缓冲防振包装设计.docx

缓冲防振包装设计.docx

《缓冲防振包装设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《缓冲防振包装设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

缓冲防振包装设计

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:

①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。

②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

0.08~0.2

聚氨酯泡沫塑料

0.1~0.5

橡胶

0.02~0.16

硅橡胶

0.118~0.23

钢质螺旋弹簧

0.008~0.016

③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（resilienttype）和压溃型（collapsibletype）,而弹性型又可分为两大类:

线性型（lineartype）和非线性型

（non-lineartype）。

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

σm为对应于最大应变时的最大应力（MPa）

Um为材料的单位体积应变能（N·cm/cm3）

P为作用载荷（N）

t为材料厚度（m）

E为材料变形能（N·m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12±3mm/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σm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σs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σm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σs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。

①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。

②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。

①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。

②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ASTMHDBK304、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

＜10

1O～25

25～40

40～60

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,便携式无线电

一般机械零配件,机械材料

60～90

90～120

＞120

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4Og～9Og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。

③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，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：

.最小缓冲系数法；.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。

⑤缓冲衬