新型圍板箱的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)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(jīng)濟(jì)向全球化發(fā)展，現(xiàn)代商務(wù)及物流也越來越發(fā)達(dá)，汽車行業(yè)的零部件也會進(jìn)行全球采購和運輸。目前進(jìn)出口汽車零部件和國內(nèi)汽車零部件的運輸包裝根據(jù)使用環(huán)境、存儲運輸方式以及裝卸條件等情況，采取對應(yīng)的包裝方式與防護(hù)方法，除了采用一次性包裝以外，也開始采用循環(huán)包裝箱進(jìn)行洲際間往復(fù)運輸。由于傳統(tǒng)鐵制包裝箱自重較大，降低循環(huán)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(dá)700 kg，因而無法采用現(xiàn)有塑料圍板箱進(jìn)行包裝運輸。本文對塑料圍板箱的核心載重技術(shù)進(jìn)行分析和研究，提出一種鐵塑結(jié)合的輕量化、重載新型圍板箱的設(shè)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(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

1.1 圍板箱結(jié)構(gòu)形式

圍板箱的結(jié)構(gòu)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(nèi)，再將頂蓋放在圍板上，具體如圖1所示。

圖1 圍板箱的結(jié)構(gòu)形式

這種圍板箱結(jié)構(gòu)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(zhì)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(shè)計首先需要滿足四面進(jìn)叉（叉車可以從托盤四個方向都可以進(jìn)入），若是小尺寸，則需要滿足兩面進(jìn)叉；其次，托盤底部結(jié)構(gòu)設(shè)計上還需要考慮，當(dāng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)，圍板箱的折痕要便于圍板的折疊，折疊次數(shù)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(shù)貼黏貼到側(cè)板上），兩個底板相互交叉，通過魔術(shù)貼進(jìn)行黏貼固定。蜂窩板的形狀規(guī)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(guān)鍵技術(shù)分析

通常，圍板箱的使用都是根據(jù)運輸車輛內(nèi)空間尺寸進(jìn)行合理化設(shè)計，以確保在運輸裝載過程中的裝載率。由于圍板箱對內(nèi)部承載的零部件產(chǎn)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(yōu)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(tài)下承壓能力等幾個技術(shù)方面進(jìn)行分析評定。下面針對上述技術(shù)參數(shù)分別進(jìn)行分析。

1.4.1 承壓能力

圍板箱的圍板材質(zhì)性能決定了整個圍板箱的承壓能力，目前使用的蜂窩結(jié)構(gòu)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(zhì)對整個圍板箱的承壓能力起到?jīng)Q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(guān)。某個規(guī)格尺寸的圍板箱的高度會影響運輸車輛內(nèi)的堆碼層數(shù)，而單箱的承載能力是固定的，堆碼層數(shù)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(yè)會把它作為固定資產(chǎn)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(jié)構(gòu)及主要壁厚有關(guān)，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(tài)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(zhì)，在高溫的環(huán)境下，會導(dǎo)致塑料性能的變化。因此，必須確保在一定高溫狀態(tài)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(jìn)行相關(guān)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(dá)到或設(shè)定的承壓能力值即可。

（2）高溫狀態(tài)下承壓能力測試：高溫狀態(tài)下承壓能力測試也就是將整套圍板箱在50°的高溫環(huán)境下進(jìn)行4 h預(yù)處理后，并要求在預(yù)處理后5 min內(nèi)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(jìn)行取樣；通過折彎試驗機，進(jìn)行折疊/展開往復(fù)試驗，達(dá)到1 000 次。

（5）跌落測試：對托盤以及頂蓋進(jìn)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(shù)值，要求變形率在1%以內(nèi)。

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(shù)零部件或者產(chǎn)品的轉(zhuǎn)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(jīng)超過了最大載重重量，因此開發(fā)或設(shè)計一款最大載重超過350 kg的重載圍板箱很有必要。在現(xiàn)有的技術(shù)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(yōu)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(jié)合的方案，就可以達(dá)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(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 新型圍板箱設(shè)計方案一

在研究新型圍板箱的過程中，重點結(jié)合上述的內(nèi)容與問題，主要圍繞在采用塑料金屬結(jié)合，利用金屬材料作為圍板箱底托以及主要支撐結(jié)構(gòu)件，采用塑料材料作為圍板、頂蓋等部件，這樣就可以提升現(xiàn)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(jié)合形式的重載圍板箱多狀態(tài)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(yōu)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(zhì)料箱和重載圍板箱的重量。返程體積減小，可節(jié)省運費，返程體積可節(jié)省66%；現(xiàn)場5S好；可防塵防水；可開窗，人機工程好；可節(jié)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(jié)合形式的重載圍板箱。

2.2 新型圍板箱設(shè)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(jìn)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(jīng)過數(shù)據(jù)模擬分析，針對部分常見圍板箱尺寸規(guī)格，通過對物理性能的分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、加工工藝可行性等多方面綜合性評估，發(fā)現(xiàn)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(guān)數(shù)據(jù)，圖6為方案示意圖。

圖5 重載塑料圍板箱數(shù)據(jù)示意圖

圖6 重載塑料圍板箱多狀態(tài)示意組圖

3 新型圍板箱應(yīng)用實踐

針對上述提到的方案可行性，又針對相關(guān)零部件進(jìn)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(qū)動總成的實際案例中，原有運輸方案中使用紙箱在卡車內(nèi)只能放1層，裝載率極低，改為重載圍板箱后，可以根據(jù)卡車尺寸堆疊2層或3層。如圖7所示，左側(cè)為原有一次性瓦楞紙箱包裝方案數(shù)據(jù)，右側(cè)為適用重載新型圍板箱解決方案數(shù)據(jù)。

圖7 后橋驅(qū)動總成兩方案對比數(shù)據(jù)圖

最后，對實際應(yīng)用情況進(jìn)行簡單的歸納總結(jié)，具體如圖8所示。

圖8 圍板箱承載適用示意圖

4 結(jié) 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(yè)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(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，合理選擇材料，可適用的承載范圍不斷擴(kuò)大，更適合用于制造行業(yè)。同時作為可循環(huán)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(jìn)一步統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)格以及承載能力），擴(kuò)大適用場景與范圍，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)南北對流，就能給整個制造行業(yè)節(jié)省更多的物流成本以及降低整個社會的CO2排放量。