第四章 缓冲包装设计五步法

机械环境条件分级
4.1.1 冲击环境
缓冲包装设计用等效跌落高度来评价冲击环境的严酷程度
人工装卸的跌落高度可用经验公式计算，适用于15kg以上的包装件：
人工装卸的跌落冲击加速度通常在10g-100g，而机械装卸的跌落冲 击加速度在10g以下。
4.1.1 冲击环境
表3-4
4.1.1 冲击环境
跌落高度的测定
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲包装设计要求
减小传递到产品上的冲击、振动等外力 分散作用到产品上的应力
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
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲包装设计步骤
1. 收集流通环境可能导致产品损坏的数据； 2. 收集产品的资料； 3. 确定产品脆值后，先判断是否与同类产品相近，如果偏低，建议 修改产品设计，提高关键件的脆值； 4. 选择缓冲材料及其结构形式，获得其缓冲性能曲线，根据跌落高 度和缓冲材料所受应力计算缓冲厚度； 5. 校核缓冲结构的振动传递率与振动脆值等问题； 6. 校核压缩或弯曲强度，不得超过缓冲材料的许用应力； 7. 校核温湿度对缓冲性能的影响； 8. 估算包装成本，与预定指标比较； 9. 制作试验用包装原型； 10. 按预先确定的试验标准进行试验； 11. 如果不满足要求，重新设计；满足要求，则批准设计，并形成完 整的设计文件。
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫的校核
蠕变量的校核
温湿度的校核
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例7：已知一产品W=200N, G=85g, 产品为正立方体，规定的跌落高度不超过90cm，
并指定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（设蠕变系数为10%）。
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例5：某产品W=150N, G=55g, 允许的跌落高度H=60cm, 产品为边长为
25cm的正立方体。拟采用EPS作全面缓冲固定，试求衬垫应有的厚度。
例6：一产品，W=200N, G=60g， 产品底面面积为50cm×40cm，预计的跌
表4-2
4.2.1 产品的冲击试验
表4-3
4.2.1 产品的振动试验
4.2.1 产品的振动试验
图11-15
收录机幅频特性曲线：1-收录机机芯； 2-收录机机体
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲材料的种类
泡沫塑料
质量轻 易于加工成型 绝热性能好 缓冲性能好
聚乙烯
聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚氨酯
Байду номын сангаас
所以
若缓冲衬垫由不同面积的若干层组成
思考题：已知产品W=240N，许用脆值G=40g，产品为正立
方体，底面尺寸为40×40cm2，采用EPS作缓冲保护，预计 的跌落高度为60cm，试确定缓冲包装形式及所需材料的尺 寸。（设蠕变系数为10%）
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
防振包装设计原则：先按缓冲要求进行设计，然后校核其防振能 力。目的在于调节包装件的固有频率，并且通过选择恰当的阻尼 材料，把包装系统对振动的传递率控制在预定范围内。
非线性系统
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例8：产品重力为36N, 底面尺寸为25×25cm2，许用脆值为30g，冲击防护设计采用
跌落高度的概率密度曲线
4.1.1 冲击环境
图3-3
包装件的跌落高度概率曲线
4.1.2 振动环境
解放牌双轴卡车振动测试记录（空载）
表3-8
4.1.2 振动环境
图3-4
公路运输的加速度峰值频率谱图
4.1.2 振动环境
50t棚车运行振动测量实例
表3-11？
4.1.2 振动环境
图3-5
铁路运输最大加速度频率谱图
缓冲衬垫的校核
跌落姿态改变时缓冲能力的校核
全面缓冲不同跌落姿态的比较
a. 角跌落与面跌落
b. 棱跌落于面跌落
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫的校核
跌落姿态改变时缓冲能力的校核
找到角跌落冲击时等效于面跌落式的等效面积，进行校核设计 全面缓冲：
局部缓冲：
基于面冲击设计的缓冲衬垫只要通过率角冲击校核，就一定能满足棱 冲击的要求，所以一般没有必要进行棱冲击校核
第四章 缓冲包装设计五步法
包装流通环境 选择包装材料 包装结构设计 包装 实验 流通
包装产品脆值
商品流通中对包装损害的外界因素及原因
4.1 冲击与振动环境
表3-22
确定环境特性，对冲击环境而言，就是确定包装件的 设计跌落高度；就振动环境而言，就是确定环境的加
速度峰值频率曲线或加速度均方值谱密度曲线。
落高度H=50cm，规定用EPS作全面缓冲保护，试确定衬垫尺寸。
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫的校核
产品强度校核
校核产品在载荷方向上与缓冲材料接触部分的强度。
挠度校核
A: 衬垫面积
T：衬垫厚度
衬垫挠曲
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
纸与纸浆模塑
波纹纸
纸浆模塑
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
纤维橡胶与发泡橡胶
发泡橡胶
石棉橡胶板
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲材料的性质
冲击能量的吸收性 振动能量的吸收性 回弹性 蠕变性 温度稳定性 湿度稳定性 耐破损性 湿度稳定性 化学稳定性 物理相容性 名称 聚乙烯或聚苯乙烯泡沫 聚氨酯泡沫 橡胶 硅橡胶 钢质螺旋弹簧 阻尼比 0.08-0.20 0.10-0.50 0.02-0.16 0.11-0.23 0.008-0.016
外侧凸筋结构
长形产品缓冲结构
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫结构设计
大型产品的缓冲包装
有突出部分产品的缓冲设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
等效面积理论及应用
冲击动载荷
则冲击时的动应力为：
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
等效面积理论及应用
假如缓冲衬垫在冲击过程中弹性模量为常量，则： 当缓冲衬垫横截面积为常数A时
4.1.2 振动环境
海运加速度峰值频率谱图
4.1.2 振动环境
空运加速度峰值频率谱图
4.1.2 振动环境
公路加速度均方值谱密度曲线
铁路加速度均方值谱密度曲线
4.2 确定产品特性
确定产品在冲击环境下的易损性就是测试矩形脉冲下 的产品破损边界曲线，确定产品脆值与临界速度改变
量；确定产品在振动环境下的易损性，不但要确定易
损零件的极限加速度，而且要测试易损零件的幅频特 性曲线。
4.2.1 产品的冲击试验
气垫式冲击试验机
4.2.1 产品的冲击试验
产品边界曲线的测试步骤
4.2.1 产品的冲击试验
碰撞机试验法
4.2.1 产品的冲击试验
跌落试验法
4.2.1 产品的冲击试验
图4-10
产品不同方向的破损边界曲线
4.2.1 产品的冲击试验
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
泡沫塑料的比较
表5-1
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
气泡薄膜
在荷重20g/cm2的条件下长期使用
聚乙烯气泡膜
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
碎屑状材料
环保泡泡粒
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
瓦楞纸板
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫的基本设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例1：一重力为100N的产品，脆值为80g，要保证从60cm的高处跌落而
不破损，规定用密度为0.031g/cm3的聚氯乙烯做衬垫，试计算衬垫所需
尺寸。
例2：用纸箱做内包装，把一重力为100N，脆值为30g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，试选择适当地缓冲材料，并计算其尺寸。 例3：一重力为90N，脆值为50g的产品，欲装入一底面积为750cm2的容 器箱内，设定的跌落高度为60cm，如果采用密度为0.075g/cm3的黏胶
纤维做衬垫，试检验该设计的合理性。
了全面缓冲方法，选用的缓冲衬垫厚度为5cm。产品在运输中受到的振动输入如图 所示。求包装件的共振频率和产品的最大响应加速度。
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
例8：产品重力为300N, 底面尺寸为30×30cm2，产品上的脆弱部件具有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。产品的冲击防护设计采用了 全面缓冲方法，选用的缓冲材料厚度为10cm，产品在运输过程中，受到的振动输入 如图所示，忽略疲劳作用，确定这样的衬垫是否提供足够的振动防护。
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲包装的形式
全面缓冲
悬浮式缓冲 局部缓冲
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
复合PE薄膜的EPE板材
具有弹簧结构的EPE缓冲垫
节省缓冲板材的新结构
塑料薄膜悬挂缓冲包装
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
填充式包装
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫结构设计
缓冲衬垫的形式
受压面积的调整
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫结构设计
带突起物的缓冲结构
预留变形量的结构
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫结构设计
产品固定
产品防移
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
缓冲衬垫结构设计
模压包装
裹包包装
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
聚氨酯现场发泡成型
4.3 缓冲材料及衬垫面积与厚度的设计
衬垫设计的基本参数
流通环境的等效跌落高度 经验公式法、标准量值法 产品脆值 试验法、脆值量值标准法、理论估算法 缓冲材料的缓冲特性 选用原则：G<20g，选用弹簧（或多级缓冲）；30g<G<250g，选用泡沫 塑料、海绵；400g<G<600g, 选用橡胶、木材；G>1000g，不用缓冲材料。 缓冲材料的特性曲线有两种：缓冲系数-最大应力曲线和最大加速度-静应力曲线 缓冲设计的公式