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瓦楞纸箱抗氏抗压公式的应用及案例分析

   日期:2005-07-18     来源:中国测控网     作者:管理员    

瓦楞纸箱从发展之初至今已有一百多年的历史,随着瓦楞纸箱整体行业在机械及生产工艺上的不断改进,已由原来的手工作坊式生产变成今天的多机联动式生产,大大提高了生产能力,同时降低了生产成本。由于瓦楞纸箱自身存在的一些优点,越来越受到包装使用企业的青睐。在包装行业当中,瓦楞纸箱一直有取代木箱的趋势,但由于瓦楞纸箱自身也存在着一些缺陷,一直未能完全达到这种结果。例如纸箱的抗水性与防潮性,耐破及戳穿强度以及抗压强度等等都不及木箱,而抗压强度往往是各纸箱用户对纸箱要求的一项最重要的物理指标。在市场经济日益激烈的今天,如何在保持或降低原材料成本的同时保证纸箱的抗压强度,也一直是各纸箱生产企业管理过程中的难点与重点。
事实上,瓦楞纸箱的抗压强度是一个比较复杂的问题,因为构成瓦楞纸板的箱板原纸和瓦楞原纸是各向异性的,不均匀的,而且纤维材料还具有粘弹性质,在制成箱板的过程中,原纸受到不同温度、粘合剂和外力的作用,自身已经发生了很多变化,所以从原纸到瓦楞纸板,以及到瓦楞纸箱的物理性能之间的变化是不定向的,而如何从原纸物理性能计算纸板以及纸箱的物理性能,一直是纸箱研究和制造行业的探讨的课题。国外此类计算公式很多,但由于都很繁琐且不易理解,长期以来很难真正运用到我国的瓦楞纸箱行业中来。任何一种理论必须在一个企业的生产过程中经过多次验证才能准确的服务于这个企业的生产指导。
2004年6月开始,笔者陆续在瓦楞纸箱各种刊物上刊载我测算的瓦楞纸箱抗压强度的计算公式——抗氏公式,这之后我接到一些纸箱厂的技术人员打来的电话,咨询抗氏公式的具体使用情况,并探讨计算值与实测值之间出现的一些偏差。由于各纸箱企业的生产工艺不同,相同的原材料生产后纸箱的抗压强度也不同,而如何在企业生产过程中查找抗压问题存在的根源,使原纸的物理指标在生产过程中的有效转换最大化,关于影响纸箱抗压的诸多原因,一直是生产管理者的长期探讨的课题。下面就一些相关问题进行进一步的阐述,此文中的论述只代表我个人的一些观点。
(一级标题)瓦楞纸箱抗压强度的测试、记录与分析
瓦楞纸箱抗压强度是指在压力试验机均匀施加动态压力下至箱体破损的最大负荷及变形量。
抗压测试整个过程分四个阶段:(图示1)
A 是预加负荷阶段,以确保纸箱与抗压机压板接触;
B 是横压线被压下阶段,此时负荷略有增加时变形量变化很大;
C 是纸箱侧壁受压阶段,此时负荷增加快,变形量增加缓慢;
D 是纸箱被完全破坏时纸箱的压溃点。
纸箱的内在质量不同,各测试阶段的变化情况也不同,在纸箱的整个承压过程中主要是四个角受力,约占整个受力额的三分之二。所以在生产过程中我们应尽量减少对纸箱四个角周围瓦楞的破坏。我们可以建立压力负荷与变形量关系曲线,然后对纸箱的抗压强度加以判断,这其中变形量有着极其重要的意义。
抗压记录:一般抗压测试仪只能记录并打印抗压测试的最终值,即抗压测试的最终变形量与最终力值。而我们需要从抗压测试的变形量与力值的变化过程中分析瓦楞纸箱的内在质量,这就有必要全程纪录变形量与力值的变化情况,纸箱的内在质量不同,抗压测试过程中力值与变形量的形成的变化曲线也不同。
抗压测试时力值的变化,有时是由慢到快直接至溃点,有的是平稳递加至溃点,而在长期的抗压测试中发现纸箱的抗压测试过程中力值的变化有时还会有一定的缓冲,既当力值与变形量增加到一定阶段以后,力值停止而变形量继续增加,经过一段时间以后,力值才又继续增加,直至纸箱的溃点。我们可以把缓冲前的力值叫做有效力值,缓冲前的变形量为有效变形量;缓冲以后,力值虽可以继续增加,但纸箱开始变形,已不能达到纸箱本身的使用要求。相同条件下,纸箱的质量越好,抗压强度的有效值越高,有效值和最终值的偏差越小。分析瓦楞纸箱的抗压强度一般要通过一组多个实验(≥3)的平均值来表示,而每个实验数据之间的偏差越小纸箱的抗压性能越稳定。我们可以通过力值与变形量的变化过程分析纸箱的内在质量,从而进一步分析查找影响纸箱抗压的各种因素。
下面记录的是几种典型的抗压测试过程以及形成的变化曲线。1~4组是在纸箱周长和楞形相同,但用料不同后得到的抗压强度的测试情况;B、C、A是用料及纸箱周长相同但所选楞形不同后抗压强度的测试情况。
力值 序号变形量 1 2 3 4 B楞 C楞 A楞
1.0 30 20 20 10 30 20 20
2.0 230 120 110 130 350 240 120
3.0 640 290 230 250 750 630 410
4.0 1480 480 390 470 1750 1460 1240
5.0 2120 760 510 550 2320 2020 1980
6.0 2380 1230 720 800 2500 2210 2040
7.0 2590 1580 990 1060 2780 2430 2370
8.0 2670 1890 1200 1280 2620 2370
9.0 2890 2020 1360 1420 2860 2370
10.0 2020 1520 1630 2530
11.0 2020 1760 1870 2810
12.0 2180 1890 2900
13.0 2390 1890 3180
14.0 2450 1900
15.0 2510 2010
16.0 2520 2150
17.0 2200
18.0 2270
19.0 2310
20.0 2380
21.0 2450
22.0 2530
23.0 2600
24.0 2670
25.0 2690
上述记录中力值的单位是N,变形量的单位是mm,如果把上示1~4组抗压记录做成曲线。
图示分析:通过抗压记录和图示我们可以分析出同种纸箱在选择了一定的楞形以后(上述测试为C楞),由于用料或工艺的不同得到纸箱的抗压强度也不同,纸箱抗压质量的优略依次分别为1-2-3-4。

图示分析:通过抗压记录和图示我们可以分析出同种纸箱在用料相同的情况下,楞形越小,所能承受的抗压强度越小,变形量也越小,相对来说越不稳定;楞形越大,所能承受的抗压强度越大,变形量也越大,相对来说越稳定。
(一级标题)0201型瓦楞纸箱抗压强度的抗氏计算公式
瓦楞纸箱是由各层面的瓦楞原纸构成,瓦楞纸箱的抗压公式是根据纸板原纸的物理性能计算瓦楞纸箱的抗压强度,看其能否满足要求。也可以根据预定的瓦楞纸箱的抗压强度要求选择一定的瓦楞纸板原纸。
现有的抗压强度计算公式很多,但大多是沿用国外的,不易理解和记忆,很难使中国现有的瓦楞纸箱设计人员掌握。而在各企业当中,因抗压设计的难度往往使价格设计与纸箱抗压强度设计脱离开,容易造成原料的浪费或抗压不够的质量问题。而抗氏公式在设计与生产的衔接中,避免了设计中的盲目性,增加了生产之初对纸箱抗压强度的可预测性。
瓦楞纸箱是由各层面的瓦楞原纸构成,抗氏公式是根据纸板原纸的物理性能计算纸箱的抗压强度,看其能否满足要求;也可以根据预定瓦楞纸箱的抗压强度要求,选择一定的瓦楞纸板原纸。
P=Px.K
P 瓦楞纸箱的空箱抗压强度(单位N)
Px 瓦楞纸板原纸的横向综合环压强度(单位N/cm)
其中,三层瓦楞纸板原纸的综合环压强度的计算公式为:
Px=(R1+R2+RmC)/15.2
五层瓦楞纸板原纸的综合环压强度的计算公式为:
Px=(R1+R2+R3+Rm1C1+Rm2C2)/15.2
Rn:面纸横向环压强度的测试力值(N/0.152m)
Rmn:楞纸横向环压强度的测试力值(N/0.152m)
C:瓦楞收缩率,即瓦楞芯纸与面纸的长度之比。(CA=1.532,CB=1.361,CC=1.477)
K:综合环压在纸箱空箱抗压强度中的有效值,计算公式为:
K三A=30.3+0.275Z-0.0005Z2
K三C=27.9+0.265Z-0.0005Z2
K三B=24.6+0.235Z-0.0005Z2
K五AA=41.7+0.355Z-0.0005Z2
K五BB=33.2+0.305Z-0.0005Z2
K五CC=38.1+0.345Z-0.0005Z2
K五AB=38.2+0.335Z-0.0005Z2
K五AC=40.2+0.355Z-0.0005Z2
K五BC=35.7+0.325Z-0.0005Z2
三A:三层A楞箱,三层箱周长的取值范围:70cm~200cm
五AC:五层AC楞箱,五层箱周长的取值范围:70cm~300cm
各企业在生产过程中只会涉及到部分楞型,所以只需根据本企业的所用楞型选择相对应的抗氏公式。根据楞型与原纸的环压力值计算出综合环压,再将纸箱周长带入与楞型相对应的K值的计算公式,综合环压与K值的乘积即为纸箱的抗压强度。我们也可以根据预定的纸箱的抗压强度与周长选择合适的纸板原纸,同时还可以利用计算出的抗压强度对各生产工序进行作业指导。

例1 某三层C楞纸箱,周长125cm,面纸里纸选用A级箱板250g/?O,楞纸选用A级高强楞纸170g/?O,计算该纸箱所能达到的抗压强度。
解:C楞的缩率C=1.477,查国标,面纸里纸的环压指数为10.6,楞纸的环压指数为9.2,Z=125。
R1=R2=250×10.6×0.152=403N
R3=170×9.2×0.152=238N
代入公式得
(R1+R2+R3×C)/15.2×(27.9+0.265Z-0.0005Z2)
=(403+403+238×1.477)/15.2×(27.9+0.265×125-0.0005×1252)
=76×53.2
=4043N
此瓦楞纸箱能够达到4043N的抗压强度
例2 某五层BC楞纸箱周长为178cm,面纸里纸选用200g/?OA级箱板,横向环压力值为 255N/0.152m;两层楞纸选用150 g/?OA级高强瓦楞纸,横向环压力值为 182N/0.152m ;加芯选用200 g/?O卡纸,横向环压力值 240N/0.152m,计算此纸箱能够达到的抗压强度。
解:R1=R2=255N/0.152m R3=240N/0.152m
Rm1=Rm2=182 N/0.152m CB=1.361,CC=1.477,Z=178cm
将以上数据带入公式,得
P=Px.K=(R1+R2+R3+Rm1C1+Rm2C2)/15.2×(35.7+0.325Z-0.0005Z2)
=(255+255+240+182×1.361+182×1.477)/15.2×(35.7+0.325×178-0.0005×1782 )
=83.2×77.7
=6464 N
即该五层纸箱能够达到6464 N的抗压强度
例3 某三层A楞纸箱周长为148cm,抗压强度要求4500N,面纸里纸选用B级箱板250g/?O,楞纸选用A级高强瓦楞,计算楞纸应选用的定量。
解:面纸里纸的环压指数为9.2,设楞纸的定量W为未知数,A楞缩率C=1.532,Z=148cm,P=4500N
R1=R2=250×9.2×0.152=350N
(R1+R2+R3×C )/15.2×(

 
  
  
  
  
 
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