電器包裝件堆碼試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)淺析及應(yīng)用

陳 鵬 江朝軍 柳依帆 王 莉

（公牛集團(tuán)股份有限公司 慈溪 315314）

引言

電器包裝件是電器產(chǎn)品、內(nèi)包裝（包括中間包裝及防潮、緩沖等功能包裝）和運(yùn)輸包裝容器的組成。瓦楞紙箱作為電器包裝件常用的包裝容器，受其材料耐壓強(qiáng)度影響，在倉(cāng)儲(chǔ)或運(yùn)輸堆碼過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)包裝紙箱坍塌、變形、破裂等現(xiàn)象。集運(yùn)倉(cāng)庫(kù)、運(yùn)輸車(chē)廂的存儲(chǔ)面積利用率考慮，電器生產(chǎn)廠(chǎng)商絕大部分采用堆碼形式擺放。為保障電器包裝件存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程的可靠性，廠(chǎng)商根據(jù)產(chǎn)品大小及重量進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)后會(huì)對(duì)包裝容器進(jìn)行堆碼測(cè)試驗(yàn)證。因此，如何進(jìn)行科學(xué)、有效的堆碼試驗(yàn)已成為電器行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)。

1 堆碼試驗(yàn)類(lèi)型

堆碼試驗(yàn)作為外包裝測(cè)試的常規(guī)性試驗(yàn)，主要用于評(píng)估包裝件及包裝貨物在倉(cāng)儲(chǔ)或運(yùn)輸過(guò)程中貨物包裝對(duì)貨物的保護(hù)能力及貨物包裝自身的抗擠壓能力。根據(jù)堆碼環(huán)境不同，將堆碼試驗(yàn)分為靜態(tài)堆碼、動(dòng)態(tài)堆碼兩種類(lèi)型。

1.1 靜態(tài)堆碼

包裝件在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程的堆碼稱(chēng)為靜態(tài)堆碼，其試驗(yàn)原理是將物品放置于平整水平面，并在物品頂部施加穩(wěn)定、均勻載荷。靜態(tài)堆碼試驗(yàn)可通過(guò)使用規(guī)格、材料相同的包裝件裝載等重量砝碼或等重量其他載荷物來(lái)模擬實(shí)際靜態(tài)堆碼。

1.2 動(dòng)態(tài)堆碼

包裝件在車(chē)輛運(yùn)輸過(guò)程的堆碼稱(chēng)為動(dòng)態(tài)堆碼。運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸車(chē)輛的顛簸、碰撞會(huì)導(dǎo)致包裝件之間存在相互碰撞、擠壓等現(xiàn)象。

1.3 靜、動(dòng)態(tài)堆碼差異性分析

靜態(tài)堆碼、動(dòng)態(tài)堆碼的差異性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①試驗(yàn)環(huán)境不同。靜態(tài)堆碼需在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境下進(jìn)行，動(dòng)態(tài)堆碼則需在振動(dòng)運(yùn)輸環(huán)境下進(jìn)行。②試驗(yàn)方法不同。靜態(tài)堆碼是在規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，在水平放置的物品頂部施加砝碼或均勻載荷。動(dòng)態(tài)堆碼則是在隨機(jī)或正弦振動(dòng)條件下，對(duì)水平放置的物品施加壓力載荷，并進(jìn)行一定時(shí)間的試驗(yàn)。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)輸包裝件靜態(tài)堆碼試驗(yàn)的要求

2.1 GB/T 4857.3標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 4857.4標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 4857.3標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 4857.4標(biāo)準(zhǔn)均未給出運(yùn)輸包裝件壓力載荷的具體計(jì)算方法，通常采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

F—抗壓力值；

G—重力加速度,取9.8 N/kg；

K—強(qiáng)度保險(xiǎn)系數(shù)；

n—堆碼層數(shù)；

W—包裝件內(nèi)裝貨物重量。

其中，K的取值范圍為1.5～10.0，具體取值多少由包裝件的倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間及倉(cāng)儲(chǔ)條件決定；若倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間少于30天，則K推薦取值1.60；若倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間為30～100天，則K推薦取值1.65；若倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間超過(guò)100天，則K推薦取值2.00。

根據(jù)公式（2）計(jì)算堆碼層數(shù)n：

式中：

H—堆碼高度；

h—試驗(yàn)樣品高度。

根據(jù)GB/T 4857.18-1992標(biāo)準(zhǔn)第4條款，堆碼時(shí)間、堆碼高度的基本值及范圍需根據(jù)實(shí)際運(yùn)輸方式來(lái)確定，相關(guān)數(shù)值列于表1[1]。

表1 GB/T 4857.18-1992標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)堆碼時(shí)間和堆碼高度的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.3中，列出了三種堆碼試驗(yàn)設(shè)備的加載方法，分別為：自由加載平板，導(dǎo)向加載平板，包裝件組加載[2]。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.4中提到：在采取上述三種加載方法之一后，應(yīng)選取下列方法①或方法②開(kāi)展堆碼試驗(yàn):①不斷進(jìn)行加載直至測(cè)試樣品毀壞或達(dá)到預(yù)設(shè)載荷為止；②施加預(yù)定載荷直至測(cè)試樣品毀壞或持續(xù)到預(yù)定的加載時(shí)間為止[3]。

2.2 ASTM D4169標(biāo)準(zhǔn)

ASTM D4169-2016標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)貨運(yùn)單元結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)儲(chǔ)存堆碼、運(yùn)載堆碼的保險(xiǎn)系數(shù)K進(jìn)行了不同的規(guī)定，具體取值可參考表2[4]。

表2 保險(xiǎn)系數(shù)數(shù)值表

同種包裝件在儲(chǔ)存堆碼、運(yùn)輸堆碼過(guò)程的負(fù)載載荷大小可按式（3）計(jì)算：

式中：

F—計(jì)算載荷；

W—包裝件重量；

G—重力加速度，一般取9.8 N/kg；

H—運(yùn)輸工具或倉(cāng)庫(kù)的最大堆碼高度；

h—貨運(yùn)單元或單元容器高度；

K—保險(xiǎn)系數(shù)。

其中，若運(yùn)輸工具或倉(cāng)庫(kù)的最大堆碼高度未知，則按H=2.7 m計(jì)算。

不同包裝件在車(chē)輛運(yùn)輸環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)輸堆碼時(shí)，包裝件的負(fù)載載荷大小可按式（4）計(jì)算：

式中：

F—計(jì)算載荷；

M—運(yùn)輸載荷密度；

W—包裝件重量；

G—重量加速度，9.8 N/kg；

H—運(yùn)輸工具或倉(cāng)庫(kù)的最大堆碼高度；

h—運(yùn)輸貨物長(zhǎng)度；

w—運(yùn)輸貨物寬度；

P—1 m3/m3；

K—保險(xiǎn)系數(shù)。

其中，若M未知，則按M=160 kg/m3計(jì)算。若H值未知，則按H=2.7 m計(jì)算；當(dāng)采用零擔(dān)運(yùn)輸時(shí)，對(duì)于包裝件重量小于13.6 kg、包裝件體積小于0.056 m3的貨運(yùn)件，H值應(yīng)從2.7 m降低至1.4 m。

針對(duì)動(dòng)態(tài)堆碼，ASTM D4169標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種運(yùn)輸振動(dòng)方式，即：正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)；不同的運(yùn)輸振動(dòng)方式會(huì)導(dǎo)致其試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異性。

2.3 ISTA 3E標(biāo)準(zhǔn)

ISTA 3E標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力試驗(yàn)可借助負(fù)載載荷、加載板、壓力機(jī)等設(shè)備進(jìn)行，在使用壓力機(jī)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可采取“加壓并釋放”或“加壓并保持”的方法進(jìn)行。試驗(yàn)壓力載荷值取值大小為倉(cāng)儲(chǔ)堆碼壓力載荷、運(yùn)載堆碼壓力載荷兩者當(dāng)中較大者。

通常采用以下步驟確定堆碼壓力的種類(lèi)[5]：

1）車(chē)輛堆碼壓力，確定集合包裝高度

車(chē)輛堆碼壓力計(jì)算方法由壓力試驗(yàn)方法及集合包裝堆碼高度兩個(gè)因素共同決定，其堆碼壓力計(jì)算公式見(jiàn)表3。

表3中，Wt為集合包裝重量，1.4為補(bǔ)償系數(shù)（時(shí)間對(duì)壓力），9.8為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2）確定倉(cāng)儲(chǔ)堆碼時(shí)間

若倉(cāng)儲(chǔ)堆碼時(shí)間大于48 h，則根據(jù)表4倉(cāng)儲(chǔ)堆碼壓力計(jì)算法，若倉(cāng)儲(chǔ)堆碼時(shí)間小于48 h，則根據(jù)步驟1）確定車(chē)輛堆碼壓力值或載荷。

表4中，Wt為包裝及貨物總重量，S為堆碼包裝件數(shù)，F(xiàn)為補(bǔ)償系數(shù)（用于補(bǔ)償試驗(yàn)過(guò)程未考慮的因素，如溫度、堆碼形式等）。此處，F(xiàn)值作為典型數(shù)據(jù)，某些特定情況可改變其大?。?.8是轉(zhuǎn)換系數(shù)，1.4為補(bǔ)償系數(shù)（時(shí)間對(duì)壓力）。

進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)堆碼試驗(yàn)時(shí)，若包裝件頂端無(wú)其他物品堆放，則表4中S=1、F=0，無(wú)需進(jìn)行堆碼壓力試驗(yàn)；在倉(cāng)儲(chǔ)堆碼過(guò)程，一般規(guī)定F=3，若采用其他系統(tǒng)，需在試驗(yàn)報(bào)告中備注說(shuō)明。在車(chē)輛堆碼過(guò)程，規(guī)定F值取1.5或3.0，具體取值以電器包裝件實(shí)際堆碼高度是否高于1.4 m為依據(jù)，即：若堆碼高度＞1.4 m，則F=1.5，否則F=3；若F值取其他值，則需在試驗(yàn)報(bào)告中備注說(shuō)明。

表4 倉(cāng)儲(chǔ)及車(chē)輛堆碼壓力計(jì)算方法

3）壓力載荷值的確定

在倉(cāng)儲(chǔ)堆碼壓力、車(chē)輛堆碼壓力這兩者中取較大值為試驗(yàn)壓力載荷值。

對(duì)于動(dòng)態(tài)堆碼，ISTA標(biāo)準(zhǔn)給出了Grms的均方根小于0.52時(shí)隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的加速度譜及實(shí)際運(yùn)輸距離與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系。

2.4 堆碼試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差異對(duì)比分析

綜上所述，GB/T 4857、ISTA、ASTM等標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法雖然均用于評(píng)定包裝件的承壓能力，它們之間也有許多的共同之處，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）GB/T 4857只給出了試驗(yàn)加載方法，但針對(duì)壓力載荷的計(jì)算方法并未做具體說(shuō)明。ASTM標(biāo)準(zhǔn)、ISTA標(biāo)準(zhǔn)均給出了倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸兩種堆碼試驗(yàn)方法及其壓力載荷值的計(jì)算方法。

2）ASTM D4169給出了隨機(jī)振動(dòng)及正弦振動(dòng)兩種常用的運(yùn)輸振動(dòng)模式，ISTA標(biāo)準(zhǔn)給出了當(dāng)Grms的均方根小于0.52時(shí)隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的加速度譜及實(shí)際運(yùn)輸距離與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系。

3）不同標(biāo)準(zhǔn)的堆碼試驗(yàn)，其原理大抵相似，但其實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)參數(shù)會(huì)有所差異。在進(jìn)行堆碼實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)綜合考慮實(shí)際運(yùn)輸情況，參照合適的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定試驗(yàn)方法及參數(shù)。

3 堆碼試驗(yàn)應(yīng)用分析

為使某電器在運(yùn)輸過(guò)程保持原有狀態(tài)、質(zhì)量不受任何損壞，需對(duì)其包裝件運(yùn)輸過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬驗(yàn)證測(cè)試。以公牛普通插座運(yùn)輸包裝件為例，該包裝件在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中存在倉(cāng)庫(kù)堆碼、振動(dòng)堆碼兩種情況，因此需要進(jìn)行堆碼試驗(yàn)，以考核該包裝件的承壓能力。假設(shè)包裝件總重為16.5 kg，外形尺寸為585 mm×350 mm×220 mm，倉(cāng)儲(chǔ)堆碼時(shí)間大于48 h，堆碼層數(shù)不得高于6層，運(yùn)輸距離為1 400 km。

3.1 試驗(yàn)條件

電器包裝件在進(jìn)行堆碼試驗(yàn)前，應(yīng)按GB/T 4857.2標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行溫濕度預(yù)處理，在溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為（65±5）%的環(huán)境下靜置24 h。

3.2 堆碼類(lèi)型及其壓力載荷確定

參照ISTA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及要求，結(jié)合插座包裝件實(shí)際運(yùn)輸條件，來(lái)具體闡述該箱產(chǎn)品堆碼試驗(yàn)的實(shí)施方法。通過(guò)集裝箱、倉(cāng)庫(kù)高度及安全系數(shù)等因素確定試驗(yàn)參數(shù)。具體步驟如下：

1）確定堆碼形式，倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間＞48 h，選擇倉(cāng)儲(chǔ)堆碼試驗(yàn)

2）計(jì)算壓力載荷

①車(chē)輛堆碼壓力值:

F1=Wt×3×9.8=485.1 N

②倉(cāng)儲(chǔ)堆碼壓力值:

F2=Wt×(S-1)×3×9.8=16.5×(6-1)×3×9.8=2 425.5 N

③壓力值確定

F=max[F1F2]=2425.5 N

3.3 試驗(yàn)方法

考慮到大多數(shù)企業(yè)實(shí)驗(yàn)室未配備壓力試驗(yàn)機(jī)，可以用等量砝碼堆碼，砝碼下方加隔板，且要求隔板面積與包裝件頂面一樣大小且足夠強(qiáng)硬，要求砝碼及隔板總重量為247.5 kg，堆碼時(shí)間為24 h。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果判定

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)樣品進(jìn)行外觀(guān)及拆包檢查，要求外箱箱體沒(méi)有明顯的變形及破損，箱內(nèi)產(chǎn)品不存在異常損傷。

4 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)從不同角度對(duì)靜、動(dòng)態(tài)兩種堆碼給出了相關(guān)規(guī)范及要求。溫度、濕度、堆碼方式對(duì)堆碼抗壓強(qiáng)度影響顯著，在電器包裝件堆碼可靠性試驗(yàn)過(guò)程，應(yīng)充分考慮實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境及運(yùn)輸環(huán)境，明確選擇運(yùn)輸包裝測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，制定不同的堆碼試驗(yàn)方案，使設(shè)計(jì)的包裝更加符合實(shí)際要求。未來(lái)，如何更準(zhǔn)確、科學(xué)地確定保險(xiǎn)系數(shù)K是電器包裝件堆碼試驗(yàn)下一步的研究方向。