缓冲包装设计

缓冲包装设计主讲教师：高德教授三、缓冲包装衬垫设计一、缓冲包装设计的基本要求四、缓冲包装结构设计二、缓冲包装设计的步骤五、本章小结授课知识点包装动力学的振动与冲击基本理论、缓冲包装材料、产品的脆值及破损边界理论，为进行产品的缓冲包装设计提供了基础。第一节缓冲包装设计的基本要求一、缓冲包装设计考虑的因素在进行产品缓冲包装设计时，应考虑的因素很多，如被包装产品本身的特性、流通环境条件、包装材料的特性、外包装容器和封缄材料的特性、包装技术与方法以及包装产品的性价比等。1.被包装产品特性产品的主要特性包括：脆值、形状、尺寸、体积、重量与重心。2.流通环境因素产品在流通过程中，应考虑运输区间、运输方式、装卸次数、等效跌落高度、冲击方向、气候条件、贮存条件等对产品的影响。3．缓冲包装材料4.外包装容器5.封缄材料的特性;6.包装的工艺性;7.其它包装技术:缓冲性能结构、形状、材质及强度;如防潮、防水、防锈、防尘等。第一节缓冲包装设计的基本要求1.保护性：①减小传递到产品上的冲击、振动外力。②分散作用在产品上的应力。③保护产品的表面及凸起部分。④防止产品相互接触。⑤防止产品在包装容器内移动。⑥保护其它防护包装。2.经济性：包装不足→高破损率，过分包装→高包装成本。3.方便性：方便包装，方便使用，方便处理包装废弃物。4.环保性符合包装与生态相容性及循环经济的要求。二、缓冲包装设计的要求第一节缓冲包装设计的基本要求第二节缓冲包装设计步骤1.一般步骤：①确定环境: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。主要确定运输过程中的冲击和振动。②分析产品:产品脆值;产品固有频率;产品的形状、尺寸、体积、重量、重心，数量等。③缓冲衬垫的设计:对产品提供冲击和振动防护;综合考虑安全、实用、经济等各方面的因素。要了解缓冲材料的力学特性，以及加工的工艺性能和价格等。一．缓冲包装设计的步骤④设计并制作包装件样品:除了缓冲衬垫外，还考虑包装结构、包装材料价格和特殊装运要求等,并进行包装件样品的设计和制造。设计和制造出可以代表最后包装件的样品，供试验用。⑤对包装件样品进行试验设计时进行了简化，只考虑了主要影响因素，忽略了很多次要因素，譬如缓冲衬垫的形状的影响，侧垫的摩擦等等，因此，所设计的缓冲包装在试验和实际中是否真正能获得预期的效果，必须通过实测，才能确认。包括:跌落试验;定频与变频正弦振动试验;随机振动试验.第二节缓冲包装设计步骤2.美国Lansmont公司提出的缓冲包装设计六步法①流通环境的确定②确定产品特性③产品的重新设计④选择缓冲材料⑤包装设计⑥包装件的试验第二节缓冲包装设计步骤三种途径进行缓冲设计，有时需用振动传递率曲线来作防振包装的校核。无论采用哪种方法，对求得的面积和厚度都应进行校核，一般当求得的面积太小，厚度太大时，衬垫在产品冲击力作用下，会产生弯曲变形，因此要采用下列经验公式校核衬垫的稳定性：缓冲包装设计的主要任务是求取缓冲衬垫的面积和厚度，由于缓冲材料的特性大多数呈非线性，应力应变关系往往十分复杂，常用的数值积分法求解加速度时间函数因过于繁琐而不便应用。目前国内外普遍采用:1.缓冲系数与最大应力曲线第三节缓冲包装衬垫设计mCmsG2min(1.33)AT≥2.最大加速度与静应力曲线3.应力应变曲线曲线上查出最低点的C与值。一、缓冲系数与最大应力曲线法三种情况：设计缓冲材料的用量、优选缓冲包装材料、求出最大冲击力和最大加速度1.缓冲材料的用量计算mWHG、、mCmCmmmWGAmCHTG已知及某选定缓冲包装材料的曲线，计算①从②求出缓冲面积：③求出缓冲材料的厚度缓冲材料的合理用量。(1)对缓冲面积的大小无特殊要求，设计过程为：第三节缓冲包装衬垫设计例6-1一重量为10kg的产品,脆值为80g,要保证从60cm的高处跌落而不被损,规定用密度为0.037g/cm3的聚氯乙烯(图4-35⑨)作衬垫,试计算衬垫所需尺寸。解：整理已知条件：W=10,Gm=80,H=60查图4-35,这种聚氯乙烯材料在=1.6×105Pa时有最小缓冲系数,c=3.8,故按式(6-2),承受跌落的负载面积：m603.82.85(cm)80mHTCG25109.880490cm1.610mmWGA（）即本例所求的衬垫尺寸At=490×2.85(cm3)第三节缓冲包装衬垫设计例6-2一质量为9Kg的产品，脆值为50，装入底面积为750cm2的箱内，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:整理已知条件，W=9Kg,G=50g,H=60cm由图4-35④缓冲系数曲线知，最小缓冲系数C=5.7，对应的应力值为m=0.17×l05Pa，故有2m599.8502594cm0.1710mWGA（）第三节缓冲包装衬垫设计显然，此面积大于容器底面积，无法装入容器箱，说明本设计选料不当。若选用密度大一倍的聚氨酯泡沫，则它的最小缓冲系数为C=3.3，对应的最大应力值为m=0.7×l05Pa，此时的承载面积为:2599.850630cm0.710mWGA（）衬垫厚度为:603.33.96(cm)50HTCG校核：22min(1.33)1.333.9627.74AT≥（）所以，缓冲垫的尺寸为A=630cm2；T=3.96cm。第三节缓冲包装衬垫设计例6-3某产品质量为15Kg,脆值Gm=60,包装箱底面积为40×40cm2,设计的跌落高度H=80cm,欲以图4-35所示的密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯泡沫作全面缓冲,试求该衬垫厚度。(2)缓冲面积已给定,在缓冲面积有特殊要求的情况下，可以按下列过程进行包装设计：mmWGAmCmmCHTG①求出最大允许应力②由曲线查得③由缓冲材料厚度求出厚度。对应的C；第三节缓冲包装衬垫设计如果规定用缓冲材料是图4-35中的曲线10，则在横轴上取m=0.55×l05Pa的点，并向上作垂线与曲线10相交，该交点的纵坐标C=9就是所要求的缓冲系数，故衬垫的厚度为：809.012(cm)60HTCG5159.860551250.5510Pa0.16mWGA（Pa）解：作全面缓冲时，衬垫面积等于产品面积，即A=1600cm2。衬垫最大应力为：第三节缓冲包装衬垫设计②在曲线图中，根据所求得的C值作一水平直线，这时可能出现两种情况：（a）水平线与曲线无交点，说明这种缓冲垫厚度T不合要求，可以更换或用多层缓冲垫以增加厚度；（b）水平线与(3)缓冲垫的厚度已给定,则按下面过程进行缓冲包装设计：①由式（6-3）求出缓冲系数GTCHmCmC12、m122mmmWGA在之间的取值都可以，一般取③求出缓冲面积曲线有两个交点和，以减少缓冲面积节省材料第三节缓冲包装衬垫设计例6-4被包装物质量W=25Kg，易损度Gm=40，跌落高度H=70cm，现有缓冲材料的mC曲线如图6-2所示，材料厚T=4cm，要求衬垫面积小于6000cm2，应如何进行缓冲包装设计？图6-2缓冲材料mC曲线第三节缓冲包装衬垫设计解：这个题型是对缓冲面积有特殊要求的。先考虑用一层缓冲垫，则4402.370mTGCH⑴求出缓冲系数224404.5770mTGCH⑵在图6-2中作C=4.57水平线，与曲线交于两点，取50.1210Pam（）第三节缓冲包装衬垫设计⑶求出缓冲面积2240258333cm6000cm0.12mmGWA表明使用二层缓冲衬垫时，缓冲面积至少要求有8333cm2，超过允许值，不符合要求。需用三层衬垫：⑴求出缓冲系数334406.970mTGCH第三节缓冲包装衬垫设计⑵在图6-2中作C=6.9水平线，与曲线交于两点，取50.2810Pam（）⑶求出缓冲面积2240253571cm6000cm0.28mmGWA可见，这时的缓冲面积比允许值小，使用三层缓冲衬垫可满足缓冲包装要求。第三节缓冲包装衬垫设计这里讨论缓冲效果，是以缓冲系数C为最小值作为指标的。对于这类问题，在缓冲包装设计之前，首先要知道缓冲包装材料的已知要求在几种缓冲材料中选出一种，使缓冲效果最佳。mWGH、、mCmmmWGAmCHTG（1）缓冲面积可灵活选择具体的设计过程为：①选择所有曲线中的最小值C，查出对应的②求出缓冲面积③求出缓冲垫厚度2.选择缓冲包装材料曲线。同样，在设计时也会碰到两种情况：缓冲面积可以灵活选择和有特殊要求。确定对应的材料第三节缓冲包装衬垫设计例6-5质量为5kg的一电子产品，用图6-3所示的第2种缓冲材料做衬垫，在运输过程中，产品能承受的最大加速度为30（g），跌落高度为50cm，试设计缓冲包装材料的接触面积和承压厚度。图6-3缓冲系数与最大静应力曲线第三节缓冲包装衬垫设计解：整理已知条件:W=5kg，Gm=30，H=50cm，指定缓冲材料，查图6-3得：最大应力m=7.0kPa时，缓冲系数最小C=4.2。则缓冲面积和衬垫厚度：22359.8300.21(m)2100(cm)7.010mmWGA504.27(cm)30mCHTG第三节缓冲包装衬垫设计②在图中，经过这个求出的最大允许应力mmWGAmCmmCHTG①求出最大允许应力③根据确定的C，求缓冲垫的厚度（2）缓冲面积已给定值，作垂直线，查出最低交点C；设计过程为：第三节缓冲包装衬垫设计例6-6产品质量15kg，易损度30（g），产品面积为2000cm2，跌落高度85cm，拟采用全面缓冲包装，在图6-3中的五种缓冲材料中选用一种，并求出所需厚度。解：这属于缓冲面积已给定的情况⑴求出最大允许应力4159.83022050(Pa)22.05(kPa)200010mmWGA第三节缓冲包装衬垫设计⑵在mC图中，经过这个求出的最大允许应力22.05(kPa)m值，作垂直线，查出最低交点C=5.4；确定使用材料4；⑶根据确定的C，求缓冲垫的厚度5.48515.3(cm)30mCHTG第三节缓冲包装衬垫设计mCmmPAmATCHW已知产品的重量W，跌落高度H，易损度Gm，缓冲材料的曲线，缓冲面积A及缓冲材料厚度T，欲求最大冲击力Pm和最大加速度Gmax，并校核缓冲包装是否符合要求。一般来说，包装产品所受到的最大冲击力可以表示为：又根据缓冲材料跌落过程中能量守恒定律，则：3．最大冲击力Pm和最大加速度Gmaxmax[]mCHAGGTW最大加速度为：第三节缓冲包装衬垫设计例6-7被包装物质量为10kg，易损度G=30，跌落高度H=80cm，采用全面缓冲，且缓冲面积缓冲材料的曲线如图6-4所示，材料厚度T=20cm。试求最大作用力和最大加速度，并校核缓冲包装设计。22000cmAmCmPmG图6-4缓冲材料曲线mC第三节缓冲包装衬垫设计在图6-4上作曲线，与原曲线交于B点，查出B点的坐标值：解：由式（6-5）得mmmHWATC508.9108.0102.02.0550mC55.5,0.1110(Pa)mC则得50.11100.22200(N)mmPAmax220022109.8mmPGGW所以该缓冲包装符合设计要求。B点离曲线最小值点较近，表明缓冲效果好。第三节缓冲包装衬垫设计二、最大加速度与静应力曲线的应用主要问题有三类：（1）缓冲面积已定，要求选取衬垫的厚度；（2）优化缓冲包装材料用料；（3）求解产品跌落冲击时的最大加速度。maxsGstWAmaxsGs已知产品质量W、脆值Gm、跌落高度H及缓冲材料的（1）计算静应力：（2）从相应跌落高度H下的某材料曲线图中查取（3）找出相应的曲线；（4）选定合适的衬垫厚度。1.设计衬垫厚度曲线，对全面缓冲而言，由于缓冲面积已经确定