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）：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：21111kkk或2121kkkkk缓冲材料的并列——类似于弹簧的并联，其刚度组合系数：21kkk式中1k、2k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。③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：WH300式中：H-跌落高度，cm；W-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＜101O～2525～4040～60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60～9090～120＞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(mC)曲线应用mC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GHCT，GaWm；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T，求解过程：先由公式GaWm求出最大应力，再找出缓冲系数～最大应力(mC)曲线中对应最大应力值的缓冲系数C，然后根据公式：GHCT求出缓冲衬垫的厚度T。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GHCT可以看出，当C值最小时厚度T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mC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minC，横坐标就对应一个最大应力值m，由公式GHCT可以求出衬垫厚度T，由公式GWAm可求出衬垫面积A。除了缓冲系数一最大应力(mC)曲线外，还可得到缓冲系数-应变(C)曲线，缓冲系数-变形能曲线。根据C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GHCT。B.应用最大加速度～静应力(G)曲线利用G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)(104PaAW；第二步根据等效跌落高度，在G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T。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T，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)(1024cmWA，表示交点对应的静应力值，单位为Pa。⑤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。402030107050601008090G(g)H=100cm1234567(KPa)W/A3cm5cm8cm10cm4020301070506