石膏金蛋动静态力学性能研究及运输包装件设计

任春华　张佩佩

摘要：为研究石膏金蛋的动静态力学性能，优化运输包装结构，减少石膏金蛋在运输过程中破损的风险，通过压缩实验和跌落实验分析石膏金蛋的力学性能，选择合适的材料作为缓冲包装。以瓦楞纸箱作为外包装，设计纸箱尺寸，计算抗压强度。通过对瓦楞纸箱堆码强度进行校核计算，可知纸箱抗压强度远大于堆码载荷，设计安全。由此可以得出结论：跌落高度和缓冲材料的厚度均对石膏金蛋的破损有明显的影响。采用瓦楞纸板隔条结构和聚乙烯泡沫材料（expandable polyethylene， EPE）作为内部包装、AB型瓦楞纸板作外包装的石膏金蛋整体运输包装设计具有可行性。研究结果对石膏金蛋包装规格标准化出厂以及产品装卸、运输、仓储的机械化、自动化有重要指导意义。

关键词：石膏金蛋;力学性能;包装设计中国分类号：TB482.2

文献标识码：A

文章编号：1400 （2019） 04 -0040-07引言

中国石膏资源储量丰富，天然石膏的开采量巨大，对于石膏的利用逐渐引起国家的重视”。石膏金蛋广泛应用于商业促销、公司年会等多种场合。“砸金蛋”是在庆典活动和节日中广受欢迎的项目，金蛋抽奖活动可以烘托氛围，提高人们的参与度。但石膏金蛋是典型的易碎品，流通过程中的振动、冲击、碰撞等外界变化会导致商品的破损，使其失去商业价值，因此为其设计缓冲包装非常有必要。业内一些学者对产品的缓冲包装结构进行了理论研究，促进了缓冲包装设计理论及知识体系的完善。一些学者采用实验手段分析缓冲包装结构。其中，方海峰等对陶瓷工艺品缓冲包装的力学特性与包装设计进行了研究。李碧程等对盘式易碎品通用包装结构进行了设计和改进。巩雪等、王章苹等、吴萍等对高脚杯、红酒等玻璃制品设计了缓冲包装。姜鲁萌等对鸡蛋进行创新包装结构设计，所设计结构具有优良的缓冲性和促销性。整体而言，学者针对易碎品包装研究较少，对于远途运输的包装缓冲设计比较局限，许多制造行业没有完善的包装设计体系，运输包装设计缺乏标准化、系列化”。因此，在控制石膏金蛋包装成本和运输成本的前提下，产品的保护性要求需要提高。选择合适的包装材料，为石膏金蛋设计出结构合理、成本较低的包装结构，對石膏金蛋的运输流通有重要意义。

本文以高度为20cm的石膏金蛋为研究对象，对其动静态力学性能进行了实验研究。根据金蛋自身特点，对其包装缓冲结构进行了改进设计，提出了可用作运输包装的设计方案，该方案有利于石膏金蛋包装流程的自动化、标准化。

1石膏金蛋动静态力学性能测试与分析

1.1静态压缩实验

1.1.1试样及实验

取完整无损、表面光滑的石膏金蛋作为样品进行压缩测试，石膏金蛋采购自北京，高度约为20cm，竖直放置时最宽处直径约为14cm。实验设备为岛津AUTOGRAPH-IC电子万能试验机。将石膏金蛋样品正置于压缩台上，以不同的速率（6、12、18、24mm/min）压缩石膏金蛋样品，模拟样品在装箱和堆码中的受力情况。

1.1.2实验结果分析

试验统计数据如表1所示，不同压缩速度下的最大载荷如图l所示。结果显示，压缩速度为6mm/min的第一组样品所能承受的载荷远小于其他组。其他3组石膏金蛋所能承受的最大载荷没有明显规律，压缩后所承受的最大载荷值差距较大。这是由于样品本身用于节日庆典、公司促销等活动中，对材料的厚度没有均匀性要求，每个金蛋厚度不均匀，承受载荷能力分散性较大。通过对压溃之后每个金蛋顶部碎片的厚度测量，可以看出每个金蛋顶部厚度有一定差别。第一组之所以承载能力低，其主要原因在于本组样品的壁厚远小于其他组的样品。顶部厚度较厚的其他组金蛋，能承受较大的最大载荷。

1.2跌落实验

1.2.1实验

实验所采用的设备为苏州新区东陵振动试验仪器有限公司生产的PD315A型跌落试验机。本机最大载荷为lOOkg，下降高度为0.3-1.5m。试验中选用密度为0.03g/cm3不同厚度（1.3、25、5、7.5mm）的聚乙烯发泡塑料（expandable polyethylene，EPE）作为内衬缓冲衬垫。EPE置于冲击台上，将金蛋试验样品提升至预先设置的高度，模拟初速度为o的自由落体跌落，使其按预定状态落到缓冲衬垫上，记录石膏金蛋从不同高度（ 30、40、50、55、60、65、70、75、80cm）跌落的损伤情况。通过记录样品落在不同厚度缓冲材料上的破损情况，可以为缓冲材料厚度的选定提供参考。为排除实验结果的偶然性，每层高度跌落3个金蛋，记录统计不同跌落高度时金蛋的损坏个数和完整个数。

1.2.2实验结果分析

金蛋跌落在厚度为1.3mm和2.5mm的缓冲材料上，在高度预设为30cm时，全部破损，可知厚度太薄时没有对金蛋起到充分的缓冲保护性能。缓冲材料厚度为5mm和7.5mm时，金蛋的损坏情况统计如图2所示。可以看出，对于固定厚度的缓冲材料，随着跌落高度的减少，石膏金蛋的破损数在减少。在同一跌落高度下，随着缓冲材料厚度的增加，金蛋损坏的个数在减少，对金蛋的保护性能越好。这是由于在跌落高度比较低时，冲击能比较小，缓冲材料可以在一定程度上保护金蛋。缓冲材料对产品的保护性能有限，

通过对石膏金蛋的跌落试验，可知金蛋是易碎品，属于脆性材料，对石膏金蛋进行缓冲设计很有必要。以石膏金蛋跌落在不同厚度缓冲材料的测试为依据，选择厚度为7.5mm的EPE缓冲材料作为缓冲衬垫。

2石膏金蛋包装结构设计

2.1缓冲结构设计

石膏金蛋在流通过程中，主要通过汽车物流运输。在长途运输中，如果缺少用于吸收部分冲击能量的缓冲包装，直接作用于产品上的力将会增加，产品将承受较大的冲击能量。因此，通过设计选择适当的缓冲方式，可实现对内装物的保护。

2.1.1内部隔条的设计

根据金蛋易碎、耐冲击力差的特点，需要选择合适的瓦楞纸板作为隔条分隔产品，防止产品在运输过程中的碰撞，避免产品破损。对于一箱多件产品，本设计中一个纸箱内装24个石膏金蛋，分上下两层，每层以3行4列形式排列。为能将产品轻松放入隔条空间中，且保证产品在运输过程中在隔条内的晃动不明显，需要对隔条的尺寸进行合理设置。隔条内部与内装物之间的预留空隙为lOmm。在隔条的插板上开槽为一个纸板的厚度8mm，便于将两个相互垂直的隔条卡住。据所测产品尺寸，外包装的内尺寸长初定为600mm，宽初定为450mm。经计算可得：隔条在长度方向总长590mm，高度为204mm;在宽度方向总长440mm，高度为204mm。

2.1.2缓冲衬垫的设计

缓冲材料作为一种能有效沟通产品和包装的介质，在吸收冲击能量的过程中能减少振动对产品的冲击。目前石膏金蛋多采用瓦楞纸板作为缓冲材料，通过调研发现，在长途运输中产品破损率较高。发泡塑料作为常用的缓冲材料，相对瓦楞纸板、纸浆模塑材料来说，具有质量轻、易吸收变形能量、应用范围广等优点，尤其适合类似于石膏金蛋这类易碎品的包装设计。EPE又称珍珠棉，经物理发泡产生无数独立气泡而成，有隔水防震、可塑性能佳、循環再造、环保等诸多优点，是传统缓冲包装材料的理想替代品。本设计采用EPE为缓冲材料。

在产品上层、中间层、底层分别放置EPE作为缓冲包装结构，用于夹紧固定产品，防止产品在包装内晃动。分析包装箱的整体尺寸，缓冲材料的长、宽要和纸箱内尺寸相匹配，所以三片缓冲材料的长度、宽度、厚度相同：长度为600mm，宽度为450mm。通过石膏金蛋的跌落试验说明，采用厚度为7.5mm的缓冲材料可以满足对内部产品的保护要求，厚度选择7.5mm。整体石膏金蛋放置的效果图如图3所示，装箱分解模型如图4所示。

2.2石膏金蛋外包装设计

根据运输包装选用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱的标准，单个石膏金蛋平均质量为280g，一箱金蛋的数量是24个，产品的质量大约为7kg。且本次设计石膏金蛋的包装用于国内长途运输，属于内销产品，因此选择双瓦楞纸，纸板代号是D-2.3。此瓦楞纸板的耐破强度为1.1MPa，边压强度为4.5kN/m。外侧选用瓦楞较密的纸板，可抵御较大外力，有良好的印刷性能。内侧选用瓦楞数较少的纸板，在受到冲击载荷时有缓冲作用。综上所述，选用A、B型相结合的双瓦楞纸板。A型作为内侧，楞高为5mm，楞数为35个/300 mm;B型作为外侧，楞高为3mm，楞数为50个/300 mm。

根据箱纸板技术指标，由于所选用双瓦楞纸板为一等品，其所对应的纸的定量自取。内外面纸定量取300g/㎡，耐破指数为2.55KPa.㎡/g，环压指数为9N.m/g;中间垫纸定量取280g/㎡，耐破指数2.65KPa.㎡/g，环压指数为8.5N.m/g。根据瓦楞芯纸技术指标，两层瓦楞的定量取160g/㎡，环压指数为6.3N.m/g。

石膏金蛋纸箱设计选用经典箱型。02型箱是由一整块纸板经过裁切、开槽、压线制作而成，加工工艺成熟，适宜于自动化生产。选用0201型箱作为石膏金蛋的运输包装箱，黏合方式采用胶带黏合。

瓦楞纸箱的内尺寸为：

纸箱的制造尺寸是指在工厂制造纸箱时的下料尺寸。运输包装所选用双瓦楞纸板为AB型瓦楞，根据GB/T65432008《运输包装用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱》，内尺寸伸放量a=9mm、a=6mm、a=16mm、a=6mm。纸箱的接头尺寸和所选瓦楞纸板的层数、生产工艺水平有关，双瓦楞纸板接头尺寸范围为4550mm，取45mm。对于0201型纸箱，AB型双瓦楞纸板的伸放量为45mm。

瓦楞纸箱的制造尺寸为：

其中J表示纸箱的接头尺寸，F表示纸箱的摇盖尺寸。

根据GB/T6543-2008可知，0201型纸箱外尺寸和内尺寸的关系如下：

由此可以计算瓦楞纸箱的外尺寸为：

经计算，可绘制瓦楞纸箱外包装尺寸图，如图5所示。

3堆码结构设计及强度校核

3.1托盘集装

现有的托盘尺寸中，根据GB/T31148-2014联运通用木质平托盘的管理方法，结合所设计瓦楞纸箱尺寸，可以选择平面尺寸为1200mm xlOOOmm川字式托盘。为保证稳定性，选择简单重叠式堆码。为保证稳定性，堆码两层，每层摆放4箱，以2x2形式排列，对托盘的利用率超过了80%。3.2堆码强度校核

3.2.1纸箱抗压强度计算

瓦楞纸箱的抗压强度的评价，可以通过两种方法：试验法和计算法。试验法需要对包装件进行不同角度的测试，在压缩平台上按照面跌落、棱跌落、角跌落进行压缩测试，得出关于包装件的特性曲线和强度。这种方法直观可靠，但费时费工。相对来说，计算法是根据纸箱原纸种类的选用推算瓦楞纸箱的抗压强度，采用经验估算法，方法简单有效，方便调整原纸的选用，可以预测纸箱强度，使用广泛。因此选用计算法获得瓦楞纸箱的抗压强度。

（1）计算瓦楞纸板的综合环压强度Px

瓦楞纸板综合环压强度公式为：

式中r为面纸和垫纸的环压指数（N·m/g），r为瓦楞芯纸的环压指数（N·m/g），c为瓦楞纸板的瓦楞展开系数，Q为内外面纸和中间垫纸的定量（g/㎡），Qm为瓦楞原纸的定量（g/㎡）。

由箱纸板技术指标知，箱板纸的环压指数：内外面纸的环压指数r=r=9N·m/g，中间垫纸r=8.5N·m/g。由瓦楞原纸性质知，瓦楞原纸的环压指数I==6.3N·m/g。运输包装用双瓦楞纸板为AB型瓦楞，其展开系数为分别为1.6和1.4。

因此，本次设计所用瓦楞纸板的综合环压强度为：

（2）计算瓦楞纸箱的抗压强度Pc

根据美国林产研究所的凯里卡特公式（K. QKellicutt）：

其中Pc为纸箱的抗压强度（N）;Px为瓦楞纸板的综合环压强度（N/cm）;z为纸箱周长（cm）;aXz和J分别为楞常数、箱常数，AB型双瓦楞纸箱aXz=13.36，J=0.66。

纸箱周长为：z=2（L+B）=2x611十461）=2144cm

因此，所设计瓦楞纸箱的抗压强度为：

3.2.2堆码强度校核

堆码强度在包装行业中有很深的实际意义，因此除了对瓦楞纸箱计算抗压强度外，也应该进行堆码强度校核。包装件进行堆码时，位于底层纸箱承受的堆码载荷公式为：

其中P为堆码载荷，w为每件货物的重量，H为纸箱高度，h为堆码高度。

实际堆码时，当纸箱承受压力为纸箱抗压强度60%时，仅仅两天纸箱就被压溃，因此堆码压力不能超过纸箱抗压强度的60%。货物的堆码层数与交通运输工具的选择、储存空间所允许的高度有关，汽车运输中高度低于250cm。对于装有石膏金蛋的纸箱堆码，纸箱高为466mm，暂定在仓库中堆码5层，堆码高度为233cm。

为保护箱内产品，保证纸箱不被压溃变形，要求堆码载荷要小于纸箱的抗压强度。为保证这一条件的实现，需要有合理的安全系数。堆码强度条件表达式为：

式中K为安全系数。货物的储存时间决定堆码的安全系数：当货物在仓库的时间少于30天时，K=1.6;当时间在30-100天时，K=1.65;当时间超过100天时，K=2。

由以上分析可以得知，堆码高度h=233cm，H=46.6cm，每箱石膏金蛋重量由之前计算可得其值为W=8x10=80N，安全系数取2。

纸箱的堆码载荷为：

由上述计算可得24.26kN>640N（即Pc>P），因為纸箱的抗压强度远大于堆码载荷，所以所设计瓦楞纸箱具有足够的堆码强度。4结语

（1）对石膏金蛋进行了静态压缩实验，结果表明：加载速度对金蛋的承载能力无明显的影响，金蛋的承载能力主要受到其壁厚的影响。

（2）对石膏金蛋进行了跌落实验，结果表明：固定厚度的EPE，随着跌落高度的降低，石膏金蛋的破损数随之减少。同一跌落高度下，随着EPE厚度的增加，金蛋破损的个数在减少，对金蛋的保护性能更优越。选用厚度为7.5mm的EPE用于石膏金蛋包装件设计。

（3）针对石膏金蛋这类易碎品，考虑到在流通过程中的碰撞、挤压、装卸等问题，在设计中增加隔条和EPE缓冲衬垫结构进一步保护产品。

（4）设计石膏金蛋的包装结构，选用AB型双瓦楞纸板制作0201箱型纸箱。内外面纸和中间垫纸选用箱纸板，内外面纸定量取300g/㎡，中间垫纸定量取280g/㎡，两层瓦楞芯纸的定量都取160g/㎡。瓦楞纸箱的外尺寸为611mmx461mmx466mm。

（5）设计石膏金蛋包装箱的堆码结构。选定托盘的尺寸为1200mmxlOOOmm，纸箱在托盘上单层排列方式为2行2列的形式，堆码高度为2层。计算所得瓦楞纸箱的抗压强度为24.26kN，远大于堆码载荷，设计安全。

本文研究结果对石膏金蛋包装规格标准化出厂以及产品装卸、运输、仓储的机械化、自动化有重要指导意义。