纸箱在托盘上垂悬劣化对抗压强度的影响

■ 文/达成包装制品（苏州）有限公司 孙 亮，张惠忠

评价瓦楞纸箱性能的关键指标之一是纸箱的抗压强度。而影响瓦楞纸箱抗压强度的因素有很多，如箱体结构、载荷大小、堆垛方式、纸张含水率，以及不同的压线形式等。目前对这些因素的研究比较多，但很少有瓦楞纸箱堆码在木托盘上垂悬而导致抗压强度影响的研究。Uldis I.Ievans针对纸箱堆码垂悬引起的抗压强度降低指数，提出垂悬减弱因子(OLF)的计算公式[1]：

OLF=抗压强度降低率/纸箱周长垂悬率 （1）

因此，本文将从纸箱长边、短边、双边垂悬对抗压强度影响的角度出发（垂悬形式如图1所示），并考虑到不同大气环流时垂悬对瓦楞纸箱抗压强度的影响，在此基础上提出改善的解决方案。

图1 纸箱垂悬形式

1 实验

1.1 实验对象

实验使用的瓦楞纸箱为市场常见的普通0201型开槽纸箱，纸箱平面尺寸满足GB/T 4892—2008中模数要求，长宽高尺寸设为395 mm×295 mm×380 mm。楞型为BC楞，材质220 g/m2+120 g/m2+100 g/m2+120 g/m2+220 g/m2（皆为优等品）。

为了满足实验所需要的瓦楞纸箱垂悬实验组和对比组，非标木托盘尺寸及铺板间的间隙均为特殊定制。

1.2 实验设备

所用实验设备包括：微电子程控抗压强度试验仪，QD-3001A；步入式高低温湿试验箱，ETE-GDJS。

1.3 实验方法

为了使实验数据更具有实践应用价值，木托盘被放置在平坦的地面上，同时在进行实验时，每一组垂悬实验组相应的都会设置对比组。

1.3.1 方案设计

根据GB/T31148—2014中规定，常用“川字式”托盘上木条数量为11条，间隙为25 mm，如图2所示。但调查本公司的400余家客户所用1 200 mm×1 000 mm标准托盘上木条数量大多为7根、8根、9根、10根，并且木条的间隙也都大于25 mm。

图2 GB/T31148-2014中川字式托盘尺寸

实验中每个瓦楞纸箱内装25 kg的沙子作为拟装物，堆码4层。在瓦楞纸箱垂悬25 mm、48 mm、68 mm、95 mm时，分别研究：

（1）瓦楞纸箱的长、短、双边垂悬对抗压强度的影响。

（2）考虑季节性的影响，设计垂悬48 mm、68 mm时，引入不同温湿度，比较瓦楞纸箱垂悬不同距离导致抗压强度的影响。

（3）探究增加3层和5层瓦楞垫板后对纸箱抗压强度影响。

其中：以短边垂悬为例，如图3所示。

图3 短边垂悬实验

1.3.2 测试标准和方法

本次实验的抗压强度的测试按照GB/T 4857.4—2008的标准测试，每一组实验结束后，将堆码的最下面一层纸箱中的拟装物取出，封箱后放在微电脑程控抗压试验机上进行测试，并记录下测量的数值。另外，将垂悬的实验组与对比组抗压强度的差值除以对比组的抗压强度，作为抗压强度衰减率。

2 结果与讨论

2.1 长边垂悬对瓦楞纸箱抗压强度的影响

瓦楞纸箱长边垂悬25 mm、48 mm、68 mm、95 mm,抗压强度的衰减情况如图4所示。纸箱垂悬距离越长，抗压强度的衰减程度呈现上升趋势。其中：瓦楞纸箱在长边方向上垂悬95mm时，仅仅24h，抗压强度衰减9%以上。分析原因是：如表1所示，长边垂悬95mm，纸箱垂悬部分面积占比达32.20%。

图4 长边垂悬距离不同对抗压强度的影响

表1 长边垂悬对抗压强度影响

2.2 短边垂悬对瓦楞纸箱抗压强度的影响

在4层堆码时，将瓦楞纸箱的短边方向垂悬25 mm、48 mm、68 mm、95 mm，抗压强度测试结果如图5所示。24 h后，抗压强度衰减呈现缓慢上升趋势且总体偏小。但是48 h后，抗压强度衰减率有了明显的增加。与长边垂悬相比，短边垂悬致抗压强度衰减程度偏低。

图5 短边垂悬距离不同对抗压强度的影响

产生这一现象的主要原因是：如表2所示，短边方向垂悬时，垂悬25 mm、48 mm、68 mm的纸箱底部垂悬的面积占比相较于长边垂悬时整体偏小，垂悬对瓦楞纸箱抗压强度影响比较小。随着时间延长到48 h，垂悬对抗压强度的影响逐渐显现出来。

表2 短边垂悬对抗压强度的影响

当短边方向垂悬95 mm时（垂悬部分面积占比24.05%），相较于长边垂悬24 h和48 h，短边悬边抗压衰减仅有3.63%和6.8%。

2.3 长边方向上双边垂悬对瓦楞纸箱抗压强度的影响

在实际堆码时，由于操作不规范，纸箱两边同时垂悬的情况也普遍存在，但是纸箱的两边同时垂悬95 mm情况一般不会出现，因此本次实验对双边垂悬95 mm不作探究。双边垂悬情况如图6所示。

图6 双边垂悬

纸箱的长边方向双边垂悬25 mm、48 mm、68 mm，抗压强度测试结果如图7所示。

图7 双边垂悬对抗压强度影响

纸箱双边垂悬距离越长，抗压强度衰减呈现上升趋势，且24 h和48 h之间抗压强度衰减相差不大。

但是当双边垂悬68 mm时（见表3），垂悬面积占比达到了46.1%，24 h和48 h后双边垂悬的抗压强度衰减率仅有9.3%和10.8%。主要原因是：双边垂悬68 mm时，顶部载荷施加在底部纸箱的作用力相较于长边方向单边垂悬136 mm时更加均匀，且在堆码中不会出现整体失稳倾斜的问题。

表3 双边垂悬对抗压强度的影响

2.4 不同温湿度条件下长边垂悬对瓦楞纸箱抗压强度的影响

环境的温湿度是影响纸箱抗压强度的重要因素之一，本实验选择了3个温湿度模拟四季:温度23℃，相对湿度50%（春、秋）、温度5℃，相对湿度30%（冬）以及30℃，相对湿度85%（夏）。其中在实验箱中进行的高温高湿（温度30℃，相对湿度85%）环境下垂悬时，13 h就出现了纸箱坍塌的情况。因此在该条件下，只进行八小时实验。

从表4可以看出：温度5℃，相对湿度30%时，长边方向垂悬48 mm和68 mm的抗压强度衰减率相比较于23℃，相对湿度50%整体偏低。因此低温低湿度环境下，瓦楞纸箱的各项性能最佳，垂悬造成的抗压影响最小。

表4 短边垂悬对抗压强度的影响

瓦楞纸箱在高温高湿（30℃，相对湿度85%）条件下，堆码放置8 h后，抗压强度的衰减就达到27.32%和35.65%。原因是：纸箱在高温高湿环境里，垂悬造成抗压强度的衰减因纸箱含水率增加而被放大。

2.5 增加瓦楞垫板对底层纸箱抗压强度的影响

本次实验采用了材质140 g/m2+90 g/m2+140 g/m2的3层瓦楞纸垫板和材质140 g/m2+90 g/m2+90 g/m2+90 g/m2+140 g/m2的5层垫板。同时实验组中除了设置对比实验组外，还设置了纸箱放置在间隙95 mm且不垂悬的实验组。

增加瓦楞纸垫板实验组、对比组的结果如图8所示。在放置了3层瓦楞纸板和5层瓦楞纸板的瓦楞纸箱经过24 h后，抗压强度相较于对比组降低了2.9%和1.9%，并且可以发现5层垫板比3层垫板的效果更好。这是因为垫板不仅可以弱化瓦楞纸箱在堆码过程中垂悬，还间接地起到了一定的缓冲作用，有利于瓦楞纸箱堆码和运输。

图8 增加垫板后纸箱抗压强度的关系

同时，放置3层垫板的纸箱抗压强度衰减由原来的9%降低到2.9%，放置5层垫板的纸箱降低到1.9%，而一块垫板的价格约为3元人民币，与整托的纸箱相比微不足道。

3 结论和解决方案

通过对瓦楞纸箱在木托盘上不同的垂悬方式和环境温湿度变化对瓦楞纸箱抗压强度影响的实验研究，得到结论如下：

（1）垂悬相同距离，短边垂悬比长边垂悬对抗压强度影响小,同时双边垂悬相比较于单向长、短边影响要小。

（2）抗压强度衰减率与垂悬部分面积占纸箱底面总面积的百分比密切相关，垂悬面积占比在15%以内时，抗压衰减约为4%。占比15-25%时，抗压衰减约为8%。占比30%以上时，抗压强度衰减将在9%以上。

（3）低温低湿环境下，垂悬对抗压强度的影响较小。高温高湿情况下，垂悬对抗压强度影响很大。

（4）在木托盘上分别放置一张3层瓦楞和5层瓦楞垫板，24 h后抗压强度的衰减由9%(不加垫板)降低到2.9%(3层垫板)和1.9%(5层垫板)。

本次实验仅进行24 h、48 h，在实际仓库堆码以及运输中远不止24 h、48 h。为了延长瓦楞纸箱的使用寿命，避免纸箱在堆码过程中垂悬，或使垂悬距离尽量小，解决方案如下：使用国家标准托盘；在堆码中一定会发生垂悬时，尽量使用短边垂悬；仓储运输中尽量保持低温低湿。同时夏季时纸箱需要做防潮处理；纸箱尺寸在设计时应该考虑在托盘上的堆码情况，对仓储或者搬运操作工人进行堆垛培训；对于重载荷纸箱，抗压强度值设计时比较极限或者无法避免垂悬的情况下，可以在标准托盘上加放瓦楞垫板来减少抗压强度的损失。