 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
+7 (495) 989-43-69
(многоканальный)
e-mail: arz-p@arzpuck.ru
8-926-917-76-62
8-926-917-76-69
+7 (499) 123-54-44,
+7 (499) 124-56-63,
+7 (499) 797-49-76,
+7 (499) 127-67-40,
+7 (499) 127-18-78,
+7 (499) 755-71-13.
Функции гофрокартона
Штабелируемость коробок
Основная функция коробки из гофрокартона — защита упакованных изделий при транспортировке и сбыте. Растущее использование паллет и поддонов на складах и при транспортировке требует от гофроящиков хорошей штабелируемости.
Размещение гофрокоробок на паллетах
Для наилучшего расположения гофрокоробок на паллете существует специальное программное обеспечение с учетом общего объема и стабильности конструкции. Структура, приведенная на рис. 11.29, может быть рассчитана с помощью программного обеспечения, например, системы САРЕ или других экспертных систем.
Рис. 11.29. Способ паллетизации
Внутреннее сжатие
Гофрокартон — наилучший материал для обеспечения штабелируемости, так как он позволяет создать легкую и жесткую структуру из плоских слоев картона, разделенных бумагой для гофрирования (флютингом).
Способность к штабелируемости оценивают с помощью испытания коробок на сжатие (ВСТ, Box Comression Test). Измеряемой величиной в этом испытании яв ляется предел прочности при плоскостном сжатии, измеряемый в деканьютонах (даН) или кГс. Опубликовано несколько методов стандартных испытаний, в част ности, FEFCO, ISO, AFNOR и т. д. По методу FEFCO для испытаний используется пустой ящик. Применение метода ВСТ, среднее и стандартное отклонение описаны в стандарте FEFCO Testing Method No. 50. По стандарту ISO 12048 испытание ВСТ выполняется на заполненных коробках.
Эмпирический подход к определению сопротивления сжатию.
Формула Мак-Ки {МсКее)
Наиболее известная формула, связывающая сопротивление коробки сжатию и механические свойства ее компонентов, была получена Мак-Ки :
Сопротивление коробки сжатию = К × ЕСТa × FSb × Dc, где D — периметр коробки; FS — жесткость картона на изгиб; ЕСТ — сопротивление картона торцевому сжатию, К, a, b и с — эмпирические коэффициенты.
Габариты коробки играют важную роль в определении ее способности к штабелированию, и конструкторы учитывают это, используя график зависимости между периметром и высотой коробки, а также массой единицы площади гофрокартона (рис. 11.30).
Рис. 11.30. Влияние габаритов коробки и массы единицы площади гофрокартона на сопротивление сжатию (ВСТ): Р — периметр; В W — масса единицы площади гофрокартона
При заданных габаритах коробки сопротивление тары из гофрокартона сжатию (ВСТ, даН) зависит от сопротивления торцевому сжатию (ЕСТ) и жесткости многослойного картона на изгиб.
Уравнение Мак-Ки в первоначальной форме (полученное статистически на основе относительно небольшого количества экспериментов в начале 1960-х гг.) завышает влияние сопротивления торцевому сжатию ЕСТ и занижает влияние жесткости на изгиб. Для устранения этого недостатка были проведены дополнительные лабораторные испытания и установлено, что сопротивление сжатию В СТ зависит, в основном, от габаритов коробки, толщины многослойного картона, массы единицы площади и жесткости на изгиб.
Изменение значения ВСТ для прямоугольных коробок размером 40 х 30 х 30 см в зависимости от массы единицы площади картона при двух значениях жесткости на изгиб показано на рис. 11.31 (первое относится к гофру С толщиной 4,2 мм), а второе — к гофру В толщиной 2,8 мм).
Наряду с рассмотренными факторами важно учитывать также размер гофра и твердость гофрокартона. Кроме того, толщина многослойного картона — это важный фактор его поведения при вертикальном сжатии.
Рис. 11.31. Влияние размера гофра (гофры Си В с различной жесткостью) на сопротивление сжатию ВСТ
Сочетания разных гофров в многослойном картоне (В + С = ВС) пли (В + Е = BE) увеличивают толщину картона, а следовательно, общую массу и жесткость конструкции.
Жесткость на изгиб (FS) в формуле Мак-Ки получают на основе классической теории изгиба тонких пластин, которая представляет собой классический подход к оценке поведения исходных материалов в механике при прогнозировании сопротивления изгибу (жесткости) многослойных материалов (например, сэндвич-панелей).
Эта жесткость определяется моментом инерции материала. Важную роль в определении момента инерции играют толщина картона и характеристики гофра (или его твердость, см. ниже). Для обеспечения максимальной прочности при сжатии необходим материал с идеальной формой гофра.
Второй коэффициент, используемый в расчете жесткости на изгиб, — это модуль упругости (модуль Юнга) плоских слоев. В настоящее время модуль продольной упругости измеряют ультразвуковым методом. Сравнение двух плоских слоев одинаковой толщины показано на рис. 11.32, где у слоя 1 модуль Юнга больше, чем у слоя 2. Жесткость многослойного картона на изгиб существенно зависит от различий в модулях Юнга (особенно с увеличением массы единицы площади плоского слоя). На практике жесткость на изгиб измерить довольно сложно, и ее редко используют в регулярных испытаниях.
Испытание на сопротивление торцевому сжатию (ЕСТ) известно лучше, и его широко применяют для оценки потенциальной прочности картона. Как показано на рис. 11.33, этот параметр зависит не от толщины картона, а в основном от его массы м2.
Как показывает нижеприведенная формула для двухслойного гофрокартона, для прогнозирования значения ЕСТ с большей точностью может использоваться сочетание прочностных параметров бумаги.
Рис. 11.32. Влияние модуля Юнга на жесткость многослойного картона на изгиб
Рис. 11.33. Влияние массы м2 и размера гофра на значение ЕСТ
где SCTCD — прочность плоских слоев (1 и 2 соответственно) на сжатие в ускоренных испытаниях по методу SCCT (Short Compression Crush Test) в поперечном направлении; ССТСD — прочность в поперечном направлении бумаги для гофрирования в испытаниях на разрушение при сжатии (Compression Crush Test). (Внимание] Здесь ССТ — это не испытание по методу Concora Compression Test; используется образец той же формы, что и в испытаниях Concora Medium Test (CMT), но нагрузка прикладывается иначе, к кромке бумаги; это испытание используется нечасто, но сходно с испытанием ЕСТ.)
Полуэмпирическое прогнозирование сопротивления сжатию
Для расширения границ классической «теории коробки» необходимо рассмотреть новые методы измерения способности к штабелируемости. На рис. 11.34 показана основанная на фотографии схема распределения напряжений в листе картона при сжатии, где видно влияние направления ориентации (в машинном и поперечном направлении) волокон. Наблюдаемое явление вспучивания, не учитываемое в классической теории и характерное для поведения гофрокартона под нагрузкой, явилось предметом ряда исследований.
Рис. 11.34. Распределение напряжений в листе картона при вертикальном сжатии
Прогностические математические модели
Для прогнозирования поведения листов и конструкций из гофрокартона используется анализ методом .конечных элементов. Разработанный метод расчета SYSTUS, основанный на линейно-упругой зависимости, позволяет оценить сопротивление гофрокартона изгибу.
Эта модель основана на яредиоложении о том, что гофр имеет в сечении форму трапеции, а склеивание материала гофра и облицовочного слоя идеально. На основе технических расчетов поведения материала гофра и при хорошем контроле толщины и твердости картона в ходе изготовления коробок можно достаточно точно прогнозировать поведение гофрокоробки под нагрузкой при штабелировании. Прогноз формы гофрокартона, полученный с помощью пакета программ ANSYS, представлена на рис. 11.35.
Рис. 11.35. Форма гофрокартона, спрогнозированная с помощью компьютерного моделирования (пакет программ ANSYS)
Программное обеспечение для прогнозирования поведения упаковки под на грузкой с использованием метода конечных элементов может применяться при раз работке упаковки, позволяя прогнозировать влияние сложных элементов дизайна (например, отверстий для рук).
Срок эксплуатации и запас прочности
Для определения параметров сжатия коробки (ВСТ) в данной среде необходимо учитывать продолжительность его жизненного цикла, длительность нахождения под нагрузкой в штабеле и запас прочности.
При определении усталостной прочности гофрокоробок было экспериментально смоделировано их поведение с учетом характеристик ползучести материала, то есть медленной деформации под нагрузкой.
Хотя жизненный цикл коробки начинается с момента производства гофрокартона, полный набор ограничений, в основном определяющих его поведение при эксплуатации, проявляются при использовании коробки на этапе транспортирования, хранения и сбыта, когда она подвергается самым разным нагрузкам — вибрации, ударам, падениям, старению и циклическим воздействиям изменений влажности и температуры.
Количественно определить эти нагрузки для описания изменений характеристик коробки во времени при ее сжатии и нахождении во влажной среде можно в лабо раторных условиях.
Параметром, обеспечивающим наилучший учет воздействия условий транспортировки, хранения, и штабелирования коробок, является сопротивление коробки вертикальному сжатию (ВСТ), поскольку заказчик заинтересован в максимально возможном сопротивлении коробки вертикальному сжатию не только в начале ее эксплуатации, но и в течение всего жизненного цикла тары. Максимальный срок службы коробки можно выразить как время, по истечении которого она разрушается при расчетной нагрузке на сжатие (ВСТО).
Расчетная нагрузка на сжатие получается в ходе стандартных испытаний на ползучесть, проводящихся для изучения поведения данной коробки. Для моделирования динамических и климатических нагрузок коробку подвергают воздействию разных вибраций и помещают ее в среду с различной температурой и влажностью. Время, необходимое для разрушения коробки при заданной нагрузке, в лабораторных условиях можно сократить, выбирая нагрузку ВСТ0. С учетом конкретных нагрузок и атмосферных условий время разрушения коробки зависит от отношения приложенной нагрузки и сопротивления коробки сжатию (ВСТ0/ВСТ). Например, если коробка хранится при 23 °С и ОВ 50%, то нагрузка, требующаяся для ее разрушения в течение 5-15 мин, составляет 90% от сопротивления коробки сжатию.
В следующем примере в двух различных средах испытывались коробки с равновеликими клапанами (RSC), с гофром С, размером 400 х 300 х 300 мм, изготовленные с плоским слоем из крафт-лайнера массой м2 150-225 г/м2 и с различными материалами для гофра (из вторичного волокна и полуцеллюлозы массой м2 110— 180 г/м2).
Значения ВСТразличных коробок измерялись в стационарных условиях. Оказалось, что при 23 °С и ОВ 50% ВСТ составляет 350 ± 50 кг, а после насыщения влагой в течение 72 ч при 20 °С и ОВ 90% - 130 ± 15 кг.
Зависимость срока службы от приложенной нагрузки представлена на графике (рис. 11.36), где каждая точка соответствует среднему из 10 измеренных значений для каждого сочетания условий. Это среднее время разрушения является значимым, поскольку нами, как и в работах, было установлено, что его распределение соответствует нормальному статистическому закону распределения.
Было установлено следующее.
• Как и ожидалось, нахождение гофрокоробки во влажной среде значительно снижает ее сопротивление сжатию по сравнению с такой же коробкой, храня щейся в сухой среде. Коробка, выдерживавшая в сухой среде в среднем 310 кг, во влажной среде может выдержать лишь 120 кг.
• Вибрации нарушают стабильность системы: возможности коробки, способной выдерживать нагрузку 300 кг, при воздействии вибраций снижаются на 40%, то есть коробка может выдерживать нагрузку лишь 170 кг.
Интересно оценить поведение всех компонентов коробки. Картон для плоских слоев (лайнер) можно классифицировать по показателям его ползучести.
На основе оценки ползучести лайнера (например, в ходе испытания, разработанного фирмой Smurfit, подобном испытанию на сопротивление сжатию по методу SCT) можно измерить энергию диссипации при деформации под нагрузкой как функцию времени. Логично предположить, что имеется обратная зависимость сопротивления нагрузки и выделяемой энергии.
Таким образом, чем более стоек материал, тем меньше будет его деформация, и соответственно снижается количество высвобождаемой энергии.
При постоянных эксплуатационных условиях по нагрузкам и времени при работе в области упругих деформаций данного материала можно сравнить различные виды лайнера и определить коэффициент усталостной прочности FR, который определяется соотношением:
где Wr— базовое значение энергии, выбранное произвольно как нижний предел наблюдаемых значений, a W — энергия, выделяемая за счет ползучести материала. Чтобы проиллюстрировать это положение, можно продемонстрировать результаты, полученные при испытании большого числа образцов промышленно выпускаемого лайнера. Результаты представлены в виде средних геометрических значений для машинного и поперечного направлений волокон.
Рис. 11.36. Зависимость срока службы гофрокоробки от приложенной нагрузки на сжатие
Если сопоставить данные измерений ползучести и традиционную классификацию лайнеров по индексу продавливания, то оказывается, что эти два параметра находятся в обратной зависимости, причем усталостная прочность по своей сути пропорциональна индексу продавливания (табл. 11.8).
На рис. 11.37 показано относительное место некоторых видов бумаги по классам ползучести. Таким образом, можно определить виды бумаги, однородные по индексу продавливания и усталостной прочности, у которых высокий индекс продавливания соответствует высокой усталостной прочности бумаги и, следовательно, гофроящика.
Основы теории ползучести
При испытании на ползучесть к материалу прилагается постоянная нагрузка (σ0) и анализируется изменение деформации (ε) со временем.
Таблица 11.8. Результаты испытаний различных видов лайнера (среднегеометрическое значение)
| Характеристика лайнера | Индекс продавливания | Ползучесть, Па-1 с-1 | Высвобождаемая энергия, кПа | Усталостная прочность, % |
| Тест-лайнер, 180 г/м2 | 2,5 | 5,7 | 130 | 46 |
| Крафт-лайнер, 150 г/м2 | 3,5 | 1,6 | 86 | 70 |
| Крафт-лайнер, 150 г/м2 | 4,5 | 1,2 | 76 | 80 |
Рис..11.37. Виды материала для гофрокартона в зависимости от его ползучести
Зависимость ползучести от времени, полученная на основе этого анализа, выражается формулой
Конкретный материал характеризуется своей скоростью ползучести, выражаемой формулой
Если это явление рассматривать с точки зрения теоретической механики, то можно показать, что для нагрузки о0 энергия, выделяемая материалом при его деформировании за счет ползучести, может быть описана как функция скорости ползучести в данный момент времени:
где Е — модуль Юнга для данного вида материала.
Для стандартных испытаний конструкторы обычно выбирают коэффициенты запаса, приведенные в табл. 11.9.
Таблица 11.9. Коэффициенты запаса в зависимости от условий внешней среды
| Среда | Параметры | Коэффициент запаса |
| Тип штабелирования | «Колонной» | 1,00-1,33 |
| «В замок» | 1,67-2,00 | |
| Относительная влажность (ОВ) | 65% | 1,07-1,25 |
| 75% | 1,25-1,67 | |
| 90% | 1,82-2,50 | |
| Продолжительность хранения при ОВ 90% | 1ч | 1,11-1,40 |
| 10 сут | 1,33-2,00 | |
| 60 сут | 2,00-2,55 |
Чтобы коробки обладали достаточной прочностью для защиты содержимого в течение ожидаемого срока хранения, коэффициенты запаса по прочности, представленные в табл. 11.9, должны учитываться уже на стадии проектирования.
Основой для расчета требуемого значения БСТявляется значение БСТящика после непродолжительного хранения вне штабеля (ВСТ0). На его основе путем умножения на кумулятивный коэффициент прочности СТ вычисляется прогнозируемое требуемое сопротивление сжатию ВСТ.
Для конструкторских расчетов значение ВСТ0 измеряется в лабораторных условиях при температуре 23 "С и ОВ 50%. Это значение умножается на кумулятивный коэффициент прочности СТ, вычисляемый как произведение различных коэффициентов прочности, каждый из которых соответствует тому или иному фактору, влияющему на эксплуатационные свойства коробки:
где Сх — коэффициент, соответствующий операции упаковки; С2 —- коэффициент для паллетизации («колонной» или «в замок»); С3 — коэффициент усталости при хранении; С4 — коэффициент климатических условий при транспортировке и хранении; С5 — коэффициент, связанный с вибрациями при транспортировке.
Значение Ст обычно составляет от 2 до 7 (чаще всего 3-4). Например, ящик, хранящийся на паллете «в замок» в течение 10 сут при ОВ 90% должен иметь сопротивление сжатию (ВСТ) в четыре раза большее, чем обычный ящик, непродолжительно хранящийся вне штабеля (по табл. 11.9 Сх х С2 = 2 х 2 = 4). Отсюда значение ВСТ0 = 200 кг (полученное в лабораторных условиях) в реальных условиях окажется недостаточным для выдерживания более чем 50 кг (200 : 4).
Кроме того, если испытания проводятся с ящиками, изготовленными вручную, то для учета механических напряжений, испытываемых ящиками при сборке, фасовании и укупорке на высокоскоростных упаковочных линиях, необходимо учитывать 25%-ный коэффициент.