轻型发动机包装箱局部以纸代木应用研究

付兆利 巨杨妮 谭磊 张辉鲁 崔佩羽 程森杰

摘 要：本文以轻型发动机包装箱为研究对象，研究使用七层瓦楞纸板作为包装材料进行轻型发动机包装方案的设计、力学分析、空箱抗压试验，最终得到适用于轻型发动机的局部瓦楞纸包装箱方案，为解决发动机实木包装箱启封后难处理以及实木原料紧张的问题提供了依据。

关键词：局部以纸代木包装箱；包装箱结构；瓦楞纸板；单板层积材；力学分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.001

0 引言

长期起来，木材作为产品包装的基础材料之一，在箱、托盘、托架等运输包装产品中应用非常普遍。而近年来，出于对森林资源匮乏和环境保护方面的高度关注，各国对木制包装产品提出了许多绿色壁垒和政策要求，致使世界范围内的木制包装容器已经日益受到限制[1]。同时失去使用功能的废弃木制品中通常含有铁钉、连接件等磁性金属杂物[2]，加之利用废旧木材需经过回收、分拣、储运、加工等多个环节，其成本较高，导致用废旧木材还不如用好木材原料更为合算，这样就失去了利用废旧木材的经济性[3]。因此发展代木包装对国家、对企业都具有特别重要的意义。

为解决上述问题，打造从材料生产、包装设计和包装废弃物的回收处理全生命周期的绿色生态化，本文以轻型发动机用包装箱为研究对象，研究选用七层瓦楞纸板作为包装材料进行包装箱方案的设计、力学分析、抗压试验，为后续发动机纸包装箱的设计提供有益参考。

1 研究对象及防护包装要求

本文研究对象是某企业轻型发动机用包装箱，轻型发动机基本参数为：重量320kg，外轮廓尺寸1200mm×660mm×800mm，采用运输支架及螺栓固定在包装箱底盘上。

根据对发动机贮运和贮存期的综合调研考虑，发动机瓦楞纸包装箱设计有效寿命为一年，日期从包材入库开始计算，保证发动机在有效截止日期内不发生机械物理损伤、不降低性能。

为提高运输效率、降低运输成本，满足转运需求，要求瓦楞纸包装箱能实现双层堆码。

2 包装箱材料选择

根据包装箱承载及可靠性的要求，包装箱方案设计为木制底盘+高强度多层瓦楞纸围板结构。

2.1 底盘材料

底盘主要起承重及固定发动机作用，选择单板层积材作为底盘主要承力木构件，因单板层积材是由厚单板沿顺纹方向层积组坯、热压胶合后切割而成的工程材料。其可以利用小径木、短原木以及弯曲木等低质木生产，体现了小材大用与劣势优用的增值效应；同时，单板层积材的许用设计应力较高，强度变异系数小，具有极强的减震与抗震性能。

2.2 围板材料

围板起支撑上部堆码载荷及防护整机作用，包装箱用七层瓦楞纸板（由三层瓦楞紙和四层薄纸交替粘合而成），厚度15 mm，配纸为：450g美卡/180g高强瓦楞/190g牛卡/180g高强瓦楞/190g牛卡/180g高强瓦楞/450g美卡。

2.3 箱盖材料

箱盖起支撑上部堆码载荷及防护整机的作用，本方案选择蜂窝纸板作为盖板材料，厚度20mm。

2.4 加强材料

为保障包装箱在多变的运输环境中功能持续，本方案增加以牛皮纸和纱管纸为原料的护角，布置在包装箱内部四竖边和围板内部中间位置，以增加包装箱的整体承重能力。

3 包装箱局部以纸代木模型确定

根据包装箱设计输入确定方案如下：

包装箱三视图及立体分解图见图1。

4 包装箱底盘力学分析

包装箱底盘材料主要由单板层积材及瓦楞纸护边组成，受力构件采用单板层积材，箱板采用胶合板发动机使用运输支架固定在底盘枕木上，底盘枕木受两点集中载荷的作用。

底盘枕木受力分析参照框架木箱国家推荐标准GB/T7284-2016进行。如图2（a）所示，枕木在a点和b点受到W/2的两点集中载荷时，点a的弯矩为：

Ma={L-（l1-l2）/L}*（W l1）/2 （1）

点b的弯矩为：

Mb={L-（l2-l1）/L}*（W l2）/2 （2）

为计算简便，将枕木受力模型简化为简支梁，当在其长度方向上受均布载荷作用时，如图2（b）所示，枕木的许用弯曲载荷W为：

W=（4bh2fb）/（3L） （3）

式中：W—枕木的许用弯曲载荷，单位为牛顿（N）；b—枕木的宽度，单位为毫米（mm）；h—枕木的厚度，单位为毫米（mm）；fb—木材的许用抗弯强度，单位为兆帕（MPa）；L—外侧滑木的内间距，单位为毫米（mm）。

当枕木受均布载荷时其弯矩为：

Md=（WL）/8 （4）

本方案中L=700 mm， l1=185 mm， l2=136 mm，l1>l2。

此时a点的弯矩大于b点的弯矩，选弯矩大的a点，作为计算枕木受两点集中载荷时对受均布载荷时许用弯曲载荷的倍数，即：

Md/Ma=（L2）/{4（L-l1+l2）*l1} （5）

即：Md/Ma=1.04

据GB/T7284-2016中表8可得，枕木厚度为60mm时，每10mm宽枕木的许用弯曲载荷（均布载荷时）为754.3N，从而得出枕木受两点集中载荷时的许用弯曲载荷为：f=784.5N；内装物质量按400kg计算，则内装物载荷为：400kg×9.8N/kg=3920N；考虑到包装箱在储运过程中受力特点，将包装箱内装物在储运过程受的动载荷取值为静载荷的2倍，即动载荷为：7840N；从而得出单根枕木的宽度为：3920N/754.3N×10mm=52 mm。

因枕木上运输包装支架固定孔直径为?15，理论所需枕木宽度为70mm，为保证运输包装支架底板完全落在枕木上，故包装箱底盘枕木规格80mm×60mm满足应用要求。

5 包装箱纸围板堆码强度分析

为满足包装箱双层堆码需求，包装箱采用3A高强瓦楞纸板及相应的纸护角作为箱体承重结构。堆码时，上层包装箱和包装件的总重量对下层包装箱产生的作用力，主要由箱盖和包装箱体承受[5]。

包装箱纸围板的理论抗压强度可以运用马基简易公式获得：

P=5.874Pm *sqrt（tZ） （6）

式中：P—瓦楞纸板抗压强度 （N）；Pm—瓦楞纸板边压强度（N/m）；Z—瓦楞纸箱周长（m）；t—瓦楞纸板厚度（m）；5.874为常数。

由此得出包装箱理论空箱抗压强度：P=2t。因瓦楞纸板的抗压能力与实际储运流通环境、储存期、堆码方式及装卸条件有关，所以包装箱的抗压强度需考虑一个安全系数K，强度安全系数K的计算方式如下表2所示：

由此可得：K=5，所以包装箱在强度安全系数K=5的情况下可承载：400kg，某轻型发动机整机重量320kg，包装箱重量49kg，堆码载荷重量为369kg。包装箱理论空箱抗压强度符合要求。

6 包装箱空箱抗压强度测试

纸包装箱抗压强度是指包装箱空箱立体放置时，对其上面匀速施压，箱体所承受的最大压力值，瓦楞纸箱的抗压强度可以等效为瓦楞纸板屈曲时所受载荷的总和。瓦楞纸箱的抗压强度既是评价瓦楞纸箱的重要指标，又是设计瓦楞纸箱的重要条件[6]。

因本方案中纸护角及纸方管的抗压能力未进行理论值计算，为得到包装箱综合抗压能力，进行空箱抗压测试。

试验方法：将制作好的包装箱置于恒温恒湿实验箱中，按照GB457.2-2005的要求在湿度85%，温度为38℃的条件下预处理24小时，预处理结束，将包装箱试件置于抗压试验机下压板中心部位，给上压板和试件一个预压力，使试件在试验过程中受力更加均匀，预压力取19.6KN，然后以12mm/min的速度均匀移动压板的距离，直到试验样品变形压溃为止，如图3所示。通过试验得出包装箱的载荷-变形曲线，其载荷峰值即为包装箱的综合抗压强度。

经抗压试验局部以纸代木包装箱综合抗压能力为5t，符合应用要求。

7 结论

通过对轻型发动机用包装箱进行局部以纸代木结构设计，以及对此结构包装箱底盘、围板强度进行理论校核，最后进行包装箱空箱抗压强度试验，得出局部以纸代木包装箱可以满足轻型发动机的包装与堆码需求，并且局部以纸代木包装箱能大量节省实木，包装废料处理简单，为轻型发动机用包装箱绿色设计提供了参考。

参考文献：

[1]张新昌等.代木包装：资源循环利用的重要途径[J].包装论坛，2009（01）.

[2]肖小兵等.我國废旧木材回收利用需要解决的问题[J].林产工业，2006（01）.

[3]陶以明.我国废旧木材回收利用存在的问题及其解决对策[J].中国人造板，2008（02）.

[4]鄢腊梅等.瓦楞纸箱抗压强度计算方法及计算机辅助设计[J].株洲工学院学报，2000（01）.

[5]丁毅等.局部以纸代木包装箱的研究[J].包装工程，2011（05）.

[6]陈琼.瓦楞纸箱振动疲劳损伤试验研究与有限元分析[D].暨南大学，2013.