新型圍板箱的關鍵技術和應用研究

■ 文/上汽大眾汽車有限公司 曹 利，瞿賢妹，章政清

隨著經濟向全球化發展，現代商務及物流也越來越發達，汽車行業的零部件也會進行全球采購和運輸。目前進出口汽車零部件和國內汽車零部件的運輸包裝根據使用環境、存儲運輸方式以及裝卸條件等情況，采取對應的包裝方式與防護方法，除了采用一次性包裝以外，也開始采用循環包裝箱進行洲際間往復運輸。由于傳統鐵制包裝箱自重較大，降低循環包裝箱自重有利于提升物流效率，降低運輸成本。但是目前常用的塑料圍板箱的最大載重為350 kg，而不少零件自重就達700 kg，因而無法采用現有塑料圍板箱進行包裝運輸。本文對塑料圍板箱的核心載重技術進行分析和研究，提出一種鐵塑結合的輕量化、重載新型圍板箱的設計方案，并通過測試驗證，此方案可有效解決圍板箱重型載荷的問題。

1 圍板箱關鍵技術發展現狀研究

1.1 圍板箱結構形式

圍板箱的結構形式主要由3個部分組成：托盤、頂蓋及圍板。圍板展開后放在托盤的卡槽內，再將頂蓋放在圍板上，具體如圖1所示。

圖1 圍板箱的結構形式

這種圍板箱結構形式下的托盤與頂蓋的材料與工藝和圍板的材料與工藝是不同的。下面將分別介紹各部分的材料與工藝。

1.2 托盤與頂蓋

托盤與頂蓋的加工工藝一般采用壓鑄或者雙層吸塑，材質采用高密度聚乙烯或高壓聚乙烯材料（HDPE）。通常托盤的柱腳設計首先需要滿足四面進叉（叉車可以從托盤四個方向都可以進入），若是小尺寸，則需要滿足兩面進叉；其次，托盤底部結構設計上還需要考慮，當其和另一托圍板箱頂蓋直立堆疊時防滑的要求；其三，還需要考慮托盤單獨與托盤堆疊時，結構設計上需要上下相互鍥合，從而降低整體堆疊高度，具體如圖2所示。

圖2 托盤和頂蓋組圖

1.3 圍 板

圍板是采用一種中間具有蜂窩狀的聚丙烯（PP）塑料板，通過后道工藝（如壓痕→封邊→開窗→六道折彎→對接等）加工成不同尺寸的圍板。由于圍板有可折疊的要求，且折疊后尺寸可正好平放入托盤內，圍板箱的折痕要便于圍板的折疊，折疊次數要大于1 000 次。圍板打開后有可以折疊的底板（向兩邊打開時，通過魔術貼黏貼到側板上），兩個底板相互交叉，通過魔術貼進行黏貼固定。蜂窩板的形狀規則示意圖如圖3所示。

圖3 圍板材料剖切及展開示意組圖

1.4 圍板箱關鍵技術分析

通常，圍板箱的使用都是根據運輸車輛內空間尺寸進行合理化設計，以確保在運輸裝載過程中的裝載率。由于圍板箱對內部承載的零部件產品而言屬于集合化包裝，對其可裝載重量是有一定要求的。通常評判一個圍板箱的性能優劣會從載重范圍、承壓能力、使用折舊年限、底部滿載變形量、高溫狀態下承壓能力等幾個技術方面進行分析評定。下面針對上述技術參數分別進行分析。

1.4.1 承壓能力

圍板箱的圍板材質性能決定了整個圍板箱的承壓能力，目前使用的蜂窩結構PP塑料板材，會有不同的厚度及單位定量。一般把厚度4~6 mm定義為薄板，厚度8~12 mm定義為厚板。通常該圍板材料的單位定量為2 000~4 000 g/m2，不同厚度及單位定量的圍板材質對整個圍板箱的承壓能力起到決定性作用。

1.4.2 單箱載重要求

單箱載重要求與圍板箱尺寸及承壓能力有關。某個規格尺寸的圍板箱的高度會影響運輸車輛內的堆碼層數，而單箱的承載能力是固定的，堆碼層數越多，單箱載重能力也會越低。

1.4.3 使用折舊年限

由于圍板箱可以長時間使用，許多企業會把它作為固定資產投入，對使用的折舊年限有要求，通常折舊年限需要確保大于5 年。

1.4.4 底部滿載變形量

底部滿載變形量與托盤的結構及主要壁厚有關，但由于壓鑄工藝的要求及模具的成本要求，一般確保其變形量≤10 mm即可。

1.4.5 高溫狀態下承壓能力

溫度對塑料材料的性能有較大的影響，而圍板箱都是塑料材質，在高溫的環境下，會導致塑料性能的變化。因此，必須確保在一定高溫狀態下的承壓能力，這樣才能很好地保障圍板箱滿足實際運輸條件下的承壓要求。

除了確保上述性能要求外，還需要通過一些測試對圍板箱性能進行相關驗證，來確保圍板箱的性能。通常會做以下測試。

（1）承壓能力測試：實際就是測試整套圍板箱的空箱抗壓能力測試，確保施加的壓力值超過期望達到或設定的承壓能力值即可。

（2）高溫狀態下承壓能力測試：高溫狀態下承壓能力測試也就是將整套圍板箱在50°的高溫環境下進行4 h預處理后，并要求在預處理后5 min內完成承壓能力測試。一般該項測試的力值是承壓能力力值的2倍。

（3）底部滿載變形量測試：水平地面等距放置3根支撐杠（1 400 mm×40 mm×60 mm），間距375 mm；將托盤置于支撐杠上，托盤上均勻配重物，然后記錄最大彎曲點與托盤原點間的距離值。

（4）圍板材料耐折測試：針對圍板折彎情況，進行取樣；通過折彎試驗機，進行折疊/展開往復試驗，達到1 000 次。

（5）跌落測試：對托盤以及頂蓋進行跌落試驗，托盤跌落高度為1 m，頂蓋跌落高度為1.5 m，測試跌落后，分別記錄并計算托盤以及頂蓋跌落前后對角線尺寸變化的數值，要求變形率在1%以內。

1.5 圍板箱存在的不足與原因分析

目前圍板箱的最大載重是350 kg，滿足了大多數零部件或者產品的轉載需求，但無法滿足一些車身沖壓零件和一些較重零件裝載的需求，甚至有些零部件自身已經超過了最大載重重量，因此開發或設計一款最大載重超過350 kg的重載圍板箱很有必要。在現有的技術水平下，仍舊采用塑料或者全部采用金屬材料來制作圍板箱均有其優劣勢。塑料材料具有材料輕、性能強度上限值低的特點，而金屬材料具有材料重、性能強度上限值高的特點，如果考慮采用塑料和金屬結合的方案，就可以達到自重不重且能提高性能強度上限值的目的。

2 新型圍板箱關鍵技術研究

2.1 新型圍板箱設計方案一

在研究新型圍板箱的過程中，重點結合上述的內容與問題，主要圍繞在采用塑料金屬結合，利用金屬材料作為圍板箱底托以及主要支撐結構件，采用塑料材料作為圍板、頂蓋等部件，這樣就可以提升現有圍板箱方案中承載能力的上限，同時又極大限度的降低整套圍板箱自重，具體如圖4所示方案。

圖4 鐵塑結合形式的重載圍板箱多狀態示意組圖

針對一些自重較重的沖壓零件，可以使用重載圍板箱代替目前使用的鐵箱，重載圍板箱相比較鐵箱的優點如：自重低，可減少碳排放，減少碳排放計算示例：7 gCO2/km/箱=89×（120—42）/1 000，其中：120和42分別是鐵質料箱和重載圍板箱的重量。返程體積減小，可節省運費，返程體積可節省66%；現場5S好；可防塵防水；可開窗，人機工程好；可節省空箱存儲面積。

針對載重超過750 kg的零部件，可以考慮采用鐵塑結合形式的重載圍板箱。

2.2 新型圍板箱設計方案二

針對載重要求≥350 kg，≤500 kg的這一類型需求，相對既有圍板箱載重要求而言，還不算太多，因此，可以進一步考慮通過提高圍板箱中圍板厚度及平方定量來綜合提升其載重能力。

經過數據模擬分析，針對部分常見圍板箱尺寸規格，通過對物理性能的分析、結構設計優化、加工工藝可行性等多方面綜合性評估，發現可以將塑料圍板箱方案中，圍板的平方定量從3 000 g/m2提升至4 000 g/m2，同時圍板厚度從10 mm提升至12 mm。圖5為相關數據，圖6為方案示意圖。

圖5 重載塑料圍板箱數據示意圖

圖6 重載塑料圍板箱多狀態示意組圖

3 新型圍板箱應用實踐

針對上述提到的方案可行性，又針對相關零部件進行了實踐驗證，主要用于一些載重大于等于350 kg，長途運輸時使用一次性紙箱的較重零部件。例如，在零部件后橋驅動總成的實際案例中，原有運輸方案中使用紙箱在卡車內只能放1層，裝載率極低，改為重載圍板箱后，可以根據卡車尺寸堆疊2層或3層。如圖7所示，左側為原有一次性瓦楞紙箱包裝方案數據，右側為適用重載新型圍板箱解決方案數據。

圖7 后橋驅動總成兩方案對比數據圖

最后，對實際應用情況進行簡單的歸納總結，具體如圖8所示。

圖8 圍板箱承載適用示意圖

4 結 語

圍板箱作為一種通用的、輕型化的裝載工具，給各大制造行業帶來了很多益處。通過采用不同加工類型的塑料材料或匹配金屬材料，通過結構設計優化，合理選擇材料，可適用的承載范圍不斷擴大，更適合用于制造行業。同時作為可循環包裝解決方案，可以降低零部件的單次包裝成本。如果可以進一步統一標準（規格以及承載能力），擴大適用場景與范圍，實現全國范圍內南北對流，就能給整個制造行業節省更多的物流成本以及降低整個社會的CO2排放量。