瓦楞纸箱强度影响因素及改善之研究

瓦楞纸箱抗压强度影响因素及改善之研究潘家杰（娃哈哈集团，杭州310000）摘要：本文通过分析影响瓦楞纸箱抗压强度的结构、生产工艺、环境等因素，提出了分析屈服曲线的新方法，并采取相应改善措施以提高瓦楞纸箱的抗压强度。关键词：瓦楞纸箱抗压强度力学模型屈服曲线应力集中StudyonInfluenceFactorsandImprovementoftheCompressionStrengthofaCorrugatedBoxPANJiajie(WahahaGroup,Hangzhou310000,China)Abstract:Bystudyingoninfluencefactorsaboutstructure,production&environmentofacorrugatedbox,anewanalyticalmethodandimprovementmethodsareproposedinthearticle.Keywords:corrugatedbox,compressionstrength,mechanicsmodel,failurecurve,stressconcentration瓦楞纸箱的主要功能是确保内装物在流通过程中免受外在环境（如温度、湿度、振动、冲击和堆码）的损害，随着物流环境的逐步改善，内装物受到外力冲击造成的损坏大大降低，而货物的堆放贮存却难以避免，因此瓦楞纸箱的抗压强度越来越成为瓦楞纸箱最重要的物理性能。研究其影响因素有利于采取针对性措施，降低运输破包率。那么影响瓦楞纸箱抗压强度的有哪些因素呢？一般来说，影响瓦楞纸箱抗压强度的主要因素有：1.材料因素：配纸是决定瓦楞纸箱抗压强度的根本因素；2.结构因素：瓦楞纸箱设计时应考虑避免对抗压强度的损伤；3.生产工艺因素：在材料、结构均已确定的情况下，良好的工艺控制能最大程度地保证瓦楞纸箱的强度达成设计要求；4.环境因素：构成瓦楞纸箱的原纸是植物纤维结构，无可避免会受环境湿度影响，造成强度损失。显然，提高瓦楞纸箱的配纸可以提高抗压强度，但这不是本文研究的重心；多年以来，娃哈哈集团在采购使用瓦楞纸箱过程中，始终关注从原纸、瓦楞纸板/纸箱生产、贮存、运输、包装后运输的整个包装供应链，不断发现问题、整合供应链资源，持续改善，在不改变瓦楞纸箱配纸的情况下，逐步提高瓦楞纸箱强度，不断积累经验，大幅降低运输破包率。一、结构因素首先我们来分析瓦楞纸箱抗压强度的力学模式，一般认为，瓦楞纸箱抗压强度的载荷分布如图1所示，箱角承压能力最强，离箱角越远，承压能力越差。图1纸箱垂直载荷分布力学模型通过观察瓦楞纸箱抗压强度测试过程，我们发现，最初载荷沿纸箱边缘均匀分布，随着试验机逐步加载，箱壁慢慢向外鼓出，此时纸箱纵向的棱仍保持笔直，载荷逐渐向箱角集中，随着载荷继续增加，箱角附近区域首先产生屈服，之后箱壁里纸面压溃，载荷迅速下降。此时的最高载荷值即为纸箱抗压强度。图2瓦楞纸箱垂直载荷-形变图图3抗压后箱壁向外鼓出观察测试过的瓦楞纸箱，可以发现，纸箱箱体里纸上形成一般如图4所示的瓦楞纸箱抗压屈服曲线（下文称典型屈服曲线），曲线从箱角斜向延伸形成一条光滑的弧线，这非常符合图1所示的载荷分布模式，如果纸箱箱壁受到损伤，必然会形成应力集中，纸箱会首先在应力集中点压溃，形成明显不同的屈服曲线；我们在研究瓦楞纸箱抗压强度变化的过程中，就是通过不同的抗压屈服曲线与典型屈服曲线的对比，寻找应力集中点，并通过解决应力集中问题提出纸箱抗压强度提升之道。图4瓦楞纸箱抗压典型屈服曲线1.纸箱结合方式对抗压强度的影响以娃哈哈集团销售量最大的596ml*24瓶纯净水箱为例，我们经过大量试验发现，采用粘合的纸箱可比钉合的纸箱抗压强度平均提升9-12%。图5娃哈哈596*24瓶纯净水两种结合方式测试对比经分析两种结合方式的瓦楞纸箱测试样本，由于糊合是面结合，结合面积更大，而钉合是点结合方式，所以钉合结合处更容易造成局部应力集中，从而造成抗压强度下降。图6钉合纸箱的屈服往往从两钉之间开始10001200140016001800200022002400260012345678910糊合钉合抗压强度N有鉴于此，娃哈哈集团要求纸箱供应商尽量采用糊合方式，既有利于提高瓦楞纸箱抗压强度，又更利于实现自动化生产，提高生产效率。2.提手孔/透气孔（开孔）对抗压强度的影响图7屈服首先从开孔处开始因产品的特别需要，有时需在箱壁上开孔，这就破坏了箱壁的整体结构，容易造成局部应力集中，从而导致瓦楞纸箱抗压强度的下降。大量实验和文献显示：开孔面积越大，抗压强度越低；开孔数量越多，抗压强度越低；开孔位置越接近上盖或下底，抗压强度越低；开孔位置越接近纸箱两侧，抗压强度越低。二、生产工艺因素同样的材料，不同供应商，其瓦楞纸箱的抗压强度往往有明显的差异，这正是由不同技术能力、工艺控制水平引起的。纸板生产通常更受关注，但印刷等后道加工造成的强度损失也很惊人。1.印刷版面瓦楞纸箱最常用的印刷方式是柔性版印刷，柔性版印刷属于凸版印刷，印刷压力较大，易压溃瓦楞，降低瓦楞纸箱抗压强度，所以应尽量避免大面积实地印刷和横长条状实地印刷。观察测试样本，可以非常清晰地看到实地和条块印刷过大的压力对瓦楞纸箱箱壁造成的损伤和应力集中的现象。图8大面积实地印刷和横色条印刷屈服曲线大量实验表明：印刷面积越大，抗压强度越低；大面积实地印刷越接近上盖或下底，抗压强度越低；印刷压力越大，抗压强度越低；因此，娃哈哈集团在设计印刷版面时，在保证美观的前提下，尽量不使用大面积实地和横色条印刷，而多采用渐变式网线设计，有效规避应力集中。2.印刷进纸辊在印刷开槽模切生产过程中，须经印刷开槽模切机进纸辊施加一定的压力来实现进料，正如大面积印刷造成的影响一样，很容易理解瓦楞纸箱被进纸辊过大的压力压溃后，抗压强度会明显下降。3.工艺时间瓦楞纸箱属于定制类产品，生产厂家无法完全自主安排生产，但新生产的瓦楞纸板须经过一定的自然散热过程，一方面淀粉胶的粘合仍需进一步熟化，另一方面，此时的瓦楞纸板表面温度较高，瓦楞未完全定型，此时进入后道生产，纸板极易被压溃，造成抗压强度的巨大损失。为此，娃哈哈集团在制订生产计划时，积极分析销售市场，努力推行周生产计划，为瓦楞纸箱生产预留充分的工艺时间，最大程度上减少对瓦楞纸箱强度的影响。三、环境因素1.相对湿度与含水率原纸是由植物纤维材料抄造而成，植物纤维始终与环境湿度保持动态平衡，所以瓦楞纸箱在相对湿度较高的环境中，会吸湿而含水率提高，在湿度较低的环境中会排湿而含水率降低，因此瓦楞纸箱中的含水率随时在变化，随着含水率的变化，又引起纸箱强度的变化。正因为如此，瓦楞纸箱物理性能检测时要规定标准温湿度要求，以保证测试时纸板状态的一致性与可重现性。图9瓦楞纸箱含水率与相对湿度的对应关系瓦楞纸箱的抗压强度与含水率直接相关，含水率每提高一个百分点，抗压强度下降10%，因此保持合适的含水率有利于提高瓦楞纸箱强度，生产时控制好含水率，运输过程中做好防护，降低储存时间均能有效地保持合适的含水率，从而保证瓦楞纸箱的抗压强度。近几年来，娃哈哈集团的多家纸箱供应商在淀粉胶中添加防水（潮）添加剂，有效地降低了环境湿度对纸箱的影响。图10抗压强度劣变系数与含水率的关系2.贮存时间30405060708090100891011121314151617181920212223相对湿度%含水率%00.20.40.60.811.28910111213141516劣变系数含水率瓦楞纸箱装箱堆码后，抗压强度会随着时间的推移而逐渐衰减，时间越长，强度损失越大。根据FBA（瓦楞纸箱协会）的资料，贮存10天，抗压强度衰减高达37%！如图11所示。快消品销售市场瞬息万变，要准确把握市场节奏非常困难，娃哈哈集团以联销体模式，编织了一张遍布全国各地7000余家一级批发商以及数目更为庞大的批发商和销售终端营销网，与经销商结成利益同盟体，变一家企业在市场上与人竞争为几千家企业合力一起与人竞争，通过帮助经销商发展批发网络的方法，将市场网络一直延伸到了农村，使产品能迅速送入消费者手中，可在短短一周内将公司新品铺向全国数百万个零售终端，大大提高了市场竞争力，库存明显下降，同时最大程度避免瓦楞纸箱包装强度的损失，以良好的包装面貌与消费者见面。图11抗压强度劣变系数与贮存时间的关系3.堆码方式瓦楞纸箱各部位受力分布以箱角承压能力最大，离箱角越远，承压能力越差，因此堆码方式对抗压强度影响很大；齐平式堆码时箱角对齐，能最大程度地利用箱角的承压能力，因此是抗压强度最好的堆码方式，交叉堆码较齐平式堆码抗压强度下降更大，但交叉堆码易于堆高而不易倒，为达到最优的堆码效果，娃哈哈集团主要采用下面几层齐平式堆码，最上面约三分之一层采用交叉堆码的方法。综上所述，娃哈哈集团成立29年来，通过产品创新、技术创新、营销创新，一直保持健康快速发展势头，各项经济指标连续18年位居中国饮料行业第一。公司供应链相关部门将包装运输作为重要抓手，不断发现问题，解决问题，与时俱进，为公司发展做出了重要贡献。参考文献：[1]HåkanMarkström:TestingMethodsandInstrumentsforCorrugatedBoard,1992[2]五十岚清一：瓦楞纸包装技术,1988[3]Lorentzen&Wettre:PaperTestingandProcessOptimization,2003[4]FibreBoxAssociation:FibreBoxHandbook,1999[5]GeorgeG.Maltenford:CorrugatedShippingContainers,1996