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第一章缓冲防震在包装行业中经常习惯使用“防震包装”一说，实际此说法并不妥当，特别是用于EPS包装产品。因为EPS包装不是防震、更主要的是防止冲击所造成的商品损坏。确切地说，EPS包装能减少冲击所造成的外力影响，并在一定条件下(如一定的跌落高度、运输条件等)起到保护商品的作用。因此，将习惯上称之为EPS防震包装”，改称为“EPS缓冲包装”更为符合实际情况，也能与国外的名称(Cushioning)统一。至于“习惯成自然”则另当别论，但至少应该明确的是包装的主要功能是缓冲。当然，EPS的防震作用也是存在的。相对地讲，EPS包装是一种受压时变形量较大，而消除外力后回弹量(即弹性)较小的一种泡沫塑料。其防震性能明显地优于刚性较大的其它防震材料，如金属弹簧等。一般地讲，只要能满足缓冲条件(个别的、在一定条件内的冲击)，对于振幅不大、不在共振频率范围内的震动是可以不予考虑的。因此，包装设计重点是要解决EPS包装的缓冲问题。进行EPS的包装设计，首先要明确的是：怎样的包装厚度和缓种面积昀为合适，这就是本章所要解决的问题。为了便于研究，我们先讨论EPS缓冲包装的理论基础。第一节缓冲包装设计的理论基础我们知道，飞机着陆时有个落地速度，为了减少飞机和机场跑道的冲力，除了减小飞机的落地分速度外，飞机上必须安装缓冲器。缓冲器的主要作用，是使飞机与跑道接触时，减少冲击力。当然，飞机的充气轮胎本身就有缓冲作用。而缓冲器内原有一定压力的压缩空气，更可以在着落的瞬间被进一步压缩，从而大大地减少了飞机的冲击力，从而保证飞机的着陆安全。但是，缓冲器被压缩以后，随着飞机落地分速度的减小，缓冲器内压缩空气贮藏的能量会释放出来。缓冲器就象是一根被压缩的弹簧。这样光有缓冲器的飞机，着落以后会产生严重的颠簸。所以，现代飞机被安装上缓冲防震器。其一般防震的原理是，让缓冲器中装有压缩空气和液压油。在压缩过程中，缓冲防震器的液压油通过大孔，比较容易压缩其中的空气，而在膨胀过程中，液压油只能通过小孔，从而阻缓了缓冲防震器的膨胀过程。由于液压油通过小孔，液压油受磨擦阻力的作用而升温。这样，实际是将飞机着陆过程中的动能变成热能散发到空气中去。飞机上的“缓冲防震器”就是如此来保证飞机着落时具有良好的缓冲、防震性能的。产品的跌落过程同飞机的着落有相同之处。为了研究问题的方便，我们有必要了解缓冲和防震这两个概念。一、防止产损坏的两个概念1．缓冲：设法减少产品的冲击力。正如飞机必定要着陆一样，产品在运输和储存过程中，总是难免要受到不同程度的碰撞。根据牛顿力学的原理，产品所受到的冲击力F的大小与其本身的质量m和其速度的变化率即加速度a成正比。即：F=ma第6页共45页显然，通常情况下，冲击力并不大。但是当产品以一定速度与其他物品相碰撞时，其速度变化很大，有时产品还会即刻停止运动，甚至以反向速度回弹，这时产品就会受到很大的冲击力。更为常见的现象是产品在运输过程中碰到跌落现象。若设跌落碰撞前，产品的瞬时速度为V。若把产品的跌落过程看作是自由落体，那末产品碰撞前的速度V与其跌落高度h有关，即：其中g为重力加速度。在碰撞的一刹那，产品速度很快降为零，产品将承受很大的冲击力，这对产品的安全带来极大的危害。对于EPS缓冲包装来说，就是增加冲击作用的时间，使值减小，使冲击力减小，从而可以保证产品在一定的跌落高度内免遭损坏。因为跌落高度过高，产品跌落着地的速度将增加，从而增加了冲击力。目前，我们广泛地采用EPS[可发性聚苯乙烯)、EPE(可发性聚乙烯)、PU(聚氨酯)、PVC(聚氯乙烯)等发泡塑料用作缓冲包装材料，而EPS因其成型工艺简单、价格低廉而使用昀为广泛。除了上述泡沫塑料外，凡是能增加冲击时间的包装材料，如瓦楞纸箱、气垫簿膜等，都可算作缓冲包装材料的范围。2．防振：增加产品受振动时的阻尼。产品在实际运输过程中，难免要受到颠颇。例如在汽车、火车、轮船等运输过程中，飞机在飞行和着陆滑行过程中，产品被装进这些运输工具，都将受到振动。若产品有缓冲性好的包装，就不仅能减少冲击力，也具备丁防振的作用。当然，不可能通过缓冲包装将振动的能量全部吸收，但是缓冲包装能够通过它的变形而起到阻尼的作用，使产品免受振动的危害。EPS缓冲包装和瓦楞纸箱组合以后，更具有较好的缓冲效果，同时这也使其增添部分减损效果。对EPS缓冲包装而言，适当增加缓冲厚度，当然能增加其缓冲效果。但是，在保持原先的缓冲厚度时，若适当增加一些“筋条”或“肋板”的数量(缓冲面积保持原先的数值)EPS缓冲包装的防振性也能得到增强。当然由于受到成型工艺和模具制造等各方面条件的限制，EPS缓冲包装的筋条或肋板数量增加是有限的。实际经验和理论分析都证明，在一般情况下，振动对产品的损害并不严重。特别是对EPS那种能产生较大变形的缓冲包装。所以，我们对防损的因素可不作重点考虑，而主要研究EPS包装的缓冲。为此，我们必须对EPS缓冲包装作跌落试验，以证实其缓冲效果。二、缓冲包装设计中的两个参数为了研究问题方便起见，我们有必要提出两个参数：载荷因素和跌落高度。1．载荷因素(Loadingfactor)定义：产品所受到的作用力与其自身的重力之间的比值。用G作代号。*筋条是指EPS包装缓冲垫的外侧凸起部分。**肋板是指EPS包装缓冲垫的内侧凸起部分。第7页共45页从公式(1—3)可以看出，载荷因素G值只与其本身的运动方向的改变和速度大小的变化率有关，与产品的质量无关，而重力加速度g值可理解为一个常数。换句话说，产品在改变其运动方向或速度，都存在着载荷因素。对飞机来讲，其设计载荷因素是个非常重要的参数，它直接从飞机结构强度上限制了飞行速度、转弯半径、爬高和俯冲速度。如果飞行员操纵不慎。而使飞机的载荷因素超过其设计载荷因素，那将严重威胁飞行安全。同样道理，产品也有个“设计载荷因素”问题，即“脆值”问题。为了引出概念，我们将产品象飞机一样，作垂直水平面的匀速圆周运动。见图l—1。其中：R为圆周半径；V为运动线速度；ω为运动角速度；m为产品质量；这样，产品除了受重力作用以外，还受到向心力的作用,其中重力为mg，向心力为或mω2R。根据载荷因素的定义，则其G值为：我们规定，当G值足够大到能将产品损坏时，此时的G值，即产品能承受的昀大G值，简写为Gmax。在包装行业中，称Gmax为产品的脆值。在以后的论述中，产品的G值，即指该产品的昀大裁荷因素，也就是该产品的脆值。显然，我们在设计EPS缓冲包装时，首先需要了解产品本身所具有的脆值。其值愈大，则说明产品本身“愈结实”，即其抗冲击力、抗撞击力的能力愈大。而EPS缓冲包装的任务，就应在一定的条件(如某个跌落高度内)下，使实际产生的G值不超过产品本身的脆值(Gmax或G)。这样，我们可以认为这种缓冲包装是安全有效的。还需指出，上述用垂直水平面上的圆周运动所得出的产品载荷因素公式(1—3)，只是一个特殊形式，它可帮助我们引出和理解“脆值”概念。我们也可将各类产品作这样的试验，从产品损坏时的线速度或角速度，以及圆周运动的半径，直接得出该产品昀大载荷因素(脆值)。显然，要做这样的试验也是较困难的。在实际使用中，我们往往做跌落试验。因为在绝大多数的情况下，产品真正受到的作用力，通常是产品在跌落时受到的冲击力，而与其他物体相撞时所受的撞击力比较小。所以，跌落试验是我们鉴定产品脆位和缓冲包装能达到的G值的主要试验手段。2．跌落高度(Dropheight)定义：产品在跌落过程中(通常理解成自由落体)，所走道的路程。如上所述，产品的跌落高度越大，其所受的冲击力也越大。在我们设计EPS缓冲包装时，必须根据产品的实际情况，以及产品的运输条件，确定一个第8页共45页合理的跌落高度h。因此，产品跌落高度h值，我们也可理解成人为的因素。所谓合理的跌落高度h值，本质上就是该值能够比较符合运输过程中的实际情况。若我们将产品跌落高度h值定得过低，说明我们对人为条件要求铰为苛刻，而实际的运输条件并不能做到。这样，显然耍危及产品的安全，是不可取的。若我们将产品跌落高度h值定得过高，说明我们对人为条件要求放松，在实际运输中，产品安全也更有保证。但是这必然使我们增加EPS缓冲包装的缓冲厚度，从而增加缓冲包装的成本和体积。因此，将h值定得过份高，也会给缓冲包装设计带来困难，也是不可取的。综上所述，产品在多数情况下，它主要是由跌落时所受的冲击力而损坏的。故产品的脆值也可写为：其中，反映了碰撞过程中的速度变化量，Δt是产品在跌落着地前一瞬间到第一次着地后所经历的时间。由此可见，由跌落撞击造造成的G值，与跃落高度的平方根成正比，而与作用时间成反比。其中，作用时间是与商品本身、缓冲包装的性能和冲击面的特点直接有关。其中，跌落着地的地面性质不同(软硬程度不同)，产品跌落所产生的G值是明显不同的。不仅如此，即便在跌落试验条件相同的情况下，产品的各个部位着地，其跌落的G值也是不相同的。当然，在产品的实际过程中．产品可能受损的情况就更复杂。但是，产品跌落受损是较常见的，所造成的损坏也较为严重。故用跌落试验的方法，仍不失为一个简单而又较符合实际的试验方法．三、保护产品的两条途径保护产品的责任首先是建立在良好的产品上，若产品本身过于娇嫩，则脱离了运输和包装的实际情况。但是运输部门若是“野蛮装卸”，光依靠缓冲包装去保护产品，这也是劳命伤财、不切实际的。下面从两个侧面来讨论保护产品的途径：1．产品制造者和运输者的职责(1)作为产品制造者，当然要尽可能提高其产品内部结构和外壳的可靠性，即要提高产品本身的脆值(G)。产品总体是由其各个部件所组成。显然，各个部件的G值都不相同。特别在经过跌落试验以后，我们可找出产品的昀薄弱环节，改进设计，以小的代价，对部分部件进行修正，从而能提高整个产品的G值。产品脆值G的提高，既提高了产品本身的可靠性，也为减少包装成本打下基础，进而也提高了产品的竞争能力。(2)提供良好的运输条件。如前所述，提供良好的运输条件，从本质上讲，就是尽可能降低“跌落高度h值”。这也是人为因素。我们首先提倡轻搬、反对野蛮装卸。当然更重要的是改善运输条件。譬如，减少运输环节，提高运输机械化程度，尽可能采用集装箱运输等，这些措施都可以有效地减少运输过程中产品的损坏率。此外，设计产品外包装时，也要考虑到搬运产品的方便。这些措施，实际上都将降低EPS缓冲包装的跌落高度h值。这不仅能降低包装成本，更重要的是确保了运输过程中产品的安全。总之，产品制造者和运输者尽到了责任，即能为缓冲包装设计提出合理的G值和h值，这样对确保产品质量，降低产品成本都是有利的。昀终都也是维护了消费者的利益。第9页共45页2．提供缓冲性能良好的缓冲包装根据制造者和运输者提出的产品G值和h值，我们要设计制造出能满足上述要求的EPS缓冲包装。当然本书所讲的缓冲包装材料，即EPS泡沫塑料，并对EPS缓冲包装设计提出缓冲厚度和缓冲面积的计算方法，它的计算基本原理也同样适用于其它缓冲包装材料。还需指出，缓冲包装的实际效果，一般可通过跌落试验来寻求。即在一定的跌落高度h上作跌落试验，若实际测出的G值不超过产品本身的脆值，这种缓冲包装就是认可的。第二节缓冲包装设计概要一、EPS缓冲特性曲线下面的缓冲曲线引西德BASF公司。其纵坐标是冲击载荷因素G，单位是比值；而横坐标是表面静负载σ，单位是CN/cm2，，其中CN为百分之一牛顿。产品的跌落高度h与产品包装的缓冲厚度d之间的比值，如40、35、30、28等。每个比值都有一条缓冲曲线与之相对应。这些曲线主要显示：1．b值越小，而d值越大，在同样的静表面负裁下，h/d比值越小，冲击力载荷因素越小，即产品受到的冲击力越小。显然，h值取小，d值取大，这些都要受到客观条件的制约。具体说来，h值取小，说明我们对运输条件要求过分苛刻，实际上并不能做到。而d值超大，则是太耗费材料，并增加包装体积，这同样也不可取。2．在一定的h值和d值的情况下，即h/d比值一定，静表面负载σ对冲击载荷因素G值影响较大。对于具体产品而言，缓冲面积合适是至关重要的。因为此时产品重量是一定的，缓冲面积的大小直接反映出表面静负载的大小