节能减排快递包装箱.docx

可变形、回收快递包装箱作品说明书【摘要】随着快递业的蓬勃发展，纸质包装箱得到了广泛的应用，而众所周知，现行的纸质包装箱及内部填充物多为一次性利用，造成了一定的污染与浪费。针对此现象，并从节能减排角度出发，本作品设计了一种能反复利用，可变化体积，同时具有较高操作性与安全性的新型快递包装箱。【关键词】快递包装箱 重复利用 体积可变 安全可靠1、设计背景随着社会的发展，快递行业应运而生，在快递物品的运输过程中会用到大量的包装箱，这些包装箱多为纸箱且为定制。以邮政用6#纸箱为例（260*150*180），这种型号的箱子价格为1.5元人民币，且多为一次利用。这样在快递过程中就增加了成本。在装箱时商家大多在箱体内部填充大量的废纸或者泡沫以此来起到缓冲、减震的作用。为防止箱体破裂后造成箱体分离，商家还会在箱体外部粘贴大量胶带。根据我们对校内几家快递公司的调查发现，快递物品多为网购，据一位老板透露，仅曼秀雷敦在淘宝上的一家商铺每天的发货量就高达数千件。就现有快递包装箱而言不仅耗费了大量的物力和财力而且这些物品丢弃时还会对环境造成一定程度的污染。鉴于此，我们设计了一款可变形回收的快递包装箱，不仅可以多次利用降低使用成本而且不会对环境造成污染。在这些箱体达到使用寿命以后还可再回收，将快递行业对环境污染降低到了较低的水平。2、箱体结构本包装箱由可变形侧壁、上下底板、内部气囊、外部弹性带以及安全纽扣四部分组成。2.1可变形侧板侧板由面积比为1:2的两块板相间排列而成，共八块，通过组合可实现三种不同体积的变形。以校内快递公司最常用的九号箱为例，我们取两块板的面积分别为40 X160mm，80X160mm。两块板之间可通过帆布材料首尾连接成一圈。根据长宽的不同搭配可组合成120x120x160mm、40x200x160mm、80x160x160mm三种体积。具体形状如图1：图1箱体 不同体积示意图2.2上下底板每一种形状的侧板各有一对上下底板与其相配。在上下底板的边沿有深为10mm，宽为3mm的凹槽，侧板可以插入此凹槽中，起到稳定侧壁形状的作用。具体形状如图2：图2 上下底板结构2.3内部气囊上下底板以及侧板处各粘有一块气囊，三块气囊之间可通过气囊接口连接在一起。侧板处有一充气口，可实现气囊的充放气。具体形状如图3：图3气囊结构2.4安全防盗扣根据调研我们发现，现有的能起到固形以及防止箱体被压溃作用的快递用品是胶带，据了解一般较小的快递点每月的胶带用量高达40卷左右，且这种胶带是不可回收利用的，造成了极大的污染浪费。从节能的角度出发，对包装箱的安全性进行充分的考虑，我们决定采用三球结构的防盗扣，其结构如图四所示：图4防盗扣结构图图5扣钉、扣帽与箱体连接图其工作原理如下：只需轻轻一按，三球结构就可将伸入的扣钉巧妙地锁扣起来，普通人力无法将其打开。图4中的三球结构3连同4、5、6机构固定在底板上，上下各四个，扣钉1镶嵌在侧板上。如图5所示，为了操作简便，三球结构的外部采用锥形，使得扣钉与三球结构的对准更加准确，快捷。当扣钉与三球结构紧扣在一起时，上下底板与侧板紧紧固定在一起了。如图6所示：图6连接示意图打开安全防盗扣需要使用磁铁，当磁铁接近该锁扣时，结合在一起的两部分在磁铁的引力作用下分开，然后可将上下底板取下。具体操作如图7所示。将防盗扣与包装箱结合在一起，提高了箱体的安全性。图7 箱盖开启操作图2.5 外部弹性带为稳定箱体形状，增加箱体强度，在上下底板处各固定有两根弹性带（聚四氟乙烯）。上底板横向固定两根，下底板纵向固定两根。具体形状如图8：图8 弹性带结构3、选材及受力分析3.1、侧板及上下底板快递包装箱的箱体应具有强度高、硬度高、密度低、价格便宜等特点。根据我们查阅资料以及对材料市场的观察发现，EVA、PE等是比较理想的制作材料。以PE为例，PE材料具有强度高、耐腐蚀性强、耐酸、碱性能佳、密度低、价格便宜、使用寿命长等优点。以厚为2的PE材质螺纹管为例，下面是其技术指标：1、压力实验： 30s内负荷750N（中应力类型），持续1min，直径变化率小于25%2、冲击实验： 60处理240h，又在0放置2h，于300mm高处用2.0Kg锤子（大应力类型）冲击，无损坏。3、管材冷弯性能：管材在90o至180o范围内可弯，目测未发现明显结构缺陷4、环刚度18.05、断裂伸长率（%）200这些性能皆优于纸箱，因此，采用PE可达到相应要求。据研究，该PE管使用寿命为5070年。快递包装箱会经常装卸、搬运，对箱体造成的破坏较大。因此，我们假设PE板材制成的包装箱使用寿命为100次。本作品的质量计算过程如下：密度0.9 g/cm3假设板的厚度均为3mm小板尺寸 40*160 （4块）重量 23.04*3=69.12 g大板 80*160 （4块） 46.08*4=138.24 g底板 40*200 （2块） 28.8*2=57.6 g总重量69.12+138.24+57.6=264.96 g调查发现快递专用的9#箱，质量为150g，加上内部填充物后，总质量约为320g。而本作品的质量在加上内部气囊等机构之后，约为400g，加之，快递称物品重量时以1KG为分界线，因此，可变形、回收快递包装箱在质量方面是比较合理的。3.2、气囊本作品所用气囊为橡胶制成的薄壁密封可变容器。减震气囊通过内部气体压缩吸收包装物品的冲击能量，从而达到减小冲击过载 ,保护内部物品的目的。在包装箱运输过程中，一般处于平稳运行，箱体所受压力较小。在对货物进行装卸时容易对箱体造成破坏。分析装卸时气囊受力：包装箱的运动可分为两个方向：水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。由于本包装箱上各模块气囊是相通的，可将它们视为一个气囊考虑。挤压过程可分为以下几个阶段：气囊从触地开始压缩气囊开始变形物体开始减速气囊继续变形包装箱完全触地速度降为零气囊被压缩到临界状态（此时最容易对气囊造成破坏）物体速度降为零3.2.1气囊的设计目标气囊减震冲击的目的是防止物体突然被抛落坠地的冲击过载，以免对箱内物品造成破坏。分析减震气囊的工作过程可以看出，如果工作过程中存在某一时刻t，当物体速度V（t）=0且气囊依然保留一定厚度，此时气囊设计即为成功，气囊的高度是30mm，为了使物体在包装箱内得到一个固定，设置气囊的预压缩量为10mm，在气囊的具体计算中，我们直接将临界状态作为计算的状态，即压缩量h=20mm。根据调研结果，我们收集了一部分箱体的常用尺寸。计算中我们取120X120X160规格箱子的作为计算对象。本作品的侧板为八块拼接而成，侧板的面积为是40X160和80X160，为防止转角处气囊相挤压同时气囊的边界与侧板的边界不重合，假设气囊尺寸为侧板是140100X20，底板为110X110X20，由于与侧板相比，底板是处于一个较危险状态，所以计算时直接选择底板进行研究。为便于计算分析，同时为了保证精度，我们可做如下假设：1、气囊形状为长方体；2、气囊本身变形忽略；3、气囊所受力为瞬间冲击；4、由于冲击时间短、冲击力较小，所以气体温度变化可忽略不计；5、工作介质为空气。3.2.2气囊计算在此实际过程中，由于进行得较快，压缩过程转变的热能来不及向外释放，可以大致看为绝热过程；因此，可以利用可适用于可逆或非可逆过程的功的计算公式，即，W=-U .(1)式中，W 外界对气囊所做的功U 气囊内气体的热力学能对该过程取平均比热容，即可得，U=CVT= CV(T1-T2)W= CV(T2-T1) .(2)由我们所设计的模型尺寸可得：a，气囊初始体积V1=1.60410-3m3气囊末了体积V2=1.36210-3m3b，物体与气囊接触面积 A=6.410-3m2c，气囊内初始压强P1=8.288104Pa大气压强P0=1.01105Pa d，初始温度T1=293.15Kf，物体质量m=0.4Kg物体被抛出前的高度 h=1.5m P2的计算：当物体在气囊上处于一个临界状态时，最危险面上存在平衡P0A +mg= P2A ，代入数据可求得，P2=1.016105PaT2的计算：由理想气体的状态方程，即, P1V1=nRT1P2V2=nRT2代入数据，可求得T2=305.14KU的计算：查表可得空气的平均比热容CV=0.716KJ/(KgK)由U=CV（T1-T2）代入数据可得，U=-7.16 KJ/Kg=-8.586J/g气体质量的计算：由P1V1=nRT1，可求得n=0.0545molm=nM=1.5818g由、可得，气囊内气体能量的变化为：W=13.5813J平抛物体之后，物体从离开人手到接触地面的途中，其能量变化主要是机械能的改变，即重力势能与动能的减少，由机械能的计算公式 W=12mv02+mgh,代入数据可得，W=6.68J.由于WW，危险面气囊内的气体是完全可以吸收来自物体的冲击载荷的作用的，从而进一步证明了我们的气囊尺寸设计是合理的。 通过以上的计算分析，以及对充气后的气囊不将其内部物品压溃的详细考虑，结合一些类似的实验及生活经验，我们对包装运输的产品进行了大致的归类，并且综合考虑各方面因素，对气囊的充气气压给出如表1所示的参考值：表1：气囊充气气压参考值物品种类衣物类有较硬外壳包装类食品类化妆品类电子产品类其它一般物品充气值104Pa1.22.53.04.24.35.86.27.17.49.24.07.04、创新点1）、用可变形、回收快递包装箱代替现有纸箱，可多次使用，降低使用成本。一套可变形、回收快递包装箱可实现三种不同形状变形，增加了其适用范围。2）、用弹性带代替现有胶带，在实现相同目的的同时减少了胶带的浪费和胶带丢弃时对环境造成的污染，同时也节约了包装时间，提高了工作效率。3）、箱体上安全纽扣的引入不仅增加了箱体的安全性更提高了箱体整体的强度。5、应用前景在工作前期，我们对校内6家快递公司进行了调研。经过调研我们发现，仅西南交通大学校犀浦校区校内淡季时每天的货物收发总量就高达2200件，其中约有80为网购，网购所用箱体约有90为订制。以校内使用最为普遍的9号箱（195*105*135）为例，其制作成本为1元且为一次使用。相同容积的可变形、回收快递包装箱批量生产价格约为8元左右，使用次数可达100次。这样每次的使用成本减少到0.08元，比现有的降低了12.5倍。根据我们对校内外6家快递公司的调研，有3家主动表示愿意试用可变形、回收包装箱。因此，可变形、回收快递包装箱有一定的可行性。由于快行业发展以及网上购物时间较短，还具有广阔的发展空间，因此可变形、回收快递包装箱具有较好的推广价值。6、成果展望由于时间关系，目前我们的实物制作还没有完成，现在只是半成品。因此，现阶段工作大部分都只是处于理论研究阶段。一个好的作品应该在实现相应功能的情况下降低成本、减少污染，同时应该注重用户体验。因此下面将介绍一下我们有关这两个方面的后期展望。降低成本：降低成本的途径有两个。1、 采用新型材料，能实现相同功能，使用寿命相同但价格便宜；2、 采用新型材料，更好地实现预期功能，在不增加成本的情况下增加使用寿命因此在后期我们应该深入市场，查找更优的能符合标准的复合材料。同时多请教相关领域的老师，多从专业网站查找负责标准的材料。在用户体验方面我们应该多做试验多进行实践。1、 根据现有的材料，即PE、EVA、PVC材