摘要：目的 针对传统电商中小型盆栽包装存在的问题，提出全纸质包装结构设计方案。方法 分析中小型盆栽产品特点，进而提出内、外箱整体嵌套的包装结构，其次进行自由跌落试验，以验证设计方案的保护性能，并针对实验过程中暴露的设计不足提出改进措施。对改进后设计分别进行跌落、振动和抗压试验，全面验证方案的可行性，还对设计方案进行成本核算，以验证其经济性。
结果 跌落高度为 60 cm的自由跌落试验结果表明，角跌落的冲击最为强烈，其峰值加速度接近 25g，但远小于盆栽产品脆值范围（90g ~120g）。60 min 模拟公路运输的随机振动试验证明，包装件具有良好的减振性能。空箱抗压试验表明，包装件的平均最大压溃力为 727 N，可满足电商物流环境的堆码要求，而包装件实箱抗压试验的平均最大压溃力为 2117 N，约为空箱最大压溃力的 3 倍。成本核算表明，该设计方案单套成本不高于产品总价值的 5%。结论 该包装方案符合绿色包装理念，具有良好的缓冲、减振和堆码性能，成本合理。
1 产品分析
考虑到网购盆栽花卉的普遍性及代表性，包装内装物选定为常见的小型盆栽植物——红掌，见图 1。该盆栽的形态特征为肉质根，无茎，叶从根茎抽出，在运输过程中易折；花小，较脆弱，易磨损，其株高一般在 150 mm 左右，故其整体包装属于轻包装；根属气生根，要求运输过程中通气良好。
该栽种花盆材料一般为陶瓷，陶瓷易碎、耐压强度低、密度大。文中采用红掌株高为 150 mm，花盆高 120 mm，花盆最大直径 130 mm。整个盆栽净质量 1.1 kg。经查阅相关文献 [10]，红掌盆栽的脆值范围为 90g~120g。
2 包装结构设计初步方案
2.1 缓冲材料的选择
环保已成为时代主题，中国的生产制造更需要环保型材料。纸质包装材料作为典型的绿色环保材料，近年越来越受到人们的青睐，如耐折纸板、瓦楞纸板、纸浆模、蜂窝纸板等均为常用的包装材料。瓦楞纸板相较其他纸质材料具有更好的强度、刚度和保护性能，且方便回收[11]。故文中以绿色环保为出发点，在综合考虑缓冲性能、外观效果及成本的基础上，采用 B 型瓦楞纸板。所用纸板（采购来源：日本联合株式会社青岛工厂）定量为 520 g/m2，经实验 测 试 其 平 压 及 边 压 强 度 分 别 为 2 7 3 k P a 和 5573 N/m，符合设计要求。
2.2 结构设计
基于绿色、安全原则，经过反复尝试，设计了由内部正反揿结构、阶梯状护栏和外部便携式纸箱组合的结构。
内箱结构见图 2a，一页纸板成型，在内箱主体的内折线上设计有正反揿结构，在箱体的盖板延长板上设计有内外折线，折叠后内箱主体部分向内凹陷，以固定花盆；内箱上部分形成阶梯状护栏结构，在运输过程中可为枝叶提供支撑平台。该内箱到达消费者手中后，用户还可二次利用作为自吸水植物的吊篮。 外箱是由瓦楞材料折叠而成的管式纸箱[12]，见图2b。该纸箱为规则四边形，在箱体盖板设计有提手，既可将其立起提携，又可在运输过程中放平，便于堆码。为防止内箱在外箱内移位，特增加U型板（见图2c—d），其高度恰好等于内、外箱高度差，以便固定内箱。
最终包装效果见图 3，其中图 3a 为俯视视角下装入红掌后的包装件；图 3b 为内箱通过提绳提出后的状态；图 3c 为整个包装件在物流过程中的提携状态；图3d 为用户二次利用作为自吸水植物吊篮的场景。
3 包装件性能测试
为确保包装设计方案具有足够的保护性能，采用盒型打样机（Kongsberg V 系列，比利时 Esko 公司）制作实样，并装入红掌盆栽形成实验包装件。首先进行自由跌落试验 [13]，参照 GB/T 4857.5[14]，采用自由跌落试验机（DT200，深圳莱伯通试验设备有限公司）对包装件进行跌落试验，且使用 TP3 冲击数据采集仪（Lite 系列，美国 Lansmont 公司）进行冲击加速度的数据采集。为了明确缓冲包装件不同部位的抗冲击性能，结合目前国内运输现状，将跌落高度设置为 60 cm。试验时，将传感器垂直固定于花盆底部，以保证 TP3设备传感器准确地采集信号。实验结果见图 4。
由图 4 可知，虽然角及棱跌落的峰值加速度均不超过 16g，但却出现了产品破损现象。原因在于棱跌落的过程中出现了 2 次波峰，发生了触底现象，导致花盆破碎，见图 5a。为了防止盆内土壤散落，试验时用胶带对土壤进行了密封。分析花盆破碎的主要原因有 2 点：内、外箱之间无缓冲，直接导致内部花盆触底，从而导致花盆破损现象的发生；花盆的整体造型为至下而上半径逐渐增大的圆柱，正反揿结构设计虽然有一定的固定作用，但固定的仅仅是上面部分，底部浅盘仍可移位（见图 5b）。
4 结构设计改进方案
4.1 改进措施
针对试验中出现的触底现象，进行了设计改进，见图 6，具体措施如下所述。
1）在内箱主体的内折线上，裁切出 2 个长方形纸板，见图 6b 中①。利用纸板挺度支撑内箱，起到良好的缓冲作用，避免触底情况的再次发生。
2）正反揿结构由原来的直线改为斜线，见图 6b中②，使花盆与内箱的接触由点接触变为面接触，从而增加受力面积，增强缓冲效果。
3）增加了正反揿底部开槽，见图 6b 中③，使其紧紧地卡住浅盘，避免施釉滑落。
4）将阶梯状护栏的内外折线改成切痕线，见图6b 中④，既方便折叠又增加美观性。
5）正反揿结构的直角角隅处增设圆形裁切线，见图 6b 中⑤，以减少应力集中造成的纸箱变形。
为了明确优化后设计方案的合理性，再次进行自由跌落试验，并在此基础上增加了振动试验和抗压试验，全面检测其缓冲、防振和堆码性能[15]。
4.2 自由跌落试验
设计方案改进后，重新制作实样，并装入新的同规格花盆，采用“1 角 2 棱 3 面”跌落方式进行自由跌落试验，试验方法同前，并记录实验数据。在每次试验结束后，打开包装查看内装物有无破损，同时记录其加速度-时间曲线。实验结果见图 7。
由图 7 可知，在角棱面的跌落过程中，底面跌落的冲击加速度最大，为 23g；侧面及侧棱跌落次之，约为 15g；角跌落最小，为 6g，符合包装件不同跌落姿态下的冲击加速度规律；冲击加速度均远小于盆栽产品脆值范围。说明通过结构上的改进，该包装设计能够充分吸收冲击能量，有效避免流通过程中的破损。
由图 7 可知，在角棱面的跌落过程中，底面跌落的冲击加速度最大，为 23g；侧面及侧棱跌落次之，约为 15g；角跌落最小，为 6g，符合包装件不同跌落姿态下的冲击加速度规律；冲击加速度均远小于盆栽产品脆值范围。说明通过结构上的改进，该包装设计能够充分吸收冲击能量，有效避免流通过程中的破损。
4.3 随机振动试验
参照 GB/T 4857.23[16]中“不同运输方式随机振动PSD 曲线的公路运输”等内容，利用电磁振动试验机（DC-600，苏试试验设备有限公司）对实验包装件进行随机振动试验。试验时，将内装物与包装件实样分别固定在振动台中央，依次进行垂直方向 60 min的模拟公路运输的随机振动。试验完成后，分别对试验样品进行检验。对比 2 次实验的结果，发现未包装的植株出现枝叶凋落的情况，见图 8a。说明该植物枝叶脆弱、易损坏，无法承受运输过程中的振动，需要进行包装防护。包装件振动试验中的植株和花盆均无损伤，包装件各部分也未出现破裂现象，见图 8b， 对比说明该包装设计能够满足盆栽的减振要求。
4.4 抗压试验
对改进后设计方案制作实样，依据 GB/ T 4857.4[17]，利用纸箱抗压试验仪（iboxtek-1710，济南兰光机电技术有限公司）对实样空箱进行抗压试验。试验参数设置：预压力 50 N；压差比例 90%；试验速度 12.7 mm/min。重复进行 7 次实验，并记录其最大压溃力、变形量数据，见表 1。
由表 1 可知，空箱的平均最大压溃力约为 730 N，相比普通瓦楞纸箱强度偏小。结合现有电商物流条件，通过理论计算[15]来验证该包装方案是否具有足够的堆码强度。由制造尺寸可知，盆栽外箱的外尺寸为 199 mm (Lo)×199 mm (Bo)×342 mm(Ho)。经调查，电商盆栽在流通过程中普遍使用的立体仓库有效高度 Hw为 7.0 m。另外，考虑到我国普遍使用 1200 mm× 1000 mm 规格的托盘，托盘单元的堆码高度以所载货物重心高度不超过托盘宽度的 2/3 为宜，故每个托盘单元的高度 hmax按 342 mm×6 层=2052 mm。托盘自身高度 H 按 100 mm 规格计。根据上述条件可由下面步骤计算出物流过程中的所设计包装的最大堆码层数。
1）单个托盘包装中最大纸箱堆码层数 nmax：
考虑到作为内装物的陶瓷花盆本身为刚性容器，可支撑内箱，从而直接影响包装件的实际抗压强度，故将红掌盆栽放入全新的包装箱中再次进行抗压试验,以测量实际包装件的抗压强度。实验方法、参数设置与空箱抗压试验相同。实验数据归纳见表 2。由实验数据可知，实际包装件的平均最大压溃力可达2117 N，约为空箱抗压强度的 3 倍，说明该包装具有足够的堆码强度。
另外，实箱压缩变形量比空箱压缩变形量增加了约 1/3，这是实际包装件抗压强度显著高于空箱抗压强度的重要原因。因纸箱的受力部位由空箱试验时的外箱转换成了实箱试验时的内、外箱间的 U 型板。当包装件受压时，垂直载荷先使 U 型板变形，其次外箱发生形变，从而大大提高了包装件的抗压能力。
5 成本分析
为明确市场应用价值，将瓦楞纸板的单件购置成本、加工费用与商品的售价进行比较，进一步进行了成本分析。使用的 B 瓦楞纸板定量为 200，120，200 g/m2，经市场调查，目前该定量纸张价格在 4000 元/t左右。该设计的箱坯总面积约为 1.2 m2，故计算可知生产成本为 2.5 元/套。同时调研了电商盆栽的价格[18]见表 3，可知电商盆栽的售价差距较大，经济型盆栽在 40~100 元范围，而礼品型盆栽可高达 2500 余元。不难看出，相比于经济型盆栽，纸箱成本约为 1︰20，满足业内包装成本不高于产品总成本 5%的标准。相比于礼品型盆栽，纸箱成本仅为 1︰800，对于大多数的消费者来说完全可以接受。可见，文中提出的绿色盆栽运输包装设计方案具有成本优势，切实可行。
6 结语
随着“互联网+”时代的到来，网购盆栽销量日益增加，运输包装设计的好坏直接影响其销量。文中针对绿植盆栽产品特点提出了新颖的包装结构设计方案，该方案具有如下特点。
1）包装整体采用全纸质瓦楞纸板材料，可循环再利用，符合可持续发展理念。
2）内箱借鉴仿生思路设计缓冲结构，使阶梯状护栏结构如人手般呵护着内装盆栽产品。
3）通过调整绳子的打结长度，该包装可自适应不同高度的盆栽产品，从而可重复利用内箱，绿色环保。正反揿结构既可以固定花盆，防止其晃动，又能起到支撑作用，避免触底现象的发生。
4）实验结果证明，该设计具有优良的缓冲和减振作用。外箱设计的提梁在运输状态中可以自动平折，提携时可以自动成型，符合人性化的设计理念。 绿植盆栽不仅是一种装点生活的装饰品，也是美化人们心灵的精神消费品，市场前景广阔。这里提出的中小型盆栽包装结构设计紧密联系人们生活，具有较强的市场竞争力，对于推动国内外绿色盆栽的发展具有积极意义。
