瓦楞纸箱的强度设计和原纸选择.doc

瓦楞纸箱的强度设计和原纸选择在瓦楞纸箱的强度设计工作中，必须考虑包装产品的流通环境和瓦楞纸箱的生产工艺两大因素，否则难以保证设计的包装能有效地保护包装的产品；同样，只有熟悉包装工业原纸、瓦楞纸板和瓦楞纸箱的性质和相关标准，才能保证包装设计的合理性，避免不足包装和过份包装。一、产品的流通环境及其对瓦楞纸箱包装的影响产品的流通环境，主要包括温湿度环境、产品堆码时间、产品堆码方式、装卸流通方式以及其他因素的影响，流通环境对瓦楞纸箱包装的影响可概括如下表1所示：表1 流通环境对瓦楞纸箱包装的影响影响因素内容和方式对瓦楞纸箱包装抗压强度影响程度温湿度环境产品储存于干燥阴凉的环境中下降10%产品采用陆路运输，环境变化较大下降30%海运出口产品下降60%堆码时间不超过1个月下降15%1-2个月下降30%超过3个月下降40%堆码方式角对角平行式整齐堆码下降5%非角对角平行式但堆放整齐下降20%杂乱堆放下降30%装卸流通方式装卸一次，很少撞击下降10%多次装卸，撞击很少下降20%多次装卸，常受撞击下降50%其他因素粘合剂中加防水耐潮添加剂提高10%贵重物品须提高150%除了流通环境，瓦楞纸箱的生产工艺对其强度也施加了不同程度的影响。二、瓦楞纸箱的生产工艺对其强度的影响瓦楞纸箱的生产工艺的影响因素，主要包括印刷工艺、纸箱长宽高尺寸及比例、纸箱开孔方式与位置和模切工艺等等。可概括如下表2所示：表2 瓦楞纸箱的生产工艺对其强度的影响影响因素内容和方式对瓦楞纸箱包装抗压强度影响程度印刷工艺单色印刷下降6-8%双色或三色印刷下降10-15%四色印刷或满版实地下降20%满版实地加多色下降30%纸箱长宽高尺寸及比例长宽比2下降20%箱高65cm下降8%纸箱开孔方式与位置纸箱两端面各开一个孔下降10%纸箱两端面各开一个手挽下降20%纸箱两端面各开一个手挽，正面开一个手挽下降30%模切工艺平压平下降5%圆压平下降20%圆压圆下降25%三、纸箱的安全系数流通环境各种因素对产品包装的影响程度，可以用一个系数K表示，这个系数就是安全系数，也叫劣变系数。假如温湿度环境、堆码时间、堆码方式、装卸流通方式等导致产品包装的抗压强度下降分别为、，则安全系数K=1/(1-)(1-)(1-)(1-)对于瓦楞纸箱包装，因为瓦楞纸箱的生产工艺的影响，安全系数需要修正。假如印刷工艺、纸箱长宽高尺寸及比例、纸箱开孔方式与位置、模切工艺等导致产品包装的抗压强度下降分别为a、b、c、d、，则安全系数K=(1+a+b+c+d+)/(1-)(1-)(1-)(1-)根据以上安全系数的推算，以及长期实践，美国材料与试验协会制订了标准ASTM D4169，在04a项中，根据不同情况和产品的贵重程度制定了相应的安全系数，如表3所示：表3 纸箱的安全系数选择四、纸箱的强度计算根据设计得到的纸箱强度，包括耐破强度BST、边压强度ECT、抗压强度BCT（必须先转化为纸板的边压强度）和戳穿强度PET等技术指标，可以参考相关的企业原纸标准和国家标准（GB/T13023-1991和GB/T13024-2003等）和以下计算公式，得到合理的原纸配材。1、瓦楞纸板的边压强度ECT(Edge Crush Test)计算公式平板线生产的瓦楞纸板，可按下列公式计算：单瓦楞纸板(SF) ECT=(面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+瓦楞纸的环压强度RCT*楞率)*1.1双瓦楞纸板(DF) ECT=(面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+夹芯纸的环压强度RCT+第一层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率+第二层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率)*1.1三瓦楞纸板(TF) ECT=(面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+第一层夹芯纸的环压强度RCT+第二层夹芯纸的环压强度RCT+第一层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率+第二层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率)*1.1RCT=环压指数*定量RCT环压强度Ring Crush Test的简称； 环压指数按国家标准，单位N*m/g;；定量按国家标准，单位g/m2。2、瓦楞纸箱的边压强度ECT(Edge Crush Test)计算公式纸板做成纸箱的过程中，由于印刷、模切等压力使瓦楞变形，导致纸板厚度变薄，边压强度下降，一般地，若印刷、模切压力调整得当，强度损失降至最低，可按下降10%左右计，因为1.1*(1-10%)=99%,所以纸箱边压不乘系数，可按下列公式计算：单瓦楞纸板(SF) ECT=面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+瓦楞纸的环压强度RCT*楞率双瓦楞纸板(DF) ECT=面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+夹芯纸的环压强度RCT+第一层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率+第二层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率三瓦楞纸板(TF) ECT=面纸的环压强度RCT+里纸的环压强度RCT+第一层夹芯纸的环压强度RCT+第二层夹芯纸的环压强度RCT+第一层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率+第二层瓦楞纸的环压强度RCT*相应楞率3、瓦楞纸板和纸箱的耐破强度BST(Bursting Strength Test)计算公式BST=各层平张纸的耐破强度之和*95%4、五层瓦楞纸板和纸箱的戳穿强度PET(Puncture Energy Test)计算公式PET=0.0054* BST+2.1635该公式中，PET的单位是焦耳（J），BST的单位是千帕（KPa）。5、纸箱的抗压强度BCT普通纸箱可用马基公式(Makee)转换：BCT=5.874*纸箱边压强度ECT*(纸箱周长内尺寸*纸板厚度)1/2卷包纸箱可用以下公式计算：BCT=同尺寸普通纸箱BCT*0.6*1.6摇盖长度的两倍/宽度外尺寸许多文献中有各种计算方法，使用起来比较麻烦，容易搞错。按上述公式得到的结果，与实际情况比较贴近。五、纸箱的原纸选择纸箱的原纸选择，可参考原纸供应商的企业标准，或GB/T13023-1991瓦楞原纸和GB/T13024-2003箱纸板，根据计算公式近似得到。表4和表5是玖龙纸业的原纸标准，具有代表性：表4 玖龙纸业箱纸板标准品 名定量(g/m2)耐破指数(KPa*m2/g)环压指数(N*m/g)水份(%)优质牛卡(AAA级)1503.89.58.02.02303.510.52803.311.0玖龙牛卡(AA级)2003.210.02503.111.0海龙牛卡(A级)1262.77.51402.78.31702.78.52002.69.02502.69.5地龙牛卡(B级)1262.47.01452.47.51752.48.0表5 玖龙纸业AA级瓦楞纸标准定量(g/m2)耐破指数(KPa*m2/g)环压指数(N*m/g)水份(%)952.57.38.02.01102.47.51202.48.51452.39.21802.310.0六、实例实例1已知出口产品包装用纸箱为BC型0201类双瓦楞纸箱，单色印刷，纸箱两端面各开一个手挽，采用圆压平模切工艺。纸箱外尺寸为505*300*340，毛重15KG。物流环境如下：(1)使用集装箱海运出口，集装箱为40尺柜，内容积为11800*2130*2180；(2) 纸箱用托盘集合包装，托盘为金属平托盘，尺寸1200*1000*110，重量8 KG；(3) 堆码时间2个月；(4) 纸箱角对角平行式整齐堆码；(5) 多次装卸，但撞击很少；试确定包装方案和纸箱材质。 解析首先，确定纸箱在托盘上的堆码方式：根据托盘平面尺寸，长度方向应摆4个，即300*4=1200，宽度方应向摆2个，即505*2=1010（允许物品超出托盘边线40mm），每层摆8个纸箱， 重量合计15*8=120 KG； 其次，确定纸箱堆码层数N和堆码方式：集装箱内高为2180，托盘高度为110，所以N=(2180-110)/340=6.09=6（取整数）于是每个托盘上纸箱数量为48个，总重为15*48=720KG，托盘集合包装总重720+8=728KG；托盘集合包装的尺寸为1200*1010*2150，托盘集合包装在集装箱内的排列方式为：长度方向上9个，1200*9=1080011800；宽度方向上2个，1010*2=20202130；高度方向上1个，21502180，总计18个托盘集合包装。第三，确定纸箱堆码强度P0：P0=G*（N-1）=15*9.81*（7-1）=883N；第四，初步确定纸箱的安全系数K0：产品海运出口，抗压强度下降60%；堆码时间2个月，抗压强度下降30%；纸箱角对角平行式整齐堆码，抗压强度下降5%；多次装卸，但撞击很少，抗压强度下降20%。所以安全系数K0=1/(1-60%)(1-30%)(1-5%)(1-20%)=4.7第五，根据纸箱的生产工艺，对初步的安全系数K0进行修正，得到修正后的安全系数K：单色印刷，抗压强度下降8%；纸箱长宽比=500/310=1.61，箱高345，无须修正；纸箱两端面各开一个手挽，抗压强度下降20%；采用圆压平模切工艺，抗压强度下降20%。所以安全系数 K= K0*（1+8%+20%+20%）=7.0第六，确定纸箱的抗压强度P：P=K*P0=7.0*883=6181 N第七，确定纸板的边压强度ECT：BC型双瓦楞纸箱的厚度d=6.5mm=0.0065m，因为属0201类纸箱，所以其内尺寸为492*287*314，内尺寸周长Z=2*(492+287)=1558mm=1.558m，于是根据Mckee公式得知：ECT=P/5.874*(Z*d)1/2=6181/5.874*(1.558*0.0065)1/2=10460N/m。第八，根据原纸市场的原纸品种，合理配材：比如苏州地区，可参考表3和表4中玖龙原纸的品种和物理性能指标进行配材，得到以下原纸组合（假设B楞楞率为1.35，C楞楞率为1.45）：组合一：AAA230/145AA/120AA/145AA/AAA230ECT=1.1*10.5*230*2+8.5*120+9.2*145*（1.35+1.45)=10540N/mBST=(3.5*230*2+2.4*120)*95%=1800KPa组合二： AA200/145AA/180AA/145AA/AA200ECT=1.1*10.0*200*2+10.0*180+9.2*145*(1.35+1.45)=10490N/mBST=(3.2*200*2+2.3*180)*95%=1600KPa组合三：A200/145AA/180AA/180AA/A200 ECT=1.1*9.0*200*2+10.0*180*(1+1.45)+9.2*145*1.35 =10790N/mBST=(2.6*200*2+2.3*180)*95%=1380KPa组合四： AA200/145AA/B145/180AA/AA200ECT=1.1*10.0*200*2+7.5*145+9.2*145*1.35+10.0*180*1.45=10450N/mBST=(3.2*200*2+2.4*145)*95%=1550KPa组合五： 总之，有多种组合，关键是要将成本与品质统筹考虑。实例2莲藕出口日本，采用盐水泡制藕片和聚乙烯塑料袋包装，该包装重18KG，外包装为0201类AB楞型双瓦楞纸箱，内尺寸390*290*290。试确定纸箱的强度和材质。解析首先，确定纸箱的安全系数K：因为纸箱内装物为液态，不能承受压力，同时该物品的价值比较低，所以根据ASTM D4169-04a，可选择K=5.0。其次，确定纸箱的堆码强度P0和抗压强度P： 由AB型瓦楞纸板的厚度（不小于7mm）可确定纸箱的外尺寸为405*305*320；再根据一般仓库或货柜内高度不超过3米，确定堆码层数N=3000/320=9层；纸箱包装毛重暂定为20 KG，于是堆码强度P0=G*（N-1）=20*9.81*（9-1）=1570 N抗压强度 P=K* P0=5*1570=7850 N第三，确定瓦楞纸板的边压强度ECT：根据瓦楞纸箱的内尺寸390*290*290 得到纸箱内周长Z=2*(390+290)=1360=1.36m, 瓦楞纸板厚度d=7mm=0.007m，所以瓦楞纸板的边压强度ECT= P/5.874*(Z*d)1/2=7850/5.874*(1.36*0.007)1/2=13700 N/m。第四，确定纸箱材质：假设该纸箱A楞楞率1.55，B楞楞率1.40，则由以下的典型配材 AA250/180AA/180AA/180AA/AA250ECT=1.1*11.0*250*2+10.0*180*(1+1.55+1.40)=13870N/mBST=(3.1*250*2+2.3*180)*95%=1865KPa第五，校验纸箱毛重：纸箱制造尺寸