1、第五章 第二局部運輸包裝緩沖設計第一節 緩沖包裝設計的要求一、一般要求減小傳遞到產品上的沖擊、振動等外力；分散作用在產品上的應力；保護產品的外表及凸起局部；防止產品相互接觸；防止產品在包裝容器內移動；保護其他防護包裝的功能。產品的許用脆值、形狀、尺寸、重量、體積、重心、數量；流通過程中的環境條件，如運輸區間、運輸方式、裝卸次數、等效跌落高度、沖擊方向、氣候條件、貯存條件；包裝材料的特性；外包裝容器的結構、形狀、材質及強度；封緘材料的特性；包裝的工藝性；其他的包裝方法，如防潮、防水、防銹、防塵等。二、緩沖包裝設計考慮因素三、緩沖包裝設計的一般步驟 流通環境確定 產品特性分析 產品的重新設計 選擇

2、緩沖材料 包裝設計 包裝件的測試緩 沖 包 裝 設 計 六 步 法第二節 緩沖包裝的一般形式一、全面緩沖包裝法 定義 特點指包裝容器內所剩余的空間，全部用緩沖材料填充固定，對產品周圍進行全面保護的方法。一般采用絲狀、薄片或粒狀的材料，對形狀復雜的產品能良好地填塞，適合小批量產品包裝。 全面緩沖包裝應用實例超輕型泡泡粒包裝可以迅速均勻地填滿各種形狀和大小物品周圍的全部空間。泡沫襯墊全面包裝氣泡襯墊全面包裝發泡袋現場成形包裝發泡袋自動充滿產品與包裝箱之間的空隙形成產品緩沖墊。 氣墊包裝 紙包裝二、局部緩沖包裝法 定義指對被包裝產品或內包裝件的拐角、棱及側面進行襯墊緩沖的方法。 特點一般采用泡沫塑料

3、成型緩沖墊、充氣塑料薄膜緩沖墊、橡膠彈簧等作為緩沖體。對其受力部位或易損壞部位進行緩沖，可節約材料，降低包裝成本，緩沖效果好，是目前應用最廣的一種包裝方法。局部緩沖包裝應用實例紙板局部包裝左右結構蜂窩紙板局部包裝上下結構紙板局部包裝前后結構 角襯墊 棱襯墊三、懸浮式緩沖包裝法 定義 特點指用彈簧把被包裝物品懸掛在外包裝容器內，使包裝件在遭受外力作用時，產品在各個方向都能得到緩沖保護。適用于精密、脆弱產品，如大型電子管、制導裝置等。外包裝容器要鞏固。 懸浮式緩沖包裝應用實例懸空包裝使用兩層彈性極好且不易滑動的薄膜將產品懸空定位于包裝箱。新型充氣包裝日本外面是一種增塑塑料膜袋，無色透明，將產品放入

4、膜袋中后，采用隱形的方式將產品固定，然后密封充氣，使產品懸空包裝在充氣袋中，是高消費產品如化裝品、電子產品等的理想外包裝。第三節 緩沖襯墊設計的根本方法一、襯墊的初步設計1. 等效跌落高度確實定根據我國、日本、美國等一些國家的標準，以及一些產品的行業標準來確定跌落高度值。日本標準JISI0202 、美國軍用標準MIL-P-116H、中國標準GB4857.5-84 ，可根據產品重量、最大尺寸范圍、運輸條件，由表格直接查到跌落高度值。經驗公式法標準量值法2. 產品脆值確實定1試驗法2估算法3類比法 沖擊試驗機跌落試驗機振動模型估算法沖擊模型估算法經驗估算法3. 緩沖材料的緩沖特性G20g，選用彈簧

5、或多級緩沖；30g G250g，選用泡沫塑料、海綿；400g G1000g，不用緩沖材料。 一般的選擇原那么特性曲線緩沖系數-最大應力曲線 最大加速度-靜應力曲線 二、緩沖襯墊尺寸確實定最小緩沖系數法最省材料設計法過原點切線法局部緩沖常用設計方法三類根本問題常用公式對指定的材料計算尺寸；選擇最適當的材料并決定其尺寸；比較不同材料的優劣。1. 緩沖系數 最大應力曲線 應用確定緩沖材料后，設計步驟如下：對于全面緩沖包裝來說： 已經確定緩沖襯墊面積等于產品外表積A，只需確定襯墊厚度T。具體求解過程如下：（1）由公式 求出最大應力；（2）找出緩沖系數 最大應力曲線 中對應最大應力值的緩沖系數 ；（3）

6、根據公式 ，求出緩沖襯墊的厚度T。確定緩沖材料后，設計步驟如下：對于局部緩沖包裝來說：（1）在緩沖系數 最大應力曲線 上作一條水平切線，則切點對應最大應力和最小緩沖系（ ）。（2）根據公式 ，求出緩沖襯墊的厚度T。（3）根據公式 ，求出緩沖襯墊的面積A。1對指定的緩沖包裝材料計算尺寸例：一重力為100N的產品，脆值為80，要保證從60cm的高處跌落而不破損，規定用密度為3的聚氯乙烯作襯墊，試計算襯墊所需尺寸。解：W=100N，G=80，H=60cm查圖5-12，最小緩沖系數，對應的最大應力2選擇適當的緩沖包裝材料計算尺寸例：用紙箱做內包裝，把一重力為100N，脆值為30的產品裝入箱內，用襯墊將

7、它與外包裝箱隔開，內裝箱每面面積為2000 cm2，設定等效跌落高度為60cm，試選擇適當的緩沖材料，并計算其尺寸。解：W=100N，G=30，H=60cm,全面緩包A=2000cm2查圖5-12，當 時，材料（密度為0.12g/cm3的發泡橡膠）有最小緩沖系數，且C=3.5因此該設計采用密度為g/cm3的發泡橡膠作緩沖襯墊，每塊襯墊面積為2000cm2，厚度為7cm。3比較不同材料的優劣。例：一重力為90N，脆值為50的產品欲裝入一底面積為750 cm2的容器箱內，設定等效跌落高度為60cm，如果采用密度為3的石棉作襯墊，試檢驗該設計的合理性。解：W=90N，G=50，H=60cm,查圖5-

8、12，密度為0.075g/cm3的石棉材料是曲線 最小緩沖系數C=5.7，對應的因此，換材料，提高 ，若選聚氨酯，最小緩沖系數C=3.3，對應的全面緩沖包裝A已確定，只需求T。（1）先求緩沖材料所受的靜應力：（2）再根據等效跌落高度，查相應的 Gmst 曲線，找出許用脆值與靜應力的交點，若交點位于兩條厚度曲線之間，則用內插法確定出緩沖材料厚度T。H=40cmT=1cmT=2cmT=3cm2.最大加速度 靜應力 曲線應用局部緩沖包裝H=40cmT=1cmT=2cmT=3cm（1）根據查相應的Gmst 曲線，找出許用脆值作水平直線，與曲線有多個交點。（2）取厚度較小的緩沖材料可省料，確定。（3）脆

9、值與該厚度曲線有兩個交點，取st 值大者，可省料。根據 確定A。1采用最大加速度-靜應力曲線進行全面緩沖包裝例：某產品重150N，脆值為55，允許的跌落高度為60cm，產品為邊長25cm的正立方體，擬采用如下圖聚乙烯EPE泡沫作全面緩沖包裝，試計算襯墊應有的厚度。解：W=150N，G=55，H=60cm 先求靜應力:因為H=60cm，查圖得, 與G=55交點在T=4cm與T=5cm處，用內插法的襯墊應有厚度：T=4.9cm。襯墊面積：A=2525=625cm2。H=60cmT=4cmT=5cmT=6cm0.024552采用最大加速度-靜應力曲線進行局部緩沖包裝例：某產品重200N，脆值為60，

10、產品底面積為2000cm2,預計跌落高度為50cm，采用如下圖聚乙烯EPE泡沫作局部緩沖包裝，試計算襯墊尺寸。解：過G=60作水平線，與曲線族相交，取厚度小的曲線進行設計，T=4cm。交于C、D兩點,D點應力大，省材料面積。最小加速度法：對于曲線最低點對應的加速度值最小，緩沖效果更好，產品的平安性更高。那么取T=4cm曲線的最低點E點作設計。 對應的： 局部緩沖包裝，采用角墊的形式時： 作 業一產品質量為，脆值為50，流通中的等效跌落高度為75cm，如果采用密度為3的聚乙烯作襯墊，試設計襯墊的尺寸。三、 緩沖襯墊的校核1.產品強度校核 校核產品在載荷方向上與緩沖材料的接觸局部的強度。 (應力集

11、中)式中： -產品許用應力； -沖擊時最大應力。 襯墊尺寸的面積與厚度之比超過一定厚度時，襯墊容易撓曲或變彎，大大降低襯墊的負重能力，如下圖。 為了防止撓曲，其中最小承載面積Amin與厚度T之比應符合以下規定克斯特那經驗公式： 式中：T厚度，cm ； A面積，cm2 。 AFT2.撓度校核3.跌落姿態改變時緩沖能力校核3.跌落姿態改變時緩沖能力校核1全面緩沖包裝角跌落等效面積M包裝件的長、寬、高分別用 來表示。1全面緩沖包裝角跌落等效面積1全面緩沖包裝角跌落等效面積1全面緩沖包裝角跌落等效面積1全面緩沖包裝角跌落等效面積則三個緩沖面在水平面上的投影面積為： 若包裝件為立方體，即： 則: 結果說

12、明：在全面緩沖條件下，角跌落與面跌落相比，角跌落的等效載荷面積要比面跌落大倍左右。2局部緩沖包裝角跌落等效面積產品的長、寬、高分別用 來表示。L一個角襯墊是由3個面積為L2的面襯墊組成。設包裝件三個側面OPAJ、OJBM、OMNP上襯墊的投影面積分別為 2局部緩沖包裝角跌落等效面積若產品為立方體，則：外包裝容器不是剛體，使得傳遞到各個角襯墊上的作用力不相同。因此在計算角跌落等效面積時就不能簡單地乘以4，在14之間選擇一個適宜的系數K，那么：問：L2、l、b、d、K表示的含義？補：棱跌落時的等效跌落面積當產品為正方體時，全面緩沖包裝，棱跌落的等效跌落面積 ，它介于面跌落面積與角跌落面積之間。局部

13、緩沖包裝，棱跌落的等效跌落面積 ，同樣介于面跌落面積與角跌落面積之間。1全面緩沖包裝角跌落等效面積2局部緩沖包裝角跌落等效面積結論：4.蠕變量的校核緩沖材料在長期的靜壓力作用下，其塑性變形量會隨時間而增大。襯墊尺寸變小，加劇內裝產品的振動和摩擦擦傷，緩沖襯墊的緩沖能力有所下降。 初步設計的襯墊尺寸應附加一個蠕變補償值，稱為蠕變增量，其大小按下式計算： Tc=T(1+Cr) 式中：Tc修正后的厚度cm； T原設計厚度cm； Cr蠕變系數%。 5.溫濕度校核 環境溫度和濕度的變化對襯墊的緩沖能力有明顯的影響。應根據流通過程中可能出現的環境條件修正緩沖襯墊的尺寸。例：一產品重200N，脆值為85，產

14、品為正方體,規定的跌落高度不超過為90cm，采用以下圖所示特性的材料作局部緩沖，試設計面跌落和角跌落時襯墊所需尺寸設蠕變量為10%。解：W=200N，G=85g，H=90cm，Cr=10%，局部緩沖采用角襯墊。 利用此種材料的最大加速度靜應力曲線，過G=85g作一條水平直線與緩沖曲線相交，取厚度較小的緩沖材料，即T=5cm。得兩個交點A、B，對應的靜應力分別為：為節省材料，取B點進行設計，那么：那么每個襯墊的承載面積為：撓度校核。 利用克斯特那經驗公式 ，得： 所以角襯墊不會發生彎曲變形，校核通過。角跌落時的等效跌落面積為取K=1： 此時的靜應力為：在圖中，此靜應力值對應的加速度值超過了產品脆

15、值，所以校核不能通過。校正方法：取B點對應的靜應力，來確定角襯墊角跌落有效面積，那么：那么面跌落時的承載面積和靜應力為：此靜應力對應的加速度值小于產品的脆值。蠕變量校核。 所以角襯墊的厚度T為， 邊長為。四、最省材料的緩沖設計方法 -過原點切線法設襯墊面積A、厚度T，則體積V=AT最省材料，即體積V最小，即求V極小值。對V求導，W,H是常數，C是 的函數，V對 求導得假設在曲線上找到這一點 滿足則曲線在 點的切線方程為（點斜式）：仍然滿足方程，說明切線過原點代入原點（0，0）得： 過原點作 的切線，切點 ， 這就是極值點，用料最省。設計時，可在最小緩沖系數與切點處緩沖系數之間選擇一個適宜點，既

16、滿足緩沖要求，又用料較省。過原點切線法：例：產品重50N，選用緩沖材料的特性曲線如圖6-13所示，等效跌落高度為50cm，許用脆值為40，分別用最小緩沖系數法和過原點切線法確定緩沖襯墊的尺寸。解：用兩種方法來求：（1）最小緩沖系數法：由曲線可知最小緩沖系數為C=2.4，對應的最大應力為10kPa，那么緩沖襯墊面積為：襯墊厚度為：體積為：V=AT=20003=6000cm3過原點作曲線的切線，切點坐標為： 則緩沖襯墊面積為：2過原點切線法。厚度為：體積為：V=AT=1739.13.25=5652cm3作業：1.一產品重量為750N，許用脆值為60，流通中的等效跌落高度為100cm，試選擇適宜的材

17、料并計算襯墊的尺寸。2.一產品重量為200N，許用脆值為70，流通中的等效跌落高度為95cm，現有密度分別為g/cm3和3的聚苯乙烯材料，對應的厚度分別是4cm和5cm，試合理選擇材料并設計襯墊的尺寸。第四節 防振包裝設計一、振動對于包裝產品的破壞 1)在共振條件下，產品被鼓勵產生的共振加速度超過產品許用加速度而發生的類似沖擊的破損效應； 2在非共振條件下，長時間的循環交變載荷導致包裝材料的疲勞老化，而降低其防護功能； 3振動導致產品與緩沖介質各種包裝膜、襯墊、填料之間的摩擦，使產品外表產生摩痕、擦傷； 4在特定條件下，振動會改變某些產品的結構狀態，如：螺紋聯結趨松，儀表失靈，某些稀稠物品食品

18、、藥品、化工原料變稀，影響產品性質和價值。二、防振包裝設計的根本原那么 先按緩沖要求進行設計，再校核其防振能力。三、防振包裝設計的目的 調節包裝件的固有頻率，并選擇恰當的阻尼材料，把包裝系統對振動的傳遞率控制在預定的范圍內。(1)當 時， ，沒有隔振效果。包裝的防振性能主要取決于系統的固有頻率和阻尼比。(2)在 區域內， ，振幅會被放大，當 時系統還會共振。四、振動傳遞率曲線及其應用(3)在 區域內， ，有隔振效果，且隨著 的增加隔振效果增大。 系統的固有頻率k襯墊的彈性系數m產品的質量實際包裝件固有頻率H跌落高度（cm）；Gm允許的最大加速度與重力加速度的比值，無量綱；1.線性系統五、系統的

19、固有頻率已知：2.非線性系統大多數緩沖材料的彈性率E與初始彈性率E0相差無幾，認為E=E0 靜平衡位置的斜率（彈性率）,記為E；A襯墊承載面積；T襯墊厚度；W產品重量；六、系統的阻尼系數受干摩擦和材料本身阻尼系數的影響。通常可以通過試驗測定。0.10.5聚氨酯泡沫0.020.2聚乙烯泡沫0.11硅橡膠0.010.06橡膠0.0030.016金屬螺旋彈簧阻尼比（ ）材料七、防振設計方法1求緩沖材料靜應力值；2根據靜應力 和緩沖材料厚度T，查相應的傳遞率-頻率( )特性曲線，并找出該曲線峰值處的傳遞率 和頻率 (即共振頻率；3確定包裝件在頻率 時的最大加速度 ； 查振動加速度-頻率曲線004計算產

20、品共振時的最大響應加速度；5產品最大響應加速度 應小于產品許用脆值Gg,否那么緩沖墊應重新設計。6假設考慮易損件，計算 ，再校核。例1：產品重量為36N，底面尺寸為2525cm2，許用脆值為30。沖擊防護設計采用了全面緩沖方法，選用的緩沖襯墊厚度為5cm。產品在運輸中記錄的加速度如下圖。緩沖材料的防振性能曲線，如以下圖所示。試校核防振包裝是否滿足要求。100解：1先求出材料的靜應力： 5包裝件的共振頻率為46Hz，產品的最大響應加速度為，小于產品的許用脆值30。所以該緩沖包裝設計滿足防振包裝要求。（4）則產品的最大響應加速度為：（3）根據振動加速度-頻率曲線可知，頻率為46Hz時的加速度為1.

21、7g，即包裝件在共振時受到振動輸入為（2）根據靜應力及材料厚度，查出材料的振動傳遞率-頻率 特性曲線。曲線峰值對應的頻率為 ， 傳遞率100例2：產品重力為300N，底面尺寸為3030cm2，產品脆弱部件具有25Hz的固有頻率，的阻尼比，可承受的最大沖擊加速度為45g。沖擊防護設計采用了全面緩沖方法，選用的緩沖襯墊厚度為10cm。產品在運輸中受到的振動輸入如下圖。試確定這樣的襯墊能否提供足夠的振動防護。解：（1）先求材料的靜應力：2根據靜應力及材料厚度，查出材料的振動傳遞率頻率曲線。曲線峰值對應的頻率為7Hz，傳遞率為。3由振動加速度頻率曲線可知，頻率為7Hz時的振動輸入加速度為1g。（4）產品的最大加速度響應為：（5）脆弱部件的響應為：該值小于其可承受的最大沖擊加速度45g，部件不會損壞。6確定脆弱部件共振時的響應加速度。由振動加速度頻率特性曲線和振動傳遞率頻率特性曲線可知，在頻率25Hz時的振動輸入加速度為0.55g，緩沖材料的振動傳遞率為0.25，則產品的最大加速度響應為：脆弱部件共振時有：脆弱部件的最大響應加速度為：該值小于其可承受的最大沖擊加速度45g，部件不會損壞。所以，選定的襯墊能提供足夠的振動防護。 第五節 緩沖襯墊結