运输包装课件_包装缓冲与防振包装设计学生自学课件

包装缓冲与防振包装设计 （GB8166-87）,缓冲包装的定义：以缓和冲击为目的的包装常见形式：用有弹性的材料或弹性元件作缓冲衬垫，吸收冲击 能量，延长内装产品承受冲击脉冲作用的时间。缓冲包装的分类： 全面缓冲包装 局部缓冲包装 悬浮式缓冲包装一.全面缓冲包装 特点： 1.对产品进行全面缓冲防护； 2.减小材料厚度和包装件体积； 3.适合小批量产品包装； 4.丝状、薄片状或粒状材料或现场发泡。,第3节 缓冲包装的形式,特点：1.在受力部位或易损部位进行缓冲；2.厚度可变；3.节省包装材料；4.适于大批量形状不规则产品的包装,应用最广。,二.局部缓冲包装,常见局部缓冲包装的其它形式,角滚式 整体浇注式,支撑式,三.悬浮式缓冲包装,特点：1.用弹簧悬吊包装物；2.适用于精密、脆弱产品，如大型电子管，大型计算机，制导装置等；3.外包装必须使用坚固的外包装容器。,（一）.衬垫结构选型,四.缓冲衬垫的设计,贴片衬垫 角衬垫 孔型衬垫,产品重量、结构形状和尺寸；代表流通环境条件的等效跌落高度； a. 经验公式法 人工装卸中，包装件的跌落高度与重量的关系式： h=300W-1/2 h跌落高度，cm W重量，Kg（16kg） b. 标准量值法（根据产品重量、最大尺寸范围及运输条件直接查表） 国标GB4857.584 跌落试验高度 日本JISI0202 自由跌落试验条件 美国军用标准MILP116H 自由跌落试验条件,（二）.确定设计的基本参数,代表产品特性的脆值参数,a.试验法：通过脆值试验，再根据价值大小、强度偏差、重要程度，考虑运输中破损的风险度，确定许用脆值。 b.标准量值法 美国军用标准 MILHDBK304 美国MTS标准 日本防卫厅规格 NDS 英国综合防护手册 根据产品属性、价值大小、重要程度，综合各国标准确定一个合理的许用脆值。c.理论估算法：根据产品结构、尺寸、材料特性，用力学模型计算推导出产品的脆值。,选材原则： 脆值大的产品，选弹性较小的缓冲材料； 脆值小的产品，选缓冲性能好的缓冲材料； G1000g，不用缓冲材料选定材料后，找相应的曲线： 缓冲系数最大应力（Cm）曲线 静态缓冲系数 缓冲系数静应力（Cs）曲线 动态缓冲系数 缓冲系数应变率 （C） 曲线 应变率 缓冲系数变形能 （CE） 曲线 变形能 振动传递率频率特性(rf)曲线 传递率,代表材料性能的缓冲特性参数, 对指定材料计算尺寸； 选择最合适的材料并 决定尺寸； 比较不同材料的优劣；,（三）、选取特性曲线确定衬垫基本尺寸,T:衬垫厚度 ，cm W:产品重量 , N A:衬垫有效面积 , cm2 G:产品脆值 H:等效跌落高度, cm,1.缓冲系数最大应力（Cm）曲线的应用,确定材料 选定曲线 选定包装形式（全面缓冲包装和局部缓冲包装） 设计计算（面积、厚度等） 全面缓冲包装 求A，A=产品表面积； 求T， 利用 曲线查出C值 （定义） 局部缓冲包装 最省材料法 最小缓冲系数法（1）作切线得 ；（2） （3）,常用的设计步骤,Cm,例1 一重为100N的产品，脆值为80g，要保证从60cm的高处跌落而不破损，规定用密度0.031g/cm3的聚氯乙烯作衬垫，计算衬垫尺寸。 解：已知 W=100N，G=80g，H=60cm 查缓冲系数最大应力曲线图 在m =3.6 105Pa时对应最小缓冲系数C=3.6 故 T=CH/ G=3.6 60/80=2.7 cm A=WG 104/ m =100 80 104/(3.6 105)=222 cm2, 对指定的材料计算尺寸,例2 用纸箱作内包装，把一重为100N，脆值为30g的产品装入箱内，用衬垫把它与外包装箱隔开，箱底面积2000cm2，设定跌高为60cm，试选择适当的缓冲材料，计算其尺寸。 解：已知 W=100N，G=30g，H=60cm 采用全面缓冲包装则 A=2000 cm2 m=WG/A 104=100 30/2000104 =0.15105 Pa 查缓冲系数最大应力曲线图 当m =0.15105Pa时，密度为0.08的发泡聚氯乙稀有最小缓冲系数，C=3.5 故 T=CH/G=3.560/30=7 cm 该设计采用密度为0.08的发泡聚氯乙稀作缓冲垫，尺寸为AT=20007 (cm3),选择最适当的材料计算尺寸,例3: 一重力为90N，脆值为50g的产品，欲装入一底面积为750cm2的容器箱内，设定的跌落高度为60cm，如果采用密度为0.075g/cm3的石棉作衬垫，试检验该设计的合理性。 解：已知W=90N，G=50g，H=60cm,查缓冲系数最大应力曲线图 该石棉材料，最小缓冲系数C=5.7，对应的应力值为 m=0.17105 Pa A=WG104/m =9050104/(0.17105 ) =2648 cm2若选用密度大一倍的聚氨酯泡沫，则最小缓冲系数为C=3.3，对应的最大应力值为m=0.7105 Pa，此时的承载面积为： A=WG104/m =9050104/(0.7105)643 cm2 垫的厚度 T=CH/G=3.360/50=3.96 cm,此面积大于容器底面积，无法装入，说明本设计不合理。,比较不同材料的优劣,2.最大加速度静应力（Gs）曲线 动态缓冲系数曲线,全面缓冲法：已知面积，求T （1）求静应力； （2）根据H、G、 在Gs曲线上找交点，若此交点位于两条厚度曲线之间，可用比例插入法确定出缓冲材料厚度T。 局部缓冲法： （1）根据H找对应曲线； （2）在对应的许用脆值处作一条水平线，它与缓冲曲线有很多交点。 （3）取与之相交的厚度较小的缓冲材料进行设计，得到T。 （4）选最右边的交点（静应力较大的交点），用料面积最省。,（Gs）曲线的应用,例： 一重为200N的产品，脆值为60g，产品底面积为50cmx40cm,预计跌落度为50cm，规定用图6-6中的聚氯乙烯作衬垫，计算衬垫尺寸。解：已知 W=200N，G=60g，H=50cm（1）求静应力 查最大加速度静压力曲线（b）, 与Gm=60g的交点为图上B点,B点在曲线族左边，说明静应力太小，没必要用全面缓冲，可改为局部缓冲！,(2)设计局部缓冲衬垫 在Gm=60g处作一条水平线，取厚度较小的缓冲曲线进行设计；则T=4cm，它的两个交点为C和D，取交点D进行设计最省料。,D点对应静应力为 ，所需承载面积：图中E对应的加速度值最小，缓冲性能最好，产品的安全率最高，若用E点设计有：故该设计取T=4cm的聚苯乙烯泡沫垫，承载面积可作两种选择，节约用料取A=285Cm2，提高产品安全率取A=500cm2。由于局部缓冲，通常都采用角垫形式，那么每块角垫的承载面积为A角=1/4A面。,（四）.缓冲衬垫的校核,1.产品强度校核(产品支承面的应力校核),产品许用应力；Pa；,冲击时最大应力；Pa。,应力过大：扩大承载面积； 改用较软的衬垫； 采用软硬不同的材料做成组合衬垫，使支承面的应 力与其他各部位的强度相适应等。,2.挠度校核,衬垫尺寸的面积与厚度之比超过一定比值时，衬垫容易挠曲线或变弯，大大降低衬垫的负重能力,Amin/（1.33T）21 或Amin（1.33T）2T厚度，cm；A面积，cm2。,3.跌落姿态校核（自学）,和 都是以理想姿态为前提（试样平直，底面着地）。实际跌落姿态：角跌落 受力情况变化较大对基本设计尺寸作 棱跌落 校核和调整 面跌落,结论：角跌落或棱跌落时，产品承受的加速度比面跌落时小。原因： 角跌落或棱跌落时，外包装容器的变形大，吸收了较多的冲击能量， 产品所受的冲击减少。（容器相当于一个缓冲器） 角跌落或棱跌落时，衬垫的负载面积比面跌落时增大了。,（1）全面缓冲条件下不同姿态的跌落试验,（2）全面缓冲时等效面积的确定,l、d、b分别表示产品的长、宽、高,三个缓冲面在水平面的投影面积为：,Ae= 3lbd/,若产品为立方体，即l=b=d则 Ae=3l2/ = l2计算结果表明:全面缓冲条件时，角跌落与面跌落相比，角跌落的等效负荷面积大，相当于面跌落的1.73倍。,（3）局部缓冲包装的等效面积确定,采用角衬垫时，角衬垫由三个面积为 的面衬垫组成，角冲击的等效面积为构成此角三个侧面在水平面上的投影面积。,Ae=L2(l+b+d)/ 若产品为立方体：Ae= L2,在角冲击时不仅跌落角的衬垫参与缓冲，该角三个侧面上的其他衬垫也参与缓冲，相当于4个角衬垫，故：Ae=4L2(l+b+d)/,实际包装件的外包装容器不是刚体，在冲击过程中产生变形，传递到各个衬垫上的作用力不相同。应根据外包装容器的性能，通过测试，在14之间选择一个合适的系数K。 Ae=KL2(l+b+d)/,（4）棱跌落的等效面积确定, 当产品为立方体时，全面缓冲包装 Ae= L2，它介于面跌落面积L2与角跌落等效面积 L2之间。 对局部缓冲包装，若角衬垫面积为L2，产品为立方体，假设外包装容器为刚体，棱冲击的等效投影面积Ae=4 L2，同样它介于面跌落面积4L2与角跌落等效面积4 L2之间。角衬垫校核通过，满足棱冲击的要求。,4.蠕变量校核,蠕变增量按下式计算： Tc=T（1+Cr）式中：Tc修正后的厚度cm； Cr蠕变系数%； T原设计厚度cm；5.温湿度校核,环境温度和湿度的变化对衬垫的缓冲能力有明显的影响；温度的升高或降低，还会引起衬垫尺寸的变化。因此，应根据流通过程中可能出现的环境条件修正缓冲衬垫的尺寸。,例 已知一产品W=200N，G=85g，产品为正立方体，规定的跌落高度不超过90cm，并指定采用如图所示特性的材料作局部缓冲，试设计面跌落和角跌落时衬垫所需尺寸（设蠕变系数为10%）。,解：（1）采用角衬垫； （2）T=5cm，两个交点为A、B，对应的静应力分别为0.015105Pa和0.05105Pa，为节省材料，取B点进行设计；,（3）角衬垫尺寸为（4个角衬垫）：,L2=A/4=400/4=100（cm2）,（4）挠度校核： Amin（1.33T）2 ， L2=100（1.33T）2=44，满足要求,角跌落时的有效受力面积为（若取K=1） Ae=K L2=173(cm2);此时静应力为： s=W/Ae104=200/173104=0.116105(Pa)该静应力对应的加速度超过产品脆值，所以校核通不过校正的办法是取B点对应的静应力来确定角衬垫角跌落有效面积，有Ae=W/s104=200/(0.05105)104=400(cm2) L2=400,L2=400/ =231.3(cm2) L=15.2cm则面跌落时的受力面积和静应力为： A=4L2=4231.3=925（cm2） s=W/A104=200/925104=0.0216105（Pa）此静应力对应的加速度值小于产品的许用脆值。（6）蠕变量校核： Tc=T（1+Cr）=5（1+10%）=5.5（cm）所以，角衬垫的厚度为5.5cm，边长为15.2cm。,（5）产品强度校核：,（五）.最省材料的缓冲设计方法（C 曲线）,假设缓冲衬垫的面积为A，厚度为T，则体积为：V=AT由于A=WG/ T=CH/G V=HWC/其中产品重量W和跌落高度H都为常数，C是 的函数，对上式求导有 V=WH（C -C）/ 2要使上式有极值，令V=0则C=C/,在C- 曲线上找一点（C0， ），使得该点的缓冲系数值C0与最大应力值 的比值等于此点的导数值C0。作图法（过原点切线法）（1）过坐标原点（0，0）作C 曲线的切线；（2）切点（C0， ）为极值点；（3）由极值点设计出的缓冲衬垫用料最省，有时不能完全满足要求；（4）在缓冲系数最小值点与过原点切线的点之间选择一个合适的点进行设计，即能满足设计要求，又可使材料较省。,产品的重力为50N，选用的缓冲材料的特性曲线如图所示，等效跌落高度为50cm，产品的许用脆值为40g，试确定缓冲衬垫的尺寸。,解：（1）最小缓冲系数法：在C 曲线中最小缓冲系数为C=2.4,对应的最大应力值为10KPa，那么缓冲衬垫面积为： A=WG/ =5040/（10103）104=2000（cm2）材料厚度：T=CH/G=2.450/40=3(cm)体积为：V=AT=20003=6000(cm3)（2）过原点切线法：切点坐标值为：C02.6 11.5KP。则缓冲衬垫面积为：A=WG/ 104=5040/11500104=1739.1(cm2)厚度为：T=CH/G=2.650/40=3.25(cm)体积为：VAT=1739.13.25=5652(cm2) 过原点切线法设计出的缓冲衬垫比最小缓冲系数法设计出的缓冲衬垫用料要省。,校核！,第4节 防振包装设计,一.振动对产品的主要破坏形式（1）共振时，产品的共振加速度许用值,发生类似冲击的破损效应；（2）非共振条件下，长时间的循环交变载荷导致材料的疲劳老化；（3）振动导致产品与缓冲介质（各种包装膜、衬垫、填料）之间的摩擦，使产品表面产生摩痕，擦伤；诱发某些产品锈蚀或剥落；（4）特定条件下，振动会改变某些产品的结构状态，如：螺纹连接松，仪表失灵，某些粘稠物品变稀影响产品性质和价值。防振包装伴随运输全过程无法避免；缓冲包装突发性冲击（跌落，野蛮装卸）采取措施，可避免。结构上 防振包装 形式上 有弹性的阻尼 目的 避免共振 缓冲包装 一致 材料作衬垫 不同 吸收冲击能量,二.衬垫设计,按缓冲要求进行设计；校核其防振能力。三. 防振包装设计解决的基本问题（1）按照传递特性，选择防振衬垫；（2）对缓冲衬垫作防振校核；（3）评价现有包装的防振能力，改进防振结构。 设计的基本参数： 振动环境的激励特性； 包装件的固有频率； 足够的可供选择的防振材料传递率数据； 防振介质的阻尼特性。,四.传递率曲线及其应用,防振性能系统的固有频率和阻尼。内装产品与外包装箱之间的介质衬垫材料，它的刚度及阻尼，对系统起决定性的作用。 1.确定固有频率(1) 线性系统,振动理论,实际包装件,对非线性缓冲包装系统，其固有频率按衬垫材料的应力应变()曲线来计算。,（2）非线性系统,是曲线在静平衡位置的斜率(又称为弹性率)，记为E ；,A 为衬垫的承载面积，T 为衬垫的厚度。,非线性包装系统的固有频率取决于弹性率，静应力和材料厚度。绘制固有频率静应力(fn)曲线。,静应力固有频率曲线,2.阻尼系数试验测定,3. 包装件对振动的传递率(在实际工作中，传递率是通过用特定的包装模型进行试验来确定的)传递率曲线。影响因素：材料品种，材料密度，衬垫的形状和尺寸，负载（应力）状况。改变任何一个因素，传递率都变化。,缓冲材料名称 阻尼比聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料 0.08-0.20聚氨酯泡沫塑料 0.10-0.50橡胶 0.02-0.16硅橡胶 0.11-0.23钢质螺旋弹簧 0.008-0.016,五.振动防护设计方法,(1)计算缓冲材料的静应力值： WAl04(Pa)(2)找出该静应力值对应的缓冲材料振动传递率频率特性（ )曲线，并找出峰值处的传递率 及频率 ；(3)确定在流通过程中包装件在频率为 时的最大振动加速度；(4)计算产品在共振时的最大响应加速度 。其中 为产品的最大响应速度， 为包装件在频率 时的最大加速 度， 为频率 时的振动传递率；(5) 不满足,重新设计；(6) ，由于振动加速度反复作用产品疲劳损坏重新设计。,例：产品的重力为300N，底面尺寸为3030cm2，产品上的脆弱部件具有25Hz的固有频率，002的阻尼比，可承受的最大冲击加速度为45g。产品的冲击防护设计采用了全面缓冲方法，选用的缓冲材料厚度为10cm，产品在运输过程中，受到的振动输入如图所示，忽略疲劳作用，确定这样的衬垫能否提供足够的振动防护。,解：(1)确定包装件共振时脆弱部件的响应加速度： W/A104=300/(3030) 104 =3.33(kPa),根据静应力及材料厚度T查材料的振动传递率频率特性(Trf)曲线得曲线的峰值对应的频率为7Hz，传递率为2.5。而7Hz时振动输入加速度为1g，则产品的最大加速度为： 2.5l2.5(g)则脆弱部件响应为： 该值小于其可承受的最大冲击加速度45g，部件不会损坏。(2)确定脆弱部件共振时的响应加速度。由图可得，在频率25Hz时的振动输入加速度为0.55g，缓冲材料的振动传递率为0.25，则产品的最大加速度响应为： =0.250.55=0.14(g)脆弱部件共振时有： 则脆弱部件的最大响应加速度为：故由冲击防护选定的衬垫可以提供足够的振动防护。,Tr = = 1.04,Tr = =25,第6节 缓冲衬垫的结构设计,一.缓冲包装设计过程（1）了解产品形状和特性；（2）了解产品的流通环境；（3）选择适当的缓冲材料；（4）基础的设计计算；（5）由基础设计的参数决定缓冲包装方法（全面、局部和悬浮式缓冲包装）。二.缓冲衬垫结构设计,适用于规则形状产品,1.确定受压面积,已知：产品或内包装箱的尺寸目的：保证产品在不触底的情况下， 应能吸收被压缩时的变形能量 以减少产品所承受的加速度。触底：包装件在承受冲击时，缓冲体的变形量达到或超过极限变形量时，内装物受到的冲击加速度急剧增大，这种现象称为“触底”。当外容器没有足够的空隙容纳产品位移时，部分棱、角或凸缘将与容器壁碰撞，或者在实际的跌落高度设计的高度时，都会发生触底。方法：调整受力面积。,重量大，体积小的产品，要求缓冲面积底面积，缓冲材料和产品之间要用硬质材料胶合板或纤维板等隔开,使硬质材料一侧承受总的冲击，再由缓冲材料对硬质材料进行缓冲。 重量轻，体积大的产品，需要减小受压面积时，可将不接触部分切去，缩小接触面积以确保合适的缓冲面积。,2.形状不规则物品的缓冲包装,有突起物的基本缓冲结构。 Td(1一E)式中：T-缓冲材料厚度， E-变形量， d-突起物高度。认真选择缓冲材料的厚度，防止发生冲击时造成突起物接触箱底的情况。,带突起物的缓冲结构,带突台包装件的缓冲结构,预留变形量的结构,缓冲衬垫各部位厚度不同，变形量不同，突起部分先受力，为避免这种情况须留出缓冲材料的变形量。 有突出部分的产品，缓冲材料的厚度应以该部分的最外侧到外包装容器的内侧的尺寸为准(如图629所示)。,3.缓冲结构的其它要求,(1)对于有可动机件的机器，机器的表面不能承受冲击时,要用硬质材料，将其他部分固定住，使其全体来承受冲击。(2)产品底面的四棱如果只有很窄的受匝面积，运输装卸过程中产品在缓冲材料之间就会发生移动，严重时会从受压面跌落。因此最好做成长的凸筋，产品即使发生一些位移，也不会影响受压面积。,产品固定法,产品防移法,(3)缓冲材料的凸筋可位于产品一侧，以位于外侧的凸筋缓冲效果更好。