菁{的產(chǎn)品數(shù)少，材料相對(duì)耗用率高，又經(jīng)歷與大箱差不多的制造過程，小箱的生產(chǎn)、使用、包裝的總體效率不如大箱。所以，只要有可能，應(yīng)盡量接近20kg為好，以發(fā)揮最大功能。 內(nèi)容物的數(shù)量紙箱內(nèi)裝產(chǎn)品的數(shù)量主要由紙箱最大允許重量除以產(chǎn)品的單位重量來計(jì)算確定。由于要顧及內(nèi)部產(chǎn)品的長、寬、高三個(gè)方向的排列（它決定了紙箱的綜合尺寸），所以，內(nèi)裝物數(shù)量也不是可隨意選擇或確定的。設(shè)計(jì)時(shí)一般可考慮幾個(gè)不同的數(shù)量方案，然后根據(jù)既合乎重量限定，又有利于排列方式可靈活調(diào)整的原則來確定。具體來說，內(nèi)裝物品件數(shù)應(yīng)該選擇分解因子較多的數(shù)值，這樣有利于長寬高尺寸的調(diào)整。舉例來說，7、11、

6、13、17、19、23、29、41、43、47都不宜選擇，因?yàn)檫@些數(shù)分解因子只有1和其自身，沒有別的更多排列法。相反地，如選12 件，12=1223，就有1211、621、431、341、322、612等許多種可用的長寬高排列方式。而如選10件，10=125， 可用的長寬高排列方式就比12要少得多。所以，在相差不太大的幾個(gè)數(shù)值之間，一般應(yīng)該選擇可分解因子較多的數(shù)值。市場(chǎng)上的商品數(shù)量傳統(tǒng)組合以12（一打）或其倍數(shù)用得比較多，顯然有利于流通環(huán)節(jié)的模數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化。內(nèi)容物的排列方式指產(chǎn)品在紙箱內(nèi)部的長寬高三個(gè)方向上的具體排列數(shù)。實(shí)際上，在確定內(nèi)裝物數(shù)量的時(shí)候，已經(jīng)考慮到產(chǎn)品的內(nèi)部排列了。這里除了數(shù)的選

7、擇外，還涉及到紙箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、用料量等問題。長寬高方向排列，首先要考慮到箱體外部尺寸應(yīng)合乎根據(jù)人體工學(xué)原理得出的限度。根據(jù)紙箱強(qiáng)度試驗(yàn)，在同樣周邊長下，瓦楞紙箱的長寬比在1.2 1.6之間，其抗壓強(qiáng)度為最好。同樣綜合尺寸（長寬高之和）下，隨著瓦楞紙箱的高度增加，其抗壓強(qiáng)度減弱，因?yàn)槎汛a載荷主要分配在直立箱板上。事實(shí)上，當(dāng)采用頂部開啟的箱型時(shí)，高度方向的尺寸選擇余地不大。因?yàn)楫a(chǎn)品層數(shù)越多，箱體高度增加，既不方便于取物，且也不利于確保足夠的抗壓強(qiáng)度。但若過小的高度，也有負(fù)面作用。此時(shí)用于非承載面（頂面與底面）的材料與用于承載直立箱面的材料這兩者之比值，較高度大的箱體要高，故紙箱材料效能利用率差。從

8、0200的箱坯展開圖知，同樣的容積下，高度小的紙箱，其相對(duì)用料率大。箱體外部尺寸除了特殊形狀或大型工業(yè)品的運(yùn)輸箱，一般商品瓦楞紙箱的運(yùn)輸搬運(yùn)中人力介入在所難免，許多消費(fèi)商品在進(jìn)店上柜過程中，還需要店員搬運(yùn)或開箱。如果紙箱外部尺寸不合理，懷抱空間體過大，使手臂腰部用力緊張，行走困難，會(huì)導(dǎo)致人的操作疲勞或損傷。日本學(xué)者曾做過對(duì)不同重量、尺寸的紙箱貨物的搬運(yùn)試驗(yàn)，通過測(cè)量人體在搬運(yùn)過程中心肺與肌肉等指標(biāo)，推算人體的工作效率變化和疲勞極限，從而得到合乎人體工學(xué)原理的箱體外形尺寸。一般貨物紙箱的長度尺寸，長度加寬度尺寸，長寬高綜合尺寸應(yīng)該作如下限制 ：下面介紹瓦楞紙箱尺寸的具體計(jì)算方法。由單件產(chǎn)品的外部

9、（某個(gè)方向）最大尺寸乘以此方向上的排列數(shù)，再加上襯墊材料的厚度、產(chǎn)品間隙公差等，就可以得到箱內(nèi)（某個(gè)方向）最大尺寸Xi。Xi= xmax n + d (n-1) + T + kixmax為內(nèi)裝物單件最大外尺寸 ；n為產(chǎn)品排列數(shù)量 ；d為內(nèi)裝產(chǎn)品間公差（或間隙）數(shù)（小型箱取1mm/件間，中型箱取2mm/件間，軟性物品取3mm/件間，硬質(zhì)物品取+2mm/件間） ；T為產(chǎn)品間隔檔或襯墊材料厚度之和 ；ki為內(nèi)尺寸修正系數(shù)（L方向取5，B方向取5，H方向:小箱取2，中箱取4，大箱取6）。紙箱制造尺寸X，是制造時(shí)模切壓線要用到的尺寸，即箱坯展開圖上所標(biāo)注的尺寸。它是由內(nèi)尺寸加上瓦楞紙板的厚度，再加上一定

10、的修正數(shù)形成。長寬方向制造尺寸的修正數(shù)各有兩個(gè)值，這是因?yàn)橄渑鲊鄢尚蜁r(shí)疊合（釘或粘）部分箱壁厚度有所增加，但是又必須保證成型后箱內(nèi)空間的幾何方正度。X = Xi + kmKm 為制造尺寸修正數(shù)，與瓦楞紙板厚度有關(guān)，即紙板厚度加一公差數(shù)，見表1。表1 0200類瓦楞紙箱制造尺寸系數(shù)Km（單位：mm）紙箱成型后形成其外部最大尺寸，叫紙箱外部尺寸X0 ，也是運(yùn)輸紙箱外面標(biāo)示尺寸。它是由制造尺寸加上紙板厚度，再加上一定的修正數(shù)形成。Xo= X+ ko= xmaxn +d(n-1)+T+ki +km+koko為外部尺寸修正數(shù)，與瓦楞紙板厚度有關(guān)，見表2。表2 瓦楞紙箱外尺寸修正系數(shù)Ko（單位：mm）紙

11、箱材料紙箱抗壓強(qiáng)度主要源自于紙板或原紙的有關(guān)材料指標(biāo)與技術(shù)性能。包裝紙箱的功能主要取決于瓦楞紙板的楞型及楞型組合、厚度、等級(jí)、性能等。所以紙箱設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮形成瓦楞紙板的面紙、里紙、芯紙、夾芯紙（雙層瓦楞板中）的定量（g/m2）、等級(jí)，及其配比組合。我們不應(yīng)忘記除了紙的克重，紙的致密度與質(zhì)量等級(jí)也很重要。采用高克重面紙也許是提高紙板性能的最簡(jiǎn)單方法，但這樣會(huì)使材料成本顯著上升。為提高瓦楞紙板的性能而一味提高原紙的克重，從性價(jià)比角度看，不是好辦法，因?yàn)橥呃慵埌逯性埖膬r(jià)格遠(yuǎn)高于瓦楞芯紙的價(jià)格。提高芯紙的質(zhì)量等級(jí)或克重，但不增加太多成本，也可以顯著改善瓦楞紙板的強(qiáng)度性能。紙箱箱型標(biāo)準(zhǔn)中0900系

12、列為紙箱內(nèi)的各種隔檔、襯墊、支撐件。合理運(yùn)用這些附件，對(duì)提高瓦楞紙箱的整體抗壓強(qiáng)度有很大的作用?？上г谖覈埾渲圃鞓I(yè)和用戶中沒有引起足夠的重視，利用率很低，其實(shí)這是個(gè)成本低、省資源、有效果的設(shè)計(jì)選擇。紙箱相對(duì)用料率RS在同樣容積下，不同長寬高尺寸的0201型紙箱耗用紙板材料的情況顯然是不同的。由于受到實(shí)際使用條件的限制，真正選擇0201箱型中最省料（按數(shù)學(xué)方法計(jì)算）的長寬高比例2:1:2的情況不多。如能對(duì)大量使用的各種尺度的箱體進(jìn)行簡(jiǎn)單的相對(duì)用料率計(jì)算，以判斷制造該種紙箱時(shí)材料消耗率，則很有實(shí)際意義。所謂相對(duì)用料率，即某種紙箱材料消耗相對(duì)于最省料箱體（2:1:2）材料消耗的比率。根據(jù)0201箱型展開圖，可得到箱體表面積表達(dá)式：S=2（LH+LB+BH+BB）設(shè)紙箱容積為V，長寬高尺寸單位數(shù)值為K，則