纸箱抗压强度关联因素的设定与优化方法

瓦楞纸箱最重要的功能，在于运输中对商品具有良好的保护性，而瓦楞纸箱的抗压强度，则是保护性能的综合体现，因此抗压强度对纸箱的重要性是不言而喻的。作为纸箱行业的从业人员，充分掌握抗压强度关联因素的设定及优化，这是十分必要的。

传统瓦楞纸箱只宜装载轻质物品，怕潮怕摔，怕长久码垛，因此它的应用受到很大限制。

随着技术的进步与制箱设备的更新换代，各种重型、超强、功能涂布等新品种纸箱不断涌现，使化工、机电、危险品等重载荷产品的“以纸代木”成为一种可能。

国内的纸箱用户，如一些大型企业与跨国集团，对纸箱的认识也发生着深刻的变化；从关注纸板的耐破强度（BST）逐步转向纸箱的抗压强度（BCT），并纷纷购置了空箱抗压仪，对入库纸箱进行测试、验收把关。

纸箱在仓储和运输中，都是需要堆叠使用的，所以它的堆码承压能力，成了评价与设计瓦楞纸箱的重要依据。影响抗压强度指标的因素很多，它是一个复杂的系统工程。

1.原纸定量与等级的影响

说到瓦楞纸箱的抗压强度，人们首先想到的往往是纸箱的用材，确实它是个基本的物性指标。

加工纸箱的瓦楞纸板是由面纸、里纸、芯纸和加工成波形瓦楞的瓦楞原纸通过黏合而成，前者又称“箱纸板”（见GB/T 13024—2016），它仅与纸板的耐破强度关系密切，而后者“瓦楞原纸”（见GB/T 13023—2008）被压成波形后，形成中空结构，增加了纸板的厚度，因此纸箱抗压强度的很大部分取决于瓦楞原纸的优劣，如定量、环压指数、平压指数、紧度等指标，国家标准将原纸划分成三个不同的等级，即优等品、一等品和合格品。

各种计算纸箱抗压强度的理论公式很多，但都是“舶来品”，如凯里卡特（K.Q.Kellicutt）公式、马丁荷尔特（Maltenfoit）公式、马基（Makec）公式、沃尔福（Wolf）公式等，它们大都围绕着原纸的压缩强度［即环压强度（RCT）与平压强度（FCT）］和纸板的边压强度（ECT）来进行计算。选择适当的原纸，对大多数纸箱设计人员来讲并不困难，但它并不是评价抗压强度值优劣的唯一指标。

2.箱型的影响

国际纸箱箱型的标准，从02型到08型（注：01型为纸板，09型为箱内附件），当纸箱的尺寸、材料、楞型等基本要素相同，不同箱型的抗压强度值会相差很大。假设常见的“0201型开槽箱”的抗压指数为100，那么“0320型套合箱”即为200，“0503型滑入式纸箱”为70，而“0420型翻盖箱”只有65。

按照客户提供的内装物重量、最大综合尺寸、堆码层数、运输方式、仓储环境、生产批量等基础要件，有经验的设计人员除了选择最理想的标准箱型外，还会创新一些结构新、强度高、性价比好的“非标准箱型”，如六角箱、八角箱、角柱箱，捆包式、集成式、组合式等纸箱。

3.纸箱周长与箱高的影响

总的规律是纸箱周长大，则纸箱的抗压强度也高，实验数据表明：常规02型单瓦楞纸箱的最佳周长约为182cm，双瓦楞纸箱的最佳周长约为225cm。

同材质、同长宽的纸箱，如高度不同，其抗压强度也不尽相同。日本包装专家川端洋一曾得出了下面的实验结论，其规律是：当常用纸箱的箱高=300mm时，其抗压强度值最高。但当高度在100～300mm时，变化起伏较大。表5-2-1是不同纸箱高度的抗压强度影响率：

表5-2-1　不同纸箱高度的抗压强度影响率

表5-2-1告诉我们，当箱高大于300mm后，箱体的抗压强度变化相对平稳，而这时可能出现的最大问题是码垛箱体的“失稳”。

笔者处理过这样一个案例：某单瓦楞的药品箱，内装60个小盒，使用中用户常反映抗压强度不够，我们在不改变材质，不减少内装物数量的前提下，只是简单改变了60个内盒的组合排列，即调整了纸箱的周长与高度，就完美解决了问题。

4.纸箱长宽纵横比的影响

当纸箱的基本要素都相同，只是长、宽比例不同时，抗压强度也存在着差异，实验证实最佳的长宽比约为1.5∶1。

表5-2-2是美国科学家沃尔福（Wolf）的研究成果——瓦楞纸箱长宽比例对抗压强度的影响。

表5-2-2　瓦楞纸箱长宽比例对抗压强度的影响

著名科学家华罗庚在20世纪70年代，提出了有名的“0.618法”，也被誉为“黄金分割原理”，有人称它为“华罗庚法则”，它在纸箱行业的应用效果同样是很显著的。

纸箱是三维立方体，作为用户，重点关注的是纸箱的内容积与抗压强度，而纸箱厂计价，则是以纸箱展开后的实际用材面积大小乘以平方米单价，它们之间有个最佳黄金分割比，即长∶宽∶高= 1.618 ∶1∶1.618，当符合此法则时，则纸箱的容积最大，用材最省，强度最合理，搬运时更符合人体力学原理。

虽然此理论公式与沃尔福的实验数据略有差异，但两者已相当接近，这些误差完全可以忽略不计。

当纸箱内装物为若干长方体时，可以有很多种的排列方式，而每一种排列方式又对应着一种外箱尺寸，例如：当内装量为12件时，可以有10×6种排列方式，而内装量为24件时，则有16×6种排列方式……

当内装量决定后（内装量往往由用户指定），设计员在确定纸箱长宽高尺寸时，应该充分考虑纸箱的抗压强度、用材多少、美学因素、在标准托盘上的匹配堆码等相关要素，优选最接近“黄金分割比”的尺寸。

5.纸箱楞型的影响

瓦楞纸箱除常见的A、C、B、E楞型外，近年又陆续增加了不少新楞型，如D楞（楞高7.5mm）、K楞（楞高6.5～7mm）、F楞（楞高0.75mm）、G楞（楞高0.55mm）、N楞（楞高0.4mm）、O楞（楞高0.3mm）等。

不同纸板楞型对纸箱的抗压强度影响很大（详见第五章第8节）。

假设所用原纸、尺寸、箱型等因素相同，常见单瓦A楞的抗压强度是B楞的1.65倍。五层AB楞的抗压强度是三层A楞的1.6倍，而五层AB楞则是BC楞的1.2倍……，在设计时，不同纸板楞型的种类和耐破、环压等指标均可查有关标准，原纸的组合定量也是其中的评价内容。

需要注意的是：出口欧美的纸箱一般只用C楞、B楞（单瓦）与BC楞（双楞），很少有用到A楞或AB楞的，而且当出现E楞或E楞与其他楞组合时，是不考虑它的边压强度的。

6.纸箱上不同压痕线对抗压强度的影响

常规瓦楞纸箱上下摇盖的横向压痕线（俗称“单对双”，即纸箱外层压双线，纸箱里层压单线），它对强度的影响很直接，随着压痕双线宽度的增加，纸箱变形量也增大，抗压强度指数随之降低。

横压双线每加宽1mm，抗压强度将下降90～130N（注：当压痕线宽度变小，则摇盖开合时易爆线，对低等级的箱纸板来说尤其严重）。

国家行业标准SN/T 0262—1993《出口商品运输包装瓦楞纸箱检验规程》中，规定了双线宽度的极限值，即双瓦楞不得大于17mm，单瓦楞不得大于12mm。表5-2-3是不同压痕双线宽度对抗压强度的影响值。

表5-2-3　不同压痕双线宽度对抗压强度的影响值

在生产实际中，除了上述常规“单对双”压痕线外，还常常会出现“单对平”“单对单”“凸筋压痕线”“高低压线”等类型，以满足不同使用场合的需求，这些另类的压痕线，对纸箱抗压强度的关系十分密切，笔者公司曾有个专门课题组，对此进行过深入的研究。

例如，目前应用频率较高的是“高低压痕线”（模切时呈“单对单”形式），它的特征是纸箱内、外摇盖的压痕线不在同一直线上，即内摇盖的压痕线比外摇盖低一个纸板厚度，它的优点是纸箱成型时，四角不会重叠挤压，外观平整美观，封箱时，外摇盖回弹力小，因此很适合高材质、重载荷纸箱，但是高低压痕线与常规“单对双”压痕线相比，承压的受力很不均匀，抗压强度要降低15%以上，通过大量实验数据得到的解决办法是：将高低压痕线的习惯高度差由一个纸板厚度减少到2/3纸板厚度，则能兼顾到抗压强度与外摇盖回弹等多方面问题（详见第五章第4节）。

7.瓦楞纸板的疲劳影响

瓦楞纸箱重载堆码后，经历24小时，箱体的抗压强度将降低20%，码垛2天降低30%，一个月后降低40%，100天后降低45%，这就是瓦楞纸箱的“疲劳现象”。

由此可见，承载时间与抗压强度的关系非常密切。当加载负荷达到纸箱抗压极限时，通常不到几分钟，纸箱就会压损变形。当加载负荷达到纸箱抗压强度60%时，承载耐久时间约为一个月。表5-2-4是载荷与耐久时间的实验值。

表5-2-4　载荷与耐久时间的实验值

因此在设计纸箱抗压强度时，一定要充分了解用户的码垛时间，即纸箱的“疲劳”因素，对一些载荷大，码垛时间长的产品（如机械零部件、化工原料等），要预留足够的安全系数或采取其他的加固措施。

8.纸板老化与受潮影响

瓦楞纸板受潮后，其抗压强度会剧烈下降，即使立即进行干燥处理也不能恢复原来的强度，这种现象称为“老化”。在储运环境比较恶劣的情况下，纸箱的忽湿、忽干（即吸潮、排潮）的反复次数越多，老化现象也就越快、越严重。不同的环境与气候（如黄梅天、经过赤道的轮船等）使纸箱的含水率随时在发生着变化。

在相对湿度为90%的仓储环境中，存放15天的纸箱含水率可由9%提高到16%以上，含水率越高，强度越低，科学实验数据说明：纸箱含水率每上升1%，则抗压强度下降8%～9%，当相对湿度为90%时，纸箱的抗压值将下降35%（注：瓦楞纸箱标准大气测试条件为温度23℃，相对湿度50%），表5-2-5是美国科学家凯里卡特所作的含水率超过9%时的抗压强度变化率表。

表5-2-5　含水率超过9%时的抗压强度变化率

表5-2-6也是凯里卡特的研究成果，即相对湿度对纸箱抗压强度的变化率。

表5-2-6　相对湿度对纸箱抗压强度的变化率

目前防止纸箱受潮的方法很多，主要是进行纸箱表面的防水处理，如涂布丙烯酸类乳化蜡，印刷防潮油墨，表面覆膜，浸蜡，产品装箱后整托打缠绕膜阻隔潮气，仓库改为密闭式或加抽湿装置等。虽然它们不能改变纸箱的力学结构与力学性能，但能使纸箱在潮湿环境中保持其原有的抗压强度。

9.箱面印刷的影响

经印刷后的纸箱比无印刷的纸箱，其抗压强度一般降低10%～20%，这是因为印刷时橡胶滚轮会使瓦楞压伤、变薄、变形，即使采用柔性印刷，此种现象也不能避免。

纸箱印刷图文时，除压印辊对瓦楞纸板有挤压作用外，水性油墨对纸面还有浸润作用，最终使纸箱的抗压强度降低，而降低程度与印刷方法、油墨种类及印刷面积、印刷色数、印刷位置等有关。

实验告诉我们：即使使用快干型油墨，单色印刷后，箱体抗压强度将降低6%～12%，三色印刷降低17%～20%。

为减小印刷对纸箱抗压强度的降低量，设计箱面印刷时应注意以下几点：

（1）在箱高方向印刷，不宜印在纸箱上部和下部，而应尽量印在纸箱中部；

（2）尽量避免满版印刷，尤其要减少印刷多色图文；

（3）应避免在箱面上印刷通条色带，无论横向还是纵向，其强度影响在10%～35%；

（4）印刷时压力应尽可能小，印刷油墨应选用快干型油墨，印版尽量选软一些（邵氏硬度37度左右）；

（5）尽可能选用柔性版印刷，以减少对瓦楞的压力，尤其大面积印刷更是如此。

目前市场上出现了一种高端水性印刷机，自带红外线瞬间烘干功能，解决了油墨对纸箱的浸润问题，而崭露头角的瓦楞纸板数码印刷机，由于呈不接触的喷墨形态，所以上述出现的问题都将不复存在。

10.箱体开孔的影响

纸箱上开手提孔，或蔬果箱上开散热通风孔，高端纸箱上开撕箱拉链口，以及具有展示功能的视窗孔等，对箱体的强度都有明显影响。

孔的数量、位置及孔形对箱体的强度影响有差异，设计时要掌握的基本规律如下：

（1）箱上开孔的总面积越大，箱体强度降低也越大；

（2）开孔总面积相等时，圆形孔比矩形孔对箱体强度影响大；

（3）孔越接近箱顶、箱底、箱角，箱体强度下降越大；

（4）矩形孔长边与瓦楞平行时，箱体强度降低小；

（5）大孔用多个小孔代替有利于保持箱体强度。

11.纸箱附件对抗压强度的影响

在国家标准GB/T 6543—2008《运输包装用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱》中，列出了“09型”纸箱附件40多款，它们除了对内装物起到阻隔、缓冲保护等作用外，对提高瓦楞纸箱的整体抗压强度影响也很大。对这类插片、隔板的抗压强度值的计算，一般采用马基公式，当然也可以打样实测。

需要特别提醒的是：设计这种附件时，一要注意瓦楞的方向，与承压受力方向一致，二要注意附件高度应与纸箱内径高等同。

表5-2-7是彭国勋教授在《瓦楞包装设计》一书中，给出的内插各类附件对纸箱抗压强度的影响参考值。

在一些重型“托盘吨箱”的设计中，还大量引入了高强纸护角、纸管、蜂窝垫块等附件，以此来提高纸箱整体的刚性支撑能力。

表5-2-7　内插各类附件对纸箱抗压强度的影响参考值

12.纸箱内装产品的特性对抗压强度的影响

瓦楞纸箱应用范围很广，几乎涉及了各行各业，因此内装物形态也千差万别。家电类产品一般都有发泡塑料作防护，因此纸箱不需要承担全部堆码压力。瓷砖、地板类包装箱，则完全由产品自身承重，纸箱只起到简单碰擦防护，而药品类产品对纸箱的抗压要求就比较高，而对纸箱抗压要求最高的是用塑料袋包装流动性大的化工原料与液态产品。

设计员在考虑纸箱抗压强度值时，一定要充分了解内装物的特性。箱内装满刚性物品，对箱体抗压能力有加强作用。装满柔性物品，对箱体强度无影响。（但鼓肚后例外）箱内物品未装满，纸箱上部有一段空隙时，强度下降。箱内装有发泡塑料、小内盒，以及09型附件支撑时，纸箱强度有加强。刚性内装物对纸箱抗压强度有增强作用。酒类、饮料类瓶装包装箱，由于玻璃瓶、塑料瓶、金属罐等，自身有很大的抗压能力，所以纸箱已不作为主要支撑体，设计时完全可以采用纸板的轻量化、低成本化，在这方面，行业中有一套成熟的计算方法。

13.纸箱承载压力方向的影响

当0201型纸箱的外加载荷顺着瓦楞方向时，瓦楞纸板的边压强度最高，所以设计、制造、使用时，瓦楞直立方向与箱高方向应完全一致。假设此时强度系数为1，那么，如果沿箱体长度方向施加载荷，其强度系数约为0.4；如果沿箱体宽度方向施加载荷，其强度系数约为0.6（详见第一章第7节）。

以上承载压力方向的规律，大多数从业人员都是清楚的，也不太会犯颠倒方向的低级错误，但用户在实际使用时就不一定了。

在设计03型套合箱或04型折叠箱时，纸箱的瓦楞方向却往往被忽视，图5-2-1中，03型（俗称天地盖）箱与图5-2-2中，04型（俗称飞机盒）箱的四个箱壁中，一定会有两个受力方向为横向的（抗压弱），这时应将它们设计在纸箱短边上（箱宽方向），否则对整个纸箱的抗压强度有影响。

图5-2-1　03型（天地盖）箱的瓦楞方向

图5-2-2　04型（飞机盒）箱瓦楞方向

14.纸箱堆码方式的影响

纸箱在使用时，不同的堆码方式，其抗压强度是不一样的。影响最大的是堆码在最下面那箱承担的负荷量（详见第一章第7节）。

假设：正常齐平堆放，强度设定100%［图5-2-3（a）］，那么，十字装50%［图5-2-3（b）］，错开装60%［图5-2-3（c）］，骑缝装60%［图5-2-3（d）］，井字装50%［图5-2-3（e）］。

图5-2-3

在这方面，日本科学家进行了大量的静态与动态的堆码试验，发明了“底部二层活用堆码法”，取得了良好的应用效果，它将负荷最大的底部二层采用“齐平式堆码”［图5-2-3（a）］，避免了底层抗压强度的劣化，而从第三层起，又采用错落堆码即骑缝装［图5-2-3（d）］或井字装［图5-2-3（e）］，保证了整垛的稳定性。

即使是齐平式堆码［图5-2-3（a）］，只要上下不对齐有偏差［图5-2-3（c）］，其抗压强度也会受到影响，当偏差值达到12mm时，试验结果表明，强度值将降低29%（详见第一章第7节）。

在流通领域，托盘作为一个移动的载体，使用极为广泛。但当包装件的堆放伸出托盘时，则形成了“悬臂式堆码”，这时的抗压强度值，将随着伸出值的增加而下降。

另一个问题是瓦楞纸箱在托盘上的位置常常不被人们重视，瓦楞纸箱箱角不要位于托盘木条空隙处，因为这时纸箱不是四壁平均受力，而由悬空边角承担了过多的负荷。一般有以下原则：

①纸箱长边与木条平行，且纸箱两侧均位于木条上方则强度最好；

②纸箱长边与木条平行，但纸箱两侧悬空在木条间隙处则强度次之；

③纸箱宽边与木条平行，且纸箱两端均位于木条上方则强度较差；

④纸箱宽边与木条平行，但纸箱两端悬空在木条间隙处则强度最差；

⑤托盘为整板结构或加放垫板，则不论纸箱位置如何，强度都将超过①。

托盘上木条之间的空隙，按国家标准规定应该是额定的，但一些偷工减料、不按标准生产的托盘，木条之间的空隙会很大，这时要特别关注它对纸箱强度的影响。

纸箱的堆码方式与在托盘上的位置，属于流通领域内的因素，已超出了纸箱生产厂所能控制的范围，但用户在发生纸箱强度不够，造成变形、塌陷、鼓肚、倾覆等包装事故时，因为不具备相关专业知识，往往首先会考虑纸箱的质量不好。

这几年我们的做法是，派出售后服务队上门，给重点客户的采购、品检、仓库、运输等管理人员培训上课，现场演示，甚至还直接为他们编制“仓储作业指导书”“仓库管理规定”等ISO 9000文件，收到了很好的效果。

15.计算纸箱空箱抗压值时，安全系数K的取值

国家标准GB/T 6543—2008“附录D”中，纸箱抗压强度的计算公式为

［公式中字母含义见本章第3节式（5-1）］

公式中，其他数据都是额定的，唯有K系数是不确定的，且正确取值比较困难，它与储存期（纸板蠕变）、环境湿度、堆码方式、装卸条件、印刷开孔等因素都有密切关系。很多都需要依靠丰富的实际经验。表5-2-8也是彭国勋教授的实验数据。

表5-2-8　K值选定时的参考数据

最保守的安全系数K，可按表5-2-8中所有安全乘子ai的连乘来计算。假设表5-2-8中打“√”处，为某化工原料箱使用现状，那么它的K系数应为：

K = 1 / ∏ ai = 1 / 0.2754 = 3.63

从上述分析可见，设计纸箱抗压强度时，除了原纸材料、制造工艺、使用流通等因素外，对一些特殊的纸箱，还应作一些特殊的考虑，如用于网购电商的纸箱（常会发生野蛮抛扔），使用不同的模切加工方式（如平压平、圆压圆、圆压平）纸箱等。

总之，瓦楞纸箱抗压强度的设定是一项考验设计员功力的工作，除了有大量的计算外，还需要长期经验的积累，设定合理的安全系数，如果抗压值“过剩”，则造成浪费，增加生产成本，抗压值“过低”又会造成包装箱功能丧失。

在设计一些重要包装箱时（如危险品纸箱），完成设计后尚需打实样进行强度校核，并预测该纸箱日后在物流运输链的全过程中，可能会遇到的所有问题，将它们浓缩在实验室中进行ISTA仿生测试，如抗压、冲击、跌落、振动、温湿度等验证，确保量产时能一次成功。