基于環境分析的包裝器具開發策略

孔 楊，劉展策

（風神物流有限公司，廣東 廣州 510800）

基于環境分析的包裝器具開發策略

孔 楊，劉展策

（風神物流有限公司，廣東 廣州 510800）

基于汽車行業大環境下的物流包裝需求，分析了汽車制造企業外協零部件在運輸及使用過程中涉及多種環境下對包裝設計的要求，提出了包裝器具設計開發策略，有利于保障包裝質量，降低物流成本。

物流運輸；環境因素；包裝器具

1 引言

一輛整車由約30 000個零部件組成，這些零部件大部分來自于國內零部件生產企業供應的國產件和國外進口的散裝（CKD）件。整車生產廠為了實現零庫存，要求汽車零部件供應商按其生產節奏和生產需求量進行供貨，由物流服務商通過循環取貨（Milk-Run）實施“直送工位”的JIT配送。在這一過程中，需要對零部件進行不同程度的包裝以起到防護、方便運輸和提高集配效率等作用。

汽車行業涉及零部件品種繁多，不同零部件經由海洋運輸、陸路運輸（長途運輸、短途運輸）、室內周轉等不同環境送至目的地，因而包裝器具的形態也有不同要求。本文通過對不同的環境進行分析，得出基于不同使用環境下包裝器具設計開發策略。該策略有助于開發出合理、正確的包裝容器，提高廠內、廠外的物流效率，保證零部件質量，降低生產成本，從而保障汽車主機廠生產穩定開展。

2 環境條件研究策略

“包裝設計六步法”理論：20世紀70年代，MTS公司與密歇根州立大學包裝學院合作，總結出包裝設計五步法：①確定環境條件；②確定產品脆值；③選擇緩沖材料；④設計原型包裝結構；⑤試驗評價原型包裝。

1986年，Lansmont公司F.C.Bresk等人提出了包裝設計六步法，即在五步法的②與③步之間增加了新的一步“產品重新設計”。對物流環境殘酷程度的判定是方案設計的重要的一環，也是一切設計的基礎。本文將基于包裝六步法理論，重點闡述環境條件對包裝器具設計開發的影響。

主要是判定存在的何種運輸危險和人機條件。它包括搬運過程的偶然跌落、汽車震動、沖擊、溫濕度極限和堆碼壓力、作業模式、人機環境。物流包裝器具設計尤其要關注以下幾點:氣象性環境條件—空氣溫度、溫度變化、濕度、低氣壓、氣壓變化、風速、輻射（太陽與熱）、降雨、其它水源、潮濕等10種參數；機械性環境條件—非穩定振動（含沖擊）、穩定振動、自由跌落、碰撞、車翻滾與跌落、靜負載等6種參數；人機性環境條件—人機、材料、工藝、需求模式4種參數。

2.1 氣象性環境條件

關于氣象環境，我們以出口包裝為例分析說明。海洋運輸過程中鹽霧是一致命傷害，堆放于沿海港口碼頭、運輸船甲板上的包裝件會受到嚴重的影響。通常，干燥的鹽粒影響極微，但當空氣潮濕、大霧或細雨降落時，鹽粒便會溶于水中呈離子狀態，此時的氯離子，就具有很強的腐蝕作用，同時易被受潮的金屬表面所吸附，破壞金屬或其表面鍍層的鈍化而導致金屬腐蝕。

氣溫的日變化對產品件品質亦產生影響。在日變化最大的月份，在日出前到午后的8小時內溫度日較差可接近30℃。大溫度日較差可能引起密閉包裝件內的相對濕度劇烈變化。甚至出現水汽凝結現象。海洋運輸用的集裝箱，內部處于密封狀態。箱內空氣狀態隨外界溫度或太陽輻射的變化而變化，若貨物或包裝材料的含水量相當，極可能發生內部結露現象。在相對濕度不變的情況下，溫度的變化可以降低或提高產品的含水量，如圖1所示。

圖1 相對濕度隨地球緯度的變化

風神物流出口包裝業務覆蓋面較廣泛。以國內某知名品牌乘用車白車身大總成出口為例，其產品最遠運輸至中東國家。船舶由武漢內陸口岸經由長江水域至上海口岸，裝箱集配后經由我國東部海岸南下至南海水域，北上經由阿拉伯海到伊朗地區。海洋運輸周期達30天之久，行駛距離遠，跨經緯度廣，穿越多個氣候帶。此類凝結現象尤為突出，對部品品質產生了極大的影響。風神物流多年的出口業務數據統計顯示：出口包裝的風險—搬運、裝卸、跌落、壓力和潮氣、運輸、經海關和登陸國的儲存、多次搬運、轉船和交貨，其中可避免損失約占70%：水損10%（淡水、咸水、冷凝水、濕氣），偷竊或未交貨20%；搬運和儲存40%（容器破損、滲漏、壓潰、腐蝕、污染、冷藏或其它設備故障）；偶然損失30%（沉船、擱淺、火災、碰撞、天氣）。

由數據可見，氣象條件對包裝器具設計要求極高。關于出口包裝容器需要致力解決容器的密封性、內部凝水的吸收處理、鐵質零件的防銹處理（常用①噴涂防銹油：即在零件表面噴或涂抹防銹油，形成一層致密的保護薄膜，有效地預防外界物質腐蝕零件。②使用防銹材料：防銹材料一般包含VCI氣相防銹和干燥劑，VCI防銹的原理是在密封環境中通過揮發充盈含有VCI防銹因子的混合氣體，吸附于金屬表面形成致密保護膜層，隔絕金屬與外界腐蝕物質的接觸）；對一些對溫度較為敏感的零部件，還要致力于容器的恒溫性技術解決。風神物流已積累了一套成熟的防潮和防腐除銹的工藝，極大的降低了氣候條件對出口包裝產品的影響。

2.2 機械性環境條件

包裝件可以說是產品和包裝器具所形成的總體，可以將包裝件看做一個系統，流通過程中的沖擊、振動和壓力等機械性環境條件是系統的輸入或激勵，直接影響著被包裝產品在裝卸、搬運、運輸、中轉、倉儲、陳列、銷售等環節中的安全性。因此，機械性環境條件是造成被包裝產品破損的一類重要的環境條件，對產品包裝設計和安全流通有重要影響。物流運輸中我們著重對非穩定振動（含沖擊）、穩定振動、動靜負載等3種機械環境分析。

2.2.1 沖擊對包裝件的影響。沖擊是造成物流器具損壞的主要因素之一。物流器具所承受的沖擊主要發生在裝卸和運輸過程中，可分為垂直沖擊和水平沖擊。垂直沖擊主要由搬運、裝卸、起吊時對包裝的沖擊。水平沖擊主要發生在運輸車輛在凹凸不平路面上行駛、車輛突然啟動或者制動、船舶靠岸、飛機著陸等情況時。

裝卸作業。裝卸作業分為人工裝卸和機械裝卸。一般情況下，流通過程越長，中轉環節越多，裝卸搬運次數也越多。據測定，人工裝卸的跌落沖擊加速度通常在10g（重力加速度）左右，最大達100g。鏟車運輸垂直沖擊加速度約為0.7g。

運輸過程。汽車運輸（或公路運輸）。車輪越過路面上的凹凸部分，車輛的緊急制動，都將導致物流器具承受沖擊。沖擊加速度的大小取決于路面狀況，行車狀況、產品質量以及運輸工具的裝載穩定性。據測定，當汽車以30km/h速度行駛時緊急制動，車廂將產生0.6-0.7g的沖擊加速度；當汽車以12.9-24.1km/h速度行駛在三級路面（農村土路），車廂將產生5-10g的沖擊加速度，最大為35g。若包裝器具設計缺陷，均會對產品造成不可修復的損壞，見表1。

表1 汽車運輸時所產生的沖擊情況

2.2.2 振動對包裝件的影響。包裝件在流通過程中的振動情況很復雜，與運輸工具（車輛，船舶、飛機等）、運輸環境（路面、海浪、氣流）、包裝結構形式（產品、材質、緩沖包裝方法）以及裝載情況有關。由于激勵的多樣性和影響因素的隨機性，包裝件在運輸過程中的振動屬于符合隨機振動。汽車運輸中被包裝的產品共振頻率一般小于25Hz，而且共振現場與路面起伏關系不大。汽車運輸的振動特性可以用圖2所示的頻譜來描述。實際對汽車運輸的振動測試結果表明，汽車運輸的振動能量絕大部分分布在0-200Hz內，且能量集中在0-50Hz之內?；疖囌駝优c汽車振動相比有明顯區別，火車駛過鋼軌接縫時車輪受到沖擊而引起運行車輛的周期性強迫振動。在火車正常運行、進出站、過岔道、車體搖晃等環境影響?；疖囘\輸的振動特性可用圖3所示頻譜描述，其頻率范圍通常為20-100Hz。船舶運輸的振動特性可用圖4所示的頻譜來描述，通常表現在不容級別的振動，即在平靜的海面上，出現低強度的振動，振動加速度較小；遇到大的風浪或緊急操作航行時的高強度振動，振動加速度較大。

歷時出口包裝數據測定顯示：船舶運輸時振動頻率較低，但海船航行會經歷6個方向的運動，每分鐘可能擺7-8次，擺角可能達40度，裝在頂部的包裝件的擺動幅度可能達到20m。受到的沖擊與振動一般是國內運輸的50倍。

綜上所述,由汽車、火車和海洋運輸的振動特性頻譜率看出：振動具有隨機性，而且振動頻率范圍很寬。運輸方式、地域狀況、運輸距離不同—振動的強度和頻率范圍因而不同。船舶運輸時頻率較低；特別是汽車運輸的振動頻率與大多數被包裝件固有頻率比較接近，產生共振的可能性大，應在產品的緩沖設計中充分考慮。

圖2 汽車運輸振動特性頻率譜

圖3 火車運輸振動特性頻率譜

圖4 船舶運輸振動特性頻率譜

2.2.3 負載對包裝件的影響。流通過程中壓縮對包裝件的影響有兩種，即倉儲中的堆碼壓力--主要校驗指標靜載荷（影響因素負載強度、負載時間、氣候條件）；運輸中的沖擊和震動--動載荷（首先按沖擊進行設計，然后檢驗運輸包裝系統在共振狀態下的損傷情況）。

在靜載荷作用下，包裝容器、緩沖材料或結構發生變形、蠕變，會影響包裝產品的動態特性。而且靜載荷過大，會導致被包裝產品損壞。包裝容器在堆碼儲存和運輸時，最底層包裝件所承受的靜壓力最大，要求物流器具滿足堆碼強度條件，即：

式中：

P-物流器具的抗壓強度；

PS-最底層物流器具所承受的堆碼強度；

W-單個包裝件的重量；

k-安全系數；

Nmax-最大堆碼層數；

安全系數取決于堆碼時間、堆碼尺寸、溫濕度條件、商品價值、裝卸與搬運次數等因素。若安全系數過小，導致包裝件的抗壓強度低，不能保護產品；若安全系數過大，擇浪費材料，增加成本。一般情況下，取k=1-2?；诂F階段市場常用廂式運輸車輛7.2m（長7.2m×寬2.3m×高2.7m）；9.6m（長9.6m×寬2.3m×高2.7m）；12.5m（長12.5m×寬2.4m×高2.7m）；16m（長16m×寬2.5m×高2.4m）；火車貨廂P60（長15.47m×寬2.83m× 2.75m）；火車貨廂C62（長12.48m×寬2.79m×2m）及船舶尺寸等數據，常將汽車運輸堆碼高度設定小于250cm；火車運輸小于275cm，船舶運輸小于700cm。

動載荷。在運輸過程中，物流器具除了收到上層包裝件的靜壓力之外，還受到來自運輸工具底板傳遞的動壓力，以及水平位移時的摩擦力。而且動壓力比靜壓力對器具產生的危害更大。因此，包裝件在運輸車輛上必須保證可靠地固定。以防止其在車輛上跳動或者移動。減少動壓力對包裝件和被包裝產品的危害。

由于近年國內自主品牌汽車的飛躍發展，傳統的汽車零部件供應商供貨不再是簡單的就近供貨原則。經常會涉及到不同地區的工廠零部件對拉調貨。運輸路徑跨區域廣，經歷不同的陸路狀況，對包裝器具也提出了更高的要求。風神物流有限公司現階段服務的國內某客戶，最北貨物由大連始發，經由汽車火車聯運至南部沿海城市廣州，其間距離約2 300km，跨區域廣。該類長途運輸類容器，尤為要避免沖擊、振動、負載等機械環境對包裝件的損壞。

該類長途運輸包裝器具開發需注意由以下幾個維度展開：

（1）包裝容器一般不設定易于移動的腳輪或者滑軌。保證容器在運輸設備中穩定擺放；降低沖擊強度；

（2）包裝容器一般安裝柔性緩沖限位結構。柔性模塊有助于緩解包裝件經受水平或垂直方向沖擊作用；改變包裝件固有的振動頻率，降低部件發生共振或者大振幅振動的風險；間隔限位塊可有效的避免包裝件由于堆；

（3）包裝容器一般需承受一定強度堆碼。為了提升運輸積載率，包裝容器常堆疊運輸。包裝容器需承受堆碼負載，就需配套有堆垛（腳、碗）、叉車槽、雪橇板等機構。主體框架管材需根據運輸環境進行分析，保證堆碼負載安全；

（4）包裝容器一般可折疊式樣。便于降低返空容器空間占據；

（5）包裝容器常額外附帶有扎帶或者卡扣對包裝件整體進行限位保護。避免因沖擊或者振動引起的大位移。

上述分析的長途運輸過程的機械環境，現階段還有一部分包裝器具是用于室內轉運使用。

表2即為工廠內部相關環境及參數指標，環境相對較長途運輸較緩和。

表2 廠區室內環境參數

該類室內周轉類包裝器具需遵循小、巧、輕、美、動原則。小—尺寸盡可能小。有利于換取寶貴的空間資源，空間資源最大化。利于現場管理，便于搬運，保持現場5s的整潔美觀。巧—結構設計要靈活。避免產生笨重感，巧妙利用有限空間，增大裝載量。工人操作方便，省時省力。輕—在保證結構功能強度的前提下，盡可能使用扁管，金屬網片等材料替代傳統的槽鋼或鐵板的材料。降低作業勞動強度。美—設計規格比例不僅要考慮零件尺寸，而且要以黃金分割為參考。物流器具結構要保證工作現場的美觀。同時還要考慮易清潔、易維護。動—輔助安裝腳輪或滑道裝置。能夠在外界作用力作用下自發移動，實現工位間自由轉移。

2.3 人機性環境條件

包裝器具開發不僅要滿足功能性要求，其內容不能僅局限于結構的穩定性、產品保護安全性、裝載量最優化。還必須在包裝結構設計上使包裝輕便、省力、方便、符合人機工程學的科學要求；新材料、新工藝、新理念的科學應用致力于環境保護，打造綠色物流包裝，節約包裝成本。

2.3.1 傳統人機需求。包裝體在運輸、銷售和使用過程中，存在著同樣的“人機”關系問題。即包裝體的規格尺寸、作業便捷性、安全性是否適合“人機”總體要求。

①包裝規格尺寸、質量要求。對物流包裝而言,包裝的規格尺寸必須滿足運輸、裝卸等要求。雖然現階段物流環節，機械化程度越來越高，但在流通過程中,不可避免的有人力搬運的需求。科學設定一次搬運質量和科學設定包裝質量可促進人力搬運的合理化。因而采用人工裝卸作業時,其包裝重量必須限制在人的允許能力之下，包裝的外形尺寸必須適合人工作業。

②包裝作業方便化要求。方便功能是包裝本身所應具有的,而物流中的配送、流通加工等環節對包裝方便性提出了更高要求,即無復雜的機構、取放件都要求簡便；作業高度適中，不會積累產生疲勞；配備相應指示標示，降低作業技能要求。

③包裝設定安全化要求。包裝件的設定不僅需要滿足對被包裝物的品質安全，而且要兼顧與之配套的人員及設備安全性。關鍵部位安裝限位、軟化處理及特殊色彩警示也是必須考慮的。

2.3.2 新環境人機需求。新工業環境下由于生產節奏加快、產能飛速增長的背景。對現代化包裝器具也提出了、需求數量增大、供貨周期縮短、成本最優化、且綠色環保等需求。基于此背景新材料、新工藝、新理念的創新不斷提出。

新材料：我司與國內多家知名柔性材料公司合作。致力于新材料的應用研發設計，批量化生產制造。著力解決傳統的橡膠、EVA、EPS、EPE、PU等緩沖材料費用高、易老化、不可降解、環境污染大等缺陷。對其性能改良、極大拓寬使用領域。致力于緩沖材料模塊化研究，模塊化的緩沖材料組合可降低更換維護費用。實際驗證模塊化制造和批量化投入可降低包裝器具生產成本30%左右。

新工藝：利用先進的3D打印技術，用于塑料類包裝器具樣件制作。產品量化投入前期，降低了傳統的模具制作高成本投入，極大的縮短的產品的設計制造周期。利用異形管材，可快速自由組合搭建包裝器具，優化加工工藝，縮短制作周期（出口包裝領域使用尤為突出）?；谧詣踊椭悄芑夹g背景，金屬類包裝器具生產加工多采用機械手焊接制作，極大的縮短生產制造周期、保證質量美觀、且精細度高于傳統的人工焊接工藝。

新理念：包裝器具設計投入前置化。傳統的模式為包裝器具設計后置：即在被包裝產品生產制作投入后，才會有包裝容器的投入需求。該類包裝器具的設計僅針對單一產品，專用性較高，通用性不強。我司現階段設計理念為前置化設計研發。與主機廠、供應商等需求客戶長期合作。對產品投入前置性資源共享， 3-5年內的產品有前瞻性把控，負責容器的投入規劃及設計?；谌叽珂湹脑O計理念，限位部位尋求共性化，限位機構設定為活動可調節模塊。對不同產品的切換，只需對包裝器具進行改造即可投入新需求的使用。致力于包裝器具通用性研究，配套組件模塊化投入，為后期的維護和管理，節約巨大的成本。

3 結語

本文基于汽車行業大環境下的物流包裝需求。綜合分析了氣象、機械、人機等多種環境下對包裝器具的需求，為包裝器具設計開發指出了意見。致力于打造現代化經濟、綠色的物流包裝器具，為企業節省成本，促進我國綠色物流的發展。

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[7]魏展程.汽車工位器具設計原則[J].汽車工程,2010,(1).

Strategy of Packaging Tool Development Based on Environment Analysis

Kong Yang,Liu Zhance
(Fengsheng Logistics Co.,Ltd.,Guangzhou 510800,China)

In this paper,based on the demand for logistics packages in the current macro environment of the automobile industry,we analyzed the requirements for the transportation and use of the outsourced automobile spare parts within multiple environments and proposed the strategy for the design and development of the corresponding packaging tools.

logistics transportation;environmental factor;packaging tool

F252.13;U468.8

A < class="emphasis_bold">[文章編號]1

1005-152X(2017)01-0137-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.01.030

2016-11-20

孔楊，男，風神物流有限公司包裝器具營業部工程師，研究方向：包裝自動化；劉展策，男，風神物流有限公司包裝器具營業部高級工程師，研究方向：機械自動化。