包装动力学与缓冲包装设计

包装动力学与缓冲包装设计彭国勋中国包装技术协会技术顾问陕西科技大学教授物流中的运输包装科学、经济、方便、标准化、系列化、管理现代化、循环经济面向现代物流的包装技术•在制造企业和商业企业面临日益激烈的全球化竞争的新形势下，降低物流成本已经成为企业的第三利润来源。现代物流系统，以信息技术为核心，集合包括包装技术在内的多种技术，对于传统行业转轨变型、调整结构、优化流程、降低成本，发挥了重大作用，风险进一步减少，服务水平得到提高。包装设计将直接影响物流活动的生产率，没有合理而科学的包装将零散的商品成组化和信息化，就没有现代的物流系统。•2003年：社会物流总成本24974亿，其中：运输14028亿，保管7376亿，管理成本3570亿，相当于GPD的21.4%(1991为24%，美、日等仅10％，降1％即250亿！)。落后原因：迂回运输、重复搬运、物资损坏或丢失。•全国社会物流货物总额295437亿，其中：工业品249570亿，农产品11261亿，进口货物物流总值34193亿，邮政物流总额136亿。全国货物周转量57152亿吨公里，其中：铁路17092，公路7010，水运32275，航空58。全国主要港口国际集装箱吞吐量4735.5万标箱，占世界的比重达17.9%；港口货物吞吐量33亿吨。运输包装的建模m1dx12/dt2=k1(x2-x1)+c1(dx2/dt-dx1/dt)+F1(t)m2dx22/dt2=-k1(x2-x1)-c1(dx2/dt-dx1/dt)-k2x2-c2dx2/dt+F2(t)m1m2m3k1c1c2k2F1F2m1c1k1c2k2m2m3产品流通中的动力学环境条件l储存中的堆码―静载荷。主要校核压稳定性。l运输中的冲击和振动―动载荷。首先按冲击进行设计，然后检验运输包装系统在共振状态下的损伤情况。储运中的机械性损坏基本损坏典型现象碰撞a.垂直方向a.水平方向c.静止包装被其他包装碰撞振动压力倾斜与变形戳穿、撕破、磨损1.装卸时包装从吊装网、托盘、车辆、装卸板等上跌落至地面。2.包装翻倒而碰撞到另一面。3.从滑槽或传送带上落下。4.抛掷。1.铁路或公路车辆制动或启动。2.回转式起重机使被吊包装碰撞墙壁等。3.在滑槽或传送带上因停车或其他原因而发生包装间碰撞。4.圆筒式包装滚动搬运停止时发生碰撞。5.抛掷。上述情况中，运动的包装互相碰撞。1.在工厂、仓库或转运点的搬运设备上的振动。2.公路运输中的振动。3.铁路运输中的振动。4.水运中的振动。5.空运中的振动。1.堆码。2.在车辆上的瞬间载荷。3.搬运方法（抓斗、吊索、吊装网、夹具等）引起的压力。1.因限制引起的压力。2.地面不平、仓储不平引起的不平衡支撑。3.吊挂不妥、局部吊挂等引起的不平衡提升。吊钩、手钩或突出部位的戳伤，滥用搬运设备或错误的搬运方法所致。机械冲击装卸作业起重机作业的冲击作业内容吊钩速度（m/s）冲击加速度(g)起吊上升10－130.1－0.15下降时紧急制动－0.9－1.2正常着地9－130.5－1.4快速着地13－161.0－7.5铲车作业的冲击作业内容冲击加速度（g）垂直方向左右方向前后方向上升启动时1.7－－下降启动时0.2－0.3下降结束时0.4-10.1-0.20.4-0.8大量统计表明，包装件重量、跌落高度和发生跌落概率之间，存在一定关系，公布过许多统计关系曲线。如密歇根州立大学包装学院最近通过对某条运输路线的跟踪研究，得到如下结果：小尺寸包装件(L：轻型，20磅重；中型，30磅重）05010003568105跌落高度H(cm)累计发生次数（％）S/LS/Mc1大尺寸包装件（H：重型，45磅重）02040608010004074109跌落高度H(cm)累计发生次数（％）L/ML/H通过数理统计分析，可得如下经验关系式：Gm=W-Gm－包装件经受到的最大加速度（g）；W－包装件的重量（kg）、－经验参数，有三种数据：高冲击现象＝801，＝0.704中冲击现象＝203，＝0.306低冲击现象＝53.2，＝0.100产品损伤模式l弹性失效或失稳l脆性失效或断裂l疲劳失效l过度变性运输作业――通常是研究各种载荷谱。最大值如下：公路运输：汽车以30km/h行驶时紧急制动可能产生0.6-0.7g的负加速度；汽车以20km/h在农村土路上行驶时可能产生5-35g的冲击加速度。铁路运输：车厢连挂、启动与制动的瞬态水平冲击加速度可能达20g以上；堆码高度对冲击加速度影响较大，如货车以5.7km/h速度碰撞时，底层加速度为1.7g,頂层则高达7g左右。航空运输：遇恶劣天气产生剧烈颠簸时可能产生2－3g的加速度。水上运输：除装卸外，冲击不大。频域分析x(t)=Acos(ωt+φ),f=ω/2πx(t)=A0+sin(2nπf0t+φn)NnA1Rx(τ)=limTT21TTtxtx()(Sx(ω)=Rx(τ)exp(-iωτ)dττ)dtφ/ωTtX(t)X(t)tSx(ω)ω机械振动功率谱(卡车）卡车00.20.40.6135791113HzG2/HzG2/Hz火车0.010.11100.2f(Hz)G(g)火车飞机0.010.11106f(Hz)G(g)螺桨飞机直升机喷气飞机空运水运0.010.11101000.1f(Hz)G(g)正常风暴水运自然环境•雨淋•潮湿•高温•冷冻•阳光•虫、鼠•辐射•防盗流通中气候引起的损坏基本损坏典型环境高温低温低压光水(a)淡水(b)污水粉尘水蒸气1.直接日晒。2.接近锅炉或高温设备。3.在隔热差的仓库或车辆中受间接日晒影响。4.较高的环境气温。1.寒冷天气时储存在无暖气仓库中。2.在无暖气的机舱内。3.冷藏海拔高度改变、无增压机舱中、机舱压力失控。1.直接日晒。2.紫外线照射。3.人造光源照射。1.运输、装卸、仓储时下雨。2.泥浆或洪水。3.冷凝水、船渗水等。1.海水溅到甲板上或驳船内的货物上。2.码头上的海水泥浆等。3.船舱中的污水或海水。4.工业泥浆的喷溅。暴露于风沙或粉尘中。天然或人为湿气。储运过程中的生物性损坏典型现象1.微生物、真菌霉菌、细菌1.昆虫、甲虫、蛀虫、苍蝇、蚂蚁、白蚁1.螨2.啮齿动物这些生物无处不在，能适应各种条件。相对湿度低于70％时一般不易生长，但存活温度范围很宽。这些生物喜欢较高温度环境，低于15℃时便不易生长。相对湿度为70％时最适合大多数昆虫生长，部分昆虫也能在相对湿度低于50％时成活。包装材料上附着的昆虫卵孵化出小虫时会咬穿包装。从邻近包装或自然栖息地（特别是热带）迁移来的昆虫也可能咬穿包装。它们不耐干燥环境，相对湿度低于60％时一般生长缓慢；能在低温下生长。会出现在仓库、运输货棚、储存区域、船舱等处，对大多数包装材料都会嗑咬，并将一些柔软包装材料拖去做巢穴。典型包装材料包装食物时被昆虫咬透的速率包装材料厚度（毫米）被咬透的平均周数纤维性薄膜聚乙烯薄膜PVC/PVDC共聚物薄膜聚苯二甲酸乙二醇酯0.0230.0360.0410.0380.0500.1000.0380.0500.025333.5333346污染引起的损坏被其他货物污染1.被相邻包装材料污染2.被相邻包装中的泄漏物污染1.放射性标记、印刷等被金属部件擦破。潮湿的包装材料对易吸水材料、不防水材料、粘合剂和金属部件的影响。装液体、粉状或颗粒状物质的容器损坏，导致内装物外泄，污染相邻包装。轻者损坏外包装，重者有可能使包装与内装物变质。出口运输对包装的损坏出口包装先会遇到国内的搬运、装卸、跌落、压力和潮气的风险，加上运输的风险。经海关和登陆国的储存、多次搬运、转船和交货，又造成损坏的可能。这部分可能避免的损失约占70％，其中水损（淡水、咸水、冷凝水、湿气）10％，偷窃或未交货20％，搬运和储存（容器损坏、破损、渗漏、压坏、与油或其他物质接触、污染、冷藏或其他设备故障）40％。只有30％货损属于沉船、搁浅、火灾、碰撞、海水或坏天气造成的偶然损失。海船航行时存在6个方向的运动，每分钟可能摆7－8次，摆角可能达40度，装在顶部的包装件的摆动幅度可能达到20米。出口包装受到的冲击与振动一般是国内运输的50倍，尽量采用集装箱运输。脆值(Fragility)美国Mindlin教授在1945年的“DynamicsofPackagingCushioning”一文中首次提出了脆值概念：Gm=x”/gmax=Pm/Wx”－包装件上产生的冲击加速度；Pm－通过缓冲垫传至包装产品上的最大冲击力；W－包装件的重量。当产品受到冲击时，Gm值一旦达到某个处于临界状态的极限值就会发生破坏或失效，此值即称脆值。X冲击试验机与跌落试验机1－试验样件，2－导轨，3－冲击台面，4－程序器，5－升降装置，6－测试系统冲击脆值的测定利用冲击试验机或跌落试验机00DVGm不同脉冲波的冲击谱1、有限上升阶跃波；2、矩形脉冲波；3、半正弦脉冲波；4、后峰锯齿脉冲波•Am/AM••fc•00.511.522.51357911131517系列1系列2系列3系列4冲击破损边界曲线（DamageBoundaryCurve）0.00.51.01.50.00.61.5fcAm/AM后峰锯齿脉冲波半正弦脉冲波矩形脉冲波有限上升阶跃波位移破损边界曲线00DVGm位移组合破损边界曲线0501001500132538DVAm1－底面2－背面3－右侧面4－左侧面5－顶面6－正面振动破坏模式振动峰值破坏模型―可按冲击脆值问题处理。振动疲劳破坏模型－振动破损边界曲线（VibrationDamageBoundaryCurve）振动破损边界020401234567logNG(g)精密测杆薄膜晶片轻型灯泡三参数疲劳损伤边界曲线•最近，美国GaryBurgess教授提出一种新见解，认为可以把冲击破损边界曲线上的临界速度变化Vc和冲击临界加速度Ac二参数与冲击循环次数N互相联系起来：•00DVGmN=1N=10N=15N=20N=30缓冲包装设计•20世纪70年代，MTS公司与密歇根州立大学包装学院合作，总结出缓冲包装设计五步法：•（1）确定环境条件；•（2）确定产品脆值；•（3）选择缓冲材料；•（4）设计原型包装结构；•（5）试验评价原型包装。•1986年，Lansmont公司F.C.Bresk等人提出了缓冲包装设计六步法，在五步法的（2）与（3）步之间增加了新的一步“产品重新设计”。此步强调改进产品冲击脆值超标的易损件强度和刚度，增加振动脆值超标易损件的阻尼，考虑成本等。缓冲材料的缓冲性能•缓冲材料的动力学特性十分复杂，远非常见的线性系统。通过对具体缓冲材料的缓冲系数(C=Gmt/H,t－缓冲材料厚度，H－跌落高度)曲线的测定，可为缓冲包装结构设计提供基本依据。注意温度影响、压稳定、角冲击等。•C-m曲线－－－最大静应力•C-曲线－－－应变•C-E曲线－－－比能•Gm-s曲线－－－静应力（动态）G时间t，毫秒加缓冲垫后的响应输入的冲击脉冲1010.1110100f,Hz振动衰减冲击衰减FFσCi-1ii-1iΔei静态缓冲系数由＝F/A,=x/T;由应力应变曲线可计算F的变形能E＝xFdx00ATd=AT0d=eAT缓冲材料单位厚度吸收的能量E/T与外力F之比定义为缓冲效率η＝FTE/FTE缓冲系数C=1/η=EFT=0dATAT=0d=e其中单位体积缓冲材料的变e=0d,量纲与相同。为了省材，可以选为达到破坏时的最大值m=,则C=e可以用差分法求得：Δei=(Δε•Δσ)+Δε•σi-1=(Δε•Δσ)+Δε(σ-Δσ)mAGmWmdm0缓冲系数C-m曲线例题：产品质量m=10.2kg,底面尺寸60×400cm,等效跌落高度H=80cm,产品脆值Gc=50g,求T。解：m＝Gcmg/A=2.08kPa,对应曲线4的最小C＝5.2，得T＝CH/Gc=8.3cm动态缓冲系数更符合实际情况。试验时，选定跌落高度H，面积A不变，改变厚度T和重锤重量W，测