5.10. Конструктивные расчеты картонных ящиков и выбор оптимальной конструкции, гарантирующей сохранность товарной продукции и экономичность тары.

Теоретические расчеты при конструировании картонных ящиков требуют, как правило, производственной проверки. Для прибли­женных расчетов прочности ящика на сжатие можно воспользо­ваться зависимостью, Н: P=2,55P_T√δZ, где δ — толщина картона, см; Z — периметр ящика, см; Р_т— торцевая жесткость, Н/см.

Существует зависимость между прочностью продавливания плоского слоя, жесткостью гофрированного слоя и сопротивлением торцевому сжатию гофрированного картона, Н/см: Pт = 0,968 (Р1+Р2+Р3), где P1 — сопротивление сжатию одного плоского слоя, Н/см; Р₂ — сопротивление сжатию второго плоского слоя, Н/см; Р₃ — сопротивление сжатию гофрированного слоя, Н/см.

Правильный выбор прочностных параметров оказывает боль­шое влияние на прочностные свойства конструкции ящика, гаран­тирующей сохранность товарной продукции. Существенное влияние жесткость картона оказывает на процессы изготовления ящиков — на качество рилевки, образующей линии сгиба на заготовках. Низ­кая жесткость картона приводит к его деформации на печатнопросекальных машинах, и ящики приобретают неправильную форму, затрудняя дальнейшее их использование. Правильная геометриче­ская форма ящика необходима при автоматизированной укладке и штабелевке с использованием сформированных пакетов на стан- дартных поддонках, которые и штабелюются до определенной вы­соты.

Рис 62. Снижение прочности ящиков от продолжительности хранения и влаж­ности воздуха:

а — в процессе хранения; б — от влажности окружающей среды; / — влажность среды; 2 — прочность картонных ящиков

Высота штабеля ящиков, уложенных на поддоны, будет рав­на, см : Н=hп+h_in_i, где h — высота одного ящика, см; n— коли­чество рядов в одном пакете; h_i — толщина поддона, см; n_i — ко­личество поддонов.

На высоту штабелей влияют способ штабелевки и влажность в помещении. Зависимость снижения прочности от продолжитель­ности хранения ящиков на складе и влажности воздуха приведена на рис. 62. Определенная высота штабеля с учетом продолжитель­ности хранения предусматривается ГОСТ 18211 — 72 из следующей зависимости прочности ящика на сжатие, МПа:

D = 0,lkG(H — h)lhS,

где D — величина сопротивления сжатию, МПа; k — коэффициент запаса прочности, характеризующий сроки хранения; до 30 дней k = 1,6; до 100 дней k = 1,65; свыше 100 k=2; G — масса продук­ции, кг; Н — высота штабеля, см; h — высота ящика, см; S — пло­щадь основания, см².

Из вышеприведенной зависимости высота штабеля будет равна, см :

H=h{DS + kG)!kG.

При выборе конструкции картонного ящика необходимое со­противление, Н, ящика сжатию, зависящее от размеров, свойств материала, продолжительности нагрузки, определяется по формуле

Р = S_pS_t,δ A,

где S_p — коэффициент прочности при единовременной нагрузке; S_t — коэффициент прочности при длительной нагрузке; δ — сум­марная нагрузка на нижний ящик при возможной высоте штабеля, Па; А — площадь основания ящика, м².

Рис. 63. Зависимость сопротивления сжатию:

а — от распределения нагрузки на поверхность ящика; б — относительная нагрузка в за­висимости от длительности действия нагрузки

Коэффициент прочности при единовременной нагрузке опре­деляется:

S_p = 100/Р_s

где P_s— изменение сопротивления сжатию, учитывающее распре­деление нагрузки на поверхность ящика, %.

Величина P_s определяется по графической зависимости (рис. 63, а). Коэффициент, учитывающий длительность нагрузки, определяется по формуле

S_t = 100/η), где η— процент относительной нагрузки, определяемой из графика

на рис. 63.

При окончательном выборе материала, гарантирующего проч­ность ящика в заданных параметрах, гофрированный картон дол­жен иметь необходимый показатель сопротивления излому Н/см, который определяется по формуле

P_и =(P — 250)/ 3,25√2 (l + b)

где l— длина ящика, см; Ь — ширина ящика, см; Р— сопротивле­ние сжатию, Н.

При выборе конструкции ящика и его комплектующих деталей руководствуются видом и спецификой упаковываемого изделия, за­тем условиями транспортировки: видом транспорта, дальностью перевозок, которые в основном определяют выбор прочностных по­казателей ящика.

Размеры и форму ящика определяют, прежде всего габариты изделия. На ящики многих сыпучих продуктов и штучных товаров существуют ГОСТы. В целях выбора оптимальной конструкции ящика все виды изделий, подлежащих упаковке, в зависимости от способности воспринимать вместе с тарой или без нее статические и динамические нагрузки с учетом их сохранности, подразделяют­ся на три группы: к первой относят изделия, воспринимающие зна­чительные статические и динамические нагрузки (метизы, текстиль, консервы в металлических банках, книжная продукция и т. п.); ко второй — изделия, которые могут воспринимать определенные динамические нагрузки и сравнительно небольшие статические. Изделия третьей группы могут воспринимать в известных преде­лах динамические, но не воспринимают статические нагрузки, пере­даваемые через ящик при их штабелевке (некоторые виды про­дукции пищевой промышленности и ряд другой не воспринимают усилий сжатия). Зная группу изделия для упаковки в ящиках, можно выбрать вид гофра, соединительного шва, тип физико-ме­ханических испытаний упаковки тары с изделием в соответствии с требованиями ГОСТа.

Определив группу изделий по отношению к нагрузкам, устанав­ливают параметры данного изделия: массу, габариты, конфигура­цию, вид упаковки (индивидуальная или групповая), специфичные требования к упаковке (сохранность внешнего вида изделия, влия­ние влажности и температуры воздуха и т. п.). Кроме этих дан­ных, для разработки конструкции и определения его размеров необходимо учитывать технологический и геометрический факторы, которые определяют функциональное и экономическое обоснова­ние конструктивного решения. Технологический фактор включает рациональность выбранных размеров по раскрою заготовок (раз­верток) ящика непосредственно на гофроделательном агрегате, имеющим определенную рабочую ширину. Необходимо проверить, экономично ли осуществляется раскрой полотна гофрированного картона на заготовки по его ширине, допустимы ли размеры отхо­дов по ширине полотна и нельзя ли их использовать, если их раз­меры превышают допустимые нормы. Например, при ширине по­лотна картона гофроделательного агрегата 2100 мм минимальное количество отходов (обрезков) по ширине обрезаемых кромок будет 30 мм (по 15 мм с каждой стороны полотна) картона. Допу­стимой считают суммарную величину обрезкой 3% (63 мм). Ра­циональность раскроя на гофрировальном агрегате определяют по

В_о = пВ₃, (1)

P= B_p - В_о (2)

P₁₌ B_p - В_о / B_p (3)

где В_р — рабочая ширина, мм; В_о — обрезная ширина полотна картона, мм; В₃ — ширина заготовки ящика, мм; п — число за­готовок, одновременно раскраиваемых по ширине полотна карте-. на, выраженное в целых числах; Р — величина обрезков, мм; Pi-величина обрезков, %.

При превышении нормы отходов свыше 3% необходимо прове­рить, какие существуют возможности использования этих отходов для раскраивания в рамках ширины обрезаемых кромок, комплек­тующих деталей или других изделий.

Геометрический фактор определяет выбор рационального соот­ношения сторон ящика. Имеются данные оптимального расхода материала на единицу полезного объема ящика (без учета комп­лектующих деталей), при которых соотношение стороны ящика L:B:H соответственно равно 2:1:2, но такие ящики при хорошем сопротивлении удару (при сбрасывании ящика) имеют слабое со­противление сжатию. Наиболее прочным при статической и дина­мической нагрузке является ящик кубической формы со сторона­ми 1:1:1, но это требует повышения расхода материалов на 12%.

По данным ЦНИИТУ, оптимальные прочностные соотношения сторон ящиков являются 1,6:1:1,25 и 1,8:1:1. Выбор правильного соотношения сторон должен определяться с учетом всех факторов нахождением их оптимального соотношения. Стандартные разме­ры ящиков определяются на основе модуля плоского поддона 1200X800 мм, поэтому размеры разверток ящиков по ширине по­лотна картона не находятся в кратных соотношениях.

Экономическая эффективность выбора конструкции ящика свя­зана, прежде всего, с расходом картона на единицу полезной ем­кости ящика, зависящую от правильности выбора типа гофриро­ванного картона, рационального раскроя заготовок (разверток), выбора оптимальной формы конструкции по отношению сторон, типа ящика.

Выбор типа гофра определяет расход бумаги на волнистый слой, толщина плоских слоев и высота гофра влияют на толщину гофрированного картона, которая увеличивает объем транспорти­руемых ящиков и требует повышения затрат на транспортно-складские расходы.

С экономической точки зрения масса 1 м² гофрированного кар­тона менее значительна, но ее все же надо учитывать, так как этим снижается масса тары, что позволяет лучше использовать грузоподъемность транспортных средств при автомобильных пере­возках. Для оптимального раскроя заготовки ящика гофрирован­ного картона нужно определить его количество, необходимое для раскроя по каждому из возможных вариантов с целью уменьшения расхода. По методике рационального раскроя ВНИЭКИТУ, расход картона на производство ящиков зависит от соотношения сторон заготовки. Оптимальный расход картона при максимальной вместимости ящика получается при отношении сторон 2:1:2.

5.11. Конструирование и оформление картонно-бумажной тары с круглым поперечным сечением.

Особенности оформления и конструкции основных узлов

Картонно-бумажная тара с круглым поперечным сечением, при­меняемая для сыпучей, пастообразной и жидкой продукции, имеет в основном цилиндрический или конический корпус. При выборе конструкции такой тары большое влияние оказывают ее геометри­ческие параметры: цилиндрическая или коническая форма, соот­ношение диаметра и высоты, необходимость в специальных элемен­тах для удобства пользования.

Рис. 64. Основные виды тары, имеющей круглое поперечное сечение: а —стакан; 6 — банка; в — барабан; г — ведро; / — крышка; 2 — корпус; 3 — дно; 4 — шей­ка; 5 — ручка

Выбор конической формы изделия позволяет уменьшать объем при складировании и транспортировке изделий, так как порожние конические изделия, например стакан­чики, вкладываются друг в друга.

К основным видам тары с круглым поперечным сечением отно­сят: стаканы, барабаны, банки, бутылки или фляги и ведра. Ос­новные детали каждого вида тары: корпус, крышка и дно, у банок дополнительной деталью узла соединения корпуса с крыш­кой может быть горловина, у ведер — ручка (рис. 64). Корпуса, горловины и усиливающиеся кольца по способу формирования мо­гут быть набивными, склеенными или сшитыми из раскроя. Тара, выполненная из цилиндрического корпуса, имеет штампованное дно и крышку из металла или других материалов. Применение комбинированных материалов: бумаги и картонов с металлом, фольгой или полимерами увеличивает прочность тары с круглым поперечным сечением и расширяет область ее применения для упа­ковки жидких и пастообразных продуктов.

Корпус может быть выполнен путем навивания и склеивания слоев бумаги или картона на формующем валу, другой способ

выполнения — это вытяжка из заготовки корпуса и дна одновре­менно, но этот способ применяется редко и только для изделий с соотношением высоты и диаметра корпуса:

h< (0,3^-0,5)D.

Корпус может быть дополнительно обработан отбортовкой и за­каткой в зависимости от закрепления дна и крышки. Дно и крыш­ка могут быть выполнены из картона, бумажного литья, металла и фанеры.

При выборе размеров тары с круглым поперечным сечением: высоты, диаметров и объемов цилиндрической и конической фор­мы для упаковки изделий, не имеющих определенной формы, исхо­дят из конструктивных соображений, производственных возмож­ностей и учитывают порядок размеров, пропорции и эстетический вид объемной формы. Расчет объема, см³, для тары цилиндриче­ской формы определяют по формуле: V= (d₁²π/4)h

где V — объем тары, см³; h — внутренняя высота; d₁ — наимень­ший внутренний диаметр, см.

Длина заготовки из однослойного материала при соединении концов стыкованием, см:

l _n = (d₁+S₁)π,

где S₁ — толщина материала, см; при соединении внахлестку, см:

l _n = (d₁, + S₁) π + k,

где k — припуск на нахлестывание концов, см.

Длина цилиндрической заготовки корпуса из многослойного материала без учета усадки равна

I _n = (d₁ + S₁ri) πn + k, где n — число оборотов навивки.

Определение размеров тары конической формы, см³: V= (d₁² +d₁d₃+d₃²)( πh/12),

где V— объем тары конической формы, см³; d₁ — наименьший внутренний диаметр, см; d₃ — наибольший внутренний диаметр, см; h — высота, см.

Размеры заготовки конического корпуса из однослойного мате­риала с соединением внахлестку (рис. 65):

r₁, = (d₃ + S₁)/2 sin β; r₂ = (d₁ + S₁)/2 sin β

b = (d + S₂) л + k; sin p β = (d₃-d₁)2h.

Прочность тары с круглым поперечным сечением картонных навивных барабанов зависит от сопротивления стенок корпуса пробою, прочности по отношению к осевой и радиальной нагруз­кам при сжатии, прочности по отношению к ударной нагрузке и прочности краев корпуса в его верхней и нижней частях, в местах возникновения наибольших напряжений, опасных в отношении над­рыва.

Прочность стенок барабана пробою и надрыву в верхней и ниж­ней части корпуса зависит от параметров корпуса: количества слоев навивки, размеров поверхности сопротивления материала пробою и надрыву. Сопротивление корпуса сжатию зависит: от геометрических параметров (диаметра, высоты и толщины стенок), угла навивки, вида и свойств материала, формирующего корпус, длительности действия нагрузок и влияния окружающей среды (влажности и температуры воздуха). Осевое усилие, Н, сопротивления корпуса барабана сжатию можно представить зависи­мостью:

Р_а = σ_d πd_cpδ;

Р_а = σπ [d_tnS +(nS)²].

Радиальное сопротивление корпуса барабана сжатию, Н

P_r = σ_b(2δ²h/3d_cp)

P _r = σ2/3(nS)²h/ (d_i +nS).

Рис. 65. Размеры заготовок цилиндрического и конического корпусов из одно­слойного материала с соединением внахлестку:

а — цилиндрический корпус; б — конический корпус; d₂ — наружный диаметр, см; 1_п — дли­на заготовки, см

Величина σ_d и σ_b характеризуют критические напряжения при сжатии и изгибе; d _cp — средний диаметр корпуса; δ — толщи­на стенок и корпуса.

Из уравнений следует, что осевое сопротивление сжатию воз­растает с увеличением внутреннего диаметра в линейной зависи­мости, а с увеличением числа слоев намотки прогрессивно возра­стает по отношению к внутреннему диаметру и не зависит от вы­соты корпуса.

Радиальное сопротивление сжатию с увеличением внутреннего диаметра уменьшается, линейное увеличивается с ростом высоты корпуса и прогрессивно возрастает с увеличением числа намотки. В зависимости от назначения барабана необходимая прочность обеспечивается числом оборотов навивки и надежностью мест со­единения. Тара с круглым сечением применяется для упаковки раз­нообразной продукции, требующей пыленепроницаемых и влагопрочных соединительных швов и затворов. Для жидких товаров требуется абсолютно влагопрочная тара, выполненная из импрегнированных, кашированных, покрытых эмульсией или лаком мате­риалов. Плотность и герметичность такой тары достигается при­менением соответствующего конструктивного выполнения дна (тара с вклеенным, закатанным или запрессованным дном).

Рис. 66. Картонные барабаны:

а — со стяжным кольцом, крепящим съемную крышку к корпусу; б — с лепестковым креп­лением крышки; в — с закатанным верхним дном-крышкой; 1 — нижний обруч; 2 — дно; 3 —корпус; 4 — фиксатор; 5 — замок стяжного кольца; 6 — крышка; 7 — верхний обруч; 8 — стяжное кольцо; 9 —■ прокладка; 10 — пробка

Картонные барабаны. К картонным барабанам предъявляют вы­сокие требования. По прочности и плотности конструкции ГОСТ 17065 — 77 предусматривает применение трех типов навивных бара­банов для порошкообразной, сыпучей, твердой и пастообразной продукции:

I — с закатанным дном из фанеры или древесноволокнистой плиты и съемной крышкой из металла, фанеры или древесноволок­нистой плиты, закрепленной в корпусе при помощи стяжного коль­ца (рис. 66, а).

II — с закатанным дном из фанеры или древесноволокнистой плиты, съемной металлической крышкой, закрепляемой на корпусе при помощи лепестков (рис. 66, б).

III — с двумя закатанными доньями из фанеры или древесно­волокнистой плиты (рис. 66, в).

ГОСТом предусмотрены основные параметры и размеры бара­банов вместимостью от 10 до 110 л с указанием предельных от­клонений основных размеров. Условное обозначение барабана со­стоит из обозначения типа барабана, вместимости и стандарта, например: БКН1-10 ГОСТ 17065—77 (барабан картонный навив­ной, тип I, вместимостью 10 л. ГОСТ 17065 — 77). Корпус бараба­на изготавливается прямой или спиральной навивкой склеиваемых силикатным клеем и наматываемых на формующий вал слоев кар­тона и бумаги. Для навивки корпуса применяются следующие ма­териалы: картон по ГОСТ 1420 — 78, бумага марок М-78А, М-78Б или Б по ГОСТ 2228 — 75. Для внутреннего слоя корпуса ГОСТ 17065 — 77 допускает применение картона марок В и Г, ГОСТ 8273 — 75 — другие марки бумаги и картона, по качеству не ниже указанных. Оформление и хороший внешний вид барабанов и дру­гой тары, имеющей круглое поперечное сечение, достигается хоро­шим конструктивным исполнением, качеством наружной поверх­ности, наклейкой хорошо оформленной этикетки.

Дно и крышка делаются из фанеры от 3 до 10 мм или из дре­весноволокнистой плиты от 3,2 до 8 мм в зависимости от вмести­мости барабанов. Кольцевые обручи из листовой или тонколисто­вой оцинкованной стали толщиной 0,40—0,50 мм крепятся на кор­пусе барабанов зиговкой. Путем зигования соединяется дно и кор­пус. Концевые обручи сваривают контактной точечной или роли­ковой сваркой и плотно надевают на корпус барабана. Металличе­ские части защищают антикоррозийными покрытиями. ГОСТ 17065 — 77 допускает применение других видов крепления конце­вых обручей на корпусе, обеспечивающих прочность. Плотность барабана достигают внутренним и наружным импрегнированием. Для упаковки тяжелых и хрупких товаров используют барабаны с увеличенной толщиной стенок и с установкой дополнительных усиливающих колец.

Картонные банки используются для упаковки порошкообраз­ных, зерновых, мелкоштучных и других товаров, включая жидкие. Выбор конструкции и способа выполнения банок зависит от свойств и размеров упаковываемой продукции. Для достижения необходимой непроницаемости банки изнутри кашируются фоль­гой, пленками, нанесением эмульсии или импрегнированием.

По способу изготовления различают три вида банок: навивные; выполненные из бумаги и картона способом прямой или спираль­ной навивки, являющиеся основным видом; банки, выполненные способом бумажного литья, находящие ограниченное применение. Изготовляют банки и способом штампования. ГОСТом 12300 — 66 установлено конструктивное исполнение банок из картона, бумаги и комбинированных материалов для упаковки и хранения пище­вых и других товаров четырех типов:

I — с гладкой крышкой, соединенной с корпусом банки закат­кой (рис. 67,а); II — с телескопической крышкой (рис. 67,6); III — с вдавливаемой крышкой (рис. 67, в); IV — с закатанной горловиной (рис. 67, г).

Для изготовления корпусов банок применяется бумага массой 120—280 г/м² (по ГОСТ 7377 — 69, ГОСТ 6290 — 74, ГОСТ 891 — 75, ГОСТ 7247 — 79). Картон коробочный толщиной 0,4—0,5 мм (ГОСТ 7933—78) и все остальные материалы, необходимые по технологии изготовления навивных и комбинированных банок, пре­дусмотрены ГОСТ 13979 — 68. Крышки и донышки банок соеди­няются с корпусом способами закатки, склеивания или вдавлива­ния и изготавливаются из картона, металла или пластмасс.

У комбинированных банок корпус картонный, горловина, до­нышко и съемная крышка металлические.

Рис 67. Типы конструкции навивных банок:

а — с гладкой крышкой; б — с телескопической; в — с вдавливаемой крышкой; г — с за­катанной горловиной

Условные изображения, принятые на чертежах: D — диаметр банки, Н — высота банки, 5 — толщина стенки корпуса банки. Унифицированные размеры и технические требования к картонно-бумажным и комбинированным цилиндрическим банкам преду­смотрены ГОСТом 13479 — 68.

Банки, изготавливаемые для потребительской тары, должны отличаться хорошим внешним исполнением, чистотой облицовки поверхности корпуса, крышки, этикеток для корпуса, крышки и дна. Для этих целей применяют бумагу для иллюстрационной пе­чати, мелованную, глянцевую, офсетную, кашированную, картон хром-эрзац, алюминиевую фольгу.

Бумажные стаканчики изготавливаются в основном для двух целей: для питья и упаковки продукции и различаются по форме и размерам. Стаканчики для питья конструируются более изящ­ными, чем стаканы для потребительской упаковки гастрономиче­ской продукции, которые имеют устойчивую форму.

Для укупорки пастообразных и полутвердых гастрономических товаров применяют картонные и целлофанные кружки или фольгу.

Для увеличения непроницаемости стаканчики импрегнируются парафином или другими покрытиями. Упаковочные стаканчики в целях устойчивости и удобства обращения имеют высоту меньше его диаметра. Обычно соблюдается соотношение: D:H от 1:0,3 до 1:0,8. ГОСТ 12304 — 66 предусмотрено изготовление стаканчиков из бумаги и комбинированных материалов, применяемых для упа­ковки и хранения пищевых и других промышленных товаров. В за­висимости от конструкции ГОСТом установлено два типа стакан­чиков: I — с дном, соединенным с корпусом способом закатки; II — с вклеенным дном.

Обозначения, принятые на чертежах стаканчиков: Н — высота, D — диаметр, 5 — толщина стенки стаканчика. Размеры и техни­ческие требования для стаканчиков, применяемых при расфасовке мороженого, продуктов питания, холодных и горячих напитков, ре­гламентирует ГОСТ 13480 — 68. Стаканчики в зависимости от вме­стимости (от 125 до 530 мм) и назначения подразделяются на семь номеров: (№ I, 2, 3 — для мороженого, № 4 — для холодных на­питков, № 5 — для горячих напитков, № 6 и 7— для продуктов питания). Для производства стаканчиков № I—7 применяют бу­магу марки Г по ГОСТ 724 — 73, изготовленную из 100%-ной бе­леной целлюлозы, допускается применение бумаги этой же марки из 100%-ной небеленой целлюлозы. Для стаканчиков № 5 приме­няют бумагу массой 220 г/м², изготовленную из сульфатной беле­ной целлюлозы. Стаканчики № 6 и 7 выпускают с двумя крышка­ми: одной парафинированной и другой, имеющей печатное оформ­ление, обе крышки входят в канавку, расположенную ниже верх­него борта стаканчика на 8—10 мм.

Бумажные ведра и бутылки применяются редко и изготовля­ются из комбинированных материалов методом навивки. Крышки для ведер изготовляют из картона или бумажного литья.