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洗碗机的缓冲包装
作者:天津科技大学 刘占胜 宋海燕 李光 刘功
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防震/木质/金属包装展厅
防震包装, 海棉, 珍珠棉, 保护网套, 气泡袋, 铁罐 ...
[摘要]采用聚苯泡沫塑料和空气垫两种材料对洗碗机进行缓冲包装,并通过进行振动和跌落冲击试验测试比较,总结其优缺点,以期在实际应用中选取合理的包装材料和结构,并试图获得更佳的缓冲效果,实现对产品的保护。
[关键词]空气缓冲垫 泡沫塑料 缓冲包装

洗碗机属中小型机电产品,重19kg,外壳单薄,两侧板的固定点均在底面,侧面没有支承固定点,且侧板内有筋,筋与侧板间无柔性垫。根据用户“不改变原外包装箱的尺寸,不增加更多包装成本”的要求,只能将包装的重点放在改变原有缓冲垫的结构,或采用新的缓冲材料上。

1.原包装存在的问题及设计方案

1.1 原包装存在的问题(如图1、2所示)

(1)根据对原包装缓冲衬垫的估算,聚苯泡沫塑料缓冲垫厚度尚可满足要求,但安全系数太小,缓冲面积不足。尤其是底面,由于缓冲面积不足,造成在跌落冲击时,局部应力过大,其反作用力传给了产品的两个侧壁,造成了侧壁变形。

(2)由于缓冲面积不足,分配不合理,支承点受力面积太小,特别是薄弱环节未做缓冲处理,造成以下的破坏:控制面板与箱体脱开,固定橡胶条脱落;控制面板右上角产生严重裂纹;两侧板有微小凹凸变形。

1.2设计方案

(1)薄弱环节的缓冲与固定,控制面板与拉门之间,由于振动冲击作用,使其产生较大的垂直位移,与铰链金属片相互剪切造成裂纹;底部采用间隙缓冲结构,门和控制面板间增加橡胶垫,以避免底面的反作用力。

(2)为补足底面积的不足,在产品后端底部增加支承面积,但要突出两后底角,防止将力传到侧板上。

(3)两种设计

a 变原上下缓冲结构为左右缓冲结构(图3)
由于洗碗机的外包装箱尺寸已确定, 尽管在理论上计算泡沫塑料垫的厚度为: =39.1㎜,实际上只能取厚度为30㎜。又因为原包装的缓冲垫为上下结构形式,底面积不足造成产 品损坏。故改为左右结构形式进行缓冲, 如图3所示。

b 采用空气垫缓冲包装
这是一种新的包装技术,为了更好地进行性能比较,将空气垫的厚度也定为30㎜。空气垫采用块状结构,每一个面有8个小的单体连接而成,各个单体相互独立。这样设计的原因是防止其中的某一单体受到损坏时,其它的单体仍能继续发挥作用。

2.缓冲衬垫尺寸的确定

2.1因为洗碗机的外箱尺寸已确定,即泡沫塑料缓冲垫的厚度只能采用30㎜。为了保证缓冲垫的有效性,在设计过程中依次使用低密度、中密度、高密度的泡沫塑料,经过实际试验,发现由于产品本身的强度问题,高密度的泡沫塑料缓冲效果比较理想。这是由于中、低密度的泡沫塑料变形大,且产品亦容易变形,故无法有效地保护产品变形。而高密度的泡沫塑料本身强度好,能较好地保护产品发生变形。

应用曲线设计缓冲垫时,根据相关标准使用密度为0.025的聚苯乙烯泡沫作为衬垫是比较合理的。这种材料的缓冲系数曲线=8.8时对应的最小缓冲系数C=3.4,根据H=46㎝,G=40(查标准,估算值)则计算的缓冲衬垫尺寸为:=3.4×46/40=3.91㎝

2.2由于洗碗机的质量较重,所以选用T=0.3㎜厚的塑料薄膜作为单体气垫的设计材料。经实验测得该材料的横向拉伸率为344.8%,纵向拉伸率为296.4%,纵向热封强度为28.4(N)横向热封强度27.6(N),可见,所选用T=0.3㎜厚的塑料薄膜拉伸率十分理想,同时也具有较好的热封强度,作为单体缓冲材料是最佳选择。

3.泡沫塑料和空气垫缓冲包装的测试比较

3.1泡沫塑料和空气垫缓冲包装的振动试验比较

振动是流通环境引起商品损坏的主要因素之一。通过正弦振动试验可以找到商品的固有频率,以期在进行包装设计时,尽量避开在商品固有频率下发生共振。试验框图如图4所示:

将两种缓冲设计做出来后,按要求装箱,利用Y50100-1A/ZF型100㎏机械振动台,加速度传感器,YE5850电荷放大器及数据采集分析系统等(均为西北机器厂产品),将包装件固定在振动台台面上,经历3~50的扫频振动,每5增幅记录相应频率下的加速度值,从而确定包装件的固有频率和共振频率。

振动试验结果如图5所示:

从上图可看出:裸机振动时,洗碗机在35时发生了共振;泡沫塑料包装时包装件的第一阶共振频率出现在30,比产品的固有频率有限降低,且在35处没有发生共振,可以在实际流通中使用;采用空气垫包装振动时,低频共振发生在25和35处。由此可分析得到泡沫塑料包装在低频时的保护功能优于空气垫,在高频时的保护功能不如空气垫的效果好。
空气垫包装时在25时产生共振,所以在固有频率35处的激振频率不会破坏产品。虽然包装件仍在35时发生共振,但此处的峰值加速度明显小于泡沫塑料的峰值加速度。可将包装件在共振状态下共振15分钟,如果产品没有损坏,即可认为包装合格。另外,如果改变单体的结构或单体内的气体量均可改善缓冲效果。

3.2 泡沫塑料和空气垫缓冲包装的跌落测试比较

跌落试验是一种用来模拟物流过程中产品——包装系统所经历的冲击。试验时,包装件从一定的高度跌下而不损坏内部的产品,即在不超过脆值的情况下跌落,保证包装对产品的保护功能不被破坏。

利用Y5212Ⅱ/ZF跌落试验机,加速度传感器,YE5850型电荷放大器及数据采集分析系统,对包装件的六个面依次进行460㎜高度的跌落测试,采集各面相应的峰值加速度值。

试验结果如图6所示:

由于泡沫塑料包装采用了左右结构,且实际泡沫的厚度比理论计算出来的要小,没有足够的缓冲功能,故导致泡沫塑料比空气垫的跌落效果差。泡沫塑料在第2、4面跌落时,峰值加速度明显大于其它各面。造成的原因是:洗碗机跌落时,由于其外壳是易变形的铁皮,具有一定的缓冲作用,与铁皮相连的前端开门为厚塑料制品,塑料的变形量很小,可近似认为刚性体,当左右面即洗碗机的两侧面跌落时,正好跌落在刚性体上,加上泡沫塑料因厚度小缓冲效果差,所以峰值加速度比其它面要大。在前端开门处,上部为拉门,下部为控制面板,二者之间有一厘米宽的空隙。此处的塑料较薄,有一定的缓冲作用,所以跌落时峰值加速度反而不是很大。

与泡沫塑料相比,空气垫的峰值加速度明显要小,这说明空气垫的抗跌性能优于泡沫塑料,对产品起到了很好的保护作用。

根据相关标准还应进性包装件一个角三条棱的跌落试验,鉴于客户未做此项要求,故未进行此项测试。

4 结论

4.1 优点

(1)空气缓冲垫近似于正切型缓冲材料,可以同线性弹性材料相比。
(2)空气缓冲垫缓冲效果随单体的面积和充气量的大小而表现出不同的缓冲效果。
(3)利用空气垫进行振动和跌落试验,与泡沫塑料相比,有自己独特的优势,并且有很好的回弹性,有着理想的缓冲效果。
(4)从整体上讲,其价格低,制作简单,非常适合中小型产品的缓冲包装,可部分或完全替代泡沫塑料。
(5)空气垫占用空间小,只有在需要包装时才充气,比泡沫塑料节省许多仓储空间。

目前日本已对空气垫进入了工业化生产,台湾也有生产空气垫的相关设备。不久的将来,空气缓冲必将成为缓冲包装技术的一大亮点,应引起我国的重视,迅速应用起来。

4.2 问题及不足

(1)应广泛地对多种相关材料进行试验,如尼龙等复合材料进行缓冲包装测试分析,肯定有多种材料的性能优于我们进行试验所用的材料。
(2)需要进一步进行气压与单体K值之间关系的试验确定。
(3)要进行工业化生产的探索。
(4)由于外包装箱尺寸给定,缓冲垫的厚度尺寸过小,给设计造成困难。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (3/5/2005)
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佳工网友 于5/31/2005 6:24:00 PM评论说:
气垫缓冲材料作为一种新型材料在试验时给它建立一个数学模型是否更好?看其与正切曲线是否接近。建议几位老师对绿色缓冲材料进行研究,目前欧洲已推出ROSH指令及WEEE指令,绿色缓冲材料的使用将势在必行!
佳工网友 于5/31/2005 6:15:00 PM评论说:
感谢几位老师的设计共享!我这里有几个问题希望解答。
1.此洗碗机的薄弱环节在哪里?脆值是否测量?根据H=46㎝,G=40(查标准,估算值),有哪些标准可查?为什么取g=40呢
2.“(2)为补足底面积的不足,在产品后端底部增加支承面积,但要突出两后底角,防止将力传到侧板上。 ”既然改为左右包装,这样泡沫塑料能否脱模?能否实现生产?


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