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电子产品缓冲包装件设计
作者：小杨 邮件地址：feiyueyang[e-mail]
摘要：市场的发展，商品流通的兴盛，使商品缓冲包装件在商品流通过程中起到了很重要的位置。设计合理的缓冲包装件不仅可以保护商品在流通过程中免招冲击、振动等机械载荷的损坏；还可以减低包装件的成本，从而提高产品在市场上的竞争力。有很多国家把包装件使用环保材料作为市场准入的一个必需条件。因此电视机缓冲包装件的设计是电视的结构设计过程中的重点之一。
关键词： EPE (EPE－Expanded Polyethylene
) EPS(EPS－Expanded Polystyrene )
脆值
瓦楞纸板
引言：本文主要讨论的是电视机缓冲包装材料的选取及如何合理的设计缓冲包装件的问题。缓冲包装件的设计从以下几个步骤进行论述：1确定电视机的流通环境条件。2 通过相关的资料估计电视机的脆值。3电视机包装材料的选取及包装结构的设计。4.制作包装原形。5.通过试验模拟运输环境条件。如果发现产品的脆值很低，通过更改产品的薄弱结构件以提高产品的脆值；如果还不能满足要求则要重复上述的步骤重新设计直到符合要求。
1.确定电视机的流通环境条件。
包装件在运输流通中所经历的一切外部因素统称为流通环境条件。包装技术就是要确保产品由一地向另一地运送时不受经济上和功能上的意外损失。
流通过程的基本环节有：A. 装卸搬运环节。装卸作业中，抛掷、堆垛倒塌、起吊脱落、装载机械的突然启动和过急的升降都会对电视机包装件造成跌落冲击损害。B. 运输环节。在运输环节中电视机主要会受冲击损害、振动损害及气候条件等的影响。如运输工具的启动、止动、变速、转向等引起的冲击损害；运输工具的引擎运行及其它一些因素（如路况）而产生的振动损害；电视机运输时必须带蓬、防雨、防潮等。C贮存环节。贮存是电视机流通链中重要一环。货物贮存方法，堆码重量、高度，贮存周期，贮存地点，贮存环境，会直接影响产品包装件的流通安全性。如电视机存放地点应保持通风干燥，远离火源，长期堆码应高于地面100mm，要避免雨淋、暴晒和污染，并严禁大型物品挤压，贮存期一般不超过半年。
为了模拟运输环节的冲击损害、振动损害，国家制定了标准（GB/T 9384-1997）具体如下表：
1.1 振动标准 表1.1（有包装样品，GB/T 9384-1997的表2）
频率范围，Hz
位移幅值，mm
每一轴线上的扫描循环次数
要求
10~30~10
0.75
5
样品应按工作位置在三个互相垂直的轴线上依次振动
30~55~30
0.25
5
按表1中的规定进行（10~30~10）HZ及（30~55~30）HZ的扫频振动。以1cot/min的扫频速度率，在某一频率范围内进行一次循环扫描（f1~ f2 ~f1）的时间：
T=6.644lg（f2/f1）
式中：T-----时间，min
f1----扫频的下限频率，HZ；
f2----扫频的上限频率，HZ。
1.2 跌落标准
质量不大于100Kg的带包装样品。样品按表2和图1的规定进行跌落实验。实验后要符合国标（GB/T 9384-1997）3.1.61和3.1.6.2的规定。
表1.2（有包装样品，GB/T 9384-1997的表3）
跌落项目
样品质量kg

<10
≥10-<20
≥20-<30
≥30-<40
≥40-<50
≥50
面跌落
跌落高度mm

800
600
500
400
300
200
跌落面
如图2所示按3-2-5-4-6面次序向下跌落
棱、角跌落
跌落高度mm
600
500
400
300
200
100
跌落棱
跌落棱为跌落角的三条棱
跌落角
跌落角应为样品正面下边的任一角
跌落次数
各一次

图1

6
4 2
3
5

3 -- 底面 2 正面 1 顶面
4.5.6----三个侧面

2.初估电视机的脆值。
产品在受到冲击过载损坏、疲劳破坏等因素的影响而产生的特性，称为产品的易损性；定量描述这种特性的量值称为脆值，用G表示。不同的产品有完全不同的损坏模式，与随机特性的流通环境条件有很大关系。因此产品的脆值并非产品的固有特性，而是具有统计意义的描述产品承受外界载荷作用后临界破损状态的一个度量值，用于评价产品在流通环境下耐损坏的能力。
引起冲击过载损坏的主要原因，是产品受到较大动载荷的作用，使内应力超过许用极限。产品不发生物理损坏或功能失效所能承受的最大加速度（没有缓冲材料保护）与重力加速度g的比值被称为产品的脆值GC，即
GC=AC/g （1）
考虑到产品的价值，要有安全系数n，因此缓冲包装设计时，采用产品的许用脆值[G]作为依据，即
[G]=GC/n n> 1 （2）
包装件跌落时，冲击传递到产品的最大加速度Amax不仅与跌落高度有关，还与缓冲包装结构、材料性能有关（因此在设计包装件时要考虑材料与结构的合理性）。将Amax与重力加速度g的比值Gmax应小于许用脆值[G]，即
Gmax=Amax≤[G] （3）
按脆值定义的要求，要做大量的试验才能取得产品的脆值，而缓冲包装件的设计要在脆值取得后才能进行；因此按这样的程序将会提高产品的开发成本，同时也会拉长开发时间。为了解决以上问题，用初估法取得电视机的脆值G，具体方法如下：
2.1.经验估算法
通过对包装件在流通环境中实测的大量现场数据的数理统计分析，估算产品脆值有如下经验关系式：
Gc=αW-β （4）
其中：Gc - 包装件经受到的最大加速度（g）；W-包装件的重量（KG）； α、β经验参数，有三重数据：
A.强烈冲击现象α=801，β=0.704
B.中等冲击现象α=203，β=0.306
C.较弱冲击现象α=53.2，β=0.1
三菱包装技术中心依据该公司各类电气电子产品的脆值试验结果。通过最小二乘法回归处理，得产品脆值Gc与其重量W的经验公式为：
Gc=102.22W-0.4 （5）
此结果与B 项接近。
2.2类比法
先进的工业化国家多年来已经对多种产品的脆值进行过大量的试验测定，并制定出若干参考标准，缓冲包装设计时，可以通过类比，选用作为参考依据。下面给出不同资料来源推荐的产品脆值范围。
表2－1 美国军用手册《MIL－HDBK－304》
G值
产品类型
15～24
导弹导航系统、精密校准仪器、惯性导航台、陀螺
25～39
机械测量仪表、电子仪器、真空管、雷达
40～59
航空附属仪表、电子记录装置、固体电路、精密机械、示波器
60～84
电视机、航空仪器、某些固体电路
85～110
电冰箱、普通机电设备
＞110
一般机械、航空零件、液压传动装置、控制台

表2－2 美国MTS公司
G值
产品类型
15～25
导弹导航系统、精密校准仪器
26～40
机械测量仪表、电子仪器
41～60
航空附件、电子打印装置、办公室电子设备
61～85
电视机
86～115
洗衣机、电冰箱
＞115
普通机械设备

表2－3 日本防卫厅规范NDS20010
等级
G值
产品类型

A
＜10
大型电子计算机
10～20
导弹导航器、高级电子仪器、晶体振荡器、精密测量仪器
21～40
大型电子管、变频装置、普通电子仪器、一般测量仪器
B
41～60
飞机部件、小型电子计算机、自动记录仪、大型电讯装置
61～90
电视机、录音机、照相机、光学仪器、移动无线电、航空用品
C
91～120
便携式无线电、电冰箱、普通仪器
＞120
机械产品、小型真空管、一般器具

表2－4中国机械标准化研究所
G值
产品类型
25～40
冰箱压缩机
40～60
彩色电视机、显示器、鸡蛋
60～90
黑白电视机、电冰箱
90～120
光学经纬仪、荧光灯、陶瓷器皿、单放机、电动玩具

表2－5 日本三菱电气集团公司
序号
产品名称（型号）
G值
重量，kg
体积，×103cm3
1
榨汁机（JE－1700）
72
4.1
11.9
2
烤箱（Bo－1100）
108
9.7
52.4
3
黑白电视机（14PS-4030）
40
8.7
39.6
4
黑白电视机（12PS-3190）
47
5.5
34.4
5
彩色电视机（14PS-101）
38
13.6
63.3
6
彩色电视机（14CTS-156）
43
16.5
73.0
7
彩色电视机（14CP-196）
30
16.0
65.7
8
彩色电视机（14CT-303）
75
19.8
85.3
9
彩色电视机（14CT-313）
63
18.0
88.4
10
彩色电视机（18CT-B64W）
41
28.1
168.7
11
彩色电视机（20CT-B88W）
30
37.1
182.9
12
立体声扩音机（DA－U550）
93
7.7
15.2
2.3确定脆值
液晶电视机（LC-32X5A）该机型重21.4Kg，约为47英镑。通过式（4与式（5）估算及表2-1至表2-5数据初步确定该电视机的脆值：G=50~70 ，为了方便缓冲材料厚度的选取在这里就初步用G=50 （6）
3.电视机的包装材料选取及包装结构的设计
3.1外包装箱瓦楞纸板（corrugated fiberboard）选取
瓦楞纸板由箱纸板和经过起楞的瓦楞原纸粘合而成的，用与制造瓦楞纸箱的一种复合纸板。按物理强度将瓦楞纸板各分为4种见下表：
表3-1（GB/T6544-1999的表1）
种类
优等品
一等品
合格品
代号
耐破度kPa　
　边压强度kN/m
　代号
耐破度（kPa）　
边压强度（kN/m）
代号
耐破度（kPa）　
边压强度（kN/m）　
单瓦楞纸板　
S-1.1　
S-1.2
S-1.3
S-1.4
638
785
1177
1570
4.5
5.0
6.0
7.0
S-2.1
S-2.2
S-2.3
S-2.4
410
686
980
1373
4.0
4.5
5.0
6.0
S-3.1
S-3.2
S-3.3
S-3.4
392
588
784
1177
3.5
4.0
4.5
5.0
　双瓦楞纸板
D-1.1
D-1.2
D-1.3
D-1.4
785
1177
1570
1961
6.5
7.0
8.0
9.0
D-2.1
D-2.2
D-2.3
D-2.4
686
980
1373
1765
6.0
6.5
7.5
8.0
D-3.1
D-3.2
D-3.3
D-3.4
588
784
1177
1570
5.5
6.0
6.5
7.0

瓦楞纸板的楞型结构几尺寸要求应符合表3-2的要求，其瓦楞形状均为UV型。
表3-2（GB/T6544-1999 的表2）

楞型
楞高，mm
楞数，个/300 mm
A
4.5~5.0
34±2
C
3.5~4.0
38±2
B
2.5~3.0
50±2
E
1.1~2.0
96±2

不同的等级价格差很多，因此设计时即不要过设计也不要安全系数太低。以下举一个例子，液晶电视机LC-32X5A的外包装箱纸质的选取过程：
一般电视机的外包装箱用双瓦楞纸板，又要满足表层印刷的要求在表层要用细瓦即B型、E型。A型的抗压是最好的，细瓦中B型抗压也是最好的，在此选AB型其厚度为8.0mm，箱型0201（纸板的利用率较高）。
瓦楞纸箱的抗压强度，0201型纸箱的抗压强度可采用如下马基公式进行计算：
Pc= 5.874PmZ 0.492t 0.508 （7）
其中Pm为纸板的边压强度测定值（N/cm）,Z为纸箱周长（cm），
t为纸板厚度（cm）。
纸箱的堆码强度
堆码强度是纸箱设计的重要指标，是指仓储的瓦楞纸箱包装在一定时间的静态压力下堆码即将倒塌之前所能承受的载荷。根据所示纸箱的抗压强度可以估算纸箱的堆码强度，Ps（N），计算公式为
Ps =9.81G(Nmax-1) （8）
其中G(kg)为单个纸箱包装的毛重，Nmax为最大堆码层数。
纸箱空箱的计算抗压强度Pc与Ps之比即为安全系数K：
K=Pc/Ps＝Pc/9.81G(Nmax-1) （9）
安全系数由与蠕变有关的储存期、流通环境的湿度、堆码方式、装卸条件、纸箱的印刷与开孔等因素有关。表3-3 给出了估算安全系数的参考数据。
表3-3 估算安全系数的参考数据

抗压强度损失
乘子ai
载荷下堆放时间
10 天－损失 37 %
0.63
3０天－损失40%
0.60
90 天－损失45 %
0.55
180天－损失50 %
0.50
载荷下相对湿度RH（RH周期性的变化会进一步加剧损失）
50%－损失0 %
1.0
60%－损失10 %
09
70%－损失20 %
0.8
80%－损失32 %
0.68
90%－损失52 %
0.48
100%－损失85 %
0.15
托盘码垛方式

高质量箱
低质量箱
柱型，对齐
损失忽略

柱型，错位
9－15%损失
0.9
0.85
互锁式
40－60%损失
0.6
0.40
超出托盘
20－40%损失
0.8
0.60
托盘板间隙
9－25%损失
0.9
0.75
野蛮装卸
9－40%损失
0.9
0.60
印刷与开孔
9－20％损失
0.9
0.8
于是，安全系数可按下式估算：

（10）

G(kg)包装的毛重
21.4KG

Nmax为最大堆码层数
4

纸箱长,cm
92.0

纸箱宽,cm
29.2

周长（cm）
242.4

厚度(cm)
0. 8

堆码强度Ps（N）
用公式（8）
算出Ps= 629.8

AB 瓦边压Pm(N/cm)
7 0
（D-1.2）
8 0
（D-1.3）
9 0
（D-1.4）
7 5（D-2.3）
纸箱抗压Pc(N)
用公式（7）算出
Pc=5469.81
6296
7093
5902.5
安全系数K
8.68
9.996
11.26
9.37
在相当严酷的情况下K环
由公式（10）的K=1/0.5X0.48X0.6
=6.95
6.95
6.95
6.95
K/K环
1.25
1.44
1.62
1.34
表3-4 LC-32X5的外包装箱瓦楞板材的选取。

从表3-4中可已看选D-2.3最合理也最经济。
3.2缓冲材料选取及缓冲结构件的设计
3.2.1缓冲材料选取
缓冲材料可衰减有害的振动调整包装系统的频率远离产品关键件的
固有频率，减少动应力，有利于延长其疲劳寿命。电视机常用的缓冲材料有两种：EPS、EPE。具体用哪种材料先看材料的特点。
A）EPS聚苯乙烯泡沫塑料（EPS－Expanded Polystyrene）
可模塑可大批量生产，蒸气透过率和吸水率低，绝缘良好，光滑而微弹性表面不会磨损产品，可模塑成复杂形状，压缩到75％还有很大回复能力，静压蠕变低，压缩强度高，可浸泡阻燃剂和抗静电剂，食品相容好，耐酸、碱和脂肪族化合物，但不耐溶剂与矿物油；扭转、弯曲和伸长能力有限，回收成本很高，被欧盟列为禁入。适合低脆值产品
B）聚乙烯泡沫塑料（EPE－Expanded Polyethylene）可模切能大批量生产，
软而无磨损，耐多次冲击，低Tr，阻尼大，机械强度高，耐酸碱和溶剂，低吸水率（<1％），绝热，-51－85℃范围内有耐变形的高弹性，断裂伸长约50％，拉伸强度：30mg/cm3时172KPa；80mg/cm3时448KPa，蠕变不如EPS；容易回收属于环保材料。适合重、贵、易碎品即适合低脆值产品。
总之，EPE比EPS有以下优点：拉伸强度高，缓冲性能好，能耐多次冲击，不易掉渣，动态变形小，更环保。其缺点是贵。
因液晶电视是销国外的LC-32X5A其包装材料必须是环保的，因此缓冲材料选EPE。以下就讨论如何合理的进行EPE缓冲件的结构设计。
3.2.2计算缓冲材料所需的厚度。
3.2.2.1缓冲系数
缓冲材料之所以能起到保护内装物，是由于缓冲材料受到冲击时变形吸收能量即变形能。单位厚度吸收的变形能为E/t,此值与外力F之比定义为该缓冲材料的缓冲效率：
(11)
缓冲效率虽然能反映缓冲材料的缓冲性能，但在缓冲包装设计过程中常用的参数是它的倒数，称之为缓冲系数C，即
(12)
注：t为缓冲材料所需的厚度，F为外力，EC变形能
设计缓冲包装时，应选择缓冲系数较小的缓冲材料，以便减少缓冲材料的用量。缓冲系数C与F、t、Ec三个参数有关，对于不同的缓冲材料有不同的缓冲系数，通常需通过试验测定。根据试验方法的不同，有静态缓冲系数和动态缓冲系数之分。
静态缓冲系数
当质量为m的包装件从h高度处跌落时，忽略机械损耗等次要因素，可以认为全部的位能mgh均转化为缓冲材料的变形能，考虑到ε=x/t，σ＝F/A，有
（13）
其中E0＝Ec /At为缓冲材料体积的变形能。如果跌落时产生的使产品不发生损坏的脆值为Gc，这时的加速度则为a=Gcg，外力变成F=mGcg，并定义缓冲材料所受静应力σm=mg/A，代入上式经整理可得缓冲材料的厚度
(14)
其中只有比值σm/E0与缓冲材料的缓冲性能和结构尺寸有关,定义为静态缓冲系数C =σm/E0
动态缓冲系数
在设计物流过程中冲击产生的变形速度决非静态方式。冲击过程中缓冲材料的阻尼将吸收一部分冲击能。因此，静态缓冲系数与实际情况有一定差异，是偏保守的，而需采用动态试验方法来测定更符合实际情况的动态缓冲系数。通过试验可求得缓冲材料的Gm－ss曲线。而该曲线在设计缓冲包装时起着很重要的理论指导作用。以下列出EPE板材在12、18、24、36英寸等4种跌落高度， 1、2、3、4英寸等四种缓冲厚度；第一次、第二次、第三次跌落的结果、以及第二到第五次跌落的平均结果。

图3.1

图3.2

图3.3
注：图3.1、图3.2、图3.3均为单层EPE即1/2英寸厚度
缓冲材料的厚度t

板材的厚度

图3.4

图3.5
注：图3.5均为多层EPE

3.2.2.2其他因素
缓冲结构与尺寸的设计除了考虑按缓冲系数和脆值确定厚度外，还应校核缓冲垫的压缩桡曲。厚度t较厚的缓冲垫容易桡曲，使承载能力下降。缓冲设计时，通常采用如下克斯特那经验公式进行校核：
Amin/(1.33t)2＞1 (15)
其中Amin为最小承载面积。

3.2.2.3根据需要缓冲包装的内装物的外形设计出基本的缓冲包装件的原形。具体用LC-32X5A为例：通过该原形确定缓冲材料的静应ss=MG/A；又知脆值G=50；因重量为21.4Kg由表1.2可知跌落高度面为500mm，楞、角为400mm
由于楞、角是薄弱位置，设计时跌落高度统一取500mm，即H=500mm，为方便用表格3-5表示各个数值。
图3.6
4（后侧面）

7（角）

2（正面） 6（右侧面）
注：1（顶面）3（底面）、5（左侧面）、7（角）、8（2与6的交棱）
9（1与2的交棱）、10（1与6的交棱）
设计的（LC-32X5A 缓冲计算）第一方案
表3-5（根据-图3-5 EPE板材的缓冲性能曲线图估算出缓冲材料厚度）
方位
长（inch）
板材厚度（inch）
面积（inch2）
重量（lb）
应力（psi）
厚度T（inch）
A/(1.33T)2>1
2
45.57
1.57
71.59
47
0.656
1.47
18．8
3
16.5
1.57
25.9
47
1.81
1.77
4.7
4
52.9
1.57
83.07
47
0.567
1.67
16.84
5
11.32
1.57
17.78
47
2.64
2.2
2.01
6
11.32
1.57
17.78

47
2.64
2.2
2.01
7
12.9
1.57
20.253
47
2.32
1.95
3.01
8
15.5
1.57
24.33
47
1.93
1.87
3.93
9
35.39
1.57
55.56
47
0.845
1.27
19.47
10
5.81
1.57
9.1
47
5.16
3.5

3.2.3确定最终的设计方案。
从表3-5中还有一些需要调整的，其中方位10是不合理的必须更改。具体如
图3.7

更改前 更改后

图3.7

从图3.7可以看出更改后比更改前在表3-5中的方位10处多加一条保护筋，缩短长度，去掉了在方位2、方位4贡献不大的加强筋。并将所有的板材的板厚改为1.18 inch。在底座的垫子可通过如图3.8的处理可节约材料1/3。

图3.8

更改后的（LC-32X5A 缓冲计算）第二方案具体如下表

表3-6（根据-图3-5 EPE板材的缓冲性能曲线图估算出缓冲材料厚度）
方位
长（inch）
板材厚度（inch）
面积（inch2）
重量（lb）
应力（psi）
厚度T（inch）
A/(1.33T)2>1
2
21.53
1.18
25.4
47
1.85
1.67
5.1
3
25.5
1.18
30.1
47
1.56
1.55
7.08
4
28.9
1.18
34.1
47
1.37
1.47
8.92
5
19.42
1.18
22.91
47

2.05
1.83
3.86
6
19.42
1.18
22.91
47
2.05
1.83
3.86
7
17.9
1.18
21.12
47
2.22
1.9
3.32
8
20.5
1.18
24.19
47
1.94
1.78
4.31
9
35.39
1.18
41.7
47
1.12
1.28
14.38
10
18.35
1.18
21.65
47
2.1
1.87
3.5

由与脆值为G50，从图3-5可以看出静应力在1.5psi到2psi区间可以省材
料，从表3-6看出表中的静应力基本分布与该区间。且方案二比方案一从材料
上可节约1/3，约人民币20元。因此就用方案二为最终方案。
4．制作缓冲包装原形，制作完后就是进行试验。
5.试验验证该设计方案的可行性。具体以一试验报告加以说明。

厦门合兴包装印刷有限公司测试中心
跌落冲击试验报告 试验编号：200600401001
表5-1
客户名称
厦 华
试样名称
厦华LC32X5
产品型号
LC32X5
依据标准
GB/T 9384-1997 ISO2248 ASTM D3332
测试软件
ITCZ-3.0
试
验

装
置
名 称
生产厂家
型 号
备 注
跌落试验机
西安捷盛电子技术公司
Y52/2Ⅱ/ZF

加速度计
江苏联能电子技术有限公司
LC0417

数据采集卡
陕西科技大学软件工程研究所

试
样
重量(kg)
尺寸(mm3)
衬垫材料
密度（kg/m3）
厚度（mm）
脆值
21.4
1179*445*959
EPE
24
30

试验
参数
跌落高度(㎜)
预处理温度(℃)
预处理湿度(%)
试验温度(℃)
试验湿度(%)
500
23
80
23
80
采样参数
采样频率
采样点数
模拟低通截至频率
数字低通截至频率
数字低通过渡带宽
100000
2048
10000
10000.0
100.0

实

验

结

果
测
试
数
据
跌落部位
最大加速度
速度变化量
脉冲宽度
响应频率
响应最大加速度
底
63.8
8.31
7.68
580
105.61
前
50.0
8.87
17.73
640
88.83
后
71.6
9.15
7.14
820
123.36
左
35.5
7.12
24.93
540
70.56
右
44.4
8.65
19.41
680
84.39
顶面右角
36.9
5.37
29.04
920
63.50
前底棱
36.7
7.00
14.22
360
67.22
前右棱
47.6
8.94
18.39
460
91.13
底右棱
36.2
6.33
19.68
560
68.69
实验
林佳梅
叶梁玉

从表5-1可以验证表3-6是合理的，并对内装物进行检查符合国标（GB/T 9384-1997）3.1.61和3.1.6.2的规定。因此说明该设计是合理的。
总之电视机的缓冲包装件设计，即要考虑到缓冲包装的结构件要满足保护电视机在正常的流通环节不受各种不利因素的损害的条件，又要考虑到缓冲包装结构件的成本。目前电视行业竞争非常激烈使该行业处于微利，结构件成本的降低将提高整机的竞争力，因此合理的电视机缓冲包装件的设计是电视的结构设计过程中的重点之一.

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