缓冲包装设计.docx

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缓冲包装设计

§§６　缓冲包装设计

§6－1概述

冲击和振动是包装件在流通过程中受到的两种主要负荷，为了减缓内装产品受到外界的冲击和振动，保护产品免受损坏而采取一定防护措施的包装，称为缓冲包装。

缓冲包装的结构形式有多种多样，最常见的是采用弹性材料作缓冲衬垫。

缓冲衬垫的结构形式，因内装产品的质量、形状和尺寸不同而不同，按承载面积通常分为全面缓冲和局部缓冲。

全面缓冲多使用泡沫塑料条、纸板碎粒，薄片或采用现场发泡材料，局部缓冲多采用角垫，侧垫等形式。

缓冲包装设计包括冲击防护设计和振动防护设计。

冲击防护的主要目的是缓和冲击。

以缓冲材料作为内装物和包装箱中间的介质，来吸收冲击能量，延长内装产品承受冲击脉冲作用的时间。

设计时，先根据先决条件，计算缓冲材料的尺寸、形状，选择缓冲材料的种类和缓冲方式。

振动防护的主要目的是调节包装件的固有频率。

选择恰当的阻尼材料，把包装系统对振动的传递率控制在预定的范围内，特别是要避免共振现象。

§6－2缓冲衬垫设计的基本方法

一、衬垫结构尺寸设计

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，确定合理的结构形状和尺寸。

设计的基本参数，除产品的重量和尺寸外，还有代表流通环境的跌落高度H，代表产品强度的脆值G，代表材料性能的缓冲特性参数C。

正确应用缓冲材料的特性曲线对包装结构作系统的定量分析，是缓冲结构设计的基本方法。

1.应用缓冲系统――最大应力（c～σm）曲线设计衬垫尺寸

c～σm曲线是表示材料缓冲能力的一种基本曲线，通过静态压缩试验求得。

如图5-12所示为几种常用缓冲衬垫最大缓冲系数――最大应力曲线的实际测试结果。

由图可知：

缓冲系数C随最大应力变化的规律是凹谷状，开口向上，谷底最低点的坐标是最小缓冲系数和所对应的最应力。

①不同品质的材料，具有不同的缓冲能力；

②同样品种的材料，密度不同，缓冲特性也不同。

例6-1：

重为10kg的产品，脆值为80g，要保证从60cm的高处跌落而不破损，若用密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯塑料泡沫，（见P99图5-12图线10作衬垫，试计算衬垫所需尺寸。

解：

已知W=100NG=80H=60cm

查图5-12曲线10可知，在σm=3.6kg/cm2时,最小缓冲系数C=3.6，由

得：

所以

即可得衬垫尺寸：

At=222*2.7

例6-3：

一重为9kg,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0.075g/cm2的石棉（见图线4）作衬垫，试检验该设计的合理性。

解：

已知W=9，G=50，G=60，A=750

查图表5-12知，材料4的最小缓冲系数C=5.7对应的应力值σm=0.17

故所需的承载面积:

衬垫厚度:

显然，此面积大于容器底面积，无法纳入容器箱，且厚度较大，用料增多，说明本设计选料不当。

若选用密度为0.152的聚氯脂泡沫（见图线8）

则有：

C=3.3,σm=0.7

此时的承载面积：

相应的承载厚度：

于是，衬垫可装入容器的箱内，且厚度变薄，用料减少，说明设计正确。

2．应用最大加速度――静态应力曲线（Gm～σs），设计衬垫尺寸

Gm～σs是由材料的动态特性试验绘制的。

试验时固定重锤的跌落高度，改变衬垫材料试样的厚度，逐次试验，即可绘出Gm～σs曲线。

材料的Gm～σs曲线能够显示不同厚度衬垫的缓冲能力，只要具备了足够的这种曲线，就可大大简化设计时的计算工作量。

例6-5：

已知，W＝20kg,G=60g，产品底面积A=50cm×40cm，预计跌落高度H＝50cm，采用图6-6所示聚苯乙烯作全面缓冲保护，试确定衬垫尺寸。

解：

静应力

σs=W/A=20/50*40=0.01（kgf/cm2）

=0.01×105（Pa）

查图知G=60g与σs=0.01交点为B点；B点无曲线通过，说明本产品相对较轻（衬垫相对较硬），没有必要采取全面缓冲，可改为局部缓冲；图中Gm=60的横线与厚度为4cm的曲线，交点为C和D，对应的静应力分别为

σsc=0.019σsd=0.07

在这一区间内，衬垫都适应缓冲需要。

比较C、D以C、D间曲线最低点E可以判断，如果为了减少衬垫用料，充分发挥其缓冲能力，应选E点为好。

取σs=σsd=0.07时，所需承载面积:

取σs=σse=0.04时，所需承载面积:

由此可见，Ad，Ae均小于产品底面积，可以采用t=4cm的聚苯乙烯泡沫作衬垫，但为了节约用料，取A=285cm2,若采用4块角垫局部缓冲，每块承载面积为Ad的1/4，取72cm2。

3.采用缓冲系数—比能（C-e）曲线，设计衬垫尺寸

在缓冲结构设计中，当衬垫受容器全程限制，或者衬垫厚度不能任意选择时，使用该曲线有特殊的方便。

例6-6：

一产品重W=5kg,G=40g,允许的跌落高度H=70cm,若采用聚氯乙烯泡沫作衬垫，库存材料厚度为t0=40cm，包装箱底面积限定在1200cm2，试设计合适的衬垫尺寸（由C～e曲线知：

缓冲系数的最小值C=4.8所对应的比能e=6×10-2

kgf.cm/cm3）。

解：

由公式eAT=WH得

若按材料成品厚度t0=4cm代入，得：

＞容器箱底面积，不能使用

若采用两层重叠，则t1=2t0=8代入上式得：

＜容器箱底面积，但加速度

因此也不能使用。

若采用三层重叠：

则t2=3t0=12代入上式得：

加速度

因此设计合理，可以使用。

即：

该衬垫尺寸A2t2=486*12cm

解法二：

因为

如用单层材料作衬垫，面积显然过大，应采用多层重叠结构。

按规定的G值求t值，

取3，即采用三层重叠t=3t0=12cm,

该衬垫尺寸为：

At=486*12

二、缓冲衬垫的校核

以上介绍各种曲线的应用方法，都是基于缓冲保护这一基本要求而提出的，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，也还其他方面的要求。

因此，必须对基本设计进行多方面性能的校核，作为某些调整的补充，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

1.产品强度校核

产品与衬垫之间的作用力是相互的，在跌落冲击时，产品以惯性力和自重压缩衬垫，衬垫则以同样大小的弹力反作用于产品。

在基本设计中，为了节约用料，常常要设法减小衬垫的负载面积，但由此带来的后果是产品支承面的应力集中，可能导致产品的局部破损。

因此，必须校核产品支承面的应力，控制在产品强度所允许的范围内,即σm≤[σ]

否则，若σm＞[σ]，应加以改进，如增加支承面积，或改用较软的衬垫，或采用软、硬组合的组合衬垫。

2.挠（nao）度校核

当衬垫面积与厚度之比超过一定限度时，衬垫容易挠曲或变弯，大大降低衬垫的负重能力。

为了避免挠曲，其最小承载面积Amin与厚度之经应符合

3.蠕变量校核

缓冲材料在长期的静压力下，其变形（减薄）量会随时间而增大；这种蠕变会使衬垫尺寸变小，在使用一段时间后容器内出现空隙，加剧内装产品的振动和擦伤。

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

tc=t（1+Cr）

式中：

tc为修正后的衬垫厚度；

t为设计厚度；

Cr为蠕变系数%，由实验测定。

§6－3防振包装设计

振动是包装件在流通过程中受到的另一种主要环境负荷，在共振条件下，产品被激励的加速度有可能超过其脆值而导致破损；此外，长期振动会使产品材质疲劳，内装物同容器摩擦擦伤，容易使金属产品表面微观剥伤，诱发腐蚀。

因此，对于包装产品的可靠性来说，振动不亚于冲击；尤其在装卸搬运操作技术日趋平衡的条件下，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。

通常情况下，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设计的固有频率，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。

一、传递率曲线及其应用

在第二章，我们讨论了单自由度包装系统在受迫振动条件下的振动响应，可以用传递率表示：

式中：

Tγ为传递率；

λ=f0/fn其中f0为激振频率，fn为包装系统的固有频率；　　　

ξ为系统的衰减系数

通过对传递曲线的分析可知，包装的防振性能，主要取决于该系统的固有频率和衰减系数。

而系统内部，作为内装产品与外包装和之间介质----衬垫材料，它的固有频率和阻尼系数又起着决定性的作用。

因此，确定或选择衬垫材料的固有频率和阻尼系数就成为防振包装设计的基本问题。

1.

对于线性系统：

其中：

k----衬垫的弹性系数,

m----产品的质量

c----衬垫的粘性阻尼系数

ωn---系统的固有频率,且ωn=2πfn

因为

所以

即：

例：

已知H=60cm,G=50g,求fn

解:

代入公式得：

2.对于非线性缓冲系统

fn应按衬垫材料的σ--ε曲线来计算，

式中：

为σ--ε曲线地平衡位置的斜率（又称弹性率）

A----衬垫的承载面积

t----衬垫的原始厚度

二、防振包装设计方法

1．缓冲设计

由c～σm曲线查得Cmin及σm

并计算A、t值

2．防振设计

（1）计算缓冲材料的静应力值

σs=W/A

（2）由σs和t值查出材料的Tγ--f曲线,可得曲线峰值对应的频率fn及传递率Tγ

（3）确定产品共振时的加速度（当运输工具以产品的固有频率激振时）

产品的最大响应加速度Gp=TγG0<允许值

式中：

Tγ为共振条件下衬垫材料的最大传递率，

G0为fn所对应的振动输入激励加速度。

脆弱部件的响应加速度

Ge=Te.Gp<最大冲击加速度

式中：

Te为λ=fn/fe值所对应的传递率。

fn为系统的固有频率

fe为脆弱附件的固有频率

（4）确定脆弱部件共振时的加强度

产品最大速度加速度Gp’=Tr’G0’

Tr’为fe所对应的传递率（由图查知）

G0’为fe所对应的振动输入加速度

脆弱部件的最大响应加速度Gc’=Tc’Gp’<允许值

若产品脆弱部件的响应加速度小于所规定的许用脆值,说明有防振能力，否则，必须重新设计（改变衬垫尺寸）。

例6-9（p127）

§６－４缓冲衬垫结构设计

P128

本章小结：

概念部分：

（1）冲击防护设计；

（2）振动防护设计（主要目的及方法）；（3）衬垫的校核方法（挠度，耐度）。

计算题部分：

（1）缓冲包装设计：

应用已知曲线（c～σm,c～ε,c～E,Gm～σs）设计衬垫尺寸；

（2）防振包装设计：

计算fn，检验产品／易损件共振时的加速度。