缓冲包装计算例题.ppt

缓冲包装 缓冲包装 为避免产品在流通环境过程中 因物理因素引起破损而采取的防护包装措施 叫做物理防护包装工艺 缓冲包装是物理防护包装工艺的一种 缓冲包装又称防震包装 即采用一定的缓冲材料 一定的包装技术来吸收冲击和振动的能量 有效地减小传递到内装物上的冲击 并对振动进行衰减 防震在各种包装方法中占据十分重要的地位 这种包装方法可使被包装物免遭冲击和振动破坏 以达到保护产品的目的 如80年代以前 我国出口的鸡蛋破损率在8 左右 最高达11 而采用缓冲包装后 破损率可降至1 左右 缓冲包装也广泛用于军工 电子 精密机械 仪表仪器以及易碎 易爆等产品的包装 避免了产品在储运过程中的损失 给国民经济带来巨大的效益 缓冲包装设计程序 一 确定流通环境的危害程度 二 确定产品脆值 易损性 三 确定缓冲包装方案 四 选择合适的缓冲包装材料 五 设计和制造原型包装 一 确定流通环境的危害程度 1 跌落高度 研究装卸过程中的垂直跌落冲击问题一般地讲 跌落高度增加 产生的冲击力就会增加 内装物越容易遭受破坏 其规律如下 包装件重量 尺寸越大 易发生跌落的高度越低 机械搬运比人工搬运跌落的高度降低 包装件如有搬运手柄 印有易碎标记 或印有引起注意的其它标记等结构特征时 跌落高度降低 托盘式集合包装较单个包装件跌落高度降低 跌落次数减少 2 运输过程的冲击振动 包装件运输过程中的损坏主要由于振动和冲击造成的 其中 铁路货车运输过程中由于路基和铁轨接头等的作用会产生周期振动 铁路运输中的冲击主要由货车的编组连挂 加速 减速 刹车或急刹车等引起 公路运输过程中包装件的损坏主要由于路面状况 车辆缓冲性能 车速 载重量和载货方式等原因引起冲击和振动造成的 船舶运输过程中包装件的损坏主要由堆码引的压应力造成 一般物货码高为6 10m 并受发动机和螺旋浆低频振动的影响 另外波浪引起船体上下振动和左右摇摆也会使包装件产生冲击和振动 船首的冲击和机舱的振动最为严重 飞机运输中包装件的损坏主要由发动机引起的高频振动 着陆时与地面的冲击或空中气流的冲击和振动造成 所以 要研究运输过程中的冲击和振动问题 就必须研究各种运输工具产生冲击和振动破坏最严重的方式及位置 测定加速度的大小 建立加速度 振动频率的关系曲线 表1 4 5 6 7 8 9 图1 5 6 7 8 才能有效地预防冲击和振动造成的损坏 二 确定产品脆值 易损性 一般产品的脆值可以采用类比法 参照相关标准来确定 新产品则必须使用冲击试验机测出产品的破损边界 DBC 曲线来评估其脆值 一 DBC曲线的确定 1 确定临界速度变化的边界线 Vc 产品破损的最低速度变化量 与跌落高度有关 与冲击脉冲波形无关 试验 2 确定临界加速度边界线 Gc 与跌落高度无关 与脉冲波形有关 试验 h 1 6临界高度 即 上述由 Vc确定的高度 保持高度不变 改变Gm 不断增加Gm 直至跌落破损 3 冲击脉冲波形 三种脉冲曲线的垂直边界线 Vc 都是相同的 但不同脉冲的加速度峰值是变化的 如锯齿脉冲或半正弦脉冲 损坏边界难以确定 只有矩形脉冲的边界 水平线Gc 是确定的 且考虑的范围 或安全程度 较上述二种脉冲的大 故利用矩形脉冲产生的损坏边界范围来确定其它波形的损坏范围是合理的 阴影区域 V Vc Gm Gc为破损区 V Vc或Gm Gc为非损坏区所以 DBC曲线是由三个参数 Vc Gc和脉冲波形来确定的 在 V Vc Gm Gc区域需要缓冲包装 DBC曲线的意义就在于确定产品的易损性 确定是否需要进行缓冲包装设计 除此之外 出于安全考虑 缓冲包装还要求 二 Gm G Gc n n 1 其中 Gm 产品受到任何冲击时 都可能存在一个比Gc还大的加速度 它取决于产品重量 冲击速度 缓材特性等 Gm am g Gc 产品脆值 易损度 即产品受到冲击和振动时不发生物理性或功能性损坏 如失效 失灵 商业性破损 所能承受的最大加速度 Gc ac g ac叫临界加速度 G 许用脆值 根据产品的脆值 考虑产品的价值 强度偏差 重要程度等而规定的产品许用最大加速度值 G Gc n n 1 右式含义 Gc取决产品 产品一旦确定 Gc就确定了 为常数 为了保护产品要限制其临界加速度 ac 出于安全考虑 产品价值的考虑 G Gc n n 1 左式含义 缓冲包装要避免产品承受最大加速度 在跌落高度 冲击力方面加以控制 所以 Gm应小于或等于 G 在一些图表 曲线上 Gm Gc G 都有可能出现 都代表产品的脆值 三 确定缓冲包装方案 首先要掌握产品的外形及结构特点 如长 宽 高或直经 高度 重量 重心位置 外形和内部结构特点 并确定出产品易损坏的元件或部位 最后决定采用哪一类包装方法 一般地讲 重量 体积较大 搬运时不易跌落的产品 如电冰箱 或精密 贵重 脆值较小 产品采用全面缓冲包装 见图3 1 而外形尺寸对称 重量分布均匀 G 适中的 如电视机 产品采用局部缓冲包装 见图3 2 四 选择合适的缓冲包装材料 以非线性弹性材料 如泡沫塑料为研究对象 以冲击实验获得的一系列缓冲曲线来计算缓冲垫的厚度和尺寸 一 缓冲系数 最大应力 C m 曲线的应用 该曲线是用静压法测定的 压力机以12 3mm min的速度沿缓材厚度方向上逐渐增加压力 记录负荷 变形值 改变材质的厚度 测每一点的C m 然后建立起C m曲线 图C1 注 缓冲系数 C 作用于缓冲材料上的应力与该应力下单位体积缓冲材料所吸收的冲击能量之比 以C表示 C m e m 缓材达到最大变形量时所受到的最大应力N m2 e 单位体积缓材吸收的能量 J m3 全缓 体积大 笨重 精密贵重 G值很低的都要求全缓 步骤 由公式 m G W A 104 1 式中 m 最大应力 KPa G 产品的许用脆值 W 产品的重力 N A 缓冲材料的受力面积 2求 m Kpa A既是产品的底面积 又是缓材的承压面积 在c m曲线上找对应的 m和c 如果只有一条c m曲线 凹点对应的c最小 若有多条曲线 找凹点最低的一条及对应的c 由公式T C H G 2 计算缓材的厚 式中 T 厚度 C 缓冲系数 H 等效跌落高度 为了比较流通过程中产生的冲击强度 将冲击速度视为自由落体的碰撞速度 由此而推算的自由跌落高度 以H表示 例1产品的重力为100N 底面积为60 40c 等效跌落高为80 产品的许用脆值为50g 选用缓材的c m曲线如图c1的曲线所示 采用全面缓冲包装方法 不考虑角垫或边垫 求需要的缓材厚度 已知 W 100N G 50 g A 60 40 2400 2 m G W A 50 100 2400 104 20 8Kpa在20Kpa垂直线附近有4 5曲线 选4曲线 C 5 2T C H G 5 2 80 50 8 3 局缓 方正 均质 体积小 G适中 步骤 在确定的c m曲线上找出凹点处对应的c及 m 最小缓冲系数 由公式 2 计算衬垫厚度 由公式 1 计算受力面积 例2产品的重力为50N选用的缓材的特性曲线如图c1的曲线2所示 H 50 G 30g 求材料受力面积和厚度 局部缓冲包装 解 曲线 2 凹点对应的C 4 5 m 7Kpa则A G W m 104 30 50 7000 104 2143 2T CH G 4 5 50 30 7 5 二 最大加速度 静应力 Gm st 曲线的应用 试验 该曲线是用动压法测定的 先确定H 用冲击试验机对T1厚度的缓材进行动态冲击 通过改变砝码重量 得到不同的Gm st点 在半对数坐标上绘制一条Gm st曲线 同理绘制同材 不同厚度 T2 T3等 的若干条Gm st曲线 全缓步骤 由公式 st W A 104 3 式中 st 静应力 Pa 求静应力 st 根据H确定Gm st曲线在曲线上找 G 与 st的交点 若交点位于两条厚度之间 可用比例插入法确定缓材的厚度 例3 产品重力为200N 底尺寸为25 25 G 65g 允许的H 90 缓材的特性曲线图c2所示 采用全面缓冲包装方法 求缓材厚度 解 已知W 200NA 25 25 G 65 g H 90 st W A 104 200 25 25 104 3 2Kpa在图c2中 st 3 2Kpa与G 65g的交点 A 位于T 5和T 7 5曲线之间 A点距T 5与T 7 5之间的1 3处 用插值法求的缓材的厚度为5 8 局缓步骤 根据等效跌落高度 H 确定Gm st曲线 以 G 作水平线交曲线 在系列曲线中 不同厚度的曲线 为节约材料 选厚度小的与曲线两交点以下 曲线上所有点对应的Gm值都小于 G 安全 为进一步省材 选交点中右边的点对应的静应力 较大 计算缓冲垫的尺寸较小 三 修正计算 由上述方法计算结果后 还应考虑到下列情况 对计算结果给予修正 1 缓冲材料的承受面积与厚度的关系不满足 4 式时 会使缓冲材料发生弯曲如图3 2所示应予以修正 Amin 1 33T 2 4 式中 Amin 最小受力面积 2 2 如果已知缓冲材料的蠕变特性 则按下式修正厚度 TC T 1 Cr 5 式中 Tc 修正厚度 Cr 蠕变系数 例4 产品重力为240N 底面积尺寸为 40 30 G 42g 选材曲线如图C2 试计算所需材料的尺寸 局部缓冲 解 st W A 104 240 1200 104 2Kpa在图C2中 st 2Kpa与 G 42的交点为B 说明曲线上任一点对应的 st值都将大于B点对应的 st值所以没有必要进行全面缓冲包装 否则以2Kpa应力计算的缓材尺寸交延伸线或上面任一点计算的尺寸都大 浪费 以 G 做水平线交于C D E F点 选择厚度小的D E两点进行计算 其静应力分别为2 9Kpa 9Kpa 厚度为10 A E W st 104 240 9000 104 267 2A D 827 2 用材最大 受应力最小 采用边垫或角垫的缓材结构时 应满足下式 Amin 1 33T 2 177 21 4A E 267 4177 2所以可以采用各衬垫受力面积之和在267 837 2之间 各衬垫的受力面积大于177 2的边垫或角垫结构 选择D点 四 振动防护设计方法 缓冲包装一般首先考虑冲击防护 设计完毕的冲击防护包装 还应按下述方法进行正确的振动防护包装设计 1 按公式 3 计算缓冲材料的静应力 2 找出静应力值所对应的缓冲材料振动传递率 频率特性曲线 并求出该曲线的峰值所对应传递率 及频率fn 3 确定在流通过程中包装件在频率fn时所受到的最大振动加速度 4 计算产品的最大响应加速度 见下图 ap as 8 式中ap 产品的最大响应加速度 as 包装件在频率fn时受到的最大加速度 TR Tr 缓冲材料在频率为fn时的振动传递率 5 产品的最大响应加速度应小于产品的许用脆值 如果不满足这个条件应重新进行设计 6 当产品的最大响应加速度小于并接近产品的许用脆值时 由于振动加速度的反复作用 导致产品疲劳损坏或降低缓材性能时 应重新设计 7 确定脆弱部件共振时的响应加速度 例 某产品质量为10 2kg 橡胶垫的动态曲线见图 经初步计算的承受面积为118cm2 产品的脆值为50g 产品的固有频率为45HZ 包装件的跌落高度为60cm 问产品在运输过程中是否会有破损 冲击 振动 解 st 10 2x9 81 118x104 8 3kpa 见图 8 3kpa垂直线交曲线 其交点对应的加速度值为49g 50g 橡胶垫吸收冲击能量效果明显 从60cm高处跌落 产品不会破损 建a a0曲线 并分析 图 橡胶垫振动放大 衰减曲线与静应力8 3kpa的交点表明 运输过程中激振频率引起缓材振动频率在三个不同区域内变化 1 1区 f50HZ 振动衰减 此时可理解为缓冲效果明显 a a0 产品亦不会因振动造成损坏 放大区 f 18 50HZ 正好与产品 缓材的固有频率 45HZ 相近 运输里程中的激振首先引起缓材的共振 然后引起产品的共振 使振动外力放大 a amax ap ap as Tr为最大值 产品极易损坏 解决方法 a 更换缓材 选择其固有频率与产品固有频率 45HZ 相差较大的缓材 以吸收更多的振动能量 b 调整缓材的承载面积 使缓材的静应力发生变化 若把静应力增加至10kpa 实际为减少缓材的承载面积 在图中 若 st 10kpa 交点处加速度值为46g 仍小于50g 冲击安全 在图中 放大区频率16 40HZ 虽然该应力下的激振频率仍然能引起缓材共振 但与产品的固有频率有一定差距 产品的a0没有达到最大响应加速度 缓材的共振并未引起产品的共振 事实上 如果调整应力难以满足缓冲和振动的共同要求时 则只能更换缓材 五 设计和制造原型包装 根据产品的外形和尺寸设计和制造缓冲垫 并作相应调整 受力面积的调整为了有效地使用缓冲材料 可参照下列方法调整材料的受力面积 扩大受力面积 利用垫板扩大特定方向的受力面积 如图3 3A 减少受力面积 利用角垫 侧垫等减小受力面积 如图3 3B C填充材料的使用为了防止运输中的冲击 振动时产品在包装容器内发生移动 应使用衬板 填料等充填可能造成产品移动的间隙 D其它方法 大型产品 如果其中某些部件较为脆弱而又可以拆卸 可将该部分拆下另行包装 为了防止在运输中产品表面被擦伤 可使用缓冲材料对产品进行保护 对体积重量较大的产品进行缓冲时 可将其连接在一个缓冲基础上 当运输中产品的各个方向受到的载荷不同时 或产品各方向的脆值不同时 各方向可以采用不同的缓冲包装 设计实例 作业习题1 某产品W 150N G 55 g H 60cm 为边长25cm的正立方体 采用图6 6所示的EPS材料作全面缓冲包装 试求缓冲垫的厚度 2 一产品W 200N G 60 g 底面积为50cmX40cm 预期的跌落高度H 50cm 规定用图6 6的EPS作全面缓冲包装 试确定衬垫尺寸 3 D