日化用品瓦楞纸箱 优化设计实例

武丽丽

运输包装是以运输储存为主要目的，其具有保障产品安全、方便储运装卸、加速交接等作用。对于日化用品而言，主要的运输包装容器是瓦楞纸箱，以瓦楞纸箱为基础的运输包装系统设计是一个多目标多变量的问题。在运输包装设计时，要想做到强度最佳、成本最低的恰好设计，需要了解产品流通环境、合理利用包装材料与包装技术，综合考虑各种因素，经过多次设计验证，最终选择最优方案。

日化用品包装大多以玻璃瓶、塑料瓶为主。本文将以PE瓶为例，详细介绍其运输包装优化设计过程，PE瓶的形状及外形尺寸如图1所示。由于0201型瓦楞纸箱应用最广，具有省料、易加工、使用方便等优点，故将瓦楞纸箱箱型确立为0201型。

瓦楞纸箱尺寸设计

首先需确定内装物数量及排列方式，根据国家标准的相关要求和实际操作（包括流通和生产搬运）的要求，单件运输包装的重量应不超过18kg，日化用品装箱后总重量应不超过15kg，数量应为12的倍数或约数。该PE瓶尺寸为94mm×54mm×248mm，容量为600g，瓶重约30g，因为一般瓶装产品为液体，只能竖立摆放，不考虑侧放或平放，这样高度较高，因此高度方向只能摆放一层。

1.尺寸比例约束条件

（1）纸板用量：长宽比例在2∶1左右的箱型，其材料用量最节省。

（2）抗压强度：长宽比例选择 1.2～1.6范围内，可以使瓦楞纸箱达到最佳的保护。

（3）堆码及标准化研究：根据常用托盘规格1200mm×1000mm，以及组合分割和模数分割相结合的方法来制定标准化尺寸系列，确定常使用的比值有3/2、4/3、5/4、6/5、17/12等。由于最终的堆码谱为砖堆状，上下左右均有联系，可有效弥补整数分割堆码谱易倒塌的不足。

（4）美学因素：黄金分割点0.618是公认的最具美感的比例。

（5）安全原则：除了特殊或大型的商品外，一般瓦楞纸箱的外形尺寸应有所限制。在现代工业社会中，作业者（人体）与作业对象和工作环境之间的协调性愈发重要，根据人体工程学原理，不合理的物体外形会导致人体作业疲劳和发生损伤。根据人体双手平行前伸时两臂宽度，以及人体搬箱时上臂环抱空间的尺度范围，可推算出适合人体的瓦楞纸箱尺寸范围。

男性：L≤4 5 0 m m，L + B≤850mm，L+B+H≤1200mm。

女性：L≤4 0 0 m m，L + B≤750mm，L+B+H≤1050mm。

2.设计尺寸计算方法

（1）接头尺寸

瓦楞纸箱通过钉合或黏合剂黏合接头成型时，接头尺寸一般根据瓦楞层数及工厂的工艺水平而定。三层瓦楞纸板的接头尺寸为35～40mm，五层瓦楞纸板的接头尺寸为45～50mm，七层瓦楞纸板的接头尺寸为50mm。本例中所使用的瓦楞纸板统一规定为BC五层瓦楞纸板，根据实际情况，其接头尺寸定为45mm。

（2）对接摇盖尺寸

在瓦楞纸箱摇盖对接封合的箱型中，摇盖宽度制造尺寸理论值应为箱宽或箱长的1/2 ，但是由于摇盖的回弹作用，必然在摇盖对接处产生间隙，使封箱不严造成内装物被灰尘污染。因此，对接摇盖宽度制造尺寸应加上一个修正值。对于常用的开槽箱型0201型纸箱，A型楞三层瓦楞纸板的修正值为2～3mm，AB型楞五层瓦楞纸板的修正值为4～5mm，BC型楞的五层瓦楞纸板的修正值为3～4mm。

根据上述设计原则，确定装箱数量，按照一般瓦楞纸箱设计计算方法，计算各方案瓦楞纸箱尺寸及长宽比例，具体结果如表1所示。

按照上述尺寸约束比例条件限制，选择方案3、4、5、8进行初步方案比较，如表2所示。

评价结果：①这4种方式码垛效果相差不大；②方案8托盘利用率最高，储运成本最省；③方案3每箱瓶数越多，纸板平均使用量越小，原材料成本最低；④每箱瓶数越少，装箱数量越多，工艺角度人工成本略有增加。 综合以上分析，方案3成本最低且基本满足设计要求，因此选用方案3作为初步确定方案。

下面，以方案3的瓦楞纸箱尺寸为对象，对瓦楞纸箱进行强度设计。

瓦楞纸箱强度设计

根据产品高度确定堆码层数Nmax=H÷h（取整数）=2.5÷0.28= 8（层）。

根据堆码层数估算堆码强度Ps=G×（Nmax-1）=15.12×7=105.8kg。

安全系数K的选择：内装物不能承受任何载荷的安全系数为7；内装物能承受1～2倍载荷的安全系数为5；内装物能承重3倍以上载荷的安全系数K为3。该内装物为尺寸较规则的塑料瓶，经测试其垂直载荷强度为30kg，每箱瓶数为24瓶，总承载能力720kg，大于3倍载荷105.8×3=317.4kg，因此安全系数K取3。

计算抗压强度P：P=Ps×K=105.8×3=317.4kg=3111N

根据边压强度公式ECT=P÷（5.874×T×C），其中T表示纸板厚度，C表示纸箱周长，则可确定边压强度为7048N/m。根据已有的纸板强度等级标准，选择ECT>7048N/m的瓦楞纸板。

根据传统设计方法确定出理论尺寸，制作样箱装箱，并进行验证，主要包括以下几方面：

（1）根据设计要求进行瓦楞纸箱外观、尺寸检验，一般主要检验尺寸、钉合方式、摇盖、印刷质量等。

（2）根据瓦楞纸箱强度标准要求对空箱及其材质的物理性能进行测试，如纸板耐破度、边压强度及瓦楞纸箱抗压强度的测试，其反映了瓦楞纸箱内在强度质量，也是运输包装的主要考核指标。

（3）瓦楞纸箱装入商品后，进行破坏性模拟试验，如跌落试验、运输模拟试验等，具体试验方法可根据相关国家标准进行。

（4）需对所确定方案进行工艺验证，确保该方案对装箱效率、封箱设备等的适应性。

总结

综上所述，瓦楞纸箱结构优化的步骤如下：

（1）确定内装物的排列方向。

（2）计算内装物长宽高尺寸排列数据。

（3）考虑瓦楞纸箱强度、堆码状态和美学等因素，选择2组以上较适合内装物排列方向的方案。

（4）综合比较各方案的结果，选择一个最优的瓦楞纸箱结构尺寸。

（5）根据已确定的结构尺寸进行强度设计校核，并确定纸板等级用纸。

（6）若现有纸板标准不能满足理论强度要求，根据实际情况更改所选方案或增加纸板材质标准等级。

（7）根据设计计算结果制作样箱，并进行验证。endprint