電器包裝件堆碼試驗標準淺析及應用

陳 鵬 江朝軍 柳依帆 王 莉

（公牛集團股份有限公司 慈溪 315314）

引言

電器包裝件是電器產品、內包裝（包括中間包裝及防潮、緩沖等功能包裝）和運輸包裝容器的組成。瓦楞紙箱作為電器包裝件常用的包裝容器，受其材料耐壓強度影響，在倉儲或運輸堆碼過程中常常會出現包裝紙箱坍塌、變形、破裂等現象。集運倉庫、運輸車廂的存儲面積利用率考慮，電器生產廠商絕大部分采用堆碼形式擺放。為保障電器包裝件存儲、運輸過程的可靠性，廠商根據產品大小及重量進行包裝設計后會對包裝容器進行堆碼測試驗證。因此，如何進行科學、有效的堆碼試驗已成為電器行業的關注焦點。

1 堆碼試驗類型

堆碼試驗作為外包裝測試的常規性試驗，主要用于評估包裝件及包裝貨物在倉儲或運輸過程中貨物包裝對貨物的保護能力及貨物包裝自身的抗擠壓能力。根據堆碼環境不同，將堆碼試驗分為靜態堆碼、動態堆碼兩種類型。

1.1 靜態堆碼

包裝件在倉儲過程的堆碼稱為靜態堆碼，其試驗原理是將物品放置于平整水平面，并在物品頂部施加穩定、均勻載荷。靜態堆碼試驗可通過使用規格、材料相同的包裝件裝載等重量砝碼或等重量其他載荷物來模擬實際靜態堆碼。

1.2 動態堆碼

包裝件在車輛運輸過程的堆碼稱為動態堆碼。運輸過程中，運輸車輛的顛簸、碰撞會導致包裝件之間存在相互碰撞、擠壓等現象。

1.3 靜、動態堆碼差異性分析

靜態堆碼、動態堆碼的差異性主要體現在兩個方面：①試驗環境不同。靜態堆碼需在倉儲環境下進行，動態堆碼則需在振動運輸環境下進行。②試驗方法不同。靜態堆碼是在規定試驗時間內，在水平放置的物品頂部施加砝碼或均勻載荷。動態堆碼則是在隨機或正弦振動條件下，對水平放置的物品施加壓力載荷，并進行一定時間的試驗。

2 不同標準對運輸包裝件靜態堆碼試驗的要求

2.1 GB/T 4857.3標準和GB/T 4857.4標準

GB/T 4857.3標準、GB/T 4857.4標準均未給出運輸包裝件壓力載荷的具體計算方法，通常采用公式（1）進行計算：

式中：

F—抗壓力值；

G—重力加速度,取9.8 N/kg；

K—強度保險系數；

n—堆碼層數；

W—包裝件內裝貨物重量。

其中，K的取值范圍為1.5～10.0，具體取值多少由包裝件的倉儲時間及倉儲條件決定；若倉儲時間少于30天，則K推薦取值1.60；若倉儲時間為30～100天，則K推薦取值1.65；若倉儲時間超過100天，則K推薦取值2.00。

根據公式（2）計算堆碼層數n：

式中：

H—堆碼高度；

h—試驗樣品高度。

根據GB/T 4857.18-1992標準第4條款，堆碼時間、堆碼高度的基本值及范圍需根據實際運輸方式來確定，相關數值列于表1[1]。

表1 GB/T 4857.18-1992標準中對堆碼時間和堆碼高度的規定

標準GB/T 4857.3中，列出了三種堆碼試驗設備的加載方法，分別為：自由加載平板，導向加載平板，包裝件組加載[2]。同時，標準GB/T 4857.4中提到：在采取上述三種加載方法之一后，應選取下列方法①或方法②開展堆碼試驗:①不斷進行加載直至測試樣品毀壞或達到預設載荷為止；②施加預定載荷直至測試樣品毀壞或持續到預定的加載時間為止[3]。

2.2 ASTM D4169標準

ASTM D4169-2016標準根據貨運單元結構類型對儲存堆碼、運載堆碼的保險系數K進行了不同的規定，具體取值可參考表2[4]。

表2 保險系數數值表

同種包裝件在儲存堆碼、運輸堆碼過程的負載載荷大小可按式（3）計算：

式中：

F—計算載荷；

W—包裝件重量；

G—重力加速度，一般取9.8 N/kg；

H—運輸工具或倉庫的最大堆碼高度；

h—貨運單元或單元容器高度；

K—保險系數。

其中，若運輸工具或倉庫的最大堆碼高度未知，則按H=2.7 m計算。

不同包裝件在車輛運輸環境下進行運輸堆碼時，包裝件的負載載荷大小可按式（4）計算：

式中：

F—計算載荷；

M—運輸載荷密度；

W—包裝件重量；

G—重量加速度，9.8 N/kg；

H—運輸工具或倉庫的最大堆碼高度；

h—運輸貨物長度；

w—運輸貨物寬度；

P—1 m3/m3；

K—保險系數。

其中，若M未知，則按M=160 kg/m3計算。若H值未知，則按H=2.7 m計算；當采用零擔運輸時，對于包裝件重量小于13.6 kg、包裝件體積小于0.056 m3的貨運件，H值應從2.7 m降低至1.4 m。

針對動態堆碼，ASTM D4169標準規定了兩種運輸振動方式，即：正弦振動、隨機振動；不同的運輸振動方式會導致其試驗結果有一定的差異性。

2.3 ISTA 3E標準

ISTA 3E標準規定壓力試驗可借助負載載荷、加載板、壓力機等設備進行，在使用壓力機設備進行試驗時，可采取“加壓并釋放”或“加壓并保持”的方法進行。試驗壓力載荷值取值大小為倉儲堆碼壓力載荷、運載堆碼壓力載荷兩者當中較大者。

通常采用以下步驟確定堆碼壓力的種類[5]：

1）車輛堆碼壓力，確定集合包裝高度

車輛堆碼壓力計算方法由壓力試驗方法及集合包裝堆碼高度兩個因素共同決定，其堆碼壓力計算公式見表3。

表3中，Wt為集合包裝重量，1.4為補償系數（時間對壓力），9.8為轉換系數。

2）確定倉儲堆碼時間

若倉儲堆碼時間大于48 h，則根據表4倉儲堆碼壓力計算法，若倉儲堆碼時間小于48 h，則根據步驟1）確定車輛堆碼壓力值或載荷。

表4中，Wt為包裝及貨物總重量，S為堆碼包裝件數，F為補償系數（用于補償試驗過程未考慮的因素，如溫度、堆碼形式等）。此處，F值作為典型數據，某些特定情況可改變其大小；9.8是轉換系數，1.4為補償系數（時間對壓力）。

進行倉儲堆碼試驗時，若包裝件頂端無其他物品堆放，則表4中S=1、F=0，無需進行堆碼壓力試驗；在倉儲堆碼過程，一般規定F=3，若采用其他系統，需在試驗報告中備注說明。在車輛堆碼過程，規定F值取1.5或3.0，具體取值以電器包裝件實際堆碼高度是否高于1.4 m為依據，即：若堆碼高度＞1.4 m，則F=1.5，否則F=3；若F值取其他值，則需在試驗報告中備注說明。

表4 倉儲及車輛堆碼壓力計算方法

3）壓力載荷值的確定

在倉儲堆碼壓力、車輛堆碼壓力這兩者中取較大值為試驗壓力載荷值。

對于動態堆碼，ISTA標準給出了Grms的均方根小于0.52時隨機振動產生的加速度譜及實際運輸距離與振動時間的關系。

2.4 堆碼試驗標準差異對比分析

綜上所述，GB/T 4857、ISTA、ASTM等標準的試驗方法雖然均用于評定包裝件的承壓能力，它們之間也有許多的共同之處，其主要體現在以下幾個方面：

1）GB/T 4857只給出了試驗加載方法，但針對壓力載荷的計算方法并未做具體說明。ASTM標準、ISTA標準均給出了倉儲、運輸兩種堆碼試驗方法及其壓力載荷值的計算方法。

2）ASTM D4169給出了隨機振動及正弦振動兩種常用的運輸振動模式，ISTA標準給出了當Grms的均方根小于0.52時隨機振動產生的加速度譜及實際運輸距離與振動時間的關系。

3）不同標準的堆碼試驗，其原理大抵相似，但其實驗條件及實驗參數會有所差異。在進行堆碼實驗之前，應綜合考慮實際運輸情況，參照合適的標準來確定試驗方法及參數。

3 堆碼試驗應用分析

為使某電器在運輸過程保持原有狀態、質量不受任何損壞，需對其包裝件運輸過程的穩定性進行模擬驗證測試。以公牛普通插座運輸包裝件為例，該包裝件在儲存、運輸過程中存在倉庫堆碼、振動堆碼兩種情況，因此需要進行堆碼試驗，以考核該包裝件的承壓能力。假設包裝件總重為16.5 kg，外形尺寸為585 mm×350 mm×220 mm，倉儲堆碼時間大于48 h，堆碼層數不得高于6層，運輸距離為1 400 km。

3.1 試驗條件

電器包裝件在進行堆碼試驗前，應按GB/T 4857.2標準要求進行溫濕度預處理，在溫度為（20±2）℃、相對濕度為（65±5）%的環境下靜置24 h。

3.2 堆碼類型及其壓力載荷確定

參照ISTA標準規定及要求，結合插座包裝件實際運輸條件，來具體闡述該箱產品堆碼試驗的實施方法。通過集裝箱、倉庫高度及安全系數等因素確定試驗參數。具體步驟如下：

1）確定堆碼形式，倉儲時間＞48 h，選擇倉儲堆碼試驗

2）計算壓力載荷

①車輛堆碼壓力值:

F1=Wt×3×9.8=485.1 N

②倉儲堆碼壓力值:

F2=Wt×(S-1)×3×9.8=16.5×(6-1)×3×9.8=2 425.5 N

③壓力值確定

F=max[F1F2]=2425.5 N

3.3 試驗方法

考慮到大多數企業實驗室未配備壓力試驗機，可以用等量砝碼堆碼，砝碼下方加隔板，且要求隔板面積與包裝件頂面一樣大小且足夠強硬，要求砝碼及隔板總重量為247.5 kg，堆碼時間為24 h。

3.4 試驗結果判定

試驗結束后，對樣品進行外觀及拆包檢查，要求外箱箱體沒有明顯的變形及破損，箱內產品不存在異常損傷。

4 結論

目前，國內外標準從不同角度對靜、動態兩種堆碼給出了相關規范及要求。溫度、濕度、堆碼方式對堆碼抗壓強度影響顯著，在電器包裝件堆碼可靠性試驗過程，應充分考慮實際倉儲環境及運輸環境，明確選擇運輸包裝測試標準，制定不同的堆碼試驗方案，使設計的包裝更加符合實際要求。未來，如何更準確、科學地確定保險系數K是電器包裝件堆碼試驗下一步的研究方向。