运输包装学第6章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6.2~8.0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。kxF1.1线弹性材料kxFEAkTE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)2(20xdtgdkFbbk0为曲线在x→0时的斜率，称初始弹性系数；db为材料的形变极限，在x→db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000FxkthFF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30xxkFk0为初始弹性系数，γ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（γ0）或越软（γ0）。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21xxxkxF21111kkkAkTETEAk2211ETETET122121TETETEEE(1)E的大小(2)E的范围设有＞设＜即E2EE1122121TETETEEE2121112121ETETEETETETEE122121TETETEEE1221122221ETETEETETETEE21EEEE2EE121EE2.1.2非线弹性材料非线弹性材料，弹性系数k随应力状态而变化——根据两种材料的应力应变曲线——求出组合应力应变曲线——采用选点法、剩差法或最小二乘法求初始弹性系数。(1)面积相同，厚度不同的材料串联21xxxTxTxTx21222111TxTTTxTTTx21ε1、ε2分别为两种材料各自的应变；α、β分别为两种材料各自的厚度占总厚度的比值，故：α+β=1（1）在图线上连接同一应力坐标下曲线（1）和曲线（2）上的对应点，得线段aaˊ，bbˊ，ccˊ，……；（2）将各线段按β：α的比例分割；——哪一段是α？（3）把各分割点联成平滑的曲线，也就是组合后的应力—应变曲线。αβ（1）（2）12或（2）不同面积的串联组合（较软的材料嵌在基础衬垫的中间）•外力作用下，两种材料同时变形•由于材料(2)很软，很快达到极限变形量xb，此时的变形量2.2缓冲材料的并列21xxxxbxx1A=A1+A22.2.1线弹性材料21FFF21kkkTEAkEA=E1A1+E2A2根据定义：AAEAEE2211或假设E1E2E＞E＜22212EAAEAE12111EAAEAEE2EE1结论（针对线弹性材料而言）：⑴组合设计的缓冲效果（无论是叠置还是并列），其对应的等效弹性模量与两种原始材料的弹性模量有关，数值大小介于两者之间。⑵等效弹性模量的大小与两种原始材料的结构尺寸有关，通过改变原始材料的结构尺寸有关，可以使等效弹性模量的数值在取值范围内连续变化。2.2.2非线弹性材料（1）相同厚度的两种非线弹性材料组合21FFFAFAFAF21222111AFAAAFAAAF21α、β分别为两种材料各自的受力面积占总受力面积的比值，α+β=1。（1）在图线上连接同一应变坐标下曲线（1）和曲线（2）上的对应点，得线段aaˊ，bbˊ，ccˊ，……；（2）将各线段按β：α的比例分割；——哪一段是α？为什么？（3）把各分割点联成平滑的曲线，也就是组合后的应力—应变曲线。21或βα（2）不同厚度的两种非线弹性材料并联(1)(2)厚度差abcabcxF(1)(2)•材料受压时，材料（1）先变形，t相等时，材料（2）才开始变形；•曲线（2）的起点在变形量上要滞后一定距离（等于厚度差）；•两种材料共同受压时，承载面积扩大，意味着负荷承载能力提高，为两种材料负荷承载能力之和：2211AAF结论（针对非线弹性材料）：⑴对同一种材料的应力应变曲线是相同，其形状不受结构尺寸变化的影响，组合后的应力应变曲线与原材料的应力应变曲线有关，还与原始材料的结构尺寸有关。改变原始材料的结构改变组合后的应力应变曲线。⑵面积相同，厚度不同的材料串联应力应变曲线介于两种原始材料厚度相同，面积不同的材料并列的应力应变曲线之间。[例]已知受力面积为5cm2、厚度为4cm的两种方形缓冲材料，其力—形变表达式分别为F1=2x1+0.12x13，F2=3x2+0.32x23设计这两种材料的并列放置，其中材料1的受力面积为3cm2，材料2的受力面积为2cm2，总的受力面积为5cm2。求组合后的力—形变表达式。解：原题给的两种材料的力—形变表达式反映了受力面积为5cm2时材料的力学状态，它与组合后两种材料分别参与的受力面积不同。前面已经讨论过，材料的力—形变性质与结构尺寸有关，所以不能直接利用前面的结论。首先，根据已知条件，先求两种非线弹性材料的应力—应变表达式：σ1=F1/Aσ2=F2/A式中：A=5cm2212211AAAA222211AFAAFAAF2211FAAFAAF)32.03(52)12.02(5333xxxxF32.04.2xxF考虑到应力—应变性质与材料的结构尺寸无关，在组合前后材料的应力—应变表达式不变。组合后的应力为：式中A1=3cm2，A2=2cm2组合后的力表达式为：考虑到并列放置后，两种材料的形变相同，即x1=x2=x，可得3缓冲特性与缓冲系数3.1缓冲效率（1）（2）理想缓冲效率FTEFTE/TE——单位厚度缓冲材料吸收的能量xFdxE0——缓冲材料在力F作用下的变形能EbbFdEFdE/db——材料的变形极限，超过这个极限，缓冲材料就会失去弹性＜1bbdTddb´是一个与材料的结构尺寸无关的常量（3）选择缓冲材料的原则：•单位体积的吸收能要大；•材料给予内装产品的作用力要小。要求缓冲效率要大缓冲效率与材料的力学特性有关，不同的材料有不同的缓冲效率。缓冲效率还是形变的函数，同一材料在不同的变形量时的缓冲效率是不同的。对于线弹性材料：正切型弹性材料：双曲正切型弹性材料：三次函数型弹性材料：kxF221kxEbdx2)(5.0maxbdxbbdxtgdkF220bbdxdkE2cosln4220bbdxtgdx22cosln2)7.0(256.0maxbdx000tanhFxkFF00020cothlnFxkkFE000000tanhcothlnFxkkdFxkFb000000tanhcothlnmaxFdkkdFdkFbbb30xkF4204121xxkE)(422040xkdxxkb)()(42max2030bbbdxdkdkth,tanh——双曲正切coth——双曲余切3.2缓冲系数EFTC1静态缓冲系数(静态试验法)动态缓冲系数(动态试验法)缓冲系数越小越好3.2.1静态缓冲系数（1）试验设备：万能试验机（2）目的：测定材料的力形变曲线求缓冲系数；（3）基本步骤：•上压板速度为12±3mm/min，接近静力；•测量并记录应变量及其增量；•测量并记录与相应的应力及其增量；•求各压力区段的变形能的增量及其累计值；•计算比值，得缓冲系数C。00TdAFdxEx0dATE0dATATEFTC0dCeC0de在σ、e和ε三个变量中，只有一个变量是独立的EEe/)()(21nE●缓冲系数曲线•根据试验结果，取C为纵坐标，σ为横坐标，绘制缓冲系数——最大应力曲线（C-）；•取C为纵坐标，ε为横坐标，绘制缓冲系数——应变量曲线（C-ε）；•取C为纵坐标，E为横坐标，绘制缓冲系数——变形能曲线（C-E）。m①发泡聚苯乙烯（比重0.014）②发泡聚苯乙烯（比重0.020）③发泡聚苯乙烯（比重0.033）④发泡聚苯乙烯（比重0.035）⑤人造纤维100（比重0.050）⑥人造纤维150（比重0.060）⑦人造纤维200（比重0.080）⑧聚氨酯泡沫（比重0.03）⑨聚氨酯泡沫醚