防震包裝的設(shè)計方法

防震包裝的設(shè)計有兩方面的含義，一是指對新產(chǎn)品防震包裝的設(shè)計；二是指對舊產(chǎn)品原包裝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。對于舊產(chǎn)品原包裝進(jìn)行包裝改進(jìn)設(shè)計之前，應(yīng)當(dāng)先考慮能否永久性改進(jìn)產(chǎn)品，使其更加堅固，這樣做比采用更保險的防震包裝要經(jīng)濟(jì)。一、 防震包裝的設(shè)計程序這里敘述的設(shè)計程序是針對用防震緩沖墊（又稱緩沖墊或防震墊）對整體產(chǎn)品進(jìn)行防震包裝的情況，設(shè)計程序分為五步：（1） 確定環(huán)境；（2） 確定產(chǎn)品的易損性；（3） 選擇合適的防震緩沖墊；（4） 設(shè)計和制造原型包裝；（5） 對原型包裝進(jìn)行試驗和修正。設(shè)計時一般只考慮沖擊和振動因素，影響設(shè)計的因素還有壓縮、濕度等，這些因素為修正因素，在包裝初步定型后再進(jìn)行一次修正。二、 確定環(huán)境在第一節(jié)中巳講到產(chǎn)品所處的環(huán)境主要是沖擊和振動。對于沖擊來說，在整個運(yùn)輸過程中會多次遇到，而且大小程度不同，因此，就要選擇用戶所希望防護(hù)的最苛刻的跌落高度作為基準(zhǔn)。產(chǎn)品所受到的振動是非常復(fù)雜的，比較典型的有兩種：一種是沖擊后隨之而來的減衰振動，這種振動的影響不會超過沖擊影響，故一般不再單獨(dú)考慮；另一種是持續(xù)不斷的振動，這種振動的頻率若和產(chǎn)品或產(chǎn)品中某些零部件的固有頻率共振，就將給產(chǎn)品帶來損害的可能。后一種振動影響的大小一般要從環(huán)境數(shù)據(jù)資料或所測加速度 頻率曲線中考慮。不同運(yùn)輸方式，所形成的振動環(huán)境是不一樣的，在普通運(yùn)輸環(huán)境中，所出現(xiàn)的振動頻率一般為1?200Hz。振動環(huán)境確定后，要畫出這種環(huán)境的加速度一頻率曲線，作為設(shè)計時用。三、確定產(chǎn)品的易損性（一）確定產(chǎn)品的沖擊損壞邊界沖擊破壞的原因是因慣性力引起過大內(nèi)應(yīng)力。慣性力與加速度成正比，故沖擊易損性可用可承受的最大加速度值來表示，即該產(chǎn)品能承受多少個重力加速度g。這里的“多少個”，即第一節(jié)所定義的允許加速度系數(shù)Gm。當(dāng)?shù)涞陌b件沖擊地面時，容器表面上的加速度最高可達(dá)幾百個g。防震緩沖墊可以改變傳到內(nèi)裝物的沖擊脈沖，從而使最大加速度大大減小，沖擊脈沖持續(xù)時間延長。設(shè)計的目標(biāo)就是保證以防震緩沖墊傳到內(nèi)裝物上的加速度值小于允許加速度值，即G<Gm。表征產(chǎn)品抗沖擊性能的方法源于沖擊譜和損壞邊界原理。用這些原理可描畫如圖2-7-4所示損壞邊界曲線。邊界水平線所對應(yīng)的縱坐標(biāo)代表最小損壞沖擊脈沖的峰值加速度，邊界的垂直線所對應(yīng)的橫坐標(biāo)代表導(dǎo)致?lián)p壞所需的最小速度。對任何產(chǎn)品都可確定一條損壞邊界曲線。圖中陰影區(qū)域的沖擊脈沖都將使產(chǎn)品損壞，陰影之外區(qū)域的沖擊脈沖都不會使產(chǎn)品損壞。該曲線圖垂直線左邊區(qū)域稱低速度部分，這部分內(nèi)即使有極高的加速度也不發(fā)生損壞。該區(qū)域內(nèi)，速度變化很小，產(chǎn)品本身就起到了減振作用。曲線圖中水平線下面區(qū)域內(nèi)，即使速度變化很大，也不產(chǎn)生破壞，這是因為產(chǎn)生的力在產(chǎn)品強(qiáng)度極限范圍之內(nèi)。圖2—7—4典型的損壞邊界曲線圖槌形脈沖-TL未端，峰蒞甑齒豚沖九半正弦脈沖八速度變化米F秒2-7-5相同峰值加速度與相同變化脈沖的損壞邊界圖2-7-5表示了速度變化邊界（垂直邊界線）與脈沖的波形無關(guān)。但是，對半正弦脈沖與鋸齒脈沖，損壞邊界曲線的加速度值與速度變化有關(guān)。應(yīng)用這個損壞邊界，需要精確預(yù)測跌落高度及外包裝防震緩沖墊的恢復(fù)系數(shù)。然而，這種預(yù)測通常是不可能的，故一般應(yīng)用梯形脈沖。用梯形脈沖產(chǎn)生的損壞邊界包圍著其他波形的損壞邊界，故采用它是可靠的。（二）進(jìn)行易損性試驗進(jìn)行易損性試驗的目的是為了確定產(chǎn)品的損壞邊界，一般在沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行。將待試產(chǎn)品固定在沖擊機(jī)的頂部，將沖擊臺提升到規(guī)定的跌落高度，然后松開，讓其自由下落，沖擊機(jī)器的底板。當(dāng)產(chǎn)品從底板回彈后，由一制動機(jī)構(gòu)使其立刻停止，這樣，只產(chǎn)生一次沖擊。沖擊脈沖的類型可以由沖擊程度裝置來控制?？刂铺菪蚊}沖的程序裝置是一種可使壓力不發(fā)生變化的氣壓氣缸，通過調(diào)節(jié)氣缸中壓縮氣體的壓力來控制梯形脈沖的G值，速度變化則由調(diào)節(jié)跌落高度來控制。第一次跌落是在最低的高度上開始，落下后檢查是否有損壞，然后增加跌落高度進(jìn)行第二次跌落，再檢查產(chǎn)品，依此重復(fù)直到出現(xiàn)損壞為止。記錄下每次沖擊時速度變化與峰值加速度，一旦發(fā)生損壞，就停止邊界試驗，因為產(chǎn)生損壞必需的最小速度及損壞邊界曲線的速度變化部分巳經(jīng)確定了（見圖2—7—6（a））。損壞邊界線位于無損壞的最后一次跌落與引起損壞的第一次跌落之間。為了繼續(xù)確定加速度邊界線，重新把一個新的試驗樣品固定到?jīng)_擊臺上，將跌落高度調(diào)到臨界值的1.6倍之上，將程序裝置的壓縮氣體壓力調(diào)低，讓其產(chǎn)生一個較低的g值沖擊。然后依次提高壓力、依次檢查產(chǎn)品是否損壞，這樣就可能在相同的跌落高度而不同的g片值下沖擊，直到出現(xiàn)損壞為止。用這個g值就可確定損壞邊界曲線水平線的高度。該線位于無損壞的最后一次跌落與引起損壞的第一次跌落之間。

?引起損壞的第一決蹤篇, 無挑壞的是后一次畦浦f?引起損壞的第一決蹤篇, 無挑壞的是后一次畦浦:漏操環(huán)的廈后一;sfii卷1據(jù)一洗喂著一透最 一…（a）速度損壞邊界的形成；（b）損壞邊界線的形成把垂直線（速度邊界線）與水平線（加速度邊界線）連接起來就可以畫出損壞邊界曲線。兩條直線相交的角實際上是圓角而不是直角。在大多數(shù)情況下用直角就行了，在特殊情況下要通過附加試驗來確定角的形狀。圖2—7—6（b）所示為用上述方法畫出的典型的損壞邊界曲線。從曲線圖可看出兩點(diǎn)：（1） 若產(chǎn)品經(jīng)受的速度低于臨界速度，則不需要緩沖防震；（2） 若產(chǎn)品將要經(jīng)受的速度高于臨界速度，則應(yīng)設(shè)計防震緩沖墊，使其傳輸?shù)募铀俣鹊陀谂R界加速度值。在產(chǎn)品可能以任意一邊跌落的大多數(shù)情況下，應(yīng)分別在三個坐標(biāo)軸進(jìn)行試驗，確定出六個損壞邊界。（三）確定產(chǎn)品的臨界共振頻率一般認(rèn)為，穩(wěn)態(tài)振動環(huán)境是屬于幅度很低的加速度，由于是非共振慣性載荷，所以不會產(chǎn)生破壞作用。當(dāng)一種產(chǎn)品的某些零部件具備可為環(huán)境激發(fā)的固有頻率時，就具有了發(fā)生損壞的可能性。如果產(chǎn)生的共振充分、長久，零部件的加速度和位移就可能增強(qiáng)到破壞的程度。產(chǎn)品或零部件對輸入振動的響應(yīng)，可用與圖2—7—8所示的曲線來表示。由圖2—7—8可知，在頻率極低時，響應(yīng)加速度與輸入加速度相同。當(dāng)頻率極高時，響應(yīng)加速度比輸入加速度小得多。在中間范圍，響應(yīng)加速度可能是輸入值的許多倍，這是最可能發(fā)生損壞的頻率范圍。產(chǎn)品和零部件的共振頻率是靠試驗確定的。共振試驗在振動試驗機(jī)上進(jìn)行。試驗機(jī)由振動臺和加振裝置組成，振動可以是上下方向或上下和水平兩方向。振動波形一般采取正弦波，最大加速度可達(dá)1g以上，頻率可以連續(xù)變化，一般在2?10Hz的范圍。將待試產(chǎn)品固定在振動臺上，按照所選定的加速度 頻率曲線使其經(jīng)受上下方向振動。改變頻率，觀察產(chǎn)品是否發(fā)生共振。一般需在三個坐標(biāo)軸上分別試驗，記錄下三組臨界頻率。選擇合適的防震緩沖墊前兩步是把沖擊和振動過程分開考慮的，考慮實際情況，必須把兩者兼顧，以設(shè)計出對沖擊和振動都可以起到良好防護(hù)的防震緩沖墊。應(yīng)用緩沖曲線時，要同時采用沖擊緩沖曲線和振動傳輸數(shù)據(jù)。(1)沖擊緩沖曲線，系指最大的傳輸沖擊加速度和靜態(tài)應(yīng)力的關(guān)系曲線。圖2-7-7所示為聚乙烯的沖擊緩沖曲線，它表示在不同靜態(tài)應(yīng)力值的情況下由各種不同厚度的聚乙烯防震緩沖墊傳輸?shù)募铀俣确逯?。靜態(tài)應(yīng)力指單位緩沖墊面積上承受的包裝產(chǎn)品重量。為了選用最經(jīng)濟(jì)的防震緩沖墊，應(yīng)當(dāng)選用與在第一步中選擇的跌落高度相同的跌落高度緩沖曲線，根據(jù)這些曲線選擇防震緩沖墊的類型與厚度，以便將傳輸加速度峰值限制到等于或低于在第二步的易損性試驗過程中確定的損壞g值。此外，采用什么結(jié)構(gòu)的抗震緩沖墊，要以既安全又經(jīng)濟(jì)為原則。主要結(jié)構(gòu)如上節(jié)所述，有全面防震結(jié)構(gòu)和部分防震結(jié)構(gòu)。主要的緩沖材料都有現(xiàn)成的曲線可查，對那些沒有的，可以進(jìn)行動態(tài)緩沖試驗，得到一系列數(shù)據(jù)，繪制其緩沖曲線。試驗時應(yīng)用垂直跌落試驗機(jī)與沖擊試驗機(jī)，采用一個可調(diào)重物的滑塊，調(diào)好跌落高度。在跌落重物上裝上速度計，以便在沖擊時記錄加速度脈沖。每次試驗產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，加速度峰值由示波器直接讀出，或從波形分析儀讀出。靜態(tài)應(yīng)力是由滑塊重量除以緩沖面積得到的。對每一防震緩沖墊的厚度與跌落高度，記錄下相對于不同靜態(tài)應(yīng)力載荷的傳輸加速度峰值的數(shù)據(jù)點(diǎn)，作為緩制緩沖曲線的依據(jù)。（2）振動傳輸率數(shù)據(jù)，系指固有振動頻率和靜態(tài)應(yīng)力的關(guān)系曲線，圖2—7—8為在產(chǎn)品的臨界頻率時用抗振緩沖墊減小振動的實例。圖中的頻率是指產(chǎn)品和抗震緩沖墊組合的固有頻率。在選用最合理的抗震緩沖墊時，應(yīng)努力求出一種類型、結(jié)構(gòu)和厚度，它所產(chǎn)生的固有頻率不會超過在第二步中所確定的最低臨界共振頻率的一半，這樣就可以保證在臨界頻率時出現(xiàn)合理的振動衰減量。如果如圖2—7—8所示那樣，產(chǎn)品和抗震緩沖組合的響應(yīng)曲線在15Hz時達(dá)峰值，當(dāng)在臨界頻率時對產(chǎn)品的輸入減小60%，如果有更高的臨界頻率，則向產(chǎn)品的輸入會更小。Lil2rV時芯應(yīng)力儡呼山圖2-7-7聚乙烯的沖擊緩沖曲線（聚乙烯比重0.031kg/dm3,跌落高度91.5cm）圖2—7—8在產(chǎn)品臨界頻率時用緩沖墊減小振動的實例然而，如圖2-7-8所示的曲線通常是得不到的，在大多數(shù)情況下，必須自己動手進(jìn)行試驗以獲得可靠的緩沖振動數(shù)據(jù)。把抗震緩沖材料安裝在振動機(jī)上，以不同的靜態(tài)應(yīng)力值，監(jiān)控工作臺和重物的加速度，就可以在頻率掃描過程中產(chǎn)生與圖2-7-8類似的曲線，然后可以記錄作為靜態(tài)應(yīng)力下函數(shù)的固有頻率。應(yīng)當(dāng)注意，抗震緩沖墊的設(shè)計必須同時滿足沖擊與振動的要求，在任何給定的抗震緩沖墊與靜態(tài)應(yīng)力值的情況下，都必須檢查這兩組數(shù)據(jù)，以保證傳輸?shù)膅值與固有頻率都符合要求。有時，因為易損性g值或臨界頻率太低(或全低)，使得設(shè)計很困難。這時，必須將設(shè)計的防護(hù)水平犧牲到一定程度或者采用更加徹底的包裝。在不少情況下，為了降低總成本，要對產(chǎn)品堅固性等加以改進(jìn)。五、設(shè)計和制造原型包裝設(shè)計和制造原型包裝的依據(jù)有以下幾項：獲取并確定相關(guān)資料；包裝材料的經(jīng)濟(jì)性；需要考慮的其他保護(hù)問題；特殊的裝運(yùn)要求；包裝封閉結(jié)構(gòu)及其他特殊問題。原型包裝應(yīng)當(dāng)非常接近預(yù)定的最后包裝，材料、封閉、尺寸、重量等都要與最后包裝一樣。這樣就可以確保試驗的原則包裝確實足最后包裝的代表性樣品。理想的情況是原型包裝在試驗時顯示的特性與最后包裝所期望的相同。原型包裝要制造一定數(shù)量，以備多次試驗用。六、試驗原型包裝是試驗裝有產(chǎn)品的原型包裝，以證明是否達(dá)到了預(yù)期的效果。要知道，為了簡便，在前幾步的設(shè)計中忽略了很多本應(yīng)考慮的變量，例如防震緩沖墊形狀、側(cè)墊的摩擦、底墊的密封等等，因此，必須要對原型包裝進(jìn)行試驗。（一） 沖擊試驗就傳輸?shù)募铀俣确逯刀?，平直跌落是最?yán)重的，因此，要用平直跌落來試驗原型包裝。不加引導(dǎo)很難使包裝重復(fù)地平直跌落，產(chǎn)生真正平直跌落的最準(zhǔn)確而且也是可以重復(fù)的方法，是把包裝件放在沖擊試驗機(jī)的沖擊臺上，當(dāng)沖擊臺碰到程序裝置時，沖擊臺連同包裝件就跌落并發(fā)生極快的速度變化。這種速度變化試驗叫做步進(jìn)速度試驗。所采用的沖擊機(jī)可以和易損性試驗所用的相同，不同的是采用不同的沖擊程序裝置。該程序裝置產(chǎn)生短時間（2ms或更短）的沖擊脈沖。包裝件對這些短脈沖的響應(yīng)，類似于容器自由平直跌落在堅硬地面上時受到的近乎瞬時的速度變化。另外，在沖擊臺上應(yīng)裝有儀表以觀察輸入的速度變化是否正確，也應(yīng)當(dāng)在包裝產(chǎn)品上設(shè)置加速度計，用以確定由防震緩沖墊傳輸?shù)姆逯礸值是否仍在易損性極限內(nèi)。在包裝件可能以其任何一邊跌落時的大多數(shù)情況下，應(yīng)當(dāng)在三個坐標(biāo)軸的每個軸的兩個方向進(jìn)行試驗，總共進(jìn)行六次。進(jìn)行步進(jìn)速度試驗時，先將沖擊機(jī)上的跌落高度調(diào)定在希望的高度，然后使沖擊臺升起并跌落。它沖擊回彈，又由回彈制動器使其停止；記錄傳到包裝產(chǎn)品的加速度脈沖和沖擊臺的速度變化，檢查產(chǎn)品，確定包裝是否能起到保護(hù)作用。該試驗可重復(fù)多次，以便獲得多種結(jié)果。（二） 振動試驗先使包裝件承受在預(yù)定的加速度值時的一系列頻率掃描，然后觀察共振頻率時的停止試驗。因