运输包装学缓冲包装与防振包装设计PPT课件

第六章包装缓冲与防振包装设计 GB8166 87 一 一般要求减小传递到产品上的冲击 振动等外力分散作用在产品上的应力保护产品的表面及凸起部分防止产品的相互接触防止产品在包装容器内移动 第1节缓冲与防振包装设计的六步法 表面保护 二 缓冲包装设计要解决的问题 选择恰当的缓冲材料并确定其形状和大小 对指定的材料确定其形状和大小 比较若干不同品种的材料的缓冲效果 判断现有包装结构的合理性和可靠性 长期以来 缓冲包装设计无完善的设计理论 缺乏定量评价手段 类比 模仿 过包装 或 欠包装 产品特性参数 许用脆值 形状 大小 体积 重量 重心 数量等 流通过程中的环境条件 运输区间 运输方式 装卸次数 等效跌落高度 冲击方向 气候条件 贮存条件等 包装材料的特性 外包装容器的性能状况 结构 形状 材质及强度 封缄材料的特性包装的工艺性其它的包装方法 防水 防潮 放锈 防尘等 三 缓冲包装设计考虑的因素 四 缓冲包装设计的基本数据 流通环境数据 搬运 跌落次数 跌落高度 等效跌落高度 冲击次数 冲击强度 振动频率等 产品脆值缓冲包装介质的特性参数 弹性 阻尼 缓冲系数 传递率 五 五步法和六步法 1 确定环境条件 2 确定产品脆值 3 如发现产品脆值过低 应考虑重新设计产品的关键件结构 提高其脆值 4 选择缓冲材料 5 设计原型包装结构 6 试验评价原型包装 第2节缓冲材料 缓冲包装 用缓冲材料或其他缓冲元件保护内容产品 避免过量冲击而造成破损的一种技术 组成 外容器 缓冲介质层 内容产品 作为介质的缓冲包装材料决定了缓冲包装的主要因素 分类 纤维形结构 木屑 纸制品 纸浆模 纸屑 稻草 瓦楞纸等 动物纤维 毛皮 羊毛 羽毛 毛毡等 纤维类矿物纤维 石棉 玻璃纤维等 按品质分泡沫类天然泡沫材料 软木等 合成泡沫材料 泡沫塑料 泡沫橡胶等 弹簧类 金属丝弹簧 板弹簧 橡胶弹簧等 预制成型的各种垫片 垫块 垫圈等 按物理形态分现场发泡 散状填料 如纸屑 刨花等 对缓冲材料的要求 1 良好的弹性和恢复性 2 良好的缓冲性能 能以较小的体积吸收较大的冲击能量 3 良好的阻尼性能 以衰减包装系统的振动能量 起隔振或减振作用 4 成本低 容易采购 5 温湿度稳定性 6 破碎和减耗性 缓冲体破损或粉碎 缓冲失效 破碎的游粒进入制品 影响质量 破碎性越小越好 7 氢离子浓度 Ph值在6 2 8 0内 否则受潮后产生酸度 腐蚀制品8 化学稳定性 保持抵抗霉变 耐药物 耐油污的能力 9 工艺性 加工性能 钻孔 切割 热熔性 浇铸成型 不产生尘沫飞扬及刺激性气味 10 吸潮性 吸潮 缓冲效果差 金属腐蚀 吸潮性越小越好 11 废弃性 废弃物要易于处理 便于销毁 1缓冲材料的力学性质 弹性是材料具有缓冲能力的基本条件 缓冲材料线弹性材料非线弹性材料 一般缓冲材料都处于弹性 塑性和粘滞阻尼相交汇的流变状态 缓冲材料的各种弹性状态 可用力 变形曲线来表述 为提高材料的弹性 改善缓冲性能 对实体材料进行发泡发泡材料的特点 变形泊松比 0 即在受压方向 纵向 变形时 横向不变形 理想的缓冲衬垫重要的条件之一 实体则不同 如橡胶块 变形泊松比 0 5 受拉伸和受压缩时 变形情况与实体材料有很大不同 材料不同 发泡方法不同 气泡的形状 尺寸和分布也就不同 导致同一材料变形的方向性差异 纤维材料或合成橡胶 弹性的方向性差异 1 1线弹性材料 k是缓冲材料的弹性系数 E是缓冲材料的弹性模量 A表示垂直于外力F的材料截面积T表示材料未受力的起始厚度 1 2正切型弹性材料 k0为曲线在x 0时的斜率 称初始弹性系数 db为材料的形变极限 在x db时F 正切函数型性质的缓冲材料 泡沫橡胶 棉花 乳胶海绵 碎纸 涂胶纤维以及预压后的聚苯乙烯泡沫塑料等等 1 3双曲正切型弹性材料 k0为曲线的初始弹性系数 F0为力F的极限值 瓦楞纸板 蜂窝板 聚苯乙烯泡沫塑料等塑性较大的材料在其受到外力作用的初期所表现的力学性质属于这种类型 1 4三次函数型弹性材料 k0为初始弹性系数 是弹性系数增加率 曲线偏离线弹性直线的速度越大 与之对应的材料也会变的越硬 0 或越软 0 硬 软 吊装弹簧结构和木屑 塑料丝 涂胶纤维等材料均属于这一类弹性体 满足缓冲包装的要求 1 5不规则型弹性材料 大部分高分子发泡材料属于这类弹性体 2组合材料的力学性质 在缓冲包装中 发泡材料 瓦楞纸箱 共同起缓冲作用 组合方式很多 基本类型 叠置和并列2 1缓冲材料的叠置2 1 1线弹性材料 1 E的大小 2 E的范围 设有 设 即E2 E E1 E E2 E E1 2 1 2非线弹性材料 非线弹性材料 弹性系数k随应力状态而变化 根据两种材料的应力应变曲线 求出组合应力应变曲线 采用选点法 剩差法或最小二乘法求初始弹性系数 1 面积相同 厚度不同的材料串联 1 2分别为两种材料各自的应变 分别为两种材料各自的厚度占总厚度的比值 故 1 1 在图线上连接同一应力坐标下曲线 1 和曲线 2 上的对应点 得线段aa bb cc 2 将各线段按 的比例分割 哪一段是 3 把各分割点联成平滑的曲线 也就是组合后的应力 应变曲线 1 2 或 2 不同面积的串联组合 较软的材料嵌在基础衬垫的中间 外力作用下 两种材料同时变形 由于材料 2 很软 很快达到极限变形量xb 此时的变形量2 2缓冲材料的并列 A A1 A2 2 2 1线弹性材料 EA E1A1 E2A2 根据定义 或 假设E1 E2E E E2 E E1 结论 针对线弹性材料而言 组合设计的缓冲效果 无论是叠置还是并列 其对应的等效弹性模量与两种原始材料的弹性模量有关 数值大小介于两者之间 等效弹性模量的大小与两种原始材料的结构尺寸有关 通过改变原始材料的结构尺寸有关 可以使等效弹性模量的数值在取值范围内连续变化 2 2 2非线弹性材料 1 相同厚度的两种非线弹性材料组合 分别为两种材料各自的受力面积占总受力面积的比值 1 1 在图线上连接同一应变坐标下曲线 1 和曲线 2 上的对应点 得线段aa bb cc 2 将各线段按 的比例分割 哪一段是 为什么 3 把各分割点联成平滑的曲线 也就是组合后的应力 应变曲线 或 2 不同厚度的两种非线弹性材料并联 材料受压时 材料 1 先变形 t相等时 材料 2 才开始变形 曲线 2 的起点在变形量上要滞后一定距离 等于厚度差 两种材料共同受压时 承载面积扩大 意味着负荷承载能力提高 为两种材料负荷承载能力之和 结论 针对非线弹性材料 对同一种材料的应力应变曲线是相同 其形状不受结构尺寸变化的影响 组合后的应力应变曲线与原材料的应力应变曲线有关 还与原始材料的结构尺寸有关 改变原始材料的结构改变组合后的应力应变曲线 面积相同 厚度不同的材料串联应力应变曲线介于两种原始材料厚度相同 面积不同的材料并列的应力应变曲线之间 例 已知受力面积为5cm2 厚度为4cm的两种方形缓冲材料 其力 形变表达式分别为F1 2x1 0 12x13 F2 3x2 0 32x23设计这两种材料的并列放置 其中材料1的受力面积为3cm2 材料2的受力面积为2cm2 总的受力面积为5cm2 求组合后的力 形变表达式 解 原题给的两种材料的力 形变表达式反映了受力面积为5cm2时材料的力学状态 它与组合后两种材料分别参与的受力面积不同 前面已经讨论过 材料的力 形变性质与结构尺寸有关 所以不能直接利用前面的结论 首先 根据已知条件 先求两种非线弹性材料的应力 应变表达式 1 F1 A 2 F2 A式中 A 5cm2 考虑到应力 应变性质与材料的结构尺寸无关 在组合前后材料的应力 应变表达式不变 组合后的应力为 式中A1 3cm2 A2 2cm2 组合后的力表达式为 考虑到并列放置后 两种材料的形变相同 即x1 x2 x 可得 3缓冲特性与缓冲系数 3 1缓冲效率 1 2 理想缓冲效率 单位厚度缓冲材料吸收的能量 缓冲材料在力F作用下的变形能E db 材料的变形极限 超过这个极限 缓冲材料就会失去弹性 1 db 是一个与材料的结构尺寸无关的常量 3 选择缓冲材料的原则 单位体积的吸收能要大 材料给予内装产品的作用力要小 要求缓冲效率要大 缓冲效率与材料的力学特性有关 不同的材料有不同的缓冲效率 缓冲效率还是形变的函数 同一材料在不同的变形量时的缓冲效率是不同的 对于线弹性材料 正切型弹性材料 双曲正切型弹性材料 三次函数型弹性材料 th tanh 双曲正切coth 双曲余切 3 2缓冲系数 静态缓冲系数 静态试验法 动态缓冲系数 动态试验法 缓冲系数越小越好 3 2 1静态缓冲系数 1 试验设备 万能试验机 2 目的 测定材料的力形变曲线求缓冲系数 3 基本步骤 上压板速度为12 3mm min 接近静力 测量并记录应变量及其增量 测量并记录与相应的应力及其增量 求各压力区段的变形能的增量及其累计值 计算比值 得缓冲系数C 在 e和 三个变量中 只有一个变量是独立的 缓冲系数曲线 根据试验结果 取C为纵坐标 为横坐标 绘制缓冲系数 最大应力曲线 C 取C为纵坐标 为横坐标 绘制缓冲系数 应变量曲线 C 取C为纵坐标 E为横坐标 绘制缓冲系数 变形能曲线 C E 发泡聚苯乙烯 比重0 014 发泡聚苯乙烯 比重0 020 发泡聚苯乙烯 比重0 033 发泡聚苯乙烯 比重0 035 人造纤维100 比重0 050 人造纤维150 比重0 060 人造纤维200 比重0 080 聚氨酯泡沫 比重0 03 聚氨酯泡沫醚 比重0 03 发泡氯乙烯 比重0 31 发泡氯乙烯 比重0 42 泡沫橡胶 木屑 比重0 07 发泡聚氯乙烯碎屑 比重0 08 塑料碎屑 比重0 087 3 2 2动态缓冲系数 1 试验设备 冲击试验机 2 试验方法 测出发生在重锤上的冲击加速度的最大值Gm A T H以及材料不变 改变重锤重量 测出不同的Gm 以为横坐标 Gm为纵坐标 绘制Gm st曲线 H A不变 改变T 得出一系列的Gm st曲线 T A不变 改变H 得出一系列的Gm st曲线 利用Gm st曲线 得到缓冲系数C 重锤W在H高度的重力势能 缓冲材料的形变能 将Gm st曲线的每一对坐标值 转换到C m坐标系中 3 2 3影响缓冲系数的因素 缓冲系数受材料性质和外界条件有关 试验方法静态压缩速度的影响动态非弹性阻尼的大小与材料的形变速率成正比 外界条件温度 温度升高缓冲系数的最小值增大 预处理 预处理后缓冲系数的最小值增加 材料的力学松弛造成的 4缓冲材料的全面评价 4 1冲击能量的吸收性 有效地减少传递到内装产品上的冲击 并非吸能大的材料就一定满足缓冲要求 综合考虑材料 体积 产品重量 冲击力的大小 吸收能量与冲击能量相适应 弹性大的硬性材料 吸能多 产品重量大 受冲击力大的场合 弹性小的软性材料 吸能少 产品比重小 受冲击力小的场合 4 2振动能量的吸收性 避免共振缓冲材料的传递率Tr材料的成分 密度 工艺条件 温度阻尼 将材料的振动能量转化为热能和塑性形变能 形成对振动的衰减 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 4 3回弹性 定义 缓冲材料在受冲击和振动的情况下 具备的恢复原来尺寸和形状的能力 称为回弹性 回弹性差的材料几次冲击后 结构尺寸变化较大 影响缓冲性能 破损 几次冲击后 材料尺寸变小 空隙加大 二次冲击 破损 吸收能量大而回弹性能差的材料 一般不宜作缓冲材料 回弹性差的材料可用于仅发生一次大冲击的场合 利用塑性变形吸收冲击能量 回弹性 通过材料静压试验测定 其压缩量通常取原始厚度的20 并连续加载24小时 预处理 预压缩 使之发生塑性变形 防止二次冲击 预压缩以后应力曲线的变化 压缩前的原始厚度 压缩后的厚度 4 4蠕变性 定义 指缓冲材料在受到静外力作用下 随着时间的延长使变形相应增大的一种现象 包装件长期贮存 缓冲材料产生蠕变 结构尺寸变小 产生空隙 产品破损率上升 要求良好的抗蠕变性能 蠕变率 蠕变影响因素 材料性能外力的大小 作用时间环境温度 温度升高 外力增大 蠕变速率也相应加快 压缩前的原始厚度 压缩后的厚度 4 5温度稳定性 缓冲材料的物理性能与环境温度密切相关 热塑性材料低温 很硬的玻璃态 弹性模量很大高温 较软的高弹态 热固性材料 性能 能否作为缓冲材料 与热塑性材料有何区别 选择的缓冲材料应在较大的使用温度范围内 保持其缓冲性能不变 常见缓冲材料的最低使用温度 缓冲材料最低使用温度 聚氨酯泡沫材料 30聚苯乙烯泡沫材料 20聚乙烯泡沫材料 50动物纤维 40泡沫橡胶 20 4 6湿度稳定性 许多缓冲材料是易于吸湿的 吸收的水量决定于环境的相对湿度 缓冲材料吸水后 缓冲性能会受到很大影响 金属制品生锈 瓦楞纸箱强度降低 防潮处理 4 7耐破损性 缓冲材料在冲击和振动作用下 破损 缓冲材料在受到反复的冲击与振动时 与内装物经常接触并摩擦 会产生碎片和灰尘 表面破坏 粉尘等 要求一定的强度 耐破损和耐磨性 4 8化学稳定性 影响化学稳定性的因素 材料的性能化学结构和成分使用温度 缓冲材料应有 较好的化学稳定性 耐油 耐酸 耐碱和抗微生物的侵蚀 与内装物的化学成分相适应 PH值应在6 0 8 0范围内 4 9物理相容性 缓冲材料与内装产品是直接接触 二者的物理性质应相适应 避免发生有害的物理作用 表面摩擦 摩擦产生静电 吸附灰尘或其它物质等 5常用缓冲包装材料 5 1塑料缓冲材料5 1 1分类按结构分泡沫塑料 还可按发泡方法细分 表6 5 气垫塑料薄膜 按塑料树脂分热塑性泡沫塑料 PE PP PS PVC等 热固性泡沫塑料 PU 酚醛泡沫等 按发泡方法和工艺不同形成的孔结构分开孔闭孔混合型按泡孔现状分球形椭球形 椭球长度方向的压缩强度和弹性模量比短轴方向大2倍 按孔径分大泡孔 直径大于0 5mm 小泡孔 直径大于0 25mm 按泡沫密度分低发泡 密度 0 4g cm 气体与固体之比9 按泡沫体的硬度分硬质泡沫塑料 弹性模量 700kPa 半硬质泡沫塑料 弹性模量在70 700kPa之间 软质泡沫塑料 弹性模量 70kPa 3 3 3 23 和50 RH条件下的弹性模量 5 1 2EPS 发泡聚笨乙烯 优点 抗压强度大 成本低 加工性能好 可制成带肋的复杂形状 节约成本 光滑的略带弹性的模塑表面不会磨损内装物 振动阻尼大 即抗振性能好 不吸水 耐腐蚀 耐油 耐老化 隔热和绝缘性好 可接触食品 热敏感性低 2秒内可自熄 抗蠕变性能极好 重载下的缓冲性能好 缺点 不耐冲击 性脆 拉伸强度低 EPS无法自然分解 体积大 不易回收 焚烧时易烧坏焚烧炉部件 而且产生黑烟和一氧化碳等 欧盟禁用EPS寻求性价比与EPS相当的环保型缓冲出来是一大世界难题 5 1 3EPE 发泡聚乙烯 是一种低密度 半硬质的 闭孔结构的 耐候性好的 无毒的 耐腐蚀 阻水的和易回收的聚乙烯聚合物 优点 缓冲性能好 能耐多次冲击 动态变形小 抗拉强度高 抗静电性能好 缺点 比EPS贵 不能模塑 应用场合 较贵重和易碎产品的缓冲包装 5 1 4PU 发泡聚氨基甲酸脂 简称聚氨脂 俗称人造海绵 优点 极好的缓冲性能好 耐多次冲击 振动阻尼性能良好 成型简单 可制成复杂形状 改变密度容易 耐水 耐油 耐腐蚀 复原性好 回收容易 应用场合 现场发泡 适合包装机械部件 仪器仪表 陶瓷器皿 玻璃制品等 5 1 5EVA 乙烯 醋酸乙烯共聚橡胶制品 PEF 聚乙烯化学交联高发泡材料 优点 新型环保材料 具有良好的缓冲隔振性能 回弹性与抗张力高 韧性强 隔热 防潮 耐腐蚀 无毒 不吸水 成型加工容易 应用场合 要求长期使用的包装 冷库保温材料 机器设备密封缓冲件 各种精密仪器 医疗刀具 量具的包装内衬等 EVA缓冲垫 PEF内衬 5 1 6EPDM 三元乙丙烯人造橡胶 俗称多孔橡胶 CR 氯丁橡胶 EPDM 具有卓越的耐厚型 耐臭氧 可在130 C下长期使用 能耐强酸 强碱 醇 氧化剂 洗涤剂 油 酮 酯和肼等化学药品的腐蚀 具有优异的耐水 过热和水蒸气的性能 CR 高档缓冲材料 防震 减震 耐候性 耐酸碱 阻燃性等性能较好 EPDM CR 用于精密仪器 医疗设备的运输包装 电子产品的防汽防水包装 在机械建筑 电器 防水 防腐蚀 防震配件也被大量使用 5 1 7EPP 发泡聚丙烯 俗称拿普龙 优点 性能优于EPE和EPS 但价格高 环保型 可回收利用 可自然降解 抗压缓冲隔热材料 具有十分优异的抗震吸能性能 形变后回复率高 很好的耐热性 耐化学药品 耐油性和隔热性 质量轻 可大幅减轻物品重量 易成型 可选用模具成型 裁切成型 刀模冲压成型 粘贴成型 适用场合 5 1 8气垫塑料薄膜 两块塑料薄膜中间夹入空气热合而成 优点 具有耐腐蚀 耐霉变 化学稳定性好 不易破碎 无尘 防潮 不吸水 透明 柔软而不磨损内装物 缓冲性能优良 适用场合 轻型复杂形状易碎产品的缓冲包装 5 1 9塑料薄膜悬挂缓冲包装 采用高强度 高弹性 不易滑动的薄膜来定位产品 防止产品受到冲击和震动而发生损坏 优点 适用于各种形状的产品包装 包装可以折叠 减少储存空间 也无需专门的设备配合 可重复使用 减少包装废弃物 含有30 的可回收物料 可再生利用 适用场合 即可用于运输包装 又可用于销售包装 4 2纸制品缓冲材料4 2 1瓦楞纸板 优点 环保 易裁切 易模切 易黏合 成本低 与瓦楞纸箱好协调 使用范围比泡沫塑料宽缺点 对产品表面有磨损 难形成三维曲面 湿度影响大 过载复原性差 多次跌落后缓冲能力下降1 3 适用场合 机电产品的缓冲包装很多香水 化妆品等都用微细瓦楞纸板做内衬 4 2 2蜂窝纸板 优点 具有环保 易黏合 与蜂窝纸箱好协调 使用范围宽 缺点 对产品表面有磨损 难形成三维曲面 湿度影响大 过载复原性较差 加工较难 不好模切 比瓦楞纸板贵 适用场合 4 2 3纸浆模 优点 废纸来源广泛 质轻 储运方便 成本低 有一定的强度 刚度和缓冲性能 可模塑成与产品轮廓一样的形状 集缓冲 定位 防撞于一身 有良好的透气性和吸潮性 易于回收 环保 缺点 纸浆模制作受干燥 能耗等因素的影响 厚度受限制 不能用于重型产品 纸浆与泡沫塑料混合 适用场合 4 2 4纸浆发泡块 利用粉碎后的废纸和淀粉混合 发泡 成型为具有多孔的小块作缓冲材料 缓冲性能优于EPS 优点 缓冲性能极好 环保 节约资源 缺点 运输成本高 适合就近生产适用场合 电子 仪器和敏感材料的缓冲包装 4 2 6纸纤维成型材料 Pillowpack 利用废纸浆 渣浆等为原料 不经脱水和干燥辊而直接热风干燥制成的一种弹性好的缓冲材料 优点 复原性好 纸面压花或制成瓦楞状其复原性更好 环保 节约资源 缺点 运输成本高 适合就近生产 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 第4节缓冲衬垫的设计 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 300 W 1 2h 跌落高度 cmW 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 5 84跌落试验高度日本JISI0202自由跌落试验条件美国军用标准MIL P 116H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 G 1000g 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 C m 曲线 静态缓冲系数缓冲系数 静应力 C s 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 C E 曲线 变形能振动传递率 频率特性 r f 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 cmW 产品重量 NA 衬垫有效面积 cm2G 产品脆值H 等效跌落高度 cm 1 缓冲系数 最大应力 C m 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 C m 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 7cmA WG 104 m 100 80 104 3 6 105 222cm2 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 2000cm2 m WG A 104 100 30 2000 104 0 15 105Pa查缓冲系数 最大应力曲线图当 m 0 15 105Pa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 5 60 30 7cm该设计采用密度为0 08的发泡聚氯乙稀作缓冲垫 尺寸为A T 2000 7 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 17 105PaA WG 104 m 90 50 104 0 17 105 2648cm2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 7 105Pa 此时的承载面积为 A WG 104 m 90 50 104 0 7 105 643cm2垫的厚度T CH G 3 3 60 50 3 96cm 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 G s 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G s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 G s 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 2 1或Amin 1 33T 2T 厚度 cm A 面积 cm2 3 跌落姿态校核 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1 4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 4L2 同样它介于面跌落面积4L2与角跌落等效面积4L2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0 015 105Pa和0 05 105Pa 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 KL2 173 cm2 此时静应力为 s W Ae 104 200 173 104 0 116 105 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 s 104 200 0 05 105 104 400 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 4 231 3 925 cm2 s W A 104 200 925 104 0 0216 105 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 GV 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 50 40 10 103 104 2000 cm2 材料厚度 T CH G 2 4 50 40 3 cm 体积为 V AT 2000 3 6000 cm3 2 过原点切线法 切点坐标值为 C0 2 6 11 5KP 则缓冲衬垫面积为 A WG 104 50 40 11500 104 1739 1 cm2 厚度为 T CH G 2 6 50 40 3 25 cm 体积为 V AT 1739 1 3 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5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 W A l04 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30 30cm2 产品上的脆弱部件具有25Hz的固有频率 0 02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 A 104 300 30 30 104 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 Tr f 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 5 l 2 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 25 0 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