緩沖包裝計(jì)算例題.ppt

緩沖包裝 緩沖包裝 為避免產(chǎn)品在流通環(huán)境過程中 因物理因素引起破損而采取的防護(hù)包裝措施 叫做物理防護(hù)包裝工藝 緩沖包裝是物理防護(hù)包裝工藝的一種 緩沖包裝又稱防震包裝 即采用一定的緩沖材料 一定的包裝技術(shù)來吸收沖擊和振動(dòng)的能量 有效地減小傳遞到內(nèi)裝物上的沖擊 并對(duì)振動(dòng)進(jìn)行衰減 防震在各種包裝方法中占據(jù)十分重要的地位 這種包裝方法可使被包裝物免遭沖擊和振動(dòng)破壞 以達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的 如80年代以前 我國(guó)出口的雞蛋破損率在8 左右 最高達(dá)11 而采用緩沖包裝后 破損率可降至1 左右 緩沖包裝也廣泛用于軍工 電子 精密機(jī)械 儀表儀器以及易碎 易爆等產(chǎn)品的包裝 避免了產(chǎn)品在儲(chǔ)運(yùn)過程中的損失 給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的效益 緩沖包裝設(shè)計(jì)程序 一 確定流通環(huán)境的危害程度 二 確定產(chǎn)品脆值 易損性 三 確定緩沖包裝方案 四 選擇合適的緩沖包裝材料 五 設(shè)計(jì)和制造原型包裝 一 確定流通環(huán)境的危害程度 1 跌落高度 研究裝卸過程中的垂直跌落沖擊問題一般地講 跌落高度增加 產(chǎn)生的沖擊力就會(huì)增加 內(nèi)裝物越容易遭受破壞 其規(guī)律如下 包裝件重量 尺寸越大 易發(fā)生跌落的高度越低 機(jī)械搬運(yùn)比人工搬運(yùn)跌落的高度降低 包裝件如有搬運(yùn)手柄 印有易碎標(biāo)記 或印有引起注意的其它標(biāo)記等結(jié)構(gòu)特征時(shí) 跌落高度降低 托盤式集合包裝較單個(gè)包裝件跌落高度降低 跌落次數(shù)減少 2 運(yùn)輸過程的沖擊振動(dòng) 包裝件運(yùn)輸過程中的損壞主要由于振動(dòng)和沖擊造成的 其中 鐵路貨車運(yùn)輸過程中由于路基和鐵軌接頭等的作用會(huì)產(chǎn)生周期振動(dòng) 鐵路運(yùn)輸中的沖擊主要由貨車的編組連掛 加速 減速 剎車或急剎車等引起 公路運(yùn)輸過程中包裝件的損壞主要由于路面狀況 車輛緩沖性能 車速 載重量和載貨方式等原因引起沖擊和振動(dòng)造成的 船舶運(yùn)輸過程中包裝件的損壞主要由堆碼引的壓應(yīng)力造成 一般物貨碼高為6 10m 并受發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿低頻振動(dòng)的影響 另外波浪引起船體上下振動(dòng)和左右搖擺也會(huì)使包裝件產(chǎn)生沖擊和振動(dòng) 船首的沖擊和機(jī)艙的振動(dòng)最為嚴(yán)重 飛機(jī)運(yùn)輸中包裝件的損壞主要由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的高頻振動(dòng) 著陸時(shí)與地面的沖擊或空中氣流的沖擊和振動(dòng)造成 所以 要研究運(yùn)輸過程中的沖擊和振動(dòng)問題 就必須研究各種運(yùn)輸工具產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)破壞最嚴(yán)重的方式及位置 測(cè)定加速度的大小 建立加速度 振動(dòng)頻率的關(guān)系曲線 表1 4 5 6 7 8 9 圖1 5 6 7 8 才能有效地預(yù)防沖擊和振動(dòng)造成的損壞 二 確定產(chǎn)品脆值 易損性 一般產(chǎn)品的脆值可以采用類比法 參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定 新產(chǎn)品則必須使用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)出產(chǎn)品的破損邊界 DBC 曲線來評(píng)估其脆值 一 DBC曲線的確定 1 確定臨界速度變化的邊界線 Vc 產(chǎn)品破損的最低速度變化量 與跌落高度有關(guān) 與沖擊脈沖波形無關(guān) 試驗(yàn) 2 確定臨界加速度邊界線 Gc 與跌落高度無關(guān) 與脈沖波形有關(guān) 試驗(yàn) h 1 6臨界高度 即 上述由 Vc確定的高度 保持高度不變 改變Gm 不斷增加Gm 直至跌落破損 3 沖擊脈沖波形 三種脈沖曲線的垂直邊界線 Vc 都是相同的 但不同脈沖的加速度峰值是變化的 如鋸齒脈沖或半正弦脈沖 損壞邊界難以確定 只有矩形脈沖的邊界 水平線Gc 是確定的 且考慮的范圍 或安全程度 較上述二種脈沖的大 故利用矩形脈沖產(chǎn)生的損壞邊界范圍來確定其它波形的損壞范圍是合理的 陰影區(qū)域 V Vc Gm Gc為破損區(qū) V Vc或Gm Gc為非損壞區(qū)所以 DBC曲線是由三個(gè)參數(shù) Vc Gc和脈沖波形來確定的 在 V Vc Gm Gc區(qū)域需要緩沖包裝 DBC曲線的意義就在于確定產(chǎn)品的易損性 確定是否需要進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計(jì) 除此之外 出于安全考慮 緩沖包裝還要求 二 Gm G Gc n n 1 其中 Gm 產(chǎn)品受到任何沖擊時(shí) 都可能存在一個(gè)比Gc還大的加速度 它取決于產(chǎn)品重量 沖擊速度 緩材特性等 Gm am g Gc 產(chǎn)品脆值 易損度 即產(chǎn)品受到?jīng)_擊和振動(dòng)時(shí)不發(fā)生物理性或功能性損壞 如失效 失靈 商業(yè)性破損 所能承受的最大加速度 Gc ac g ac叫臨界加速度 G 許用脆值 根據(jù)產(chǎn)品的脆值 考慮產(chǎn)品的價(jià)值 強(qiáng)度偏差 重要程度等而規(guī)定的產(chǎn)品許用最大加速度值 G Gc n n 1 右式含義 Gc取決產(chǎn)品 產(chǎn)品一旦確定 Gc就確定了 為常數(shù) 為了保護(hù)產(chǎn)品要限制其臨界加速度 ac 出于安全考慮 產(chǎn)品價(jià)值的考慮 G Gc n n 1 左式含義 緩沖包裝要避免產(chǎn)品承受最大加速度 在跌落高度 沖擊力方面加以控制 所以 Gm應(yīng)小于或等于 G 在一些圖表 曲線上 Gm Gc G 都有可能出現(xiàn) 都代表產(chǎn)品的脆值 三 確定緩沖包裝方案 首先要掌握產(chǎn)品的外形及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 如長(zhǎng) 寬 高或直經(jīng) 高度 重量 重心位置 外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 并確定出產(chǎn)品易損壞的元件或部位 最后決定采用哪一類包裝方法 一般地講 重量 體積較大 搬運(yùn)時(shí)不易跌落的產(chǎn)品 如電冰箱 或精密 貴重 脆值較小 產(chǎn)品采用全面緩沖包裝 見圖3 1 而外形尺寸對(duì)稱 重量分布均勻 G 適中的 如電視機(jī) 產(chǎn)品采用局部緩沖包裝 見圖3 2 四 選擇合適的緩沖包裝材料 以非線性彈性材料 如泡沫塑料為研究對(duì)象 以沖擊實(shí)驗(yàn)獲得的一系列緩沖曲線來計(jì)算緩沖墊的厚度和尺寸 一 緩沖系數(shù) 最大應(yīng)力 C m 曲線的應(yīng)用 該曲線是用靜壓法測(cè)定的 壓力機(jī)以12 3mm min的速度沿緩材厚度方向上逐漸增加壓力 記錄負(fù)荷 變形值 改變材質(zhì)的厚度 測(cè)每一點(diǎn)的C m 然后建立起C m曲線 圖C1 注 緩沖系數(shù) C 作用于緩沖材料上的應(yīng)力與該應(yīng)力下單位體積緩沖材料所吸收的沖擊能量之比 以C表示 C m e m 緩材達(dá)到最大變形量時(shí)所受到的最大應(yīng)力N m2 e 單位體積緩材吸收的能量 J m3 全緩 體積大 笨重 精密貴重 G值很低的都要求全緩 步驟 由公式 m G W A 104 1 式中 m 最大應(yīng)力 KPa G 產(chǎn)品的許用脆值 W 產(chǎn)品的重力 N A 緩沖材料的受力面積 2求 m Kpa A既是產(chǎn)品的底面積 又是緩材的承壓面積 在c m曲線上找對(duì)應(yīng)的 m和c 如果只有一條c m曲線 凹點(diǎn)對(duì)應(yīng)的c最小 若有多條曲線 找凹點(diǎn)最低的一條及對(duì)應(yīng)的c 由公式T C H G 2 計(jì)算緩材的厚 式中 T 厚度 C 緩沖系數(shù) H 等效跌落高度 為了比較流通過程中產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度 將沖擊速度視為自由落體的碰撞速度 由此而推算的自由跌落高度 以H表示 例1產(chǎn)品的重力為100N 底面積為60 40c 等效跌落高為80 產(chǎn)品的許用脆值為50g 選用緩材的c m曲線如圖c1的曲線所示 采用全面緩沖包裝方法 不考慮角墊或邊墊 求需要的緩材厚度 已知 W 100N G 50 g A 60 40 2400 2 m G W A 50 100 2400 104 20 8Kpa在20Kpa垂直線附近有4 5曲線 選4曲線 C 5 2T C H G 5 2 80 50 8 3 局緩 方正 均質(zhì) 體積小 G適中 步驟 在確定的c m曲線上找出凹點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的c及 m 最小緩沖系數(shù) 由公式 2 計(jì)算襯墊厚度 由公式 1 計(jì)算受力面積 例2產(chǎn)品的重力為50N選用的緩材的特性曲線如圖c1的曲線2所示 H 50 G 30g 求材料受力面積和厚度 局部緩沖包裝 解 曲線 2 凹點(diǎn)對(duì)應(yīng)的C 4 5 m 7Kpa則A G W m 104 30 50 7000 104 2143 2T CH G 4 5 50 30 7 5 二 最大加速度 靜應(yīng)力 Gm st 曲線的應(yīng)用 試驗(yàn) 該曲線是用動(dòng)壓法測(cè)定的 先確定H 用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)T1厚度的緩材進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊 通過改變砝碼重量 得到不同的Gm st點(diǎn) 在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制一條Gm st曲線 同理繪制同材 不同厚度 T2 T3等 的若干條Gm st曲線 全緩步驟 由公式 st W A 104 3 式中 st 靜應(yīng)力 Pa 求靜應(yīng)力 st 根據(jù)H確定Gm st曲線在曲線上找 G 與 st的交點(diǎn) 若交點(diǎn)位于兩條厚度之間 可用比例插入法確定緩材的厚度 例3 產(chǎn)品重力為200N 底尺寸為25 25 G 65g 允許的H 90 緩材的特性曲線圖c2所示 采用全面緩沖包裝方法 求緩材厚度 解 已知W 200NA 25 25 G 65 g H 90 st W A 104 200 25 25 104 3 2Kpa在圖c2中 st 3 2Kpa與G 65g的交點(diǎn) A 位于T 5和T 7 5曲線之間 A點(diǎn)距T 5與T 7 5之間的1 3處 用插值法求的緩材的厚度為5 8 局緩步驟 根據(jù)等效跌落高度 H 確定Gm st曲線 以 G 作水平線交曲線 在系列曲線中 不同厚度的曲線 為節(jié)約材料 選厚度小的與曲線兩交點(diǎn)以下 曲線上所有點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Gm值都小于 G 安全 為進(jìn)一步省材 選交點(diǎn)中右邊的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜應(yīng)力 較大 計(jì)算緩沖墊的尺寸較小 三 修正計(jì)算 由上述方法計(jì)算結(jié)果后 還應(yīng)考慮到下列情況 對(duì)計(jì)算結(jié)果給予修正 1 緩沖材料的承受面積與厚度的關(guān)系不滿足 4 式時(shí) 會(huì)使緩沖材料發(fā)生彎曲如圖3 2所示應(yīng)予以修正 Amin 1 33T 2 4 式中 Amin 最小受力面積 2 2 如果已知緩沖材料的蠕變特性 則按下式修正厚度 TC T 1 Cr 5 式中 Tc 修正厚度 Cr 蠕變系數(shù) 例4 產(chǎn)品重力為240N 底面積尺寸為 40 30 G 42g 選材曲線如圖C2 試計(jì)算所需材料的尺寸 局部緩沖 解 st W A 104 240 1200 104 2Kpa在圖C2中 st 2Kpa與 G 42的交點(diǎn)為B 說明曲線上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 st值都將大于B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 st值所以沒有必要進(jìn)行全面緩沖包裝 否則以2Kpa應(yīng)力計(jì)算的緩材尺寸交延伸線或上面任一點(diǎn)計(jì)算的尺寸都大 浪費(fèi) 以 G 做水平線交于C D E F點(diǎn) 選擇厚度小的D E兩點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算 其靜應(yīng)力分別為2 9Kpa 9Kpa 厚度為10 A E W st 104 240 9000 104 267 2A D 827 2 用材最大 受應(yīng)力最小 采用邊墊或角墊的緩材結(jié)構(gòu)時(shí) 應(yīng)滿足下式 Amin 1 33T 2 177 21 4A E 267 4177 2所以可以采用各襯墊受力面積之和在267 837 2之間 各襯墊的受力面積大于177 2的邊墊或角墊結(jié)構(gòu) 選擇D點(diǎn) 四 振動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)方法 緩沖包裝一般首先考慮沖擊防護(hù) 設(shè)計(jì)完畢的沖擊防護(hù)包裝 還應(yīng)按下述方法進(jìn)行正確的振動(dòng)防護(hù)包裝設(shè)計(jì) 1 按公式 3 計(jì)算緩沖材料的靜應(yīng)力 2 找出靜應(yīng)力值所對(duì)應(yīng)的緩沖材料振動(dòng)傳遞率 頻率特性曲線 并求出該曲線的峰值所對(duì)應(yīng)傳遞率 及頻率fn 3 確定在流通過程中包裝件在頻率fn時(shí)所受到的最大振動(dòng)加速度 4 計(jì)算產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度 見下圖 ap as 8 式中ap 產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度 as 包裝件在頻率fn時(shí)受到的最大加速度 TR Tr 緩沖材料在頻率為fn時(shí)的振動(dòng)傳遞率 5 產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度應(yīng)小于產(chǎn)品的許用脆值 如果不滿足這個(gè)條件應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì) 6 當(dāng)產(chǎn)品的最大響應(yīng)加速度小于并接近產(chǎn)品的許用脆值時(shí) 由于振動(dòng)加速度的反復(fù)作用 導(dǎo)致產(chǎn)品疲勞損壞或降低緩材性能時(shí) 應(yīng)重新設(shè)計(jì) 7 確定脆弱部件共振時(shí)的響應(yīng)加速度 例 某產(chǎn)品質(zhì)量為10 2kg 橡膠墊的動(dòng)態(tài)曲線見圖 經(jīng)初步計(jì)算的承受面積為118cm2 產(chǎn)品的脆值為50g 產(chǎn)品的固有頻率為45HZ 包裝件的跌落高度為60cm 問產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中是否會(huì)有破損 沖擊 振動(dòng) 解 st 10 2x9 81 118x104 8 3kpa 見圖 8 3kpa垂直線交曲線 其交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加速度值為49g 50g 橡膠墊吸收沖擊能量效果明顯 從60cm高處跌落 產(chǎn)品不會(huì)破損 建a a0曲線 并分析 圖 橡膠墊振動(dòng)放大 衰減曲線與靜應(yīng)力8 3kpa的交點(diǎn)表明 運(yùn)輸過程中激振頻率引起緩材振動(dòng)頻率在三個(gè)不同區(qū)域內(nèi)變化 1 1區(qū) f50HZ 振動(dòng)衰減 此時(shí)可理解為緩沖效果明顯 a a0 產(chǎn)品亦不會(huì)因振動(dòng)造成損壞 放大區(qū) f 18 50HZ 正好與產(chǎn)品 緩材的固有頻率 45HZ 相近 運(yùn)輸里程中的激振首先引起緩材的共振 然后引起產(chǎn)品的共振 使振動(dòng)外力放大 a amax ap ap as Tr為最大值 產(chǎn)品極易損壞 解決方法 a 更換緩材 選擇其固有頻率與產(chǎn)品固有頻率 45HZ 相差較大的緩材 以吸收更多的振動(dòng)能量 b 調(diào)整緩材的承載面積 使緩材的靜應(yīng)力發(fā)生變化 若把靜應(yīng)力增加至10kpa 實(shí)際為減少緩材的承載面積 在圖中 若 st 10kpa 交點(diǎn)處加速度值為46g 仍小于50g 沖擊安全 在圖中 放大區(qū)頻率16 40HZ 雖然該應(yīng)力下的激振頻率仍然能引起緩材共振 但與產(chǎn)品的固有頻率有一定差距 產(chǎn)品的a0沒有達(dá)到最大響應(yīng)加速度 緩材的共振并未引起產(chǎn)品的共振 事實(shí)上 如果調(diào)整應(yīng)力難以滿足緩沖和振動(dòng)的共同要求時(shí) 則只能更換緩材 五 設(shè)計(jì)和制造原型包裝 根據(jù)產(chǎn)品的外形和尺寸設(shè)計(jì)和制造緩沖墊 并作相應(yīng)調(diào)整 受力面積的調(diào)整為了有效地使用緩沖材料 可參照下列方法調(diào)整材料的受力面積 擴(kuò)大受力面積 利用墊板擴(kuò)大特定方向的受力面積 如圖3 3A 減少受力面積 利用角墊 側(cè)墊等減小受力面積 如圖3 3B C填充材料的使用為了防止運(yùn)輸中的沖擊 振動(dòng)時(shí)產(chǎn)品在包裝容器內(nèi)發(fā)生移動(dòng) 應(yīng)使用襯板 填料等充填可能造成產(chǎn)品移動(dòng)的間隙 D其它方法 大型產(chǎn)品 如果其中某些部件較為脆弱而又可以拆卸 可將該部分拆下另行包裝 為了防止在運(yùn)輸中產(chǎn)品表面被擦傷 可使用緩沖材料對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù) 對(duì)體積重量較大的產(chǎn)品進(jìn)行緩沖時(shí) 可將其連接在一個(gè)緩沖基礎(chǔ)上 當(dāng)運(yùn)輸中產(chǎn)品的各個(gè)方向受到的載荷不同時(shí) 或產(chǎn)品各方向的脆值不同時(shí) 各方向可以采用不同的緩沖包裝 設(shè)計(jì)實(shí)例 作業(yè)習(xí)題1 某產(chǎn)品W 150N G 55 g H 60cm 為邊長(zhǎng)25cm的正立方體 采用圖6 6所示的EPS材料作全面緩沖包裝 試求緩沖墊的厚度 2 一產(chǎn)品W 200N G 60 g 底面積為50cmX40cm 預(yù)期的跌落高度H 50cm 規(guī)定用圖6 6的EPS作全面緩沖包裝 試確定襯墊尺寸 3 D