搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响

刘伟，王洪江，张东杰，2，曹龙奎，2

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2.国家杂粮工程技术研究中心）

瓦楞纸箱是由瓦楞纸板通过模切、压痕、订箱或粘箱制作而成，使用最广泛的纸包装容器[1]。20 世纪初瓦楞纸箱已经应用于商品包装领域和商品运输领域。由于其可代木、代塑，绿色环保可回收利用，具有良好的加工性，优越的使用性，刚柔兼顾的保护性、低廉的成本以及可折叠节省空间等特点而得到广泛应用并逐步取代了其他运输包装容器，目前已成为运输包装领域的主力军，尤其是在食品、饮料、电商等相关行业，这些行业的快速发展给瓦楞纸箱企业带来了新的机遇，促使瓦楞纸箱的应用得到进一步的发展[2-5]。

在产品流通过程中瓦楞纸箱起着保护产品的重要作用，而抗压强度是衡量瓦楞纸箱强度的重要指标，搬运手孔设计能够方便产品搬运但也造成瓦楞被切断，导致瓦楞纸箱抗压强度降低，影响瓦楞纸箱对产品的保护性能。搬运手孔开孔面积、形状、位置的不同对瓦楞纸箱抗压强度的降低程度也有所不同[6-7]，因此研究搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响具有重要的现实意义。目前国内外学者对此作了相关的研究，如Jongkoo Han 等[8]采用有限元分析（FEA）研究了瓦楞纸箱表面通风孔和手孔的主要设计参数（形状、位置和尺寸），并对模拟结果进行了验证，得出了通风孔形状为对称分布于箱前后面中心处垂直的椭圆形，手孔形状为位于高于侧面中心的位置水平椭圆形形状，以及孔的长度小于箱体深度的1/4，孔的长宽比应为1/3.5～1/2.5 时瓦楞纸箱箱体抗压强度降低最小。Benjamin Frank[9]阐述了瓦楞纸箱测试过程及湿度因素对抗压强度的影响，提出了Urbanik 模型及影响参数，总结了粘合剂质量、摇翼、封口、开孔、制造商、时间、湿度等因素对抗压测试的影响，确认了箱体的强度随着孔的增大和孔的位置离中心越远而降低。廖梓廷[10]通过分析开孔对瓦楞纸箱耐压强度的影响得出开孔位置与侧板中线的距离应小于长度的八分之三时瓦楞纸箱耐压强度最大。廖玉文[11]总结了印刷和开孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响，指出了印刷和开孔都对瓦楞纸箱强度产生较大的影响。刘鑫等[12]通过研究不同开口位置与瓦楞纸箱抗压强度的关系得出了瓦楞纸箱的开孔位置在原点附近对瓦楞纸箱抗压强度的影响较小，位置越远，对瓦楞纸箱抗压强度影响越大。谢勇等[6]研究了同一规格、不同手孔形状的提手孔对重型装饰灯具外包装瓦楞纸箱的抗压强度的影响，得出了在提手孔形状满足舒适度的前提下，弧形提手孔强度损失最少，梯形提手孔最大的结论。胡亚萍等[13]探讨了对同一规格、不同开孔位置的提手孔对某重型装饰灯具外包装瓦楞纸箱抗压强度的影响得出纸箱侧面开孔后，纸箱的抗压强度会降低；当提手孔开孔位置处于箱面中线上方H/18 高度时，抗压强度损失最小。李春伟等[3]研究了同一规格，不同手孔位置的提手孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响得出手孔位置在箱宽度中线上方H/6 以内时，对纸箱抗压强度影响最小。胡力萌等[14]重点关注了搬运手孔自身强度问题，通过试验从搬运手孔开孔方向、手孔形状、手孔位置方面对搬运手孔拉伸强度进行测试，得出垂直瓦楞楞型方向开孔的抗拉伸性能大于平行方向；弧形手孔承重能力更强；瓦楞纸箱开孔位置离宽度中心线的距离越远，瓦楞纸箱搬运手孔的拉伸强度就越小。潘家杰[15]从分析了影响瓦楞纸箱抗压强度的材料、结构、生产工艺、环境等因素，提出了分析屈服曲线的新方法，并从实际出发，以娃哈哈包装箱为例采取相应改善措施以提高瓦楞纸箱的抗压强度，其中提到了箱壁上开孔破坏了箱壁的整体结构，容易造成局部应力集中，导致瓦楞纸箱抗压强度下降。瓦楞纸箱抗压强度受多种因素影响，如箱型、温度、湿度、长宽比、箱高、开孔等[7，16-17]，其中对于手孔虽已有较多研究，但大多数仅关注了手孔单一方面对瓦楞纸箱强度的影响，对手孔形状、位置、大小等多方面因素对瓦楞纸箱抗压强度的影响关注较少，因此实验主要在单因素试验的基础上进行正交试验，并进行优化，旨在进一步了解搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响，为搬运手孔的实践研究提供了理论基础。

1 材料和方法

1.1 材料

实验使用纸箱为本地采购的0201 型瓦楞纸箱（三层B 型单瓦楞纸箱），瓦楞纸箱尺寸为450 mm×300 mm×300 mm；其配纸为：瓦楞面纸A 等，定量为150 g·m-2，瓦楞芯纸定量为130 g·m-2，瓦楞里纸定量为130g·m-2。瓦楞纸板纸厚度为3.15 mm；瓦楞面纸正反面耐破度分别为5.4 J 和4.8 J；平压强度（FCT）为80.44 N·m-1；边压强度（ECT）为4 370 N·m-1。

1.2 主要试验仪器

主要试验仪器：ZXYD-501 型电子式整箱压缩试验机，长春市小型试验机厂；ZWPY-322 型平压试样取样器，长春市小型试验机厂；BYD-25 型边压取样器，长春市小型试验机厂；ZYD-3 型电子式压缩试验仪，长春市小型试验机厂；ZUS-20 型瓦楞纸板厚度测定仪，长春市小型试验机厂；ZCD-48 型纸板戳穿强度试验仪，长春市小型试验机厂。

1.3 试样处理

为了减小误差，首先在AutoCAD 中画好搬运手孔，打印后裁切制成搬运手孔轮廓模版，而后在纸箱宽度侧面用钢尺测量标出搬运手孔的具体位置，并将搬运手孔模版贴在纸箱上，再画出搬运手孔的轮廓，最后用刀片切割去多余的部分，完成瓦楞纸箱搬运手孔的开取。根据GB/T 6545-2008《运输用单瓦楞和双瓦楞纸箱》的方法，将瓦楞纸箱用胶带封合后置于电子式整箱压缩试验机上进行测定瓦楞纸箱抗压强度。试样按GB/T 10739-2002《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》进行预处理，即将瓦楞纸箱置于试验温度为（23±1）℃，相对湿度为（50±2）%的标准大气环境中，使其水分和大气平衡。

1.4 实验方案

1.4.1 搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度影响的单因素实验

根据1.3 试验方法，按下列单因素设计实验：

（1）5 个搬运手孔形状：搬运手孔的形式多样，按照黄秋艳等[18]提出的常见的6 种搬运手孔形状，实验根据实际使用情况，在比较其舒适度的基础上，重点研究了跑道形、山形、梯形、半圆形和弧形5 种手孔结构，如图1 所示，其中开孔瓦楞纸箱开孔大小均为86 mm×30 mm，开孔位置为中心/（0，0）处。

（2）5 个搬运手孔大小/mm：采用半圆形搬运手孔，搬运手孔位置中心/（0，0）处，参考黄秋燕等[18]对手孔大小的设置，研究以下五种规格的开孔大小86 mm×30 mm、96 mm×40 mm、106 mm×50 mm、116 mm×60 mm、126 mm×70 mm 对瓦楞纸箱抗压强度的影响；

（3）5 个搬运手孔位置：在瓦楞纸箱的宽度端面开孔搬运手孔（大小：86 mm×30 mm；形状：半圆形），以宽度端面的中心为坐标原点建立坐标轴，X 轴为平行于瓦楞纸箱的宽度方向，Y 轴为平行于瓦楞纸箱的高度方向，Y 轴上开孔中心点以50 mm 为间距，依次向Y 轴的正、负方向排开，即孔的中心坐标分别为A（0，100）、B（0，50）、C（0，0）、D（0，-50）、E（0，-100），如图2 所示。

图2 瓦楞纸箱端面坐标图Fig.2 The head face coordinates of corrugated box

1.4.2 正交设计

根据单因素实验的结果，选取影响瓦楞纸箱抗压强度的因素水平做正交试验，并对结果进行分析，以确定最佳的工艺参数，采用L9（34）作为正交试验试验设计[19]，以搬运手孔形状、搬运手孔大小、搬运手孔位置作为3 个考察因素，选取3 个水平（见表1）进行试验。

1.5 瓦楞纸箱抗压强度的测试

首先，将纸箱平放在ZXYD-501 型电子式整箱压缩试验机上下压板之间，置于实验机下压板的中心位置，并将实验机上压板移动到合适位置，使其靠近纸箱上表面（不接触）。以此作为位移记录的起点，然后设置电子式整箱压缩试验机参数，以（10±3）mm·min-1的速度均匀移动上压板下压，软件开始记录下压板位移和载荷大小的曲线图，瓦楞纸箱逐渐被压缩变形，直至瓦楞纸箱损坏或压力值降至最大值的70%，软件生成的瓦楞纸箱的载荷-变形曲线中出现的最高峰值即为该试件的抗压强度，单位以N 表示，记录最大压力值，完成实验，记录数据。每组进行3 次重复试验，求取平均值。

2 结果与分析

2.1 搬运手孔形状对瓦楞纸箱抗压强度的影响

开有跑道形、山形、梯形、半圆形和弧形搬运手孔的瓦楞纸箱和未开孔的瓦楞纸箱经压缩实验测得的抗压强度如图3 所示。从图3 可以看出，不同形状的搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度的影响由小到大为：半圆形＜圆弧形＜山形＜椭圆形＜梯形。未开孔的瓦楞纸箱抗压强度为1 864 N，其抗压强度大于所有开孔瓦楞纸箱强度，这说明瓦楞纸箱抗压强度与是否开孔有着直接影响，开孔后的强度会出现降低，其原因应是开孔造成瓦楞被切断，导致瓦楞纸箱整体抗压强度降低，这与李春伟等[3]研究较为符合；另外从图3 可以看出，除无孔瓦楞纸箱外，开有圆弧形、山形和半圆形搬运手孔的瓦楞纸箱抗压强度相差不大，与谢勇等[6]研究中跑道形、山形和梯形提手孔相差不大较符合，但与其弧形提手孔损失最小略有不同。在此试验中半圆形搬运手孔损失最小，在相同开孔条件下，半圆形搬运手孔对瓦楞纸箱抗压强度影响最小为1 820 N，与圆弧形搬运手孔（1 799 N）相差不明显，其原因可能与采取的纸箱材料有一定的关系，有待进一步进行验证。

图3 搬运手孔形状对瓦楞纸箱抗压强度的影响Fig.3 Effects of handing hole shape on compressive strength of corrugated box

2.2 搬运手孔大小对瓦楞纸箱抗压强度的影响

由于搬运手孔是为了便于纸箱搬运而进行设计的，根据人机工程学原理[20]，包装箱搬运手孔的轮廓尺寸至少应为86 mm×30 mm 才能方便多数人搬运或提携，故实验在此基础上研究了大小为1.5.1（2）五种搬运手孔，测得结果如图4 所示。

图4 搬运手孔大小对瓦楞纸箱抗压强度的影响Fig.4 Effects of handing hole size on compressive strength of corrugated box

由图4 可以看出，瓦楞纸箱抗压强度随着搬运手孔尺寸的增大而逐渐降低，整体呈现逐减趋势。当开孔大小为86 mm×30 mm 时，瓦楞纸箱的抗压强度最大为1 817 N，而当开孔大小为126 mm×70 mm时瓦楞纸箱的抗压强度已降为1 600 N，这与廖玉文[11]、谢勇等[6]研究结论相符合。瓦楞纸箱抗压强度降低的原因是因为搬运手孔开孔面积越大，被切断的瓦楞数量越多，瓦楞纸箱抗压强度下降越快，所以开孔大小为86 mm×30 mm 瓦楞纸箱抗压强度远大于开孔大小为126 mm×70 mm 瓦楞纸箱抗压强度。在瓦楞纸箱侧面进行搬运手孔设计时开孔尺寸宜越小越好，但开孔尺寸过小人工搬运时手掌不易插入或用力不均，造成手感舒适度较差，影响搬运效果，因此根据人机工程学原理宜选用86 mm×30 mm 或稍大尺寸以方便搬运。

2.3 搬运手孔位置对瓦楞纸箱抗压强度的影响

按照1.5.1（3）中搬运手孔开孔位置进行开孔，测得瓦楞纸箱抗压强度结果如图5 所示。

图5 搬运手孔位置对瓦楞纸箱抗压强度的影响Fig.5 Effects of handing hole position on compressive strength of corrugated box

从图5 可以看出，瓦楞纸箱抗压强度随着搬运手孔位置的变化呈现正态分布。开孔位置在Y 轴上的坐标从（0，100）到（0，0）变化时，瓦楞纸箱抗压强度呈上升趋势；在（0，0）位置时瓦楞纸箱抗压强度达到最大值为1 830 N；开孔位置在Y 轴上的坐标从（0，0）到（0，-100）变化时，瓦楞纸箱抗压强度呈下降趋势，说明开孔位置越靠近中心对瓦楞纸箱抗压强度的影响越小。这与李春伟等[3]、胡亚萍等[13]、Benjamin Frank[9]研究较为符合。瓦楞纸箱开孔位置在端面中心或接近中心的位置对瓦楞纸箱抗压强度影响较小，其原因可能是瓦楞纸箱抗压强度主要来源于瓦楞纸箱的四条棱，棱的强度直接决定了瓦楞纸箱抗压强度的大小，当搬运手孔位置远离端面中心时，偏向于任何一条棱时，这条棱的支撑强度就会降低，从而对瓦楞纸箱整体抗压强度起到较大的影响；只有搬运手孔位置在端面中心时，对棱的影响相对较小，因此瓦楞纸箱整体抗压强度达到最大，所以在进行搬运手孔设计时宜将其开孔位置置于端面中心线上，以最大可能的减少对瓦楞纸箱整体抗压强度的影响，但这种设计方法仅适合于形状较为规则或产品中心位于几何中心附近时，对于形状不规则或重心偏移较大的产品应具体问题具体分析，以达到方便搬运和瓦楞纸箱抗压强度达到较大的效果。

2.4 正交试验设计

由单因素对比试验所得数据分析，选取搬运手孔形状、搬运手孔大小、搬运手孔位置设计用L9（34）正交试验。

以表1 中的数据在不同的开孔形状、开孔大小及开孔位置对瓦楞纸板抗压强度的影响的正交试验结果如表2 所示，对上述试验数据进行方差分析，结果如表3 所示。

表2 正交试验设计及数据处理Table 2 Orthogonal experiment design and data processing

表3 搬运手孔影响瓦楞纸箱抗压强度正交试验方差分析Table 3 Analysis of influence of handing hole compressive strength of corrugated box variance of orthogonal test

表2 正交试验方差分析结果表明，搬运手孔影响瓦楞纸箱抗压强度的诸因素的主次关系依次为搬运手孔位置（C）＞搬运手孔形状（A）＞搬运手孔大小（B）。

从正交试验结果可知最佳组合C2B2A3，即开孔位置位于（0，0）处，大小为96 mm×40 mm 的半圆形搬运手孔的瓦楞纸箱抗压强度最大。

按正交试验得到的最佳搬运手孔条件开孔并试验3 次，所得瓦楞纸箱抗压强度平均值为1 842.7 N，介于未开孔瓦楞纸箱抗压强度（1 864 N）和开孔瓦楞纸箱抗压强度最大值（1 820 N）之间，说明结果处理条件最佳。

3 结论

研究在对搬运手孔形状、搬运手孔大小、搬运手孔位置三个影响因素进行单因素试验的基础上，采用正交试验法对搬运手孔进行了优化。结果表明各因素的影响程度依次为搬运手孔位置（C）＞搬运手孔形状（A）＞搬运手孔大小（B）；并得出对瓦楞纸箱抗压强度影响最小的搬运手孔条件为搬运手孔位于（0，0）处，大小为96 mm×40 mm 的半圆形搬运手孔，瓦楞纸箱抗压强度最大为1 842.7 N。通过搬运手孔大小、位置、形状对瓦楞纸箱抗压强度影响的研究，得出了最佳搬运手孔开孔方式，对于搬运手孔的设计提供了数据支持，为进一步改进搬运手孔提供了数据参考，其中对于搬运手孔对于多型号、多尺寸瓦楞纸箱抗压强度的影响仍需进一步探究。