缓冲包装与防振包装设计

第六章包装缓冲与防振包装设计（GB8166-87）,一、一般要求减小传递到产品上的冲击、振动等外力分散作用在产品上的应力保护产品的表面及凸起部分防止产品的相互接触防止产品在包装容器内移动,第1节缓冲与防振包装设计的六步法,表面保护,二、缓冲包装设计要解决的问题,选择恰当的缓冲材料并确定其形状和大小；对指定的材料确定其形状和大小；比较若干不同品种的材料的缓冲效果；判断现有包装结构的合理性和可靠性；长期以来，缓冲包装设计无完善的设计理论缺乏定量评价手段类比，模仿“过包装”或“欠包装”！,产品特性参数（许用脆值、形状、大小、体积、重量、重心、数量等）；流通过程中的环境条件（运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度、冲击方向、气候条件、贮存条件等）；包装材料的特性；外包装容器的性能状况（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（防水、防潮、放锈、防尘等）。,三、缓冲包装设计考虑的因素,四.缓冲包装设计的基本数据,流通环境数据：搬运、跌落次数，跌落高度，等效跌落高度，冲击次数，冲击强度，振动频率等。产品脆值缓冲包装介质的特性参数：弹性、阻尼、缓冲系数、传递率。五.五步法和六步法（1）确定环境条件；（2）确定产品脆值；（3）如发现产品脆值过低，应考虑重新设计产品的关键件结构，提高其脆值；（4)选择缓冲材料；（5）设计原型包装结构；（6）试验评价原型包装。,第2节缓冲材料,缓冲包装：用缓冲材料或其他缓冲元件保护内容产品，避免过量冲击而造成破损的一种技术。组成：外容器+缓冲介质层+内容产品（作为介质的缓冲包装材料决定了缓冲包装的主要因素）分类：纤维形结构：木屑，纸制品，纸浆模，纸屑，稻草，瓦楞纸等；动物纤维：毛皮，羊毛，羽毛，毛毡等；纤维类矿物纤维：石棉，玻璃纤维等；按品质分泡沫类天然泡沫材料：软木等；合成泡沫材料：泡沫塑料，泡沫橡胶等；弹簧类：金属丝弹簧，板弹簧，橡胶弹簧等；预制成型的各种垫片、垫块、垫圈等；按物理形态分现场发泡；散状填料，如纸屑，刨花等；,对缓冲材料的要求,1.良好的弹性和恢复性；2.良好的缓冲性能，能以较小的体积吸收较大的冲击能量；3.良好的阻尼性能，以衰减包装系统的振动能量，起隔振或减振作用；4.成本低，容易采购；5.温湿度稳定性；6.破碎和减耗性：缓冲体破损或粉碎缓冲失效破碎的游粒进入制品影响质量破碎性越小越好；7.氢离子浓度：Ph值在6.28.0内，否则受潮后产生酸度腐蚀制品8.化学稳定性：保持抵抗霉变、耐药物、耐油污的能力；9.工艺性：加工性能（钻孔、切割），热熔性（浇铸成型），不产生尘沫飞扬及刺激性气味；10.吸潮性：吸潮，缓冲效果差，金属腐蚀，吸潮性越小越好；11.废弃性：废弃物要易于处理，便于销毁。,1缓冲材料的力学性质,弹性是材料具有缓冲能力的基本条件。缓冲材料线弹性材料非线弹性材料（一般缓冲材料都处于弹性、塑性和粘滞阻尼相交汇的流变状态）缓冲材料的各种弹性状态，可用力变形曲线来表述。为提高材料的弹性，改善缓冲性能对实体材料进行发泡发泡材料的特点：变形泊松比=0，即在受压方向（纵向）变形时，横向不变形；理想的缓冲衬垫重要的条件之一。实体则不同，如橡胶块，变形泊松比=0.5。受拉伸和受压缩时，变形情况与实体材料有很大不同。材料不同，发泡方法不同气泡的形状、尺寸和分布也就不同，导致同一材料变形的方向性差异。纤维材料或合成橡胶弹性的方向性差异。,1.1线弹性材料,k是缓冲材料的弹性系数,E是缓冲材料的弹性模量,A表示垂直于外力F的材料截面积T表示材料未受力的起始厚度,1.2正切型弹性材料,k0为曲线在x0时的斜率，称初始弹性系数；db为材料的形变极限，在xdb时F。正切函数型性质的缓冲材料：泡沫橡胶、棉花、乳胶海绵、碎纸、涂胶纤维以及预压后的聚苯乙烯泡沫塑料等等。,1.3双曲正切型弹性材料,k0为曲线的初始弹性系数；F0为力F的极限值,瓦楞纸板、蜂窝板、聚苯乙烯泡沫塑料等塑性较大的材料在其受到外力作用的初期所表现的力学性质属于这种类型。,1.4三次函数型弹性材料,k0为初始弹性系数，是弹性系数增加率。,曲线偏离线弹性直线的速度越大，与之对应的材料也会变的越硬（0）或越软（0）。,硬,软,吊装弹簧结构和木屑、塑料丝、涂胶纤维等材料均属于这一类弹性体,满足缓冲包装的要求,1.5不规则型弹性材料,大部分高分子发泡材料属于这类弹性体。,2组合材料的力学性质,在缓冲包装中，发泡材料+瓦楞纸箱共同起缓冲作用组合方式很多基本类型：叠置和并列2.1缓冲材料的叠置2.1.1线弹性材料,(1)E的大小,(2)E的范围,设有设即E2EE2,EE2EE,E2700kPa)半硬质泡沫塑料（弹性模量在70-700kPa之间)软质泡沫塑料（弹性模量16kg）b.标准量值法（根据产品重量、最大尺寸范围及运输条件直接查表）国标GB4857.584跌落试验高度日本JISI0202自由跌落试验条件美国军用标准MILP116H自由跌落试验条件,二.确定设计的基本参数,代表产品特性的脆值参数,a.试验法：通过脆值试验，再根据价值大小、强度偏差、重要程度，考虑运输中破损的风险度，确定许用脆值。b.标准量值法美国军用标准MILHDBK304美国MTS标准日本防卫厅规格NDS英国综合防护手册根据产品属性、价值大小、重要程度，综合各国标准确定一个合理的许用脆值。c.理论估算法：根据产品结构、尺寸、材料特性，用力学模型计算推导出产品的脆值。,选材原则：脆值大的产品，选弹性较小的缓冲材料；脆值小的产品，选缓冲性能好的缓冲材料；G1000g，不用缓冲材料选定材料后，找相应的曲线：缓冲系数最大应力（Cm）曲线静态缓冲系数缓冲系数静应力（Cs）曲线动态缓冲系数缓冲系数应变率（C）曲线应变率缓冲系数变形能（CE）曲线变形能振动传递率频率特性(rf)曲线传递率,代表材料性能的缓冲特性参数,对指定材料计算尺寸；选择最合适的材料并决定尺寸；比较不同材料的优劣；,三、选取特性曲线确定衬垫基本尺寸,T:衬垫厚度，cmW:产品重量,NA:衬垫有效面积,cm2G:产品脆值H:等效跌落高度,cm,1.缓冲系数最大应力（Cm）曲线的应用,确定材料选定曲线选定包装形式（全面缓冲包装和局部缓冲包装）设计计算（面积、厚度等）全面缓冲包装求A，A=产品表面积；求T，利用曲线查出C值（定义）局部缓冲包装最省材料法最小缓冲系数法（1）作切线得；（2）（3）,常用的设计步骤,Cm,例1一重为100N的产品，脆值为80g，要保证从60cm的高处跌落而不破损，规定用密度0.031g/cm3的聚氯乙烯作衬垫，计算衬垫尺寸。解：已知W=100N，G=80g，H=60cm查缓冲系数最大应力曲线图在m=3.6105Pa时对应最小缓冲系数C=3.6故T=CH/G=3.660/80=2.7cmA=WG104/m=10080104/(3.6105)=222cm2,对指定的材料计算尺寸,例2用纸箱作内包装，把一重为100N，脆值为30g的产品装入箱内，用衬垫把它与外包装箱隔开，箱底面积2000cm2，设定跌高为60cm，试选择适当的缓冲材料，计算其尺寸。解：已知W=100N，G=30g，H=60cm采用全面缓冲包装则A=2000cm2m=WG/A104=10030/2000104=0.15105Pa查缓冲系数最大应力曲线图当m=0.15105Pa时，密度为0.08的发泡聚氯乙稀有最小缓冲系数，C=3.5故T=CH/G=3.560/30=7cm该设计采用密度为0.08的发泡聚氯乙稀作缓冲垫，尺寸为AT=20007(cm3),选择最适当的材料计算尺寸,例3:一重力为90N，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，如果采用密度为0.075g/cm3的石棉作衬垫，试检验该设计的合理性。解：已知W=90N，G=50g，H=60cm,查缓冲系数最大应力曲线图该石棉材料，最小缓冲系数C=5.7，对应的应力值为m=0.17105PaA=WG104/m=9050104/(0.17105)=2648cm2若选用密度大一倍的聚氨酯泡沫，则最小缓冲系数为C=3.3，对应的最大应力值为m=0.7105Pa，此时的承载面积为：A=WG104/m=9050104/(0.7105)643cm2垫的厚度T=CH/G=3.360/50=3.96cm,此面积大于容器底面积，无法装入，说明本设计不合理。,比较不同材料的优劣,2.最大加速度静应力（Gs）曲线动态缓冲系数曲线,全面缓冲法：已知面积，求T（1）求静应力；（2）根据H、G、在Gs曲线上找交点，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。局部缓冲法：（1）根据H找对应曲线；（2）在对应的许用脆值处作一条水平线，它与缓冲曲线有很多交点。（3）取与之相交的厚度较小的缓冲材料进行设计，得到T。（4）选最右边的交点（静应力较大的交点），用料面积最省。,（Gs）曲线的应用,例：一重为200N的产品，脆值为60g，产品底面积为50cmx40cm,预计跌落度为50cm，规定用图6-6中的聚氯乙烯作衬垫，计算衬垫尺寸。解：已知W=200N，G=60g，H=50cm（1）求静应力查最大加速度静压力曲线（b）,与Gm=60g的交点为图上B点,B点在曲线族左边，说明静应力太小，没必要用全面缓冲，可改为局部缓冲！,(2)设计局部缓冲衬垫在Gm=60g处作一条水平线，取厚度较小的缓冲曲线进行设计；则T=4cm，它的两个交点为C和D，取交点D进行设计最省料。,D点对应静应力为，所需承载面积：图中E对应的加速度值最小，缓冲性能最好，产品的安全率最高，若用E点设计有：故该设计取T=4cm的聚苯乙烯泡沫垫，承载面积可作两种选择，节约用料取A=285Cm2，提高产品安全率取A=500cm2。由于局部缓冲，通常都采用角垫形式，那么每块角垫的承载面积为A角=1/4A面。,四.缓冲衬垫的校核,1.产品强度校核(产品支承面的应力校核),产品许用应力；Pa；,冲击时最大应力；Pa。,应力过大：扩大承载面积；改用较软的衬垫；采用软硬不同的材料做成组合衬垫，使支承面的应力与其他各部位的强度相适应等。,2.挠度校核,衬垫尺寸的面积与厚度之比超过一定比值时，衬垫容易挠曲线或变弯，大大降低衬垫的负重能力,Amin/（1.33T）21或Amin（1.33T）2T厚度，cm；A面积，cm2。,3.跌落姿态校核,和都是以理想姿态为前提（试样平直，底面着地）。实际跌落姿态：角跌落受力情况变化较大对基本设计尺寸作棱跌落校核和调整面跌落,结论：角跌落或棱跌落时，产品承受的加速度比面跌落时小。原因：角跌落或棱跌落时，外包装容器的变形大，吸收了较多的冲击能量，产品所受的冲击减少。（容器相当于一个缓冲器）角跌落或棱跌落时，衬垫的负载面积比面跌落时增大了。,（1）全面缓冲条件下不同姿态的跌落试验,（2）全面缓冲时等效面积的确定,l、d、b分别表示产品的长、宽、高,三个缓冲面在水平面的投影面积为：,Ae=3lbd/,若产品为立方体，即l=b=d则Ae=3l2/=l2计算结果表明:全面缓冲条件时，角跌落与面跌落相比，角跌落的等效负荷面积大，相当于面跌落的1.73倍。,（3）局部缓冲包装的等效面积确定,采用角衬垫时，角衬垫由三个面积为的面衬垫组成，角冲击的等效面积为构成此角三个侧面在水平面上的投影面积。,Ae=L2(l+b+d)/若产品为立方体：Ae=L2,在角冲击时不仅跌落角的衬垫参与缓冲，该角三个侧面上的其他衬垫也参与缓冲，相当于4个角衬垫，故：Ae=4L2(l+b+d)/,实际包装件的外包装容器不是刚体，在冲击过程中产生变形，传递到各个衬垫上的作用力不相同。应根据外包装容器的性能，通过测试，在14之间选择一个合适的系数K。Ae=KL2(l+b+d)/,（4）棱跌落的等效面积确定,当产品为立方体时，全面缓冲包装Ae=L2，它介于面跌落面积L2与角跌落等效面积L2之间。对局部缓冲包装，若角衬垫面积为L2，产品为立方体，假设外包装容器为刚体，棱冲击的等效投影面积Ae=4L2，同样它介于面跌落面积4L2与角跌落等效面积4L2之间。角衬垫校核通过，满足棱冲击的要求。,4.蠕变量校核,蠕变增量按下式计算：Tc=T（1+Cr）式中：Tc修正后的厚度cm；Cr蠕变系数%；T原设计厚度cm；5.温湿度校核,环境温度和湿度的变化对衬垫的缓冲能力有明显的影响；温度的升高或降低，还会引起衬垫尺寸的变化。因此，应根据流通过程中可能出现的环境条件修正缓冲衬垫的尺寸。,例已知一产品W=200N，G=85g，产品为正立方体，规定的跌落高度不超过90cm，并指定采用如图所示特性的材料作局部缓冲，试设计面跌落和角跌落时衬垫所需尺寸（设蠕变系数为10%）。,解：（1）采用角衬垫；（2）T=5cm，两个交点为A、B，对应的静应力分别为0.015105Pa和0.05105Pa，为节省材料，取B点进行设计；,（3）角衬垫尺寸为（4个角衬垫）：,L2=A/4=400/4=100（cm2）,（4）挠度校核：Amin（1.33T）2，L2=100（1.33T）2=44，满足要求,角跌落时的有效受力面积为（若取K=1）Ae=KL2=173(cm2);此时静应力为：s=W/Ae104=200/173104=0.116105(Pa)该静应力对应的加速度超过产品脆值，所以校核通不过校正的办法是取B点对应的静应力来确定角衬垫角跌落有效面积，有Ae=W/s104=200/(0.05105)104=400(cm2)L2=400,L2=400/=231.3(cm2)L=15.2cm则面跌落时的受力面积和静应力为：A=4L2=4231.3=925（cm2）s=W/A104=200/925104=0.0216105（Pa）此静应力对应的加速度值小于产品的许用脆值。（6）蠕变量校核：Tc=T（1+Cr）=5（1+10%）=5.5（cm）所以，角衬垫的厚度为5.5cm，边长为15.2cm。,（5）产品强度校核：,五.最省材料的缓冲设计方法（C曲线）,假设缓冲衬垫的面积为A，厚度为T，则体积为：V=AT由于A=WG/T=CH/GV=HWC/其中产品重量W和跌落高度H都为常数，C是的函数，对上式求导有V=WH（C-C）/2要使上式有极值，令V=0则C=C/,在C-曲线上找一点（C0，），使得该点的缓冲系数值C0与最大应力值的比值等于此点的导数值C0。作图法（过原点切线法）（1）过坐标原点（0，0）作C曲线的切线；（2）切点（C0，）为极值点；（3）由极值点设计出的缓冲衬垫用料最省，有时不能完全满足要求；（4）在缓冲系数最小值点与过原点切线的点之间选择一个合适的点进行设计，即能满足设计要求，又可使材料较省。,产品的重力为50N，选用的缓冲材料的特性曲线如图所示，等效跌落高度为50cm，产品的许用脆值为40g，试确定缓冲衬垫的尺寸。,解：（1）最小缓冲系数法：在C曲线中最小缓冲系数为C=2.4,对应的最大应力值为10KPa，那么缓冲衬垫面积为：A=WG/=5040/（10103）104=2000（cm2）材料厚度：T=CH/G=2.450/40=3(cm)体积为：V=AT=20003=6000(cm3)（2）过原点切线法：切点坐标值为：C02.611.5KP。则缓冲衬垫面积为：A=WG/104=5040/11500104=1739.1(cm2)厚度为：T=CH/G=2.650/40=3.25(cm)体积为：VAT=1739.13.25=5652(cm2)过原点切线法设计出的缓冲衬垫比最小缓冲系数法设计出的缓冲衬垫用料要省。,校核！,第5节防振包装设计,一.振动对产品的主要破坏形式（1）共振时，产品的共振加速度许用值,发生类似冲击的破损效应；（2）非共振条件下，长时间的循环交变载荷导致材料的疲劳老化；（3）振动导致产品与缓冲介质（各种包装膜、衬垫、填料）之间的摩擦，使产品表面产生摩痕，擦伤；诱发某些产品锈蚀或剥落；（4）特定条件下，振动会改变某些产品的结构状态，如：螺纹连接松，仪表失灵，某些粘稠物品变稀影响产品性质和价值。防振包装伴随运输全过程无法避免；缓冲包装突发性冲击（跌落，野蛮装卸）采取措施，可避免。结构上防振包装形式上有弹性的阻尼目的避免共振缓冲包装一致材料作衬垫不同吸收冲击能量,二.衬垫设计,按缓冲要求进行设计；校核其防振能力。三.防振包装设计解决的基本问题（1）按照传递特性，选择防振衬垫；（2）对缓冲衬垫作防振校核；（3）评价现有包装的防振能力，改进防振结构。设计的基本参数：振动环境的激励特性；包装件的固有频率；足够的可供选择的防振材料传递率数据；防振介质的阻尼特性。,四.传递率曲线及其应用,防振性能系统的固有频率和阻尼。内装产品与外包装箱之间的介质衬垫材料，它的刚度及阻尼，对系统起决定性的作用。1.确定固有频率(1)线性系统,振动理论,实际包装件,对非线性缓冲包装系统，其固有频率按衬垫材料的应力应变()曲线来计算。,（2）非线性系统,是曲线在静平衡位置的斜率(又称为弹性率)，记为E；,A为衬垫的承载面积，T为衬垫的厚度。,非线性包装系统的固有频率取决于弹性率，静应力和材料厚度。绘制固有频率静应力(fn)曲线。,静应力固有频率曲线,2.阻尼系数试验测定,3.包装件对振动的传递率(在实际工作中，传递率是通过用特定的包装模型进行试验来确定的)传递率曲线。影响因素：材料品种，材料密度，衬垫的形状和尺寸，负载（应力）状况。改变任何一个因素，传递率都变化。,缓冲材料名称阻尼比聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料0.08-0.20聚氨酯泡沫塑料0.10-0.50橡胶0.02-0.16硅橡胶0.11-0.23钢质螺旋弹簧0.008-0.016,五.振动防护设计方法,(1)计算缓冲材料的静应力值：WAl04(Pa)(2)找出该静应力值对应的缓冲材料振动传递率频率特性（)曲线，并找出峰值处的传递率及频率；(3)确定在流通过程中包装件在频率为时的最大振动加速度；(4)计算产品在共振时的最大响应加速度。其中为产品的最大响应速度，为包装件在频率时的最大加速度，为频率时的振动传递率；(5)不满足,重新设计；(6)，由于振动加速度反复作用产品疲劳损坏重新设计。,例：产品的重力为300N，底面尺寸为3030cm2，产品上的脆弱部件具有25Hz的固有频率，002的阻尼比，可承受的最大冲击加速度为45g。产品的冲击防护设计采用了全面缓冲方法，选用的缓冲材料厚度为10cm，产品在运输过程中，受到的振动输入如图所示，忽略疲劳作用，确定这样的衬垫能否提供足够的振动防护。,解：(1)确定包装件共振时脆弱部件的响应加速度：W/A104=300/(3030)104=3.33(kPa),根据静应力及材料厚度T查材料的振动传递率频率特性(Trf)曲线得曲线的峰值对应的频率为7Hz，传递率为2.5。而7Hz时振动输入加速度为1g，则产品的最大加速度为：2.5l2.5(g)则脆弱部件响应为：该值小于其可承受的最大冲击加速度45g，部件不会损坏。(2)确定脆弱部件共振时的响应加速度。由图可得，在频率25Hz时的振动输入加速度为0.55g，缓冲材料的振动传递率为0.25，则产品的最大加速度响应为：=0.250.55=0.14(g)脆弱部件共振时有：则脆弱部件的最大响应加速度为：故由冲击防护选定的衬垫可以提供足够的振动防护。,Tr=1.04,Tr=25,第6节缓冲衬垫的结构设计,一.缓冲包装设计过程（1）了解产品形状和特性；（2）了解产品的流通环境；（3）选择适当的缓冲材料；（4）基础的设计计算；（5）由基础设计的参数决定缓冲包装方法（全面、局部和悬浮式缓冲包装）。二.缓冲衬垫结构设计,适用于规则形状产品,1.确定受压面积,已知：产品或内包装箱的尺寸目的：保证产品在不触底的情况下，应能吸收被压缩时的变形能量以减少产品所承受的加速度。触底：包装件在承受冲击时，缓冲体的变形量达到或超过极限变形量时，内装物受到的冲击加速度急剧增大，这种现象称为“触底”。当外容器没有足够的空隙容纳产品位移时，部分棱、角或凸缘将与容器壁碰撞，或者在实际的跌落高度设计的高度时，都会发生触底。方法：调整受力面积。,重量大，体积小的产品，要求缓冲面积底面积，缓冲材料和产品之间要用硬质材料胶合板或纤维板等隔开,使硬质材料一侧承受总的冲击，再由缓冲材料对硬质材料进行缓冲。重量轻，体积大的产品，需要减小受压面积时，可将不接触部分切去，缩小接触面积以确保合适的缓冲面积。,2.形状不规则物品的缓冲包装,有突起物的基本缓冲结构。Td(1一E)式中：T-缓冲材料厚度，E-变形量，d-突起物高度。认真选择缓冲材料的厚度，防止发生冲击时造成突起物接触箱底的情况。,带突起物的缓冲结构,带突台包装件的缓冲结构,预留变形量的结构,缓冲衬垫各部位厚度不同，变形量不同，突起部分先受力，为避免这种情况须留出缓冲材料的变形量。有突出部分的产品，缓冲材料的厚度应以该部分的最外侧到外包装容器的内侧的尺寸为准(如图629所示)。,3.缓冲结构的其它要求,(1)对于有可动机件的机器，机器的表面不能承受冲击时,要用硬质材料，将其他部分固定住，使其全体来承受冲击。(2)产品底面的四棱如果只有很窄的受匝面积，运输装卸过程中产品在缓冲材料之间就会发生移动，严重时会从受压面跌落。因此最好做成长的凸筋，产品即使发生一些位移，也不会影响受压面积。,产品固定法,产品防移法,(3)缓冲材料的凸筋可位于产品一侧，以位于外侧的凸筋缓冲效果更好。,(4)对于跨度较大的产品，要在跨度的中部设置受压的缓冲块，或使两端缓冲块往中央方向至少延伸14以上。,(5)对于重心偏向一侧的产品，从前后、左右、上下各个方向分别测定其重心位置。根据重心位置按比例地进行分配受压面积。(6)不规则形状的产品可以用模制的衬垫进行缓冲，也可以将产品固定或支承在内包装容器中，再用缓冲材料加以保护。(7)大型产品，如有较为脆弱而又可以拆卸的部件，可单独包装。为防止运输中产品表面被擦伤，可使用缓冲材料对表面加以保护，对体积、重量