搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響

劉偉，王洪江，張東杰，2，曹龍奎，2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319；2.國家雜糧工程技術(shù)研究中心）

瓦楞紙箱是由瓦楞紙板通過模切、壓痕、訂箱或粘箱制作而成，使用最廣泛的紙包裝容器[1]。20 世紀(jì)初瓦楞紙箱已經(jīng)應(yīng)用于商品包裝領(lǐng)域和商品運(yùn)輸領(lǐng)域。由于其可代木、代塑，綠色環(huán)?？苫厥绽?，具有良好的加工性，優(yōu)越的使用性，剛?cè)峒骖櫟谋Ｗo(hù)性、低廉的成本以及可折疊節(jié)省空間等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用并逐步取代了其他運(yùn)輸包裝容器，目前已成為運(yùn)輸包裝領(lǐng)域的主力軍，尤其是在食品、飲料、電商等相關(guān)行業(yè)，這些行業(yè)的快速發(fā)展給瓦楞紙箱企業(yè)帶來了新的機(jī)遇，促使瓦楞紙箱的應(yīng)用得到進(jìn)一步的發(fā)展[2-5]。

在產(chǎn)品流通過程中瓦楞紙箱起著保護(hù)產(chǎn)品的重要作用，而抗壓強(qiáng)度是衡量瓦楞紙箱強(qiáng)度的重要指標(biāo)，搬運(yùn)手孔設(shè)計(jì)能夠方便產(chǎn)品搬運(yùn)但也造成瓦楞被切斷，導(dǎo)致瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度降低，影響瓦楞紙箱對產(chǎn)品的保護(hù)性能。搬運(yùn)手孔開孔面積、形狀、位置的不同對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的降低程度也有所不同[6-7]，因此研究搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外學(xué)者對此作了相關(guān)的研究，如Jongkoo Han 等[8]采用有限元分析（FEA）研究了瓦楞紙箱表面通風(fēng)孔和手孔的主要設(shè)計(jì)參數(shù)（形狀、位置和尺寸），并對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了通風(fēng)孔形狀為對稱分布于箱前后面中心處垂直的橢圓形，手孔形狀為位于高于側(cè)面中心的位置水平橢圓形形狀，以及孔的長度小于箱體深度的1/4，孔的長寬比應(yīng)為1/3.5～1/2.5 時(shí)瓦楞紙箱箱體抗壓強(qiáng)度降低最小。Benjamin Frank[9]闡述了瓦楞紙箱測試過程及濕度因素對抗壓強(qiáng)度的影響，提出了Urbanik 模型及影響參數(shù)，總結(jié)了粘合劑質(zhì)量、搖翼、封口、開孔、制造商、時(shí)間、濕度等因素對抗壓測試的影響，確認(rèn)了箱體的強(qiáng)度隨著孔的增大和孔的位置離中心越遠(yuǎn)而降低。廖梓廷[10]通過分析開孔對瓦楞紙箱耐壓強(qiáng)度的影響得出開孔位置與側(cè)板中線的距離應(yīng)小于長度的八分之三時(shí)瓦楞紙箱耐壓強(qiáng)度最大。廖玉文[11]總結(jié)了印刷和開孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響，指出了印刷和開孔都對瓦楞紙箱強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。劉鑫等[12]通過研究不同開口位置與瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的關(guān)系得出了瓦楞紙箱的開孔位置在原點(diǎn)附近對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響較小，位置越遠(yuǎn)，對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響越大。謝勇等[6]研究了同一規(guī)格、不同手孔形狀的提手孔對重型裝飾燈具外包裝瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度的影響，得出了在提手孔形狀滿足舒適度的前提下，弧形提手孔強(qiáng)度損失最少，梯形提手孔最大的結(jié)論。胡亞萍等[13]探討了對同一規(guī)格、不同開孔位置的提手孔對某重型裝飾燈具外包裝瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響得出紙箱側(cè)面開孔后，紙箱的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低；當(dāng)提手孔開孔位置處于箱面中線上方H/18 高度時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失最小。李春偉等[3]研究了同一規(guī)格，不同手孔位置的提手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響得出手孔位置在箱寬度中線上方H/6 以內(nèi)時(shí)，對紙箱抗壓強(qiáng)度影響最小。胡力萌等[14]重點(diǎn)關(guān)注了搬運(yùn)手孔自身強(qiáng)度問題，通過試驗(yàn)從搬運(yùn)手孔開孔方向、手孔形狀、手孔位置方面對搬運(yùn)手孔拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試，得出垂直瓦楞楞型方向開孔的抗拉伸性能大于平行方向；弧形手孔承重能力更強(qiáng)；瓦楞紙箱開孔位置離寬度中心線的距離越遠(yuǎn)，瓦楞紙箱搬運(yùn)手孔的拉伸強(qiáng)度就越小。潘家杰[15]從分析了影響瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的材料、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、環(huán)境等因素，提出了分析屈服曲線的新方法，并從實(shí)際出發(fā)，以娃哈哈包裝箱為例采取相應(yīng)改善措施以提高瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度，其中提到了箱壁上開孔破壞了箱壁的整體結(jié)構(gòu)，容易造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度下降。瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度受多種因素影響，如箱型、溫度、濕度、長寬比、箱高、開孔等[7，16-17]，其中對于手孔雖已有較多研究，但大多數(shù)僅關(guān)注了手孔單一方面對瓦楞紙箱強(qiáng)度的影響，對手孔形狀、位置、大小等多方面因素對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)注較少，因此實(shí)驗(yàn)主要在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，并進(jìn)行優(yōu)化，旨在進(jìn)一步了解搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響，為搬運(yùn)手孔的實(shí)踐研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)使用紙箱為本地采購的0201 型瓦楞紙箱（三層B 型單瓦楞紙箱），瓦楞紙箱尺寸為450 mm×300 mm×300 mm；其配紙為：瓦楞面紙A 等，定量為150 g·m-2，瓦楞芯紙定量為130 g·m-2，瓦楞里紙定量為130g·m-2。瓦楞紙板紙厚度為3.15 mm；瓦楞面紙正反面耐破度分別為5.4 J 和4.8 J；平壓強(qiáng)度（FCT）為80.44 N·m-1；邊壓強(qiáng)度（ECT）為4 370 N·m-1。

1.2 主要試驗(yàn)儀器

主要試驗(yàn)儀器：ZXYD-501 型電子式整箱壓縮試驗(yàn)機(jī)，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；ZWPY-322 型平壓試樣取樣器，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；BYD-25 型邊壓取樣器，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；ZYD-3 型電子式壓縮試驗(yàn)儀，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；ZUS-20 型瓦楞紙板厚度測定儀，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠；ZCD-48 型紙板戳穿強(qiáng)度試驗(yàn)儀，長春市小型試驗(yàn)機(jī)廠。

1.3 試樣處理

為了減小誤差，首先在AutoCAD 中畫好搬運(yùn)手孔，打印后裁切制成搬運(yùn)手孔輪廓模版，而后在紙箱寬度側(cè)面用鋼尺測量標(biāo)出搬運(yùn)手孔的具體位置，并將搬運(yùn)手孔模版貼在紙箱上，再畫出搬運(yùn)手孔的輪廓，最后用刀片切割去多余的部分，完成瓦楞紙箱搬運(yùn)手孔的開取。根據(jù)GB/T 6545-2008《運(yùn)輸用單瓦楞和雙瓦楞紙箱》的方法，將瓦楞紙箱用膠帶封合后置于電子式整箱壓縮試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測定瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度。試樣按GB/T 10739-2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》進(jìn)行預(yù)處理，即將瓦楞紙箱置于試驗(yàn)溫度為（23±1）℃，相對濕度為（50±2）%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中，使其水分和大氣平衡。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

1.4.1 搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響的單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)1.3 試驗(yàn)方法，按下列單因素設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：

（1）5 個(gè)搬運(yùn)手孔形狀：搬運(yùn)手孔的形式多樣，按照黃秋艷等[18]提出的常見的6 種搬運(yùn)手孔形狀，實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際使用情況，在比較其舒適度的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了跑道形、山形、梯形、半圓形和弧形5 種手孔結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其中開孔瓦楞紙箱開孔大小均為86 mm×30 mm，開孔位置為中心/（0，0）處。

（2）5 個(gè)搬運(yùn)手孔大小/mm：采用半圓形搬運(yùn)手孔，搬運(yùn)手孔位置中心/（0，0）處，參考黃秋燕等[18]對手孔大小的設(shè)置，研究以下五種規(guī)格的開孔大小86 mm×30 mm、96 mm×40 mm、106 mm×50 mm、116 mm×60 mm、126 mm×70 mm 對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響；

（3）5 個(gè)搬運(yùn)手孔位置：在瓦楞紙箱的寬度端面開孔搬運(yùn)手孔（大?。?6 mm×30 mm；形狀：半圓形），以寬度端面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，X 軸為平行于瓦楞紙箱的寬度方向，Y 軸為平行于瓦楞紙箱的高度方向，Y 軸上開孔中心點(diǎn)以50 mm 為間距，依次向Y 軸的正、負(fù)方向排開，即孔的中心坐標(biāo)分別為A（0，100）、B（0，50）、C（0，0）、D（0，-50）、E（0，-100），如圖2 所示。

圖2 瓦楞紙箱端面坐標(biāo)圖Fig.2 The head face coordinates of corrugated box

1.4.2 正交設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選取影響瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的因素水平做正交試驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，以確定最佳的工藝參數(shù)，采用L9（34）作為正交試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)[19]，以搬運(yùn)手孔形狀、搬運(yùn)手孔大小、搬運(yùn)手孔位置作為3 個(gè)考察因素，選取3 個(gè)水平（見表1）進(jìn)行試驗(yàn)。

1.5 瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的測試

首先，將紙箱平放在ZXYD-501 型電子式整箱壓縮試驗(yàn)機(jī)上下壓板之間，置于實(shí)驗(yàn)機(jī)下壓板的中心位置，并將實(shí)驗(yàn)機(jī)上壓板移動(dòng)到合適位置，使其靠近紙箱上表面（不接觸）。以此作為位移記錄的起點(diǎn)，然后設(shè)置電子式整箱壓縮試驗(yàn)機(jī)參數(shù)，以（10±3）mm·min-1的速度均勻移動(dòng)上壓板下壓，軟件開始記錄下壓板位移和載荷大小的曲線圖，瓦楞紙箱逐漸被壓縮變形，直至瓦楞紙箱損壞或壓力值降至最大值的70%，軟件生成的瓦楞紙箱的載荷-變形曲線中出現(xiàn)的最高峰值即為該試件的抗壓強(qiáng)度，單位以N 表示，記錄最大壓力值，完成實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。每組進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，求取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 搬運(yùn)手孔形狀對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響

開有跑道形、山形、梯形、半圓形和弧形搬運(yùn)手孔的瓦楞紙箱和未開孔的瓦楞紙箱經(jīng)壓縮實(shí)驗(yàn)測得的抗壓強(qiáng)度如圖3 所示。從圖3 可以看出，不同形狀的搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響由小到大為：半圓形＜圓弧形＜山形＜橢圓形＜梯形。未開孔的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度為1 864 N，其抗壓強(qiáng)度大于所有開孔瓦楞紙箱強(qiáng)度，這說明瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度與是否開孔有著直接影響，開孔后的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)降低，其原因應(yīng)是開孔造成瓦楞被切斷，導(dǎo)致瓦楞紙箱整體抗壓強(qiáng)度降低，這與李春偉等[3]研究較為符合；另外從圖3 可以看出，除無孔瓦楞紙箱外，開有圓弧形、山形和半圓形搬運(yùn)手孔的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度相差不大，與謝勇等[6]研究中跑道形、山形和梯形提手孔相差不大較符合，但與其弧形提手孔損失最小略有不同。在此試驗(yàn)中半圓形搬運(yùn)手孔損失最小，在相同開孔條件下，半圓形搬運(yùn)手孔對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響最小為1 820 N，與圓弧形搬運(yùn)手孔（1 799 N）相差不明顯，其原因可能與采取的紙箱材料有一定的關(guān)系，有待進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 搬運(yùn)手孔形狀對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of handing hole shape on compressive strength of corrugated box

2.2 搬運(yùn)手孔大小對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響

由于搬運(yùn)手孔是為了便于紙箱搬運(yùn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理[20]，包裝箱搬運(yùn)手孔的輪廓尺寸至少應(yīng)為86 mm×30 mm 才能方便多數(shù)人搬運(yùn)或提攜，故實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上研究了大小為1.5.1（2）五種搬運(yùn)手孔，測得結(jié)果如圖4 所示。

圖4 搬運(yùn)手孔大小對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of handing hole size on compressive strength of corrugated box

由圖4 可以看出，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度隨著搬運(yùn)手孔尺寸的增大而逐漸降低，整體呈現(xiàn)逐減趨勢。當(dāng)開孔大小為86 mm×30 mm 時(shí)，瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度最大為1 817 N，而當(dāng)開孔大小為126 mm×70 mm時(shí)瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度已降為1 600 N，這與廖玉文[11]、謝勇等[6]研究結(jié)論相符合。瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度降低的原因是因?yàn)榘徇\(yùn)手孔開孔面積越大，被切斷的瓦楞數(shù)量越多，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度下降越快，所以開孔大小為86 mm×30 mm 瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于開孔大小為126 mm×70 mm 瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度。在瓦楞紙箱側(cè)面進(jìn)行搬運(yùn)手孔設(shè)計(jì)時(shí)開孔尺寸宜越小越好，但開孔尺寸過小人工搬運(yùn)時(shí)手掌不易插入或用力不均，造成手感舒適度較差，影響搬運(yùn)效果，因此根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理宜選用86 mm×30 mm 或稍大尺寸以方便搬運(yùn)。

2.3 搬運(yùn)手孔位置對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響

按照1.5.1（3）中搬運(yùn)手孔開孔位置進(jìn)行開孔，測得瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖5 所示。

圖5 搬運(yùn)手孔位置對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of handing hole position on compressive strength of corrugated box

從圖5 可以看出，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度隨著搬運(yùn)手孔位置的變化呈現(xiàn)正態(tài)分布。開孔位置在Y 軸上的坐標(biāo)從（0，100）到（0，0）變化時(shí)，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢；在（0，0）位置時(shí)瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值為1 830 N；開孔位置在Y 軸上的坐標(biāo)從（0，0）到（0，-100）變化時(shí)，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，說明開孔位置越靠近中心對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響越小。這與李春偉等[3]、胡亞萍等[13]、Benjamin Frank[9]研究較為符合。瓦楞紙箱開孔位置在端面中心或接近中心的位置對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響較小，其原因可能是瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度主要來源于瓦楞紙箱的四條棱，棱的強(qiáng)度直接決定了瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的大小，當(dāng)搬運(yùn)手孔位置遠(yuǎn)離端面中心時(shí)，偏向于任何一條棱時(shí)，這條棱的支撐強(qiáng)度就會(huì)降低，從而對瓦楞紙箱整體抗壓強(qiáng)度起到較大的影響；只有搬運(yùn)手孔位置在端面中心時(shí)，對棱的影響相對較小，因此瓦楞紙箱整體抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，所以在進(jìn)行搬運(yùn)手孔設(shè)計(jì)時(shí)宜將其開孔位置置于端面中心線上，以最大可能的減少對瓦楞紙箱整體抗壓強(qiáng)度的影響，但這種設(shè)計(jì)方法僅適合于形狀較為規(guī)則或產(chǎn)品中心位于幾何中心附近時(shí)，對于形狀不規(guī)則或重心偏移較大的產(chǎn)品應(yīng)具體問題具體分析，以達(dá)到方便搬運(yùn)和瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度達(dá)到較大的效果。

2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由單因素對比試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析，選取搬運(yùn)手孔形狀、搬運(yùn)手孔大小、搬運(yùn)手孔位置設(shè)計(jì)用L9（34）正交試驗(yàn)。

以表1 中的數(shù)據(jù)在不同的開孔形狀、開孔大小及開孔位置對瓦楞紙板抗壓強(qiáng)度的影響的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3 所示。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理Table 2 Orthogonal experiment design and data processing

表3 搬運(yùn)手孔影響瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Analysis of influence of handing hole compressive strength of corrugated box variance of orthogonal test

表2 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明，搬運(yùn)手孔影響瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的諸因素的主次關(guān)系依次為搬運(yùn)手孔位置（C）＞搬運(yùn)手孔形狀（A）＞搬運(yùn)手孔大?。˙）。

從正交試驗(yàn)結(jié)果可知最佳組合C2B2A3，即開孔位置位于（0，0）處，大小為96 mm×40 mm 的半圓形搬運(yùn)手孔的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度最大。

按正交試驗(yàn)得到的最佳搬運(yùn)手孔條件開孔并試驗(yàn)3 次，所得瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度平均值為1 842.7 N，介于未開孔瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度（1 864 N）和開孔瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度最大值（1 820 N）之間，說明結(jié)果處理?xiàng)l件最佳。

3 結(jié)論

研究在對搬運(yùn)手孔形狀、搬運(yùn)手孔大小、搬運(yùn)手孔位置三個(gè)影響因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)法對搬運(yùn)手孔進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明各因素的影響程度依次為搬運(yùn)手孔位置（C）＞搬運(yùn)手孔形狀（A）＞搬運(yùn)手孔大?。˙）；并得出對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響最小的搬運(yùn)手孔條件為搬運(yùn)手孔位于（0，0）處，大小為96 mm×40 mm 的半圓形搬運(yùn)手孔，瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度最大為1 842.7 N。通過搬運(yùn)手孔大小、位置、形狀對瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度影響的研究，得出了最佳搬運(yùn)手孔開孔方式，對于搬運(yùn)手孔的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持，為進(jìn)一步改進(jìn)搬運(yùn)手孔提供了數(shù)據(jù)參考，其中對于搬運(yùn)手孔對于多型號(hào)、多尺寸瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的影響仍需進(jìn)一步探究。