基于約束滿足理念的發(fā)動機(jī)散件包裝設(shè)計方法

巨楊妮 林世龍 張培德 皇甫曉華

濰柴動力股份有限公司內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室 山東 濰坊 261000

1 研究背景

近幾年，我國汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，汽車銷售量持續(xù)上升。為提升競爭力，國內(nèi)汽車企業(yè)開始布局全球市場，如海外建廠。與整車出口相比，將汽車打散出口具有降低關(guān)稅、提升目標(biāo)市場需求響應(yīng)速度、幫助目標(biāo)市場所在國家建立汽車工業(yè)體系等優(yōu)勢[1]。

目前，汽車散裝件（knocked down，KD）主要采用兩種包裝方式：面向售后市場維修服務(wù)的單件包裝和面向工廠生產(chǎn)線組裝的集合包裝。前者可歸入銷售包裝，其功能以產(chǎn)品防護(hù)與產(chǎn)品信息展示并重，后者可歸入倉儲物流包裝，其功能以產(chǎn)品防護(hù)與物流效率并重?？紤]產(chǎn)品防護(hù)，汽車零部件包裝設(shè)計通常采用緩沖包裝設(shè)計六步法，驗證包裝可靠性用有限元分析法、跌落試驗、堆碼性能測試等。尚憲茹等[2]按照結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論測算、仿真分析的步驟設(shè)計了汽車剎車盤重型集合包裝。李楊等[3]探討了ISTA（International Safe Transit Association）標(biāo)準(zhǔn)在生產(chǎn)型零部件和售后備件包裝中的應(yīng)用。仲晨等[4]用緩沖包裝設(shè)計六步法設(shè)計了全瓦楞紙汽車大燈包裝，并通過試驗對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?？紤]產(chǎn)品信息展示，張潔敏[5]利用視覺傳達(dá)技術(shù)在包裝中融合色彩、造型、圖像、文字等元素，以整體統(tǒng)一的形式將產(chǎn)品信息傳達(dá)給消費者。

為提高物流效率和降低物流成本，發(fā)動機(jī)的全散裝件出口包裝需解決約束滿足問題。張琳琳[6]基于常用運載工具，對集裝箱內(nèi)尺寸進(jìn)行分割，得到標(biāo)準(zhǔn)紙箱尺寸鏈。因此，本研究擬通過對訂單數(shù)量、集裝箱尺寸、零部件尺寸、包裝材料、包裝模數(shù)等約束因素的分析，探討某企業(yè)發(fā)動機(jī)全散裝件的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及堆碼強(qiáng)度校核流程，以期實現(xiàn)發(fā)動機(jī)全散裝件集合包裝的敏捷設(shè)計。

2 集合包裝的約束因素分析

2.1 訂單數(shù)量邊界約束

訂單數(shù)量是影響集合包裝設(shè)計合理性的首要因素[7]。訂單數(shù)量以經(jīng)濟(jì)批量的整數(shù)倍開展時，基于規(guī)模的集合包裝設(shè)計方有成本優(yōu)勢。因此，本研究分析了發(fā)動機(jī)的相關(guān)銷售數(shù)據(jù)，得出發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)批量為12，訂單數(shù)量以經(jīng)濟(jì)批量的整數(shù)倍開展。

2.2 集裝箱尺寸邊界約束

發(fā)動機(jī)散裝件完成包裝后，需裝入集裝箱，再通過各類運輸工具，經(jīng)由洲際貨運路線，送至目的國。目前，世界上95%的海運集裝箱都符合ISO標(biāo)準(zhǔn)[8]。為了降低物流成本，設(shè)計包裝方案時必須考慮集裝箱的利用率和裝箱效率。發(fā)動機(jī)零部件按照物資分類可歸入干貨類，因此其運輸采用1AAA型干貨集裝箱（內(nèi)部尺寸為12 029 mm×2350 mm×2393 mm）[9-10]。減去托盤、纏繞膜等占用的空間后，集裝箱可擺放包裝件的內(nèi)部尺寸為11 960 mm×2280 mm×2200 mm，從長、寬、高3個方向進(jìn)行等分分割，得到各種標(biāo)準(zhǔn)包裝單元，如表1所示。

表1 1AAA型干貨集裝箱的分割尺寸表Table 1 Segmentation size of 1AAA type container mm

2.3 零部件尺寸邊界約束

零部件具有一定形狀及尺寸（長l、寬b、高h(yuǎn)），是占用集合包裝箱主要空間的物料，因而基于放置方向和訂單數(shù)量對其排列方式進(jìn)行合理布局，可有效提升集合包裝箱的空間利用率。此外，零部件形狀及尺寸邊界是決定包裝腔體的重要因素。發(fā)動機(jī)零部件按照形狀，可分為規(guī)則零部件、非規(guī)則零部件、扁平狀零部件，如圖1所示。只有設(shè)計好零部件的放置方式后，才能確定零部件尺寸邊界（長li、寬bi、高h(yuǎn)i）。規(guī)則零部件A氣缸蓋罩（見圖1a）采用單層放置，則其長、寬、高是尺寸邊界。對于不規(guī)則零部件B水泵（見圖1b），將兩個水泵借位放置形成一個組合件，該組合件的外尺寸作為零部件的尺寸邊界（見圖2a）。扁平狀零部件C齒圈（見圖1c）高度較小，且刀卡的開槽深度較短，若零部件采用單層放置，則集合包裝中無法使用插格，這會導(dǎo)致運輸中零部件易被擠壓破壞。因此，將多個零部件堆疊放置（見圖2b），堆疊體的長、寬、高作為尺寸邊界（見表2）。

圖1 零部件視圖Fig. 1 Diagram of parts

圖2 零部件的不同放置方式Fig. 2 Different placement of parts

表2 零部件的尺寸邊界表Table 2 Dimension boundary table of parts mm

2.4 包裝材料邊界取值

重型瓦楞紙箱具有質(zhì)量輕、外觀好、成箱易拆解等優(yōu)點，因而適合用于復(fù)雜環(huán)境的國際物流。本研究選用AAA高強(qiáng)重型瓦楞紙板制作圍板；根據(jù)零部件特征，選用AAA或者AA高強(qiáng)重型瓦楞紙板制作插格或者隔板。AAA、AA高強(qiáng)重型瓦楞紙板的厚度分別為15, 10 mm。

2.5 最優(yōu)包裝數(shù)量

包裝數(shù)量為零部件沿包裝容器長、寬、高3個方向排列數(shù)量的乘積。最優(yōu)包裝數(shù)量與經(jīng)濟(jì)批量有關(guān)，經(jīng)濟(jì)批量必須為最優(yōu)包裝數(shù)量的整數(shù)倍方可實現(xiàn)整箱發(fā)運。本研究的最優(yōu)包裝數(shù)量為12的約數(shù)或者倍數(shù)，因此，包裝數(shù)量需滿足下述條件：

式中：i為沿包裝箱長方向放置零部件的數(shù)量；j為沿包裝箱寬方向放置零部件的數(shù)量；k為沿包裝箱高方向放置零部件的數(shù)量。

3 發(fā)動機(jī)散裝件集合包裝設(shè)計

發(fā)動機(jī)散裝件的集合包裝設(shè)計問題可視為上述約束滿足問題。集合包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 集合包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程Fig. 3 Collection packaging design logic

3.1 包裝箱內(nèi)余量設(shè)計

包裝箱沿長方向的余量為

式中：L為包裝箱長度；t1為0301型紙箱上下蓋的厚度；e為上下蓋與圍板的配合間隙；t2為圍板厚度；m為圍板與插格在長度方向的間隙；a為零部件與插格沿長度方向的間隙；t3為插格厚度。

包裝箱沿寬方向的余量為

式中：B為包裝箱寬度；n為圍板與插格在寬度方向的間隙；b為零部件與插格沿寬度方向的間隙。

包裝箱沿高方向的余量為

式中：H為包裝箱高度；hp為托盤高度；c為零部件與插格沿寬度方向的間隙；t4為層間隔板厚度。

圖4為長、寬方向設(shè)計余量示意圖。在包裝件外尺寸及零部件尺寸確定的情況下，通過調(diào)節(jié)零部件在長、寬、高方向的放置數(shù)量，使間隙和插格的開槽余量達(dá)到合理尺寸。本研究中，開槽余量不少于30 mm，視為合理設(shè)計。

圖4 長、寬方向設(shè)計余量示意Fig. 4 Diagram of design allowance in length and width directions

3.2 包裝箱堆碼強(qiáng)度校核及優(yōu)化

無論是在集裝箱內(nèi)，還是在臨時倉儲環(huán)節(jié)，包裝箱均需堆碼放置。為提升包裝箱的堆碼強(qiáng)度，在包裝箱四周放置木立柱并將木立柱的支撐強(qiáng)度納入包裝箱整體堆碼強(qiáng)度進(jìn)行考慮。堆碼強(qiáng)度校核及優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 堆碼強(qiáng)度校核及優(yōu)化流程Fig. 5 Stack strength check and optimization logic

本發(fā)動機(jī)散裝件的包裝方案大多采用0301型紙箱。因此，先用凱里卡特公式[11]得到0201型紙箱的空箱抗壓強(qiáng)度P0201，再按照公式（5）進(jìn)行修正，得到0301型紙箱的空箱抗壓強(qiáng)度Pc。

式中γ為修正系數(shù)，γ=0.62。

包裝箱使用木立柱進(jìn)行加強(qiáng)時，木立柱的許用壓曲強(qiáng)度fk與立柱高度lz及立柱厚度tz有關(guān)[12]。

式中fc為木立柱的許用抗彎強(qiáng)度。

木立柱的壓曲載荷Pz為

式中A為木立柱的截面積。

包裝箱在集裝箱內(nèi)為同類堆碼，因而將木立柱均勻分布于包裝箱四周。包裝箱的整體抗壓強(qiáng)度Pt可由公式（8）計算得知。

式中x為木立柱的數(shù)量。

立柱數(shù)量通常為4根。如果增加了4根立柱的包裝件抗壓強(qiáng)度還不足，則需增加立柱數(shù)量，如圖6所示。通過層間隔板切角結(jié)構(gòu)與圍板對角立柱進(jìn)行限位，通過層間隔板的開槽結(jié)構(gòu)與圍板對新增立柱進(jìn)行限位。

圖6 立柱圖例Fig. 6 Illustration of six columns

得到包裝箱的整體抗壓強(qiáng)度后，根據(jù)公式（9）得到此包裝箱的堆碼最大層數(shù)Nmax。

式中Hc為集裝箱內(nèi)高。

考慮安全系數(shù)，包裝箱的最小抗壓強(qiáng)度Pi為

式中：mi為零部件質(zhì)量；

mpack為包裝箱質(zhì)量；

K為紙箱安全系數(shù)，參照GB/T 16717—2013《包裝容器 重型瓦楞紙箱》，并結(jié)合實際流通條件，取K=3.5[13]。

通過比較Pi與Pt判斷設(shè)計的合理性。如Pt小于Pi，則需對包裝箱進(jìn)行加強(qiáng)，如采取增大木立柱的截面積、增加木立柱數(shù)量等措施。

3.3 試驗結(jié)果分析

為驗證本文所述設(shè)計流程的合理性，本研究將某汽車企業(yè)的發(fā)動機(jī)散裝件進(jìn)行集合包裝設(shè)計。3種典型的規(guī)則零部件A、非規(guī)則零部件B、扁平狀零部件C的集合包裝如圖7所示。

圖7 3種零部件包裝設(shè)計方案Fig. 7 3 kinds of parts package design scheme

表3為3種典型零部件的集合包裝參數(shù)。

表3 零部件集合包裝參數(shù)Table 3 Parts and assembly packaging parameter

利用凱里卡特公式和公式（5）得0301型紙箱的空箱抗壓強(qiáng)度，如表4所示。無木立柱時，紙箱的堆碼強(qiáng)度初次校核結(jié)果如表5所示。

表4 集合包裝的空箱抗壓強(qiáng)度Table 4 Calculation results of empty container compressive strength

表5 無木立柱時堆碼強(qiáng)度初次校核結(jié)果Table 5 Initial check result of stacking strength (no timber column)

由表5可知：只有規(guī)則零部件的空箱抗壓強(qiáng)度大于包裝件實際所需的抗壓強(qiáng)度，此設(shè)計滿足堆碼強(qiáng)度要求，而非規(guī)則零部件B及扁平狀零部件C的包裝箱均需加強(qiáng)。

將40 mm×40 mm木立柱置于非規(guī)則零部件B及扁平狀零部件C的包裝箱四周，以提升其堆碼強(qiáng)度（見圖8）。增加木立柱后包裝箱的堆碼強(qiáng)度校核結(jié)果如表6所示。經(jīng)校核，增加木立柱后，非規(guī)則零部件B及扁平狀零部件C的包裝箱堆碼強(qiáng)度均滿足要求。

圖8 包裝設(shè)計優(yōu)化方案Fig. 8 Package design optimization scheme

表6 增加木立柱后的堆碼強(qiáng)度校核結(jié)果Table 6 Check results of stacking strength after increasing wooden column

4 結(jié)語

本研究所提出的零部件集合包裝設(shè)計方法及堆碼性能優(yōu)化流程，均是從包裝方案設(shè)計面臨的約束因素出發(fā)而制定的設(shè)計路徑。在某企業(yè)的應(yīng)用實踐中，此設(shè)計方法使包裝工程師的設(shè)計效率得到有效提升。本研究所用的各類參數(shù)僅為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求，設(shè)置更多參數(shù)選項。在集合包裝堆碼性能強(qiáng)化方面，除了使用木立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，還可以使用紙護(hù)角、紙筒等結(jié)構(gòu)。后續(xù)研究中，筆者將深入研究各類加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對包裝件整體堆碼強(qiáng)度的強(qiáng)化規(guī)律，從包裝材料本構(gòu)模型、易損件沖擊響應(yīng)特性[14]等角度探討汽車零部件集合包裝設(shè)計。

在智能制造、敏捷開發(fā)等理念指引下，未來可以開發(fā)面向發(fā)動機(jī)零部件的智能化敏捷包裝方案設(shè)計系統(tǒng)，以期發(fā)動機(jī)零部件的包裝設(shè)計能夠更加智能、高效，更好地為制造業(yè)服務(wù)。