輕型發(fā)動(dòng)機(jī)包裝箱局部以紙代木應(yīng)用研究

付兆利 巨楊妮 譚磊 張輝魯 崔佩羽 程森杰

摘 要：本文以輕型發(fā)動(dòng)機(jī)包裝箱為研究對(duì)象，研究使用七層瓦楞紙板作為包裝材料進(jìn)行輕型發(fā)動(dòng)機(jī)包裝方案的設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、空箱抗壓試驗(yàn)，最終得到適用于輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的局部瓦楞紙包裝箱方案，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)木包裝箱啟封后難處理以及實(shí)木原料緊張的問(wèn)題提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：局部以紙代木包裝箱；包裝箱結(jié)構(gòu)；瓦楞紙板；單板層積材；力學(xué)分析

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

0 引言

長(zhǎng)期起來(lái)，木材作為產(chǎn)品包裝的基礎(chǔ)材料之一，在箱、托盤、托架等運(yùn)輸包裝產(chǎn)品中應(yīng)用非常普遍。而近年來(lái)，出于對(duì)森林資源匱乏和環(huán)境保護(hù)方面的高度關(guān)注，各國(guó)對(duì)木制包裝產(chǎn)品提出了許多綠色壁壘和政策要求，致使世界范圍內(nèi)的木制包裝容器已經(jīng)日益受到限制[1]。同時(shí)失去使用功能的廢棄木制品中通常含有鐵釘、連接件等磁性金屬雜物[2]，加之利用廢舊木材需經(jīng)過(guò)回收、分揀、儲(chǔ)運(yùn)、加工等多個(gè)環(huán)節(jié)，其成本較高，導(dǎo)致用廢舊木材還不如用好木材原料更為合算，這樣就失去了利用廢舊木材的經(jīng)濟(jì)性[3]。因此發(fā)展代木包裝對(duì)國(guó)家、對(duì)企業(yè)都具有特別重要的意義。

為解決上述問(wèn)題，打造從材料生產(chǎn)、包裝設(shè)計(jì)和包裝廢棄物的回收處理全生命周期的綠色生態(tài)化，本文以輕型發(fā)動(dòng)機(jī)用包裝箱為研究對(duì)象，研究選用七層瓦楞紙板作為包裝材料進(jìn)行包裝箱方案的設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、抗壓試驗(yàn)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)紙包裝箱的設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 研究對(duì)象及防護(hù)包裝要求

本文研究對(duì)象是某企業(yè)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)用包裝箱，輕型發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)為：重量320kg，外輪廓尺寸1200mm×660mm×800mm，采用運(yùn)輸支架及螺栓固定在包裝箱底盤上。

根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)貯運(yùn)和貯存期的綜合調(diào)研考慮，發(fā)動(dòng)機(jī)瓦楞紙包裝箱設(shè)計(jì)有效壽命為一年，日期從包材入庫(kù)開始計(jì)算，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在有效截止日期內(nèi)不發(fā)生機(jī)械物理?yè)p傷、不降低性能。

為提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本，滿足轉(zhuǎn)運(yùn)需求，要求瓦楞紙包裝箱能實(shí)現(xiàn)雙層堆碼。

2 包裝箱材料選擇

根據(jù)包裝箱承載及可靠性的要求，包裝箱方案設(shè)計(jì)為木制底盤+高強(qiáng)度多層瓦楞紙圍板結(jié)構(gòu)。

2.1 底盤材料

底盤主要起承重及固定發(fā)動(dòng)機(jī)作用，選擇單板層積材作為底盤主要承力木構(gòu)件，因單板層積材是由厚單板沿順紋方向?qū)臃e組坯、熱壓膠合后切割而成的工程材料。其可以利用小徑木、短原木以及彎曲木等低質(zhì)木生產(chǎn)，體現(xiàn)了小材大用與劣勢(shì)優(yōu)用的增值效應(yīng)；同時(shí)，單板層積材的許用設(shè)計(jì)應(yīng)力較高，強(qiáng)度變異系數(shù)小，具有極強(qiáng)的減震與抗震性能。

2.2 圍板材料

圍板起支撐上部堆碼載荷及防護(hù)整機(jī)作用，包裝箱用七層瓦楞紙板（由三層瓦楞紙和四層薄紙交替粘合而成），厚度15 mm，配紙為：450g美卡/180g高強(qiáng)瓦楞/190g牛卡/180g高強(qiáng)瓦楞/190g?？?180g高強(qiáng)瓦楞/450g美卡。

2.3 箱蓋材料

箱蓋起支撐上部堆碼載荷及防護(hù)整機(jī)的作用，本方案選擇蜂窩紙板作為蓋板材料，厚度20mm。

2.4 加強(qiáng)材料

為保障包裝箱在多變的運(yùn)輸環(huán)境中功能持續(xù)，本方案增加以牛皮紙和紗管紙為原料的護(hù)角，布置在包裝箱內(nèi)部四豎邊和圍板內(nèi)部中間位置，以增加包裝箱的整體承重能力。

3 包裝箱局部以紙代木模型確定

根據(jù)包裝箱設(shè)計(jì)輸入確定方案如下：

包裝箱三視圖及立體分解圖見(jiàn)圖1。

4 包裝箱底盤力學(xué)分析

包裝箱底盤材料主要由單板層積材及瓦楞紙護(hù)邊組成，受力構(gòu)件采用單板層積材，箱板采用膠合板發(fā)動(dòng)機(jī)使用運(yùn)輸支架固定在底盤枕木上，底盤枕木受兩點(diǎn)集中載荷的作用。

底盤枕木受力分析參照框架木箱國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T7284-2016進(jìn)行。如圖2（a）所示，枕木在a點(diǎn)和b點(diǎn)受到W/2的兩點(diǎn)集中載荷時(shí)，點(diǎn)a的彎矩為：

Ma={L-（l1-l2）/L}*（W l1）/2 （1）

點(diǎn)b的彎矩為：

Mb={L-（l2-l1）/L}*（W l2）/2 （2）

為計(jì)算簡(jiǎn)便，將枕木受力模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，當(dāng)在其長(zhǎng)度方向上受均布載荷作用時(shí)，如圖2（b）所示，枕木的許用彎曲載荷W為：

W=（4bh2fb）/（3L） （3）

式中：W—枕木的許用彎曲載荷，單位為牛頓（N）；b—枕木的寬度，單位為毫米（mm）；h—枕木的厚度，單位為毫米（mm）；fb—木材的許用抗彎強(qiáng)度，單位為兆帕（MPa）；L—外側(cè)滑木的內(nèi)間距，單位為毫米（mm）。

當(dāng)枕木受均布載荷時(shí)其彎矩為：

Md=（WL）/8 （4）

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

此時(shí)a點(diǎn)的彎矩大于b點(diǎn)的彎矩，選彎矩大的a點(diǎn)，作為計(jì)算枕木受兩點(diǎn)集中載荷時(shí)對(duì)受均布載荷時(shí)許用彎曲載荷的倍數(shù)，即：

Md/Ma=（L2）/{4（L-l1+l2）*l1} （5）

即：Md/Ma=1.04

據(jù)GB/T7284-2016中表8可得，枕木厚度為60mm時(shí)，每10mm寬枕木的許用彎曲載荷（均布載荷時(shí)）為754.3N，從而得出枕木受兩點(diǎn)集中載荷時(shí)的許用彎曲載荷為：f=784.5N；內(nèi)裝物質(zhì)量按400kg計(jì)算，則內(nèi)裝物載荷為：400kg×9.8N/kg=3920N；考慮到包裝箱在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中受力特點(diǎn)，將包裝箱內(nèi)裝物在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程受的動(dòng)載荷取值為靜載荷的2倍，即動(dòng)載荷為：7840N；從而得出單根枕木的寬度為：3920N/754.3N×10mm=52 mm。

因枕木上運(yùn)輸包裝支架固定孔直徑為?15，理論所需枕木寬度為70mm，為保證運(yùn)輸包裝支架底板完全落在枕木上，故包裝箱底盤枕木規(guī)格80mm×60mm滿足應(yīng)用要求。

5 包裝箱紙圍板堆碼強(qiáng)度分析

為滿足包裝箱雙層堆碼需求，包裝箱采用3A高強(qiáng)瓦楞紙板及相應(yīng)的紙護(hù)角作為箱體承重結(jié)構(gòu)。堆碼時(shí)，上層包裝箱和包裝件的總重量對(duì)下層包裝箱產(chǎn)生的作用力，主要由箱蓋和包裝箱體承受[5]。

包裝箱紙圍板的理論抗壓強(qiáng)度可以運(yùn)用馬基簡(jiǎn)易公式獲得：

P=5.874Pm *sqrt（tZ） （6）

式中：P—瓦楞紙板抗壓強(qiáng)度 （N）；Pm—瓦楞紙板邊壓強(qiáng)度（N/m）；Z—瓦楞紙箱周長(zhǎng)（m）；t—瓦楞紙板厚度（m）；5.874為常數(shù)。

由此得出包裝箱理論空箱抗壓強(qiáng)度：P=2t。因瓦楞紙板的抗壓能力與實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)流通環(huán)境、儲(chǔ)存期、堆碼方式及裝卸條件有關(guān)，所以包裝箱的抗壓強(qiáng)度需考慮一個(gè)安全系數(shù)K，強(qiáng)度安全系數(shù)K的計(jì)算方式如下表2所示：

由此可得：K=5，所以包裝箱在強(qiáng)度安全系數(shù)K=5的情況下可承載：400kg，某輕型發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重量320kg，包裝箱重量49kg，堆碼載荷重量為369kg。包裝箱理論空箱抗壓強(qiáng)度符合要求。

6 包裝箱空箱抗壓強(qiáng)度測(cè)試

紙包裝箱抗壓強(qiáng)度是指包裝箱空箱立體放置時(shí)，對(duì)其上面勻速施壓，箱體所承受的最大壓力值，瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度可以等效為瓦楞紙板屈曲時(shí)所受載荷的總和。瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度既是評(píng)價(jià)瓦楞紙箱的重要指標(biāo)，又是設(shè)計(jì)瓦楞紙箱的重要條件[6]。

因本方案中紙護(hù)角及紙方管的抗壓能力未進(jìn)行理論值計(jì)算，為得到包裝箱綜合抗壓能力，進(jìn)行空箱抗壓測(cè)試。

試驗(yàn)方法：將制作好的包裝箱置于恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中，按照GB457.2-2005的要求在濕度85%，溫度為38℃的條件下預(yù)處理24小時(shí)，預(yù)處理結(jié)束，將包裝箱試件置于抗壓試驗(yàn)機(jī)下壓板中心部位，給上壓板和試件一個(gè)預(yù)壓力，使試件在試驗(yàn)過(guò)程中受力更加均勻，預(yù)壓力取19.6KN，然后以12mm/min的速度均勻移動(dòng)壓板的距離，直到試驗(yàn)樣品變形壓潰為止，如圖3所示。通過(guò)試驗(yàn)得出包裝箱的載荷-變形曲線，其載荷峰值即為包裝箱的綜合抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)抗壓試驗(yàn)局部以紙代木包裝箱綜合抗壓能力為5t，符合應(yīng)用要求。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)用包裝箱進(jìn)行局部以紙代木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及對(duì)此結(jié)構(gòu)包裝箱底盤、圍板強(qiáng)度進(jìn)行理論校核，最后進(jìn)行包裝箱空箱抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出局部以紙代木包裝箱可以滿足輕型發(fā)動(dòng)機(jī)的包裝與堆碼需求，并且局部以紙代木包裝箱能大量節(jié)省實(shí)木，包裝廢料處理簡(jiǎn)單，為輕型發(fā)動(dòng)機(jī)用包裝箱綠色設(shè)計(jì)提供了參考。

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