緩沖包裝計算例題.ppt

緩沖包裝 緩沖包裝 為避免產品在流通環(huán)境過程中 因物理因素引起破損而采取的防護包裝措施 叫做物理防護包裝工藝 緩沖包裝是物理防護包裝工藝的一種 緩沖包裝又稱防震包裝 即采用一定的緩沖材料 一定的包裝技術來吸收沖擊和振動的能量 有效地減小傳遞到內裝物上的沖擊 并對振動進行衰減 防震在各種包裝方法中占據十分重要的地位 這種包裝方法可使被包裝物免遭沖擊和振動破壞 以達到保護產品的目的 如80年代以前 我國出口的雞蛋破損率在8 左右 最高達11 而采用緩沖包裝后 破損率可降至1 左右 緩沖包裝也廣泛用于軍工 電子 精密機械 儀表儀器以及易碎 易爆等產品的包裝 避免了產品在儲運過程中的損失 給國民經濟帶來巨大的效益 緩沖包裝設計程序 一 確定流通環(huán)境的危害程度 二 確定產品脆值 易損性 三 確定緩沖包裝方案 四 選擇合適的緩沖包裝材料 五 設計和制造原型包裝 一 確定流通環(huán)境的危害程度 1 跌落高度 研究裝卸過程中的垂直跌落沖擊問題一般地講 跌落高度增加 產生的沖擊力就會增加 內裝物越容易遭受破壞 其規(guī)律如下 包裝件重量 尺寸越大 易發(fā)生跌落的高度越低 機械搬運比人工搬運跌落的高度降低 包裝件如有搬運手柄 印有易碎標記 或印有引起注意的其它標記等結構特征時 跌落高度降低 托盤式集合包裝較單個包裝件跌落高度降低 跌落次數減少 2 運輸過程的沖擊振動 包裝件運輸過程中的損壞主要由于振動和沖擊造成的 其中 鐵路貨車運輸過程中由于路基和鐵軌接頭等的作用會產生周期振動 鐵路運輸中的沖擊主要由貨車的編組連掛 加速 減速 剎車或急剎車等引起 公路運輸過程中包裝件的損壞主要由于路面狀況 車輛緩沖性能 車速 載重量和載貨方式等原因引起沖擊和振動造成的 船舶運輸過程中包裝件的損壞主要由堆碼引的壓應力造成 一般物貨碼高為6 10m 并受發(fā)動機和螺旋漿低頻振動的影響 另外波浪引起船體上下振動和左右搖擺也會使包裝件產生沖擊和振動 船首的沖擊和機艙的振動最為嚴重 飛機運輸中包裝件的損壞主要由發(fā)動機引起的高頻振動 著陸時與地面的沖擊或空中氣流的沖擊和振動造成 所以 要研究運輸過程中的沖擊和振動問題 就必須研究各種運輸工具產生沖擊和振動破壞最嚴重的方式及位置 測定加速度的大小 建立加速度 振動頻率的關系曲線 表1 4 5 6 7 8 9 圖1 5 6 7 8 才能有效地預防沖擊和振動造成的損壞 二 確定產品脆值 易損性 一般產品的脆值可以采用類比法 參照相關標準來確定 新產品則必須使用沖擊試驗機測出產品的破損邊界 DBC 曲線來評估其脆值 一 DBC曲線的確定 1 確定臨界速度變化的邊界線 Vc 產品破損的最低速度變化量 與跌落高度有關 與沖擊脈沖波形無關 試驗 2 確定臨界加速度邊界線 Gc 與跌落高度無關 與脈沖波形有關 試驗 h 1 6臨界高度 即 上述由 Vc確定的高度 保持高度不變 改變Gm 不斷增加Gm 直至跌落破損 3 沖擊脈沖波形 三種脈沖曲線的垂直邊界線 Vc 都是相同的 但不同脈沖的加速度峰值是變化的 如鋸齒脈沖或半正弦脈沖 損壞邊界難以確定 只有矩形脈沖的邊界 水平線Gc 是確定的 且考慮的范圍 或安全程度 較上述二種脈沖的大 故利用矩形脈沖產生的損壞邊界范圍來確定其它波形的損壞范圍是合理的 陰影區(qū)域 V Vc Gm Gc為破損區(qū) V Vc或Gm Gc為非損壞區(qū)所以 DBC曲線是由三個參數 Vc Gc和脈沖波形來確定的 在 V Vc Gm Gc區(qū)域需要緩沖包裝 DBC曲線的意義就在于確定產品的易損性 確定是否需要進行緩沖包裝設計 除此之外 出于安全考慮 緩沖包裝還要求 二 Gm G Gc n n 1 其中 Gm 產品受到任何沖擊時 都可能存在一個比Gc還大的加速度 它取決于產品重量 沖擊速度 緩材特性等 Gm am g Gc 產品脆值 易損度 即產品受到沖擊和振動時不發(fā)生物理性或功能性損壞 如失效 失靈 商業(yè)性破損 所能承受的最大加速度 Gc ac g ac叫臨界加速度 G 許用脆值 根據產品的脆值 考慮產品的價值 強度偏差 重要程度等而規(guī)定的產品許用最大加速度值 G Gc n n 1 右式含義 Gc取決產品 產品一旦確定 Gc就確定了 為常數 為了保護產品要限制其臨界加速度 ac 出于安全考慮 產品價值的考慮 G Gc n n 1 左式含義 緩沖包裝要避免產品承受最大加速度 在跌落高度 沖擊力方面加以控制 所以 Gm應小于或等于 G 在一些圖表 曲線上 Gm Gc G 都有可能出現 都代表產品的脆值 三 確定緩沖包裝方案 首先要掌握產品的外形及結構特點 如長 寬 高或直經 高度 重量 重心位置 外形和內部結構特點 并確定出產品易損壞的元件或部位 最后決定采用哪一類包裝方法 一般地講 重量 體積較大 搬運時不易跌落的產品 如電冰箱 或精密 貴重 脆值較小 產品采用全面緩沖包裝 見圖3 1 而外形尺寸對稱 重量分布均勻 G 適中的 如電視機 產品采用局部緩沖包裝 見圖3 2 四 選擇合適的緩沖包裝材料 以非線性彈性材料 如泡沫塑料為研究對象 以沖擊實驗獲得的一系列緩沖曲線來計算緩沖墊的厚度和尺寸 一 緩沖系數 最大應力 C m 曲線的應用 該曲線是用靜壓法測定的 壓力機以12 3mm min的速度沿緩材厚度方向上逐漸增加壓力 記錄負荷 變形值 改變材質的厚度 測每一點的C m 然后建立起C m曲線 圖C1 注 緩沖系數 C 作用于緩沖材料上的應力與該應力下單位體積緩沖材料所吸收的沖擊能量之比 以C表示 C m e m 緩材達到最大變形量時所受到的最大應力N m2 e 單位體積緩材吸收的能量 J m3 全緩 體積大 笨重 精密貴重 G值很低的都要求全緩 步驟 由公式 m G W A 104 1 式中 m 最大應力 KPa G 產品的許用脆值 W 產品的重力 N A 緩沖材料的受力面積 2求 m Kpa A既是產品的底面積 又是緩材的承壓面積 在c m曲線上找對應的 m和c 如果只有一條c m曲線 凹點對應的c最小 若有多條曲線 找凹點最低的一條及對應的c 由公式T C H G 2 計算緩材的厚 式中 T 厚度 C 緩沖系數 H 等效跌落高度 為了比較流通過程中產生的沖擊強度 將沖擊速度視為自由落體的碰撞速度 由此而推算的自由跌落高度 以H表示 例1產品的重力為100N 底面積為60 40c 等效跌落高為80 產品的許用脆值為50g 選用緩材的c m曲線如圖c1的曲線所示 采用全面緩沖包裝方法 不考慮角墊或邊墊 求需要的緩材厚度 已知 W 100N G 50 g A 60 40 2400 2 m G W A 50 100 2400 104 20 8Kpa在20Kpa垂直線附近有4 5曲線 選4曲線 C 5 2T C H G 5 2 80 50 8 3 局緩 方正 均質 體積小 G適中 步驟 在確定的c m曲線上找出凹點處對應的c及 m 最小緩沖系數 由公式 2 計算襯墊厚度 由公式 1 計算受力面積 例2產品的重力為50N選用的緩材的特性曲線如圖c1的曲線2所示 H 50 G 30g 求材料受力面積和厚度 局部緩沖包裝 解 曲線 2 凹點對應的C 4 5 m 7Kpa則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 靜應力 Gm st 曲線的應用 試驗 該曲線是用動壓法測定的 先確定H 用沖擊試驗機對T1厚度的緩材進行動態(tài)沖擊 通過改變砝碼重量 得到不同的Gm st點 在半對數坐標上繪制一條Gm st曲線 同理繪制同材 不同厚度 T2 T3等 的若干條Gm st曲線 全緩步驟 由公式 st W A 104 3 式中 st 靜應力 Pa 求靜應力 st 根據H確定Gm st曲線在曲線上找 G 與 st的交點 若交點位于兩條厚度之間 可用比例插入法確定緩材的厚度 例3 產品重力為200N 底尺寸為25 25 G 65g 允許的H 90 緩材的特性曲線圖c2所示 采用全面緩沖包裝方法 求緩材厚度 解 已知W 200NA 25 25 G 65 g H 90 st W A 104 200 25 25 104 3 2Kpa在圖c2中 st 3 2Kpa與G 65g的交點 A 位于T 5和T 7 5曲線之間 A點距T 5與T 7 5之間的1 3處 用插值法求的緩材的厚度為5 8 局緩步驟 根據等效跌落高度 H 確定Gm st曲線 以 G 作水平線交曲線 在系列曲線中 不同厚度的曲線 為節(jié)約材料 選厚度小的與曲線兩交點以下 曲線上所有點對應的Gm值都小于 G 安全 為進一步省材 選交點中右邊的點對應的靜應力 較大 計算緩沖墊的尺寸較小 三 修正計算 由上述方法計算結果后 還應考慮到下列情況 對計算結果給予修正 1 緩沖材料的承受面積與厚度的關系不滿足 4 式時 會使緩沖材料發(fā)生彎曲如圖3 2所示應予以修正 Amin 1 33T 2 4 式中 Amin 最小受力面積 2 2 如果已知緩沖材料的蠕變特性 則按下式修正厚度 TC T 1 Cr 5 式中 Tc 修正厚度 Cr 蠕變系數 例4 產品重力為240N 底面積尺寸為 40 30 G 42g 選材曲線如圖C2 試計算所需材料的尺寸 局部緩沖 解 st W A 104 240 1200 104 2Kpa在圖C2中 st 2Kpa與 G 42的交點為B 說明曲線上任一點對應的 st值都將大于B點對應的 st值所以沒有必要進行全面緩沖包裝 否則以2Kpa應力計算的緩材尺寸交延伸線或上面任一點計算的尺寸都大 浪費 以 G 做水平線交于C D E F點 選擇厚度小的D E兩點進行計算 其靜應力分別為2 9Kpa 9Kpa 厚度為10 A E W st 104 240 9000 104 267 2A D 827 2 用材最大 受應力最小 采用邊墊或角墊的緩材結構時 應滿足下式 Amin 1 33T 2 177 21 4A E 267 4177 2所以可以采用各襯墊受力面積之和在267 837 2之間 各襯墊的受力面積大于177 2的邊墊或角墊結構 選擇D點 四 振動防護設計方法 緩沖包裝一般首先考慮沖擊防護 設計完畢的沖擊防護包裝 還應按下述方法進行正確的振動防護包裝設計 1 按公式 3 計算緩沖材料的靜應力 2 找出靜應力值所對應的緩沖材料振動傳遞率 頻率特性曲線 并求出該曲線的峰值所對應傳遞率 及頻率fn 3 確定在流通過程中包裝件在頻率fn時所受到的最大振動加速度 4 計算產品的最大響應加速度 見下圖 ap as 8 式中ap 產品的最大響應加速度 as 包裝件在頻率fn時受到的最大加速度 TR Tr 緩沖材料在頻率為fn時的振動傳遞率 5 產品的最大響應加速度應小于產品的許用脆值 如果不滿足這個條件應重新進行設計 6 當產品的最大響應加速度小于并接近產品的許用脆值時 由于振動加速度的反復作用 導致產品疲勞損壞或降低緩材性能時 應重新設計 7 確定脆弱部件共振時的響應加速度 例 某產品質量為10 2kg 橡膠墊的動態(tài)曲線見圖 經初步計算的承受面積為118cm2 產品的脆值為50g 產品的固有頻率為45HZ 包裝件的跌落高度為60cm 問產品在運輸過程中是否會有破損 沖擊 振動 解 st 10 2x9 81 118x104 8 3kpa 見圖 8 3kpa垂直線交曲線 其交點對應的加速度值為49g 50g 橡膠墊吸收沖擊能量效果明顯 從60cm高處跌落 產品不會破損 建a a0曲線 并分析 圖 橡膠墊振動放大 衰減曲線與靜應力8 3kpa的交點表明 運輸過程中激振頻率引起緩材振動頻率在三個不同區(qū)域內變化 1 1區(qū) f50HZ 振動衰減 此時可理解為緩沖效果明顯 a a0 產品亦不會因振動造成損壞 放大區(qū) f 18 50HZ 正好與產品 緩材的固有頻率 45HZ 相近 運輸里程中的激振首先引起緩材的共振 然后引起產品的共振 使振動外力放大 a amax ap ap as Tr為最大值 產品極易損壞 解決方法 a 更換緩材 選擇其固有頻率與產品固有頻率 45HZ 相差較大的緩材 以吸收更多的振動能量 b 調整緩材的承載面積 使緩材的靜應力發(fā)生變化 若把靜應力增加至10kpa 實際為減少緩材的承載面積 在圖中 若 st 10kpa 交點處加速度值為46g 仍小于50g 沖擊安全 在圖中 放大區(qū)頻率16 40HZ 雖然該應力下的激振頻率仍然能引起緩材共振 但與產品的固有頻率有一定差距 產品的a0沒有達到最大響應加速度 緩材的共振并未引起產品的共振 事實上 如果調整應力難以滿足緩沖和振動的共同要求時 則只能更換緩材 五 設計和制造原型包裝 根據產品的外形和尺寸設計和制造緩沖墊 并作相應調整 受力面積的調整為了有效地使用緩沖材料 可參照下列方法調整材料的受力面積 擴大受力面積 利用墊板擴大特定方向的受力面積 如圖3 3A 減少受力面積 利用角墊 側墊等減小受力面積 如圖3 3B C填充材料的使用為了防止運輸中的沖擊 振動時產品在包裝容器內發(fā)生移動 應使用襯板 填料等充填可能造成產品移動的間隙 D其它方法 大型產品 如果其中某些部件較為脆弱而又可以拆卸 可將該部分拆下另行包裝 為了防止在運輸中產品表面被擦傷 可使用緩沖材料對產品進行保護 對體積重量較大的產品進行緩沖時 可將其連接在一個緩沖基礎上 當運輸中產品的各個方向受到的載荷不同時 或產品各方向的脆值不同時 各方向可以采用不同的緩沖包裝 設計實例 作業(yè)習題1 某產品W 150N G 55 g H 60cm 為邊長25cm的正立方體 采用圖6 6所示的EPS材料作全面緩沖包裝 試求緩沖墊的厚度 2 一產品W 200N G 60 g 底面積為50cmX40cm 預期的跌落高度H 50cm 規(guī)定用圖6 6的EPS作全面緩沖包裝 試確定襯墊尺寸 3 D