缓冲材料及设计

2、瓦楞纸板缓冲结构衬垫
瓦楞纸板具有环保，易裁切、模切、粘合，成本低，与瓦楞纸箱好协调，使用范 围比泡沫塑料宽等优点；缺点是表面较硬，对某些产品表面有磨损，难形成三维 曲面，湿度影响较大，过载复原性较差，多次跌落后缓冲性能会下降1/3左右。
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GmW 4 ma 10 MPa m 解： m A
W（kg） 1.0 1.3 2.0 3.0 5.0 ┆ 30
xm （m/s2）
656.5 588.0 441.0 323.4 245.0 ┆ 441.0
Gm h C 0.01667am H
C 11.17 10.00 7.50 5.50 4.17 ┆ 7.50 0.066 0.076 0.088 0.097 0.123 ┆ 1.323
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• 发现产品对环境有害因素的抵抗能力 • 冲击因素 • 振动因素 – 发现针对于产品部件的致命伤害 • 主机振动水平 • 辅助部件振动水平 • 改善产品脆值的机会和方法 • 充分利用测试得到的数据对产品加以改造
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•
设计产品/包装体系－包装设计 • 关注环境因素的干扰 • 确认包装材料性能参数 • 关注产品本身的脆值风险值需在设计考虑中
特性
复原 性 好 稍差 好 好 好 差 一般 差 稍差 无 无
EPE EPS PU EVA XPE/IXP E 瓦楞纸 板 纸浆模 皱纹纸 垫 化纤丝 金属弹 簧 橡胶
缓 冲 性 能 优 优 优 优 优 稍 差 差 不 良 良 不 良 优
密 度 小 小 小 小 小 一 般 大 一 般 小 大 大
尘 埃 度 无 很 小 无 有 无 稍 有 稍 有 大 量 有 无 无
成 型 性 良 优 优 良 良 不 可 优 不 可 － 不 可 良
粘 合 性 良 良 良 良 良 优 良 良 － 不 可 良
使 用 范 围 宽 窄 宽 宽 宽 宽 宽 宽 稍 窄 宽 窄
可 燃 性 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 易 燃 不 燃 易 燃
薄膜气 垫
薄膜悬 挂
4、防振包装设计
不论使用何种运输工具，振动是必不可少的 考虑对象。包装设计的目的是要让整个包装 体系成为一个振动的“物理滤波器’，理想 状态下，所设计的包装体系将可以尽量过滤 掉对产品有害的振动频率和幅值。 保证这些的起码要求，是要将包装 体系自身的一阶谐振频率设计成至少是产品 最低（破损）主频的1.5倍。
4、计算产品处于共振状态下的最大响应加速度am=Tran， 如果此值大于许用脆值，应重新设计缓冲包装。 5、当工作点位于放大区内时，还应校核交变应力是否会导 致关键件疲劳损坏，如果不满足要求，也需重新设计。
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例：产品重力W = 36N，低面面积A = 25×25cm2，许用脆值[G] = 30。冲击防护设计采用全面缓冲方法，选用的缓冲衬垫厚度T = 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。 解：由于缓冲材料的厚度为 5cm，在左图中查出曲线峰值的频率为 f = 46Hz，传递率Tr= 6.因此包装件的共振频率为46Hz。 由右图可知，f = 46Hz时的加速度值为G = 1.7g 则产品的最大响应加速度为 产品的许用脆 值[G] = 30，大 于产品的最大响 应加速度。故产 品安全
一般只要缓冲满足 设计要求，
xm ym 6 1.7 10.2 g
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5、缓冲防振包装设计成功的关键
充分了解和分析物流环境的影响 • 实际环境研究 • 设定包装设计的技术、性能目标 • 设定包装体系的试验规范和过程 • 将设定为“正常环境”和“非正常环境”的因素区分开来
ε(%) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 ┆ 顶点 0.93 σ(MPa) 0 0.06 0.13 0.17 0.2 ┆ 0.95 e(J/cm3) 0 0.003 0.12 0.027 0.043 ┆ 0.235 C ∞ 20 10.4 6.18 4.65 ┆ 4.03
根据上表数据，可以绘制出C—σm曲 线、C—ε曲线、C—e曲线。
0 0 0
设e d ，e为单位体积缓冲材料的形变能，所以 E Ahe
0

缓冲系数为
Fh A h C E Ahe e 1
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例：已知密度为0.012g/cm3的缓冲材料由万能材料试验机测试出 的静态应力—应变曲线如图所示，试绘制这种材料的静态缓冲系 数曲线。 解：一般我们用表格法来解题
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当缓冲材料达到最大应变εm时，重锤W在高度H所具有的 势能等于缓冲材料的形变能，即 m m WH GmW Ah d WH d m 0 0 Ah A m GmW Ah Gm h C 动态缓冲系数 d A WH H
●在静态C—σm曲线中找出相应的σm值。由
G W GmW [G ]W 得到面积 A m m A A
，厚度 h CH [G ]
●在动态Gm—σst曲线中找出相应的σst值。因此
m Gm st G st
因此，在已知缓冲材料的静态C—σ m曲线和动态 Gm—σ st曲线中的任一条的情况下，再结合产品的 重量、脆值、等效跌落高度，就可以进行缓冲衬垫 的计算。
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通过动态试验法得出的缓冲系数—最大动应力曲线。
2、动态缓冲系数
①设冲击高度为H，缓冲 材料的厚度为h，面积为A， 试验重锤重量为W，可得到 缓冲材料的静应力为
W st A
经过测试，不同的重锤重 量可测得不同的最大冲击加 速度值Gm，由此可以绘制出缓冲材料的最大冲击加速度—静应 力曲线（Gm—σst曲线）
解：已知W = 100N，G = 30g，H = 60cm ▲采用全面缓冲方式，有A = 2000cm2，则
m
G W 104 100 A
5
30 104 0.15 105 Pa 2000
查表知，当 m 0.1510 Pa 时，材料⑦（密度为0.012的泡 沫橡胶）有最小缓冲系数，且C = 3.5 故缓冲垫厚度为
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2、缓冲包装的形式
• 全面缓冲包装法 是指包装容器内所剩的空间全部用缓冲材料填空。 • 局部缓冲包装法 是对产品的拐角、棱及侧面进行衬垫缓冲的方法。 • 悬浮缓冲包装法 是用弹簧把产品悬吊在包装容器内。
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3、缓冲材料的选择与衬垫用量设计
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防振包装设计步骤
1、根据产品的重量W(N)和缓冲面积A(cm2)，计算缓冲材 料所受的静应力σ＝W/A×104(Pa )。 2、通过试验或近似计算确定包装系统的等效为单自由度振 动系统的传递率Tr值。
3、确定流通过程中包装件在激振频率为fn时的最大振动加 速度an。
腐 蚀 性 无 无 无 无 无 无 无 无 无 无 稍 有
吸 水 性 无 无 无 无 无 大 大 大 无 无 大
含 水 量 无 无 微 无 无 有 有 有 无 无 有
防 霉 性 良 良 良 良 良 不 良 不 良 不 良 良 良 不 良
耐 候 性 良 良 良 良 良 良 良 良 良 良 不 良
柔 软 性 良 稍 差 优 优 优 不 良 差 不 良 优 差 优
W 150 4 st 10 104 0.024 105 Pa A 25 25
根据等效跌落高度，在Gm—σst 曲线上找出与σst相对应的G值， 查表可得出缓冲材料的厚度在h = 4和h = 5之间。用比例插入法可 求得h = 4.9cm。
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HC 60 h 3.5 7 cm 30 G
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●利用动态Gm—σst曲线 例：某产品重量为150N，脆值为55，允许的跌落高度为 60cm，产品为边长为25cm的正方体。拟采用下图所示缓冲材 料，试求衬垫应有的厚度。
解：采用全面缓冲方式，有 A = 625 cm2，则静应力为
σm（MPa）
根据上表就可绘制出C—σm曲线。
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4.3 缓冲与防振设计
1、缓冲设计
设计的包装体系可以将产品和包装收 到的冲击的传递转变为长脉冲宽度和 低加速度幅值的响应； 包装和产品必须保证在运输过程中的 任何时候不高于设计的落下高度跌落； 同时，产品受到的冲击传递必须低于 产品的脆值风险值。
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四、缓冲材料与缓冲防振包装设计
4.1缓冲材料力学与理化性质
一、线弹性材料 F
F F0 tan k0 x F0
F=kx
二、正切型弹性材料
o
x
F
2 k0 d b

tan
x
2d b
三、双曲正切型弹性材料
F F0 tan
k0 x F0
四、三次函数型弹性材料
F k0 x x3
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3、蜂窝纸板
(a)
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4、悬挂式高弹塑料薄膜结构
悬挂式缓冲包装用高强度、高弹性、高韧性、低滑动塑料薄膜，粘结 在瓦楞纸板框架上，产品被夹在两个薄膜框架内。适合电子零部件包 装的高性能保护技术。
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例：把一重力为100N，脆值为30的产品装入箱内，用衬垫将 它与包装箱隔开，包装箱内部每面面积为2000cm2，设定等效 跌落高度为60cm，试选择适当的缓冲材料进行全面缓冲 ，并 计算其尺寸
●利用静态C—σm曲线
最大静应力。单位为105Pa
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•
运输过程跟踪和监视 • 是否产品的运输过程有所改变? • 运输过程中破损责任认定 • 对同一批次，同期发货，同样运 输工具的过程控制
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4.4 常见缓冲材料及衬垫结构
1、泡沫塑料
PU 现 场 发 泡
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②重复上述步骤，在冲击高度H和面积A不变的情况下 ，改变缓冲 材料的厚度h，这样每改变一次厚度h，都可以得到一条Gm—σst曲线。 ③同样，在缓冲材料的厚度h和面积A不变的情况下 ，改变冲击高度 H ，也可以得到一族Gm—σst曲线。
曲线1：h=2.25cm 曲线4：h=9.0cm 曲线2：h=4.5cm 曲线3：h=6.75cm 曲线5：h=11.25cm 曲线6：h=13.5cm
0
因此，由 G m- σ st 曲线 可以得出 C 和 σ m 值，从 而绘出动态缓冲系数— 最大动应力曲线（ C — σ m 曲 线 ） 。
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例：将密度为0.035g/cm3的某种缓冲材料制成 10cm×10cm×10cm的试件，在落锤冲击机上进行冲击试验， 各次试验的跌落高度均为60cm，各次试验的重锤质量及测得 最大加速度列于下表，试绘制这种材料的动态C—σm曲线。
稍差
稍差
良
优
最 小
极 小
无
无
无
无
无
无
无
无
良
良
良
良
优
优
不 良
良
良
良
宽
宽
易 燃
易 燃
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4.2 缓冲材料的缓冲系数
设缓冲材料的原始厚度为 h，其 产生的变形能为 x
E Fdx
0
每个单位厚度缓冲材料吸收的 能量为 E / h 定义缓冲效率为：单位厚度缓冲材料吸收的能量与作用力的 比值，用η表示
E E F h Fh
Fh C E 1
定义：缓冲效率的倒数就是缓冲系数，用C表示。
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1、静态缓冲系数
通过静态试验法得出的缓冲系数—静应力曲线。
F/A
x
x/h

将力—形变曲线转变成应力—应变曲线，计算缓冲材料的形变能 E
E Fdx A hd Ah d