缓冲防振包装设计

1、缓冲防振包装设计一. 缓冲材料1、缓冲材料基本性能要求所谓缓冲材料是指能吸收冲击和振动的机械能,并将其转化为变形能的材料。它能把施加于包装货物上的冲击和振动力缓和地传递于内部产品上，为此缓冲材料既要有弹性又要有粘滞性。为了应对各种恶劣工况和有利于环保,它还需要其他一些基本特性。总体而言,必备的基本特性有: 对冲击能量的吸收性 缓冲材料对冲击能量应具有良好的吸收性能，从而有效地减小传递到内装产品上的冲击，这一点是选择缓冲材料首先应考虑的因素。 对振动能量的吸收性缓冲材料对振动的传递除与材料的成分、密度、工艺条件以及温度有关外，还与阻尼有关。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

2、衰减。一般情况下，材料的阻尼越大，对振动的衰减也越大。在振动系统中，材料的阻尼特性常用阻尼比来描述，阻尼比是一个与阻尼成正比的物理量。下面是国外资料介绍的几种缓冲材料的阻尼比（见表1 ）：表1 常用缓冲材料的阻尼比缓冲材料名称阻尼比聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料0.080.2聚氨酯泡沫塑料0.10.5橡胶0.020.16硅橡胶0.1180.23钢质螺旋弹簧0.0080.016其他还有： 回弹性 ：蠕变性、温度稳定性、湿度稳定性、耐破损性、；化学稳定性等。2、缓冲材料的变形特性缓冲材料的变形特性,大致分为两大类:弹性型(resilient type)和压溃型(collapsible type),而弹性

3、型又可分为两大类:线性型(linear type)和非线性型(non-linear type)。目前工程上广泛使用的缓冲材料大多是非线性弹性材料。1）线性弹性体(图1)在反复压缩过程中不产生塑性变形,有如金属弹簧。载荷与变形成正比关系,刚度系数k为常数。其载荷变形表达式为2）双直线弹性体 (图2)又称分段线性材料，它具有两种不同的刚度系数值。当变形达到某一临界值 (ds) 时 , 材料变得坚硬 (k1), 可避免产品受到大的冲击力时发生触底现象。其载荷变形表达式为3） 三次函数弹性体(图3)通常无压缩极限，当受到相当高压力时还可测到其压缩变形的变化。其变形与载荷函数关系可近似表达为 这类材料多

4、为纤维性材料,如木丝、干草、醋酸纤维丝、发泡塑料草等,组合拉伸吊装弹簧也属此类。4）正切型弹性体(图4)又称硬特性材料。当变形量较小时,变形图线近似于一直线（k0）当载荷到达某一特定点后，刚度突然急剧增大，需要极大的载荷才能产生很小的变形(db为变形极限)，此时接近于一种坚固型材料。这种情况类似于材料受压硬化或触底现象。载荷-变形关系可近似表达为此类材料多为高分子发泡材料、泡沫橡胶、海绵、纸条、棉花等。5） 双曲正切型弹性体(图5)又称软特性材料。当在某一点前,压力呈直线上升(k0),过了此点后,载荷增加不大时变形量却增加很大,甚至载荷几乎可以不增加(载荷极限PO)。此时载荷变形关系可近似用双

5、曲线的切线函数来表达。这是一种最佳形式的缓冲材料。此类材料如充气袋、压缩橡胶气枕、瓦楞纸板(未压垮时)。6）不规则弹性体(图6)这种材料的载荷变形关系很难用较确切的函数式来表达,但可用试验方法绘出材料弹性曲线。实际上大多数高分子发泡材料皆属于不规则弹性体。7）组合型材料的力学特性 常见的多种缓冲材料组合的方法有很多，最基本的是叠置和并列两种方法。缓冲材料的叠置类似于弹簧的串联形式，其刚度组合系数： 或 缓冲材料的并列类似于弹簧的并联，其刚度组合系数： 式中、分别为两种线弹性材料的弹性系数3、缓冲系数 C材料缓冲系数C，表征了衬垫材料吸收产品动能并转化为变形能的能力,其表达式为式中m 为对应于最

6、大应变时的最大应力(MPa)Um 为材料的单位体积应变能(Ncm/cm3 )P 为作用载荷 (N)t 为材料厚度 (m)E 为材料变形能（Nm或 J）显然,缓冲系数越小,表明在同样变形条件下应力越小,传递到产品上的力也越小。在静态载荷作用下和在动态载荷作用下材料缓冲性能是不同的,故缓冲系数C也有静态与动态之分(图7)。静态载荷是指材料压缩变形速度在123mm/min的情况,模拟仓储堆码中材料受到的静压力。动态载荷是指材料压缩变形速度在3.4m/s的情况,模拟运输过程中受到的冲击力。工程设计中用到的材料静态缓冲系数C与最大应力m曲线,如图8所示。工程设计中还常用到表示材料动态缓冲性能的最大应力s

7、与最大冲击加速度Gm曲线,如图9 所示。图8中各材料缓冲系数C随最大应力m的变化规律呈开口向上的山谷形,其谷底一点的坐标表示了最小缓冲系数Cmin 和对应的最大应力。由于在不同最大应力下材料具有不同的缓冲系数,故设计时应选择最小(或较小)缓冲系数值及对应的最大应力值。同时,不同品种材料具有不同的缓冲能力,故设计时,对应于不同应力状态应选择具有不同缓冲能力的材料。图9表示某种材料(如聚苯乙烯)在一定跌落高度下所测出的最大静应力s和最大冲击加速度Gm的值,每种厚度衬垫可得一根曲线。对特定材料,如有足够数量群组的曲线,缓冲包装设计时就很方便。下表（13-1）为静态与动态缓冲系数图线作缓冲设计的常用方

8、法与步骤。 二缓冲包装设计缓冲包装设计需要考虑的因素如下：产品的许用脆值、形状、尺寸、重量、体积、重心、数量；流通过程中的环境条件，如运输K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；包装材料的特性；外包装容器的结构、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，如防潮、防水、防锈、防尘等。1、缓冲包装结构形式缓冲包装结构有多种形式。一般分为三种：全面缓冲包装、局部缓冲包装、悬浮式缓冲包装。全面缓冲包装法全面缓冲包装法是指包装容器内所剩余的空间，全部用缓冲材料填充固定，对产品周围进行全面保护的方法。局部缓冲包装法局部缓冲包装法是对被包装产品或内包装件的

9、拐角、棱及侧面进行衬垫缓冲的方法。这种方法主要使用泡沫塑料成型缓冲垫、充气塑料薄膜缓冲垫、橡胶弹簧等作为缓冲体。局部缓冲可以根据包装产品的特点，在受力部位或易损坏部位进行缓冲，并可采用不同厚度的缓冲材料，用最少的缓冲材料取得最好的缓冲效果，降低包装成本。 是目前应用最广的一种包装方法。 悬浮式缓冲包装法 悬浮式缓冲包装是用弹簧把被包装物品悬吊在外包装容器内，使包装件在遭受外力作用时，产品在各个方向都能得到缓冲保护。这种包装方法特别适用于精密、脆弱产品，如大型电子管、大型电子计算机、制导装置等。针对包装产品的特点，根据弹簧的各项性能参数进行设计。2缓冲衬垫的设计计算设计缓冲衬垫的基本要求是在保护

10、产品免遭破损的前提下，选择适当的材料，确定出合理的结构形式和尺寸。设计的基本参数，除了产品重量和尺寸以外，还应包括：代表流通环境条件的等效跌落高度；代表产品特性的脆值；代表材料性能的缓冲特性曲线。等效跌落高度的确定等效跌落高度代表包装件在流通过程中跌落冲击能量的大小。它的确定方法有两种：一是经验公式法，另一种是标准量值法。一般在人工装卸中，有如下关系： 式中：-跌落高度，cm；-重量，kg。标准量值法，就是根据我国、日本、美国等一些国家的标准，以及一些产品的行业标准来确定跌落高度值。如日本标准JISl0202中规定的自由跌落试验条件，美国军用标准MIL-P-116H规定自由落高的试验条件，我国

11、标准GB4857.5-84规定的跌落试验高度，都可根据产品重量、最大尺寸范围、运输条件，由表格直接查到跌落高度值。以上两种方法是由经验及数理统计得到，要根据产品价值、特性、运输条件综合确定，若采用集合包装运输(托盘或集装箱)，等效跌落高度取值就要小很多。产品脆值的确定商品的脆值或称易碎性,是指商品在环境流通危险因素的作用下产生破坏的临界限度。具体地说，商品在物理上或功能上不发生破损所能承受的最大允许加速度值,在包装工程中常以重力加速度倍数G来表示,定义为商品的脆值。脆值的确定可通过三种途径来得到：试验法；脆值标准法（由各国标准所推荐的产品脆值表查取）；理论估算法。基于以上定义,通过对各类产品作

12、破坏性试验,经过适当的数据处理,形成了各种商品脆值的标准量值,作为包装设计的重要依据。综合日本防卫厅NDS、美国军用MIL、美国ASTM HDBK304 、英国综合防护手册和我国国家有关标准,各类产品的脆值标准范围如表13-2中所列。表 13-2 各种产品G值品 种G大型电子计算机制导装置,雷达,高级电子仪器,精密测量仪器,航空仪表大型精密机械,大型工业机械,电子电控装置,变频装置,一般电子精密仪器微型电子计算机,自动记录仪,录音机,航空精密零件,电视机,通讯装置,一般仪器照相机,光学仪器,电声设备,玻璃制品,工艺品,易碎小商品电冰箱,洗衣机,收音机,钟表,空调机,电热器,一般机器,便携式无线

13、电一般机械零配件,机械材料101O2525404060609090120120日本 NDS 把商品的易损性划分为三个等级:脆值在4Og以下的商品归为A级脆弱级；脆值在4Og9Og的商品归为B级较弱级；脆值在9Og以上的商品归为C级普通级。缓冲垫尺寸的确定A. 应用缓冲系数-最大应力()曲线应用曲线设计缓冲衬垫时，有以下几类基本问题：1)对指定的材料计算尺寸；2)选择最适当的材料并决定其尺寸；3)比较不同材料的优劣。解决这些问题最常用的公式是， ； 当缓冲材料确定后(即缓冲系数曲线已选定)，常用的设计步骤如下。对于全面缓冲包装来说，由于缓冲垫面积A等于产品表面积，已经确定，那么就剩下确定衬垫厚度

14、，求解过程：先由公式求出最大应力，再找出缓冲系数最大应力()曲线中对应最大应力值的缓冲系数，然后根据公式：求出缓冲衬垫的厚度。对于局部缓冲包装来说，其衬垫设计方法有两种：i.最小缓冲系数法；ii.最省材料设计法。由公式可以看出，当值最小时厚度就最小，那么外包装容器的尺寸就最小，但缓冲材料并不是最省的。在此主要介绍最小缓冲系数设计法。最小缓冲系数法的设计程序为，在曲线中作一条水平切线，那么切点的纵坐标对应最小缓冲系数值，横坐标就对应一个最大应力值，由公式可以求出衬垫厚度，由公式可求出衬垫面积。除了缓冲系数一最大应力()曲线外，还可得到缓冲系数-应变()曲线，缓冲系数-变形能曲线。根据曲线及缓冲系

15、数-变形能曲线也可进行缓冲衬垫设计，其设计思想也是用最小缓冲系数法，求解公式为。B. 应用最大加速度静应力()曲线 图10 最大加速度静应力曲线 利用曲线进行缓冲设计（全面缓冲法；局部缓冲法）时，设计步骤分别如下。 对于全面缓冲来说，由于缓冲材料面积已确定，只需求厚度了，第一步计算缓冲材料所受的静应力；第二步根据等效跌落高度，在曲线上找出对应的许用脆值与静应力的交点，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。对于局部缓冲来说，首先根据等效跌落高度找到所对应的曲线（见图10），然后在曲线上找出对应的许用脆值，并作一条水平直线，它与缓冲曲线有很多交点。为节省材料，一般取与之相

16、交的厚度较小的缓冲材料进行设计，那么就可得出缓冲材料厚度，脆值与该厚度的缓冲曲线就有两个交点。在两个交点之间的曲线上的每一点所对应的加速度值都小于脆值，在设计时都可选用。但是选择最右边一个交点(静应力较大的一个交点)进行设计时，用料面积最省，所用公式为，表示交点对应的静应力值，单位为。缓冲衬垫的校核 以上介绍的两种曲线应用方法，都是基于缓冲保护这一基本要求的，称为基本设计。事实上，材料的性能是多方面的，衬垫除了缓冲以外，也还有其它多方面的要求。因此，必须对基础设计进行多方面性能的校核，作某些调整和补充，基本设计才能获得满意的使用效果。衬垫基本设计的校核，一般包括以下几个方面。 A产品强度校核在

17、缓冲设计时，应校核产品在载荷方向上与缓冲材料的接触部分的强度。如果该部位不能承受冲击中的最大应力，则应重新计算尺寸。 式中：-产品许用应力,；-冲击时最大应力，。 B. 挠度校核衬垫尺寸的面积与厚度之比超过一定厚度时，衬垫容易挠曲或变弯，其最小承载面积与厚度之比应符合以下规定(克斯特那经验公式)：； 或 式中：-厚度，； -面积，。C.跌落姿态改变时缓冲能力的校核在衬垫基础设计中所引用的一系列试验特性曲线和数据，都是以假定的理想姿态(试样平直，底面着地)为前提的，但衬垫的实际工况远非标准姿态。实际的流通过程中，包装件跌落时呈多种姿态，有时一角着地(称为角跌落)，有时一棱着地(称为棱跌落)，较之

18、一面着地(称为面跌落)的标准姿态，受力情况变化较大，因而有必要对基本设计尺寸放作相应的校核和调整。包装件在角跌落冲击时，一个角触地，那么冲击力就通过外包装容器的角分散给组成此角三个面的缓冲衬垫上，其反作用力又通过缓冲衬垫的三个面再传递给产品。因此在角冲击时，包装件有三个面参与缓冲，由于传递到每一个缓冲衬垫上的冲击力很难确定，就需要找到一个角冲击时等效于面冲击跌落时的等效面积，然后进行校核设计。1）全面缓冲角跌落等效面积的确定在角冲击时，全面缓冲角跌落等效面积取三个缓冲面在水平面上的投影面积为： 若产品为立方体，即则： 计算结果表明，在全面缓冲条件下，角跌落与面跌落相比，角跌落的等效负荷面积大，

19、相当于面跌落的1.73倍。 2）局部缓冲包装角跌落冲击等效面积的确定在采用角衬垫角跌落情况时，角衬垫由三个面积为的面衬垫组成，角冲击的等效面积即是构成此角三个侧面在水平面上的投影面积。 若产品为立方体： 根据前面分析，在角冲击时不仅此角的衬垫参与缓冲，产品构成此角三个侧面上的其它衬垫也参与缓冲，应当把它们考虑进去(共有12个面衬垫，相当于4个角衬垫)，若外包装容器为刚性，8个角的角衬垫尺寸都相同： 由于实际包装件的外包装容器不是刚体，在冲击过程中要产生变形，使得传递到各个角衬垫上的作用力不相同。因此在计算角冲击等效面积时就不能乘4，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

20、K。 式中：-等效面积；-角衬垫面积； 、-产品的长、宽、高尺寸；K-系数，取l4。 D.蠕变量校核缓冲材料在长期的静压力作用下，其塑性变形量会随时间而增大，这种蠕变使得衬垫尺寸变小。考虑到这一因素，初步设计的衬垫尺寸应附加一个蠕变补偿值，称为蠕变增量，其大小按下式计算： 式中：-修正后的厚度；-蠕变系数；-原设计厚度。 E.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。 缓冲衬垫结构注意点缓冲衬垫最常见的结构形式有平垫、角垫和棱垫。它们多适用于形状规则的产品。对于形状不规则的产

21、品，例如有突出支臂的零部件等，其突出的部分，一般强度较低，在流通过程中易遭外力碰撞而损坏，在包装结构设计上要采取适当的措施。1）受压面积的调整缓冲材料的使用要根据产品或内包装箱的尺寸，在保证产品不触底的情况下，应能吸收被压缩时的变形能量，以减小产品所承受的加速度影响，为此要根据产品的形状调整它的受力面积。2）形状不规则物品的缓冲包装对于形状不规则的商品，首先确定其最敏感的易损部位，采用专门方法，如现场发泡等，以加强缓冲保护。设计包装容器及其内部缓冲衬垫时，要依据物品的外形与重心位置，安排合理布局与尺寸，使产品在箱内可靠定位，并有明显重心标示，保证堆码与搬运的可靠安全。 3）缓冲结构设计的其它要

22、求l 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，将其它部分固定住，使其全体来承受冲击。l 产品底面的四棱如果只有很窄的受压面积，运输装卸过程中产品在缓冲材料之间就会发生移动，严重时会从受压面积跌落，因此最好作成长的凸筋，产品即使发生一些位移，也不会影响受压面积。l 缓冲材料的凸筋可以位于产品的一侧，从缓冲效果来看，以位于外侧好。l 对于缓冲跨度较大的产品，不要只在两端安放缓冲材料。要在跨度的中部设置受压的缓冲块，或使两端缓冲块往中央方向至少延伸14以上，才会有较好的缓冲效果。l 对于重心偏向一侧的产品，其受压面积要根据重心位置按比例地进行分配。 l 有突出部分的产品，缓冲材

23、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。l 不规则形状的产品可以用模制的衬垫进行缓冲，也可以将产品固定或支承在内包装容器中，再用缓冲材料加以保护。l 大型产品，如果其中某些部件较为脆弱而又可以拆卸，可将该部分拆下另行包装。为了防止在运输中产品的表面被擦伤，可使用缓冲材料对表面加以保护，对体积、重量较大的产品进行缓冲时，可将其连接在一个缓冲基础上。l 当运输中产品的各方向受到的载荷不同时，或产品各方向的脆值不同时，各方向可以采用不同程度的缓冲包装。 3 防振包装设计振动和冲击一样，是包装件在流通过程中受到的另一种主要的环境载荷，在共振情况下，产品的响应加速度可能会超过其脆值导致破

24、损。此外，长期振动会使产品产生疲劳损坏和内装物同容器间的摩擦损伤。因此，防振对于包装产品的可靠性来说，不亚于缓冲，尤其在装卸搬运操作技术日趋平稳的条件下，防振更加必要。一般的缓冲材料都具有阻尼，因而缓冲衬垫都具有隔振或防振的作用。通常，衬垫总是先按缓冲要求进行设计，然后校核其防振能力，这就是防振包装设计的基本原则。防振设计的目的在于调节包装件的固有频率，并且通过选择恰当的阻尼材料，把包装系统(即外包装-衬垫-内装产品)对振动的传递率控制在预定的范围内。1、包装系统的振动传递特性（1）传递率曲线产品、容器、衬垫(泡沫塑料、弹簧及其他填衬材料)构成了包装系统，可简化为图13-33所示的模型。设激励

25、来自于底座。对单自由度模型,令为传递率,以T表示。根据振动基本理论可推得传递率表达式为式中为包装系统的衰减系数或称阻尼比(C/C)C为弹性支承的阻尼系数,Cc为临界阻尼系数, 为激振频率 ；n为系统固有频率， 。由表达式绘出传递率曲线如图 1334。该曲线体现了以下特点:1) 只有当 时，T 才小于1。以减振隔振为目的所设计的弹性系统或缓冲衬垫系统的固有频率选择时必须满足的条件。2) 当时,随着/n的不断增大,传递率T越来越小,也即防振隔振效果越来越好。但当过大时,并不有利,因系统若过于柔软,材料挠度增大,所以要求变形空间增大,且结构不稳定。3) 当5后,T的变化趋于平缓,其隔振效率II=(1-T)100%曲线几乎趋于水平（数值为1）。故=5时,隔振效果几乎已到达极限。4) 工程上隔振效果较明显的频率比是在2.54.5之间,此时隔振效率在80%90%。5) 考虑到时，阻尼会使工作范围的隔振性能降低，因此从隔振角度看，实用最佳阻尼比取0.050.20之间。阻尼比由衬垫材料和包装结构决定，例如，对金属弹簧, = 0.