不同瓦楞方向的瓦楞纸箱强度探究

陈满儒, 马领校, 张 伟

(1.陕西科技大学设计与艺术学院， 陕西 西安 710021; 2.绍兴进出口检验检疫局， 浙江 绍兴 312000)

0 引言

无论是国内销售的产品还是出口国外的产品，瓦楞纸箱都是现今用于物流环节的主要包装材料，自然在运输中对产品的保护扮演着相当重要的角色.凡是加工制造业的产品，如轻工产品、家电产品、纺织产品等，都需要采用瓦楞纸箱包装，而矿物产品、机械产品、钢材产品采用瓦楞纸箱包装的很少，但是今后重型瓦楞纸箱的发展将迅速进入了这些行业.

从纸箱包装本身的性质来看，它是一种绿色包装产品，更受欢迎.目前我国纸箱行业正在向多功能的方向发展，纸箱包装早已从单纯的运输包装向运输与销售包装相结合的方向发展，也由此引出了纸箱包装轻量化、高强度、细瓦楞、精印刷、异型箱结构以及预印问题等.因此，纸箱不仅在强度、结构方面有着很大的发展空间，而且在功能方面也有着其他包装材料难以代替的优势.

1 瓦楞纸箱的瓦楞方向及其强度性能

瓦楞纸箱是一种在运输包装中起保护作用、方便贮运的半刚性包装容器[1]，国内外学者已对其特性进行了深入的研究，如承载性能、压缩变形规律、力学模型、抗压强度计算公式等，最具代表性的是McKee[2]研究了瓦楞纸箱的抗压强度与纸板横向刚度和纵向刚度、纸箱周长、纸板平压强度之间的关系，总结出了抗压强度的经验公式——McKee公式.Gartaganis[3]、Koning[4，5]研究了瓦楞纸箱的抗压强度与纸箱长、宽、高以及纸板强度之间的关系.国内的余本农[6]等在研究McKee简化公式的基础上，总结了另一种计算方法，该方法考虑了长宽比、高度比等因素对纸箱抗压强度的影响.

瓦楞纸箱的实际保护能力直接影响到内装产品的安全，因而考虑到产品在流通过程中可能遭遇到的环境，比如集装箱的高温、阴雨连绵的季节、在堆码时承受的上层产品的压力、运输过程中的颠簸、搬运过程的碰摔等诸多因素，可能需要整体瓦楞纸箱包装件具有抗挤压、抗震缓冲、防潮防水、防静电等功能.

瓦楞纸箱几种主要强度性能和意义[7-9]如下：

(1) 抗压强度：考核纸箱可承受的最大压力值及纸箱包装设计的产品保护强度，检验纸箱是否可承受堆码重力，计算公式为：

BCT=5.87*ECT*(BP*T)1/2

(1)

其中，BCT(Box compression test)为纸箱抗压强度 (kN)，ECT(Edge crush test)为边压强度(kN/m),BP(Box inner dimension perimeter)为纸箱内周长(m)，T(Thickness of corrugated board)为瓦楞纸板厚度(m).

(2)边压强度：瓦楞纸箱承受重力主要是靠楞，边压即是考核楞强度的指标.影响瓦楞纸板边压强度的主要因素有瓦楞纸板的生产工艺、瓦楞纸板的结构、瓦楞纸板的楞形、瓦楞粘合剂等因素.

(3)耐破度:考核纸板单位面积所能承受均匀增大的最大压力值.该指标反映了纸箱在实际运输环境中承受静态的局部挤压的能力.

(4)戳穿强度：考核纸板耐外部突然冲击所能承受的能量.

瓦楞纸板是一种具有粘-弹-塑性的非金属夹层结构材料，由于在3个相互垂直的方向上植物纤维和其他成分的空间分布不同、排列及取向不同，因而其力学性质具有明显的各向异性[1].而单就整个包装件中瓦楞纸箱的作用主要是其抗挤压、耐破和防潮等性能来看，其中最主要的是瓦楞纸箱的抗压性能，瓦楞纸箱的抗压强度主要体现于瓦楞芯纸的强度和瓦楞的方向，一般纵向强度远远大于横向强度，也就是说不同强度的瓦楞芯纸做成的纸箱在横向和纵向有不同的强度.目前除了常用的一种瓦楞方向和面纸平行的瓦楞纸板外，还有一种新型的瓦楞纵向和面纸垂直的瓦楞纸板，这种瓦楞纸板的性能和结构类似于蜂窝纸板，其平压强度比较高，但是边压强度和耐折度比较低，因此它的主要用途是作为缓冲材料.

2 不同瓦楞方向的箱型[10-12]和瓦楞纸箱强度分析[13-15]

2.1 单瓦楞不同瓦楞方向的箱型及其力学性能

对于单瓦楞纸箱而言，主要有两种瓦楞纸箱比较有实用价值和工艺上的可操作性，一种是瓦楞纸箱成型后瓦楞方向平行于水平方向(以下简称为水平型单瓦楞纸箱)，这是我们现在常用的一种，这种瓦楞纸箱在垂直方向的抗压强度远远大于侧面水平方向的强度.所以，这种纸箱对于垂直受压易损的产品来说保护效果最好.从工艺上讲，排版比较节省材料，尺寸受门幅限制的幅度小，箱型如图1所示.另外一种是瓦楞纸箱成型后瓦楞方向与水平方向垂直(以下简称为垂直型单瓦楞纸箱)，这种瓦楞纸箱的强度性能刚好与水平型单瓦楞纸箱相反，其垂直受压的强度远远低于侧面水平受压，目前在瓦楞纸箱方面还没有太多实际运用，主要原因可能是工艺上受到门幅的限制，但在现实中我们经常会利用瓦楞纸板的这种特性，比如将瓦楞纸板做成围框或者用纸板作为内衬来加强瓦楞纸箱的强度.由于这种瓦楞纸箱所具有的这些特性，因此较适用于在垂直方向自身能承受较大的载荷而不易损坏，且侧面有易损件，水平方向自身承载或者抗冲击能力较差的产品，比如塑料瓶，啤酒瓶等产品，箱型如图2所示.

图1 水平型单瓦楞纸箱 图2 垂直型单瓦楞纸箱

2.2 双瓦楞不同瓦楞方向的箱型及其力学性能

对于双瓦楞纸箱而言，主要有3种瓦楞方向的瓦楞纸箱具有实用价值和工艺上的可操作性：

一种是两个瓦楞的方向相同且在成箱后均平行于水平方向的瓦楞纸箱(以下简称为水平型双瓦楞纸箱)，这种纸箱与垂直型单瓦楞纸箱抗压强度性能的特点基本相同，在实际中应用也较多，如图3所示.

另外一种是两个瓦楞的方向相同且在成箱后均垂直于水平方向的瓦楞纸箱(以下简称为垂直型双瓦楞纸箱)，这种纸箱与水平单瓦楞纸箱抗压强度性能的特点基本相同，模型如图4所示.

第三种是两个瓦楞方向互相垂直，且其中一个瓦楞方向垂直于水平方向，另外一个瓦楞方向平行于水平方向(以下简称为垂直交叉型瓦楞纸箱).由于这种箱子具有一定的对称性，所以任何一个瓦楞方向在里面或者外面均不影响瓦楞纸箱的性能，因此箱型选择里层瓦楞方向为水平型，外层为垂直型，这种瓦楞纸箱按照理论其抗压强度在各个方向是一样的，但在实际中还有待实践，具有全方位的保护功能，箱型如图5所示.

图3 水平型双瓦楞纸箱 图4 垂直型双瓦楞纸箱

图5 垂直交叉型双瓦楞纸箱

3 结束语

综上所述，对于上述瓦楞纸箱，从生产工艺和实际使用方面可以总结出以下几点[13-16]：

(1) 对于垂直型单瓦楞和双瓦楞纸箱，其生产工艺可以为流水线机械化生产，除了在宽度(门幅)尺寸有一定限制外，长度尺寸没有限制，不影响实际的应用，是目前实际应用的主要形式.由于其生产的易操作性，这两种纸箱也将一直成为主要的纸箱包装形式.

(2) 对于水平型单瓦楞和双瓦楞纸箱，其生产工艺比前两种复杂一些，所需工时较多，并且目前也只能是以一块纸板的形式生产，同时其长宽最大尺寸受瓦楞纸板生产门幅尺寸的限制，目前瓦楞纸板生产门幅有1 600 mm、1 800 mm、2 500 mm等尺寸.这两种瓦楞纸箱的优点是侧面承载能力远远强于顶部的承载能力，但对部分特殊的产品，比如自身承载能力差的产品存在易碎件突出在侧面等问题.此外，这种瓦楞箱不适于开手孔，或者开手孔时需要一定的辅件保护孔的边沿，以增强孔边缘的强度.

(3) 对于垂直交叉型瓦楞纸箱，其生产工艺和水平型瓦楞纸板基本相同，也只能是以一块纸板的形式生产，并且尺寸也受限于瓦楞纸板的生产门幅.这种瓦楞纸箱结合了前面4种纸箱的各种优点，顶部和侧面的承载能力相同，对于产品的保护是全方位的，但是底部的承载能力比垂直型双瓦楞纸箱差，侧面承载能力比水平型瓦楞纸箱差,即使是开手孔也不影响纸箱强度，这种瓦楞纸箱主要适用于类似灯泡这种各个方向都易碎的产品的包装.

[1] 郭彦峰. 瓦楞纸板结构在运输包装应用中的研究发展[J].2007 包装工程,(8)：1-7.

[2] McKee R C, Gander J W, Wachuta J R.Compressive strength formula for corrugated boxes[J].Paperboard Packaging,1963,48(8): 149-159.

[3] Gartaganis PA. Strength properties of corrugated containers [J]. TSPPI,1975,11:102-108.

[4]Koning J W. Compressive properties of linerboard as related to corrugated fiberboard containers: a theoretical model [J]. TAPPI,1975, 58(12):105-108.

[5] Koning J W. Compressive properties of linerboard as related to corrugated fiberboard containers: theoretical model verification [J]. TAPPI,1978,61(8):69-71.

[6] 余本农, 平幼妹. 瓦楞纸箱抗压强度计算方法[J]. 包装工程,1991,12(2):76-80.

[7] 宋世斌, 杜 明. 影响瓦楞纸箱抗压强度的因素及改进措施[J]. 包装工程,1996,17(5):27-29.

[8] 高宗海, 许文才. 瓦楞纸箱抗压强度的分析[J]. 包装工程,1996,17(6): 8-10.

[9] 廖梓延, 金潇明. 瓦楞纸箱开孔对耐压强度的影响[J]. 包装工程，1996,17(2)：22-24.

[10] 张华良，刘 乘，彭国勋. 瓦楞纸箱包装结构优化设计及计算机辅助设计软件[J]. 包装工程,1994,15(2):74-79.

[11] 柴培英, 王德忠，彭国勋. 瓦楞纸箱结构设计优化CAD系统[J].包装工程，1992，(5)：46-49.

[12] 曹国荣，王晓霞，于丽辉. 瓦楞纸箱计算机设计的研究[J]. 佳木斯大学学报(自然科学版),2000,18(3): 276-278.

[13] 应祖光. 瓦楞纸板承压分析法[J]. 包装工程,1990,11(2): 19-22.

[14] 高宗海, 许文才. 瓦楞纸箱抗压强度分析[J].包装工程,1996,17(6):8-10.

[15] 朱丽萍, 赵创杓, 汪文陆. 瓦楞纸箱结构对抗压力的影响[J]. 1988,19(1):20-22.

[16] 李小丽，郭彦峰. 瓦楞纸箱在运输包装系统中的应用于设计[J]. 包装工程,2006,27(3):126-127.