3缓冲材料及设计

华南农业大学食品学院包装工程系向红一、线弹性材料一、线弹性材料F=kx二、正切型弹性材料二、正切型弹性材料三、双曲正切型弹性材料三、双曲正切型弹性材料四、三次函数型弹性材料四、三次函数型弹性材料四、缓冲材料与缓冲防振包装设计02tan2bbkdxFd000tankxFFF30Fkxx4.1缓冲材料力学与理化性质xFo000tankxFFF特性复原性缓冲性能密度尘埃度腐蚀性吸水性含水量防霉性耐候性柔软性成型性粘合性使用范围可燃性EPE好优小无无无无良良良良良宽易燃EPS稍差优小很小无无无良良稍差优良窄易燃PU好优小无无无微良良优优良宽易燃EVA好优小有无无无良良优良良宽易燃XPE/IXPE好优小无无无无良良优良良宽易燃瓦楞纸板差稍差一般稍有无大有不良良不良不可优宽易燃纸浆模一般差大稍有无大有不良良差优良宽易燃皱纹纸垫差不良一般大量无大有不良良不良不可良宽易燃化纤丝稍差良小有无无无良良优－－稍窄易燃金属弹簧无不良大无无无无良良差不可不可宽不燃橡胶无优大无稍有大有不良不良优良良窄易燃薄膜气垫稍差良最小无无无无良良优不良良宽易燃薄膜悬挂稍差优极小无无无无良良优良良宽易燃华南农业大学食品学院包装工程系向红4.2缓冲材料的缓冲系数设缓冲材料的原始厚度为h，其产生的变形能为0xEFdx每个单位厚度缓冲材料吸收的能量为/Eh定义缓冲效率为：单位厚度缓冲材料吸收的能量与作用力的比值，用η表示EEFhFh定义：缓冲效率的倒数就是缓冲系数，用C表示。1FhCE华南农业大学食品学院包装工程系向红1、静态缓冲系数通过静态试验法得出的缓冲系数—静应力曲线。/FA/xh将力—形变曲线转变成应力—应变曲线，计算缓冲材料的形变能E000xEFdxAhdAhd设0ed，e为单位体积缓冲材料的形变能，所以EAhe缓冲系数为1FhAhCEAhee华南农业大学食品学院包装工程系向红例：已知密度为0.012g/cm3的缓冲材料由万能材料试验机测试出的静态应力—应变曲线如图所示，试绘制这种材料的静态缓冲系数曲线。解：一般我们用表格法来解题4.030.2350.950.93顶点┆┆┆┆4.650.0430.20.46.180.0270.170.310.40.120.130.2200.0030.060.1∞000Ce(J/cm3)σ(MPa)ε(%)根据上表数据，可以绘制出C—σm曲线、C—ε曲线、C—e曲线。华南农业大学食品学院包装工程系向红2、动态缓冲系数通过动态试验法得出的缓冲系数—最大动应力曲线。①设冲击高度为H，缓冲材料的厚度为h，面积为A，试验重锤重量为W，可得到缓冲材料的静应力为stWA经过测试，不同的重锤重量可测得不同的最大冲击加速度值Gm，由此可以绘制出缓冲材料的最大冲击加速度—静应力曲线（Gm—σst曲线）华南农业大学食品学院包装工程系向红②重复上述步骤，在冲击高度H和面积A不变的情况下，改变缓冲材料的厚度h，这样每改变一次厚度h，都可以得到一条Gm—σst曲线。③同样，在缓冲材料的厚度h和面积A不变的情况下，改变冲击高度H，也可以得到一族Gm—σst曲线。曲线1：h=2.25cm曲线2：h=4.5cm曲线3：h=6.75cm曲线4：h=9.0cm曲线5：h=11.25cm曲线6：h=13.5cm华南农业大学食品学院包装工程系向红当缓冲材料达到最大应变εm时，重锤W在高度H所具有的势能等于缓冲材料的形变能，即00mmWHAhdWHdAh0mmmGWGhAhCAWHHd因此，由Gm-σst曲线可以得出C和σm值，从而绘出动态缓冲系数—最大动应力曲线（C—σm曲线）。动态缓冲系数mmGWA华南农业大学食品学院包装工程系向红例：将密度为0.035g/cm3的某种缓冲材料制成10cm×10cm×10cm的试件，在落锤冲击机上进行冲击试验，各次试验的跌落高度均为60cm，各次试验的重锤质量及测得最大加速度列于下表，试绘制这种材料的动态C—σm曲线。解：410mmmGWmaMPaA0.01667mmGhCaHmx&&7.501.323441.030┆┆┆┆4.170.123245.05.05.500.097323.43.07.500.088441.02.010.000.076588.01.311.170.066656.51.0Cσm（MPa）（m/s2）W（kg）根据上表就可绘制出C—σm曲线。华南农业大学食品学院包装工程系向红4.3缓冲与防振设计设计的包装体系可以将产品和包装收到的冲击的传递转变为长脉冲宽度和低加速度幅值的响应；包装和产品必须保证在运输过程中的任何时候不高于设计的落下高度跌落；同时，产品受到的冲击传递必须低于产品的脆值风险值。1、缓冲设计华南农业大学食品学院包装工程系向红2、缓冲包装的形式•全面缓冲包装法是指包装容器内所剩的空间全部用缓冲材料填空。•局部缓冲包装法是对产品的拐角、棱及侧面进行衬垫缓冲的方法。•悬浮缓冲包装法是用弹簧把产品悬吊在包装容器内。华南农业大学食品学院包装工程系向红3、缓冲材料的选择与衬垫用量设计●在静态C—σm曲线中找出相应的σm值。由[]mmGWGWAA得到面积mGWA●在动态Gm—σst曲线中找出相应的σst值。因此mmststGG[]CHhG，厚度因此，在已知缓冲材料的静态C—σm曲线和动态Gm—σst曲线中的任一条的情况下，再结合产品的重量、脆值、等效跌落高度，就可以进行缓冲衬垫的计算。华南农业大学食品学院包装工程系向红●利用静态C—σm曲线例：把一重力为100N，脆值为30的产品装入箱内，用衬垫将它与包装箱隔开，包装箱内部每面面积为2000cm2，设定等效跌落高度为60cm，试选择适当的缓冲材料进行全面缓冲，并计算其尺寸最大静应力。单位为105Pa华南农业大学食品学院包装工程系向红解：已知W=100N，G=30g，H=60cm▲采用全面缓冲方式，有A=2000cm2，则4453010100100.15102000mGWPaA查表知，当时，材料⑦（密度为0.012的泡沫橡胶）有最小缓冲系数，且C=3.550.1510mPa故缓冲垫厚度为603.5730HChcmG华南农业大学食品学院包装工程系向红●利用动态Gm—σst曲线例：某产品重量为150N，脆值为55，允许的跌落高度为60cm，产品为边长为25cm的正方体。拟采用下图所示缓冲材料，试求衬垫应有的厚度。解：采用全面缓冲方式，有A=625cm2，则静应力为44515010100.024102525stWPaA根据等效跌落高度，在Gm—σst曲线上找出与σst相对应的G值，查表可得出缓冲材料的厚度在h=4和h=5之间。用比例插入法可求得h=4.9cm。华南农业大学食品学院包装工程系向红4、防振包装设计不论使用何种运输工具，振动是必不可少的考虑对象。包装设计的目的是要让整个包装体系成为一个振动的“物理滤波器’，理想状态下，所设计的包装体系将可以尽量过滤掉对产品有害的振动频率和幅值。保证这些的起码要求，是要将包装体系自身的一阶谐振频率设计成至少是产品最低（破损）主频的1.5倍。华南农业大学食品学院包装工程系向红防振包装设计步骤1、根据产品的重量W(N)和缓冲面积A(cm2)，计算缓冲材料所受的静应力σ＝W/A×104(Pa)。2、通过试验或近似计算确定包装系统的等效为单自由度振动系统的传递率Tr值。3、确定流通过程中包装件在激振频率为fn时的最大振动加速度an。4、计算产品处于共振状态下的最大响应加速度am=Tran，如果此值大于许用脆值，应重新设计缓冲包装。5、当工作点位于放大区内时，还应校核交变应力是否会导致关键件疲劳损坏，如果不满足要求，也需重新设计。华南农业大学食品学院包装工程系向红例：产品重力W=36N，低面面积A=25×25cm2，许用脆值[G]=30。冲击防护设计采用全面缓冲方法，选用的缓冲衬垫厚度T=5cm。产品在运输中受到的振动输入如图所示，求包装件的共振频率和产品的最大响应加速度。解：由于缓冲材料的厚度为5cm，在左图中查出曲线峰值的频率为f=46Hz，传递率Tr=6.因此包装件的共振频率为46Hz。由右图可知，f=46Hz时的加速度值为G=1.7g则产品的最大响应加速度为61.710.2mmxyg&&&&产品的许用脆值[G]=30，大于产品的最大响应加速度。故产品安全一般只要缓冲满足设计要求，华南农业大学食品学院包装工程系向红5、缓冲防振包装设计成功的关键充分了解和分析物流环境的影响•实际环境研究•设定包装设计的技术、性能目标•设定包装体系的试验规范和过程•将设定为“正常环境”和“非正常环境”的因素区分开来华南农业大学食品学院包装工程系向红•发现产品对环境有害因素的抵抗能力•冲击因素•振动因素–发现针对于产品部件的致命伤害•主机振动水平•辅助部件振动水平•改善产品脆值的机会和方法•充分利用测试得到的数据对产品加以改造华南农业大学食品学院包装工程系向红•设计产品/包装体系－包装设计•关注环境因素的干扰•确认包装材料性能参数•关注产品本身的脆值风险值需在设计考虑中华南农业大学食品学院包装工程系向红•运输过程跟踪和监视•是否产品的运输过程有所改变?•运输过程中破损责任认定•对同一批次，同期发货，同样运输工具的过程控制华南农业大学食品学院包装工程系向红4.4常见缓冲材料及衬垫结构1、泡沫塑料PU现场发泡华南农业大学食品学院包装工程系向红2、瓦楞纸板缓冲结构衬垫瓦楞纸板具有环保，易裁切、模切、粘合，成本低，与瓦楞纸箱好协调，使用范围比泡沫塑料宽等优点；缺点是表面较硬，对某些产品表面有磨损，难形成三维曲面，湿度影响较大，过载复原性较差，多次跌落后缓冲性能会下降1/3左右。华南农业大学食品学院包装工程系向红华南农业大学食品学院包装工程系向红华南农业大学食品学院包装工程系向红3、蜂窝纸板(a)华南农业大学食品学院包装工程系向红4、悬挂式高弹塑料薄膜结构悬挂式缓冲包装用高强度、高弹性、高韧性、低滑动塑料薄膜，粘结悬挂式缓冲包装用高强度、高弹性、高韧性、低滑动塑料薄膜，粘结在瓦楞纸板框架上，产品被夹在两个薄膜框架内。适合电子零部件包在瓦楞纸板框架上，产品被夹在两个薄膜框架内。适合电子零部件包装的高性能保护技术。装的高性能保护技术。华南农业大学食品学院包装工程系向红5、纸浆模塑缓冲结构纸浆模是将废纸等植物纤维原料打浆，然后浇注到金属网状模型上成型，经压实、干燥、校形，得到与内装物轮廓一致的缓冲制品。它的优点是质轻，储运方便，成本低；有一定的缓冲性能；易模塑成型、环保。由于受干燥、能耗等因素影响，厚度受到限制，因而不能用于重型产品的缓冲包装。