运输包装缓冲设计ppt课件

第五章第二部分运输包装缓冲设计 1 第一节缓冲包装设计的要求 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 防止产品相互接触 防止产品在包装容器内移动 保护其他防护包装的功能 2 产品的许用脆值 形状 尺寸 重量 体积 重心 数量 流通过程中的环境条件 如运输区间 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 包装材料的特性 外包装容器的结构 形状 材质及强度 封缄材料的特性 包装的工艺性 其他的包装方法 如防潮 防水 防锈 防尘等 二 缓冲包装设计考虑因素 3 三 缓冲包装设计的一般步骤 流通环境确定 产品特性分析 产品的重新设计 选择缓冲材料 包装设计 包装件的测试 缓冲包装设计六步法 4 第二节缓冲包装的一般形式 一 全面缓冲包装法 定义 特点 指包装容器内所剩余的空间 全部用缓冲材料填充固定 对产品周围进行全面保护的方法 一般采用丝状 薄片或粒状的材料 对形状复杂的产品能良好地填塞 适合小批量产品包装 5 全面缓冲包装应用实例 超轻型泡泡粒包装可以迅速均匀地填满各种形状和大小物品周围的全部空间 泡沫衬垫全面包装 气泡衬垫全面包装 发泡袋现场成形包装发泡袋自动充满产品与包装箱之间的空隙形成产品缓冲垫 气垫包装 纸包装 6 二 局部缓冲包装法 7 局部缓冲包装应用实例 纸板局部包装 左右结构 蜂窝纸板局部包装 上下结构 纸板局部包装 前后结构 角衬垫 棱衬垫 8 三 悬浮式缓冲包装法 定义 特点 指用弹簧把被包装物品悬挂在外包装容器内 使包装件在遭受外力作用时 产品在各个方向都能得到缓冲保护 适用于精密 脆弱产品 如大型电子管 制导装置等 外包装容器要坚固 9 悬浮式缓冲包装应用实例 悬空包装使用两层弹性极好且不易滑动的薄膜将产品悬空定位于包装箱 新型充气包装 日本 外面是一种增塑塑料膜袋 无色透明 将产品放入膜袋中后 采用隐形的方式将产品固定 然后密封充气 使产品悬空包装在充气袋中 是高消费产品如化妆品 电子产品等的理想外包装 10 第三节缓冲衬垫设计的基本方法 一 衬垫的初步设计 1 等效跌落高度的确定 根据我国 日本 美国等一些国家的标准 以及一些产品的行业标准来确定跌落高度值 日本标准JISI0202 美国军用标准MIL P 116H 中国标准GB4857 5 84 可根据产品重量 最大尺寸范围 运输条件 由表格直接查到跌落高度值 经验公式法 标准量值法 11 2 产品脆值的确定 1 试验法 2 估算法 3 类比法 冲击试验机 跌落试验机 振动模型估算法 冲击模型估算法 经验估算法 12 3 缓冲材料的缓冲特性 G 1000g 不用缓冲材料 一般的选择原则 特性曲线 缓冲系数 最大应力曲线最大加速度 静应力曲线 13 二 缓冲衬垫尺寸的确定 最小缓冲系数法最省材料设计法 过原点切线法 局部缓冲 常用设计方法 三类基本问题 常用公式 对指定的材料计算尺寸 选择最适当的材料并决定其尺寸 比较不同材料的优劣 1 缓冲系数 最大应力曲线应用 14 确定缓冲材料后 设计步骤如下 对于全面缓冲包装来说 已经确定缓冲衬垫面积等于产品表面积A 只需确定衬垫厚度T 具体求解过程如下 1 由公式求出最大应力 2 找出缓冲系数 最大应力曲线中对应最大应力值的缓冲系数 3 根据公式 求出缓冲衬垫的厚度T 15 确定缓冲材料后 设计步骤如下 对于局部缓冲包装来说 1 在缓冲系数 最大应力曲线上作一条水平切线 则切点对应最大应力和最小缓冲系 2 根据公式 求出缓冲衬垫的厚度T 3 根据公式 求出缓冲衬垫的面积A 16 1 对指定的缓冲包装材料计算尺寸 例 一重力为100N的产品 脆值为80 要保证从60cm的高处跌落而不破损 规定用密度为0 031g cm3的聚氯乙烯作衬垫 试计算衬垫所需尺寸 解 已知W 100N G 80 H 60cm查图5 12 最小缓冲系数C 3 6 对应的最大应力 17 2 选择适当的缓冲包装材料计算尺寸 例 用纸箱做内包装 把一重力为100N 脆值为30的产品装入箱内 用衬垫将它与外包装箱隔开 内装箱每面面积为2000cm2 设定等效跌落高度为60cm 试选择适当的缓冲材料 并计算其尺寸 解 已知W 100N G 30 H 60cm 全面缓包A 2000cm2 查图5 12 当时 材料 密度为0 12g cm3的发泡橡胶 有最小缓冲系数 且C 3 5 因此该设计采用密度为0 12g cm3的发泡橡胶作缓冲衬垫 每块衬垫面积为2000cm2 厚度为7cm 18 3 比较不同材料的优劣 例 一重力为90N 脆值为50的产品欲装入一底面积为750cm2的容器箱内 设定等效跌落高度为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 已知W 90N G 50 H 60cm 查图5 12 密度为0 075g cm3的石棉材料是曲线 最小缓冲系数C 5 7 对应的 19 全面缓冲包装 A已确定 只需求T 1 先求缓冲材料所受的静应力 2 再根据等效跌落高度 查相应的Gm st曲线 找出许用脆值与静应力的交点 若交点位于两条厚度曲线之间 则用内插法确定出缓冲材料厚度T H 40cm T 1cm T 2cm T 3cm 2 最大加速度 静应力曲线应用 20 局部缓冲包装 H 40cm T 1cm T 2cm T 3cm 1 根据 查相应的Gm st曲线 找出许用脆值作水平直线 与曲线有多个交点 2 取厚度较小的缓冲材料可省料 确定 3 脆值与该厚度曲线有两个交点 取 st值大者 可省料 根据确定A 21 1 采用最大加速度 静应力曲线进行全面缓冲包装 例 某产品重150N 脆值为55 允许的跌落高度为60cm 产品为边长25cm的正立方体 拟采用如图所示聚乙烯 EPE 泡沫作全面缓冲包装 试计算衬垫应有的厚度 解 已知W 150N G 55 H 60cm先求静应力 因为H 60cm 查图得 与G 55交点在T 4cm与T 5cm处 用内插法的衬垫应有厚度 T 4 9cm 衬垫面积 A 25 25 625cm2 22 2 采用最大加速度 静应力曲线进行局部缓冲包装 例 某产品重200N 脆值为60 产品底面积为2000cm2 预计跌落高度为50cm 采用如图所示聚乙烯 EPE 泡沫作局部缓冲包装 试计算衬垫尺寸 解 过G 60作水平线 与曲线族相交 取厚度小的曲线进行设计 T 4cm 交于C D两点 D点应力大 省材料面积 23 最小加速度法 对于曲线最低点对应的加速度值最小 缓冲效果更好 产品的安全性更高 则取T 4cm曲线的最低点E点作设计 对应的 局部缓冲包装 采用角垫的形式时 24 作业 一产品质量为12 5kg 脆值为50 流通中的等效跌落高度为75cm 如果采用密度为0 037g cm3的聚乙烯作衬垫 试设计衬垫的尺寸 25 三 缓冲衬垫的校核 1 产品强度校核校核产品在载荷方向上与缓冲材料的接触部分的强度 应力集中 式中 产品许用应力 冲击时最大应力 26 衬垫尺寸的面积与厚度之比超过一定厚度时 衬垫容易挠曲或变弯 大大降低衬垫的负重能力 如图所示 为了避免挠曲 其中最小承载面积Amin与厚度T之比应符合以下规定 克斯特那经验公式 式中 T 厚度 cm A 面积 cm2 2 挠度校核 27 3 跌落姿态改变时缓冲能力校核 28 3 跌落姿态改变时缓冲能力校核 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 M 包装件的长 宽 高分别用来表示 29 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 30 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 31 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 32 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 则三个缓冲面在水平面上的投影面积为 若包装件为立方体 即 则 结果说明 在全面缓冲条件下 角跌落与面跌落相比 角跌落的等效载荷面积要比面跌落大1 73倍左右 33 2 局部缓冲包装角跌落等效面积 产品的长 宽 高分别用来表示 L 一个角衬垫是由3个面积为L2的面衬垫组成 设包装件三个侧面OPAJ OJBM OMNP上衬垫的投影面积分别为 34 2 局部缓冲包装角跌落等效面积 若产品为立方体 则 外包装容器不是刚体 使得传递到各个角衬垫上的作用力不相同 因此在计算角跌落等效面积时就不能简单地乘以4 在1 4之间选择一个合适的系数K 则 问 L2 l b d K表示的含义 35 补 棱跌落时的等效跌落面积 当产品为正方体时 全面缓冲包装 棱跌落的等效跌落面积 它介于面跌落面积与角跌落面积之间 局部缓冲包装 棱跌落的等效跌落面积 同样介于面跌落面积与角跌落面积之间 36 1 全面缓冲包装角跌落等效面积 2 局部缓冲包装角跌落等效面积 结论 37 4 蠕变量的校核缓冲材料在长期的静压力作用下 其塑性变形量会随时间而增大 衬垫尺寸变小 加剧内装产品的振动和摩擦擦伤 缓冲衬垫的缓冲能力有所下降 初步设计的衬垫尺寸应附加一个蠕变补偿值 称为蠕变增量 其大小按下式计算 Tc T 1 Cr 式中 Tc 修正后的厚度cm T 原设计厚度cm Cr 蠕变系数 38 5 温湿度校核环境温度和湿度的变化对衬垫的缓冲能力有明显的影响 应根据流通过程中可能出现的环境条件修正缓冲衬垫的尺寸 39 例 已知一产品重200N 脆值为85 产品为正方体 规定的跌落高度不超过为90cm 采用下图所示特性的材料作局部缓冲 试设计面跌落和角跌落时衬垫所需尺寸 设蠕变量为10 40 解 已知 W 200N G 85g H 90cm Cr 10 局部缓冲采用角衬垫 利用此种材料的最大加速度 静应力曲线 过G 85g作一条水平直线与缓冲曲线相交 取厚度较小的缓冲材料 即T 5cm 得两个交点A B 对应的静应力分别为 为节省材料 取B点进行设计 则 则每个衬垫的承载面积为 41 挠度校核 利用克斯特那经验公式 得 所以角衬垫不会发生弯曲变形 校核通过 角跌落时的等效跌落面积为 取K 1 此时的静应力为 在图中 此静应力值对应的加速度值超过了产品脆值 所以校核不能通过 42 校正办法 取B点对应的静应力 来确定角衬垫角跌落有效面积 则 则面跌落时的承载面积和静应力为 此静应力对应的加速度值小于产品的脆值 43 蠕变量校核 所以角衬垫的厚度T为5 5cm 边长为L15 2cm 44 四 最省材料的缓冲设计方法 过原点切线法 最省材料 即体积V最小 即求V极小值 对V求导 W H是常数 C是的函数 V对求导得 45 假设在曲线上找到这一点满足 则曲线在点的切线方程为 点斜式 仍然满足方程 说明切线过原点 代入原点 0 0 得 46 过原点作的切线 切点 这就是极值点 用料最省 设计时 可在最小缓冲系数与切点处缓冲系数之间选择一个合适点 既满足缓冲要求 又用料较省 过原点切线法 47 例 产品重50N 选用缓冲材料的特性曲线如图6 13所示 等效跌落高度为50cm 许用脆值为40 分别用最小缓冲系数法和过原点切线法确定缓冲衬垫的尺寸 解 用两种方法来求 1 最小缓冲系数法 由曲线可知最小缓冲系数为C 2 4 对应的最大应力为10kPa 那么缓冲衬垫面积为 48 衬垫厚度为 体积为 V AT 2000 3 6000cm3 过原点作曲线的切线 切点坐标为 则缓冲衬垫面积为 2 过原点切线法 厚度为 体积为 V AT 1739 1 3 25 5652cm3 49 作业 1 一产品重量为750N 许用脆值为60 流通中的等效跌落高度为100cm 试选择合适的材料并计算衬垫的尺寸 2 一产品重量为200N 许用脆值为70 流通中的等效跌落高度为95cm 现有密度分别为0 012g cm3和0 025g cm3的聚苯乙烯材料 对应的厚度分别是4cm和5cm 试合理选择材料并设计衬垫的尺寸 50 第四节防振包装设计 一 振动对于包装产品的破坏 1 在共振条件下 产品被激励产生的共振加速度超过产品许用加速度而发生的类似冲击的破损效应 2 在非共振条件下 长时间的循环交变载荷导致包装材料的疲劳老化 而降低其防护功能 3 振动导致产品与缓冲介质 各种包装膜 衬垫 填料 之间的摩擦 使产品表面产生摩痕 擦伤 4 在特定条件下 振动会改变某些产品的结构状态 如 螺纹联结趋松 仪表失灵 某些稀稠物品 食品 药品 化工原料 变稀 影响产品性质和价值 51 二 防振包装设计的基本原则 先按缓冲要求进行设计 再校核其防振能力 三 防振包装设计的目的 调节包装件的固有频率 并选择恰当的阻尼材料 把包装系统对振动的传递率控制在预定的范围内 52 1 当时 没有隔振效果 包装的防振性能主要取决于系统的固有频率和阻尼比 2 在区域内 振幅会被放大 当时系统还会共振 四 振动传递率曲线及其应用 3 在区域内 有隔振效果 且随着的增加隔振效果增大 53 1 线性系统 五 系统的固有频率 已知 54 2 非线性系统 55 六 系统的阻尼系数 受干摩擦和材料本身阻尼系数的影响 通常可以通过试验测定 56 七 防振设计方法 1 求缓冲材料静应力值 2 根据静应力和缓冲材料厚度T 查相应的传递率 频率 特性曲线 并找出该曲线峰值处的传递率和频率 即共振频率 3 确定包装件在频率时的最大加速度 查振动加速度 频率曲线 57 4 计算产品共振时的最大响应加速度 5 产品最大响应加速度应小于产品许用脆值Gg 否则缓冲垫应重新设计 6 若考虑易损件 计算 再校核 58 例1 产品重量为36N 底面尺寸为25 25cm2 许用脆值为30 冲击防护设计采用了全面缓冲方法 选用的缓冲衬垫厚度为5cm 产品在运输中记录的加速度如图所示 缓冲材料的防振性能曲线已知 如下图所示 试校核防振包装是否满足要求 100 59 解 1 先求出材料的静应力 5 包装件的共振频率为46Hz 产品的最大响应加速度为10 2g 小于产品的许用脆值30 所以该缓冲包装设计满足防振包装要求 4 则产品的最大响应加速度为 3 根据振动加速度 频率曲线可知 频率为46Hz时的加速度为1 7g 即包装件在共振时受到振动输入为 2 根据静应力及材料厚度 查出材料的振动传递率 频率特性曲线 曲线峰值对应的频率为 传递率 60 例2 产品重力为300N 底面尺寸为30 30cm2 产品脆弱部件具有25Hz的固有频率 0 02的阻尼比 可承受的最大冲击加速度为45g 冲击防护设计采用了全面缓冲方法 选用的缓冲衬垫厚度为10cm 产品在运输中受到的振动输入如图所示 试确定这样的衬垫能否提供足够的振动防护 61 解 1 先求材料的静应力 2 根据静应力及材料厚度 查出材料的振动传递率 频率曲线 曲线峰值对应的频率为7Hz 传递率为2 5 3 由振动加速度 频率曲线可知 频率为7Hz时的振动输入加速度为1g 4 产品的最大加速度响应为 5 脆弱部件的响应为 该值小于其可承受的最大冲击加速度45g 部件不会损坏 62 6 确定脆弱部件共振时的响应加速度 由振动加速度 频率特性曲线和振动传递率 频率特性曲线可知 在频率25Hz时的振动输入加速度为0 55g 缓冲材料的振动传递率为0 25 则产品的最大加速度响应为 脆弱部件共振时有 脆弱部件的最大响应加速度为 该值小于其可承受的最大冲击加速度45g 部件不会损坏 所以 选定的衬垫能提供足够的振动防护 63 第五节缓冲衬垫结构设计 一 一般缓冲包装方法 全面缓冲包装法 局部缓冲包装法 悬浮式全面缓冲包装法 二 缓冲衬垫结构设计 64 1 受压面积的调整根据产品形状调整受力面积 1 重量大 体积小的产品缓冲材料与产品间用硬质胶合板或纤维板隔开 增大受力面积 2 重量小 体积大的产品将缓冲材料与产品不接触部分挖空 缩小接触面积 65 2 形状不规则物品 防止触底 缓冲材料的厚度 应满足 T d 1 E E为变形量 防止发生冲击时 造成突起物接触箱底的情况 66 预留变形量的缓冲结构 缓冲衬垫受力时会发生变形 突起部分先受力 为避免必须预先留出缓冲材料的变形量 67 3 其它缓冲结构设计 1 有可动部件的机器 应用硬质材料将其他部分固定 2 产品底面四棱只有很窄的受力面积时 为防止产品脱落 应设置长凸筋 3 缓冲材料的凸筋位于产品的外侧缓冲效果好 因为与产品接触面积大 减小冲击应力 68 4 缓冲跨度较大的产品 不要只在两端安放缓冲材料 由于弯曲会发生不良后果 因此要在跨度的中部设置受压的缓冲块 或是两端缓冲块往中央方向延伸1 4以上 69 5 重心偏向一侧的产品 要从前后 左右 上下各个方向分别测定其重心位置 其受压面积要根据重心位置按比例进行分配 6 有突出部分的产品 缓冲材料的厚度应以最外侧到包装容器的内尺寸为准 7 不规则形状的产品可以用模制的衬垫进行缓冲 也可先加固定支撑 再用缓冲材料进行保护 8 大型产品脆弱部件可拆下单独包装 9 产品各方向受到不同载荷时 各方向可采用不同的缓冲包装 70 缓冲包装的一般形式及特点缓冲包装设计的 六步法 缓冲衬垫尺寸确定的方法缓冲衬垫的校核防振包装设计的基本原则和方法缓冲衬垫结构设计时注意的问题 小结 71