STRESZCZENIE: Przeprowadzono badania opakowań typu wiaderka z pokrywkami o pojemności 1 i 5 litrów, symulujące obciążenie wiaderek w stosach na palecie w trakcie magazynowania i podczas transportu. Badania polegały na obciążaniu wiaderka siłą odpowiadającą naciskowi masy na dolne wiaderko w stosie. Symulacja warunków magazynowania była realizowana przez długotrwałe obciążanie do 21 dni. Symulacja warunków transportowych została przeprowadzona na maszynie wibracyjnej. Zaobserwowano zjawisko płynącego odkształcenia pokrywek w długim czasie obciążania i uszkodzenia pokrywek pod obciążeniami wibracyjnymi.
IN ENGLISH: Research on long-term dynamic loading of package buckets type; ABSTRACT: Studied of the buckets with lids packages with the capacity of 1 and 5 liter, to simulate the load in the pails during storage and transport of the buckets placed in stacks on a pallet. The study consisted of loading on the bucket forces corresponding to the pressure of the weight on the bottom bucket in the stack. Simulation on storage conditions was carried out by long-term loading (up to 21 days). Simulation of transport conditions was carried out on the vibration machine. We observed the phenomenon of flowing deformation of the lids during the long time loading and damage of caps under vibratory loads.
Wprowadzenie
Jedne z etapów funkcjonowania opakowań to ich użytkowanie w trakcie magazynowania i transportu po ich napełnieniu produktem. Opakowania typu wiadra po napełnieniu produktem dla potrzeb magazynowania i transportu są układane na paletach. Palety jako opakowania zbiorcze – transportowe formowane są do wysokości 1,5 metra. Na paletach są układane jedne na drugie opakowania zbiorcze (np. typu kartony, skrzynki z butelkami) lub jednostkowe, w tym typu wiaderka z pokrywkami. Opakowania typu wiaderka są tak skonstruowane (postać typu stożka ściętego oraz odpowiednie uprofilowanie pokrywki i usztywnienia pobocznicy wiaderka oraz pokrywki), że możliwe jest ich układanie „jedne na drugie” w stabilne stosy. Pozwala to następnie na łatwe formowanie całej palety.
Układanie na paletach opakowań typu wiaderka w stosy powoduje ich specyficzne obciąganie w trakcie długotrwałego magazynowania oraz transportu. Wiaderko znajdujące się na dole stosu przejmuje obciążenie ciężaru wszystkich wiaderek nad nim. Obciążona jest zwłaszcza pokrywka, na której usytuowane jest następne wiaderko. Przy krótkotrwałym obciążaniu taką siłą nie stanowi to problemu wytrzymałościowo-deformacyjnego. Natomiast poddawanie długotrwałemu działaniu siły obciążającej (podczas nawet miesięcy magazynowania) od masy stosu stanowi już znacząco inne warunki. Tworzywo polimerowe, z którego wytwarzane są te opakowania, jest podatne na odkształcenia pełzające. Zatem to początkowo niewielkie, ale stale powiększające się odkształcenie może odkształcać (deformować) zwłaszcza pokrywkę i połączenie pokrywki z pobocznicą wiaderka oraz powodować rozszczelnienie opakowania.
Znacząco intensywniejsze jest oddziaływanie obciążające w trakcie transportu, który może trwać od kilku do kilkudziesięciu godzin. Towar na skrzyni ładunkowej w trakcie poruszania się pojazdu po drodze podlega drganiom, co powoduje wystąpienie dynamicznego obciążenia od masy poddawanej przyśpieszeniu przy zmiennej prędkości ruchu oscylacyjnego. W tych warunkach siły bezwładności kilkakrotnie przewyższają obciążenie statyczne ciężarem od masy [2]. Drugim elementem obciążenia w trakcie transportu są same oscylacje – obciążenie powodujące występowanie zjawiska zmęczenia materiałowego.
Standardowe badania opakowań obejmują obciążenie statyczne [1, 4, 5] oraz obciążenia dynamiczne w warunkach swobodnego spadku. Dla takich obciążeń autorzy opracowali wyposażenie do badania opakowań typu wiaderka w warunkach zakładu przemysłowego [3]. Długotrwałe obciążenia wynikające z potrzeb magazynowania oraz obciążenia w trakcie transportu są innego charakteru. Normy – standardy nie uwzględniają omówionych uwarunkowań użytkowania opakowań oraz związanych z nimi aspektów deformacji i wytrzymałości opakowań.
Celem badań była eksperymentalna symulacja warunków obciążania opakowań typu wiaderka w trakcie magazynowania i transportu. Przeprowadzono obserwację zachowania się badanych opakowań w wyniku długotrwałego obciążania oraz poddawanego obciążeniu oscylacyjnemu na wstrząsarce.
Materiał badawczy i zakres badań
Materiałem badawczym były opakowania typu wiadra z pokrywką, wykonane z polipropylenu (PP), o pojemnościach 1 i 5 litrów (rys. 1). Podstawowe wymiary: dla wiaderka 1 litr (średnica dna 115 mm, średnica zewnętrzna krawędzi otworu 125 mm, wysokość 125 mm); dla wiadra 5 litrów (średnica dna 200 mm, średnica zewnętrzna krawędzi otworu 216 mm, wysokość 190 mm).
Wiaderka obciążano siłą wynikającą z masy opakowań w stosie palety. Odpowiednio dla przypadku wiaderek 1 litr w stosie może być łącznie 12 opakowań, czyli na dolne opakowanie działa siła od 11 opakowań, zatem obciążenie stanowiła masa 11 kg. Dla wiader 5 litrów w stosie może być łącznie 7 opakowań, czyli na dolne opakowanie działa siła od 6 opakowań, zatem obciążenie stanowiła masa 30 kg.
Opakowanie obciążano w ten sposób, że na wiaderko badane (obciążane) stawiano takie samo wiaderko (tak jak obciążane w stosie) wypełnione piachem (2 kg), a na nie większe wiadro (5 lirów) wypełnione piachem (9 kg) – razem obciążenie masą 11 kg. Podobnie realizowano obciążenie wiadra 5 litrów, odpowiednio: takie samo wiaderko (tak jak obciążane w stosie) wypełnione piachem (10 kg), a na nie większe wiadro (10 litrów) wypełnione piachem (20 kg) – razem obciążenie masą 30 kg.
Obciążenie statyczne długotrwałe trwało do 21 dni (3 tygodnie). Obserwowano osiadanie i deformację opakowania, a w szczególności pokrywki.
Obciążenie dynamiczne – oscylacyjne realizowano za pomocą maszyny wibracyjnej (typ St80 produkcji VEB Turunger Industriewerk Rauenstein rok 1971). Na płycie wibracyjnej maszyny stawiano stos opakowań. Ograniczenie przemieszczeń bocznych stosu zapewniały pionowe śruby mocowane w wycięciach płyty maszyny wibracyjnej, które stabilizowały opakowanie owinięte gąbką – rys 3. Badania przeprowadzono w dwóch wariantach: przy stałej częstotliwości 12 Hz (dla tej częstotliwości zaobserwowano najintensywniejsze oddziaływania dynamiczne). Według badań [2] częstotliwości drgań w warunkach rzeczywistych transportu kołowego mieszczą się w zakresie do 20 Hz. Dla badanej częstotliwości z charakterystyki maszyny odczytano amplitudę drgań (zależną od masy poddawanej drganiom), odpowiednio: dla wiaderka 1 litr 0,56 mm; dla wiadra 5 litrów 0,32 mm. Drugi wariant obciążenia dynamicznego polegał na wprowadzeniu zmiennej częstotliwości w zakresie od 12 do 16 Hz z okresem zmienności 30 na minutę.
Dla celów porównawczych badane wiaderka poddano obciążaniu na maszynie wytrzymałościowej.
Analiza wyników badań
Obciążano poprzez wkładkę usztywniającą umieszczaną na przykrywce. Pod wpływem obciążania nastąpiła deformacja na połączeniu pokrywka – pobocznica wiaderka. Zaobserwowano zapadnięcie się pokrywki. Nastąpiło to po obciążeniu wiaderka 1 litr siłą 1500 N (odpowiada to wytrzymałości statycznej na masę 150 kg, co stanowi 14-krotne obciążenie statyczne w stosie palety). Wiadro 5 litrów zostało zdeformowane pod obciążeniem 1300 N (odpowiada to wytrzymałości statycznej na masę 130 kg, co stanowi około 4-krotne obciążenie statyczne w stosie palety). Uzyskane wyniki świadczą, że wytrzymałość na obciążenia statyczne wielokrotnie przewyższa obciążenia masą w wyniku formowania palety z wypełnionymi opakowaniami. Mniej odporne na deformacje są wiadra większe.
W trakcie prób długotrwałego obciążania (masą 11 kg) wiaderek 1 litr po 24 godzinach zaobserwowano zapadnięcie się wiaderka drugiego w stosie o około 1 mm. W dalszym okresie osiadanie stosu było już nieznaczne i po 21 dniach nie przekroczyło 2 milimetrów (w badaniach możliwy był odczyt z dokładnością ok. 0,5 mm). Po całym okresie (obciążanie 21 dni) nie zaobserwowano symptomu deformacji połączenia pokrywki z pobocznicą wiaderka, która powodowałaby utratę szczelności. Dla wiader 5-litrowych (obciążenie masą 30 kg) deformację rzędu 1 mm zaobserwowano po 6 godzinach. Po 24 godzinach obciążania zaobserwowano deformację pokrywki, powodującą lekkie przechylenie stosu. Po 10 dniach obciążania deformacja pokrywki była bardzo wyraźna, co ilustruje rys. 4. Taki stopień deformacji powoduje już utratę szczelności opakowania.
Wiadra obciążone stosem były poddawane obciążeniom oscylacyjnym (drganiom) przez okres 8 godzin. W przypadku wiaderek 1 litr nie zaobserwowano deformacji, która powodowałaby powstanie nieszczelności pokrywki z pobocznicą. Natomiast pokrywka wiadra 5 litrów została zdeformowana z jednoczesnym naderwaniem żeber usztywniających, co pokazano na rys. 5a.
Jak wykazały badania, zdecydowanie groźniejsze okazały się drgania pulsacyjne. Pokrywka wiaderka 1 litr po 6 godzinach nie miała wyraźnych trwałych deformacji, ale wykazywała deformacje, które mogły powodować rozszczelnienie. Po 3 godzinach obciążenia pulsacyjnego pokrywka wiadra 5 litrów została naderwana (pękła), jak to pokazano na rys. 5b.
Wnioski
Obciążenia opakowań typu wiadra, wiaderka napełnione produktem w stosach palet są specyficzne ze względu na możliwe długotrwałe działanie obciążenia przy magazynowaniu oraz poddawane są obciążeniom zmiennym (drgającym) podczas transportu.
Z badanych opakowań – wiadra o pojemności 1 litr i 5 litrów – mniej odporne na oddziaływania długotrwałe i dynamiczne oscylacyjne są opakowania większe. Wiadra 5 litrów przy obciążeniu mniejszym o około 4 razy niż wytrzymałość przy obciążeniu statycznym wykazały znaczące deformacje pokrywki po okresie 10 dni obciążania. Pokrywki nie wytrzymały 8 godzin obciążenia oscylacyjnego i zostały uszkodzone po 3 godzinach obciążenia oscylacyjnego z pulsacją częstotliwości.
W badaniach najgroźniejsze okazały się obciążenia z pulsacją częstotliwości drgań.
Literatura
[1] Czerniawski B., Michniewicz J., Opakowania żywności. Wydawnictwo Agro Food Technology Sp. z o. o., Czeladź 1998
[2] Kojima T., Liu J., Fujita S., Inaba S., Tanaka M., Tatara I.: Analysis of vibration and its effects on strawberries during highway transport. Journal of the Society of Agricultural Structures 1999, 29, 4, s. 197-203
[3] Michalska-Pożoga I., Diakun J.: Badania kontrolno-jakościowe opakowań typu pudełka i wiadra z pokrywkami z przeznaczeniem dla produktów spożywczych w warunkach przemysłowych. Opakowanie 2015, 2, s. 57-61
[4] PN-EN-ISO 604: 2006 – Pojemniki sztywne z tworzyw sztucznych. Wytrzymałość statyczna
[5] PN-79782: 1996 – Pojemniki sztywne z tworzyw sztucznych. Wytrzymałość dynamiczna – odporność na uderzenia przy swobodnym spadku
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
