洗碗機(jī)聚苯泡沫塑料緩沖包裝設(shè)計(jì)探討

［摘要］采用聚苯泡沫塑料和空氣墊兩種材料對(duì)洗碗機(jī)進(jìn)行緩沖包裝，并通過(guò)進(jìn)行振動(dòng)和跌落沖擊試驗(yàn)測(cè)試比較，總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)，以期在實(shí)際應(yīng)用中選取合理的包裝材料和結(jié)構(gòu)，并試圖獲得更佳的緩沖效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)。 

［關(guān)鍵詞］空氣緩沖墊 泡沫塑料 緩沖包裝 

    洗碗機(jī)屬中小型機(jī)電產(chǎn)品，重19kg，外殼單薄，兩側(cè)板的固定點(diǎn)均在底面，側(cè)面沒(méi)有支承固定點(diǎn)，且側(cè)板內(nèi)有筋，筋與側(cè)板間無(wú)柔性墊。根據(jù)用戶“不改變?cè)獍b箱的尺寸，不增加更多包裝成本”的要求，只能將包裝的重點(diǎn)放在改變?cè)芯彌_墊的結(jié)構(gòu)，或采用新的緩沖材料上。 

1．原包裝存在的問(wèn)題及設(shè)計(jì)方案 

1．1 原包裝存在的問(wèn)題（如圖1、2所示）

（1）根據(jù)對(duì)原包裝緩沖襯墊的估算，聚苯泡沫塑料緩沖墊厚度尚可滿足要求，但安全系數(shù)太小，緩沖面積不足。尤其是底面，由于緩沖面積不足，造成在跌落沖擊時(shí)，局部應(yīng)力過(guò)大，其反作用力傳給了產(chǎn)品的兩個(gè)側(cè)壁，造成了側(cè)壁變形。 

（2）由于緩沖面積不足，分配不合理，支承點(diǎn)受力面積太小，特別是薄弱環(huán)節(jié)未做緩沖處理，造成以下的破壞：控制面板與箱體脫開(kāi)，固定橡膠條脫落；控制面板右上角產(chǎn)生嚴(yán)重裂紋；兩側(cè)板有微小凹凸變形。 

1．2設(shè)計(jì)方案 

（1）薄弱環(huán)節(jié)的緩沖與固定，控制面板與拉門之間，由于振動(dòng)沖擊作用，使其產(chǎn)生較大的垂直位移，與鉸鏈金屬片相互剪切造成裂紋；底部采用間隙緩沖結(jié)構(gòu)，門和控制面板間增加橡膠墊，以避免底面的反作用力。 

（2）為補(bǔ)足底面積的不足，在產(chǎn)品后端底部增加支承面積，但要突出兩后底角，防止將力傳到側(cè)板上。 

（3）兩種設(shè)計(jì) 

a 變?cè)舷戮彌_結(jié)構(gòu)為左右緩沖結(jié)構(gòu)（圖3） 

由于洗碗機(jī)的外包裝箱尺寸已確定， 盡管在理論上計(jì)算泡沫塑料墊的厚度為： =39.1㎜，實(shí)際上只能取厚度為30㎜。又因?yàn)樵b的緩沖墊為上下結(jié)構(gòu)形式，底面積不足造成產(chǎn) 品損壞。故改為左右結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行緩沖， 如圖3所示。 

b 采用空氣墊緩沖包裝 

這是一種新的包裝技術(shù)，為了更好地進(jìn)行性能比較，將空氣墊的厚度也定為30㎜。空氣墊采用塊狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)面有8個(gè)小的單體連接而成，各個(gè)單體相互獨(dú)立。這樣設(shè)計(jì)的原因是防止其中的某一單體受到損壞時(shí)，其它的單體仍能繼續(xù)發(fā)揮作用。

2．緩沖襯墊尺寸的確定 

2．1因?yàn)橄赐霗C(jī)的外箱尺寸已確定，即泡沫塑料緩沖墊的厚度只能采用30㎜。為了保證緩沖墊的有效性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中依次使用低密度、中密度、高密度的泡沫塑料，經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)品本身的強(qiáng)度問(wèn)題，高密度的泡沫塑料緩沖效果比較理想。這是由于中、低密度的泡沫塑料變形大，且產(chǎn)品亦容易變形，故無(wú)法有效地保護(hù)產(chǎn)品變形。而高密度的泡沫塑料本身強(qiáng)度好，能較好地保護(hù)產(chǎn)品發(fā)生變形。 

    應(yīng)用曲線設(shè)計(jì)緩沖墊時(shí)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)使用密度為0.025的聚苯乙烯泡沫作為襯墊是比較合理的。這種材料的緩沖系數(shù)曲線=8.8時(shí)對(duì)應(yīng)的zui小緩沖系數(shù)C=3.4，根據(jù)H=46㎝，G=40（查標(biāo)準(zhǔn)，估算值）則計(jì)算的緩沖襯墊尺寸為：=3.4×46/40=3.91㎝ 

2．2由于洗碗機(jī)的質(zhì)量較重，所以選用T=0.3㎜厚的塑料薄膜作為單體氣墊的設(shè)計(jì)材料。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該材料的橫向拉伸率為344.8%，縱向拉伸率為296.4%，縱向熱封強(qiáng)度為28.4（N）橫向熱封強(qiáng)度27.6（N），可見(jiàn)，所選用T=0.3㎜厚的塑料薄膜拉伸率十分理想，同時(shí)也具有較好的熱封強(qiáng)度，作為單體緩沖材料是*選擇。 

3．泡沫塑料和空氣墊緩沖包裝的測(cè)試比較 

3．1泡沫塑料和空氣墊緩沖包裝的振動(dòng)試驗(yàn)比較 

    振動(dòng)是流通環(huán)境引起商品損壞的主要因素之一。通過(guò)正弦振動(dòng)試驗(yàn)可以找到商品的固有頻率，以期在進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避開(kāi)在商品固有頻率下發(fā)生共振。試驗(yàn)框圖如圖4所示： 

    將兩種緩沖設(shè)計(jì)做出來(lái)后，按要求裝箱，利用Y50100-1A/ZF型100㎏機(jī)械振動(dòng)臺(tái)，加速度傳感器，YE5850電荷放大器及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等（均為西北機(jī)器廠產(chǎn)品），將包裝件固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，經(jīng)歷3~50的掃頻振動(dòng)，每5增幅記錄相應(yīng)頻率下的加速度值，從而確定包裝件的固有頻率和共振頻率。 

振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：
 

   從上圖可看出：裸機(jī)振動(dòng)時(shí)，洗碗機(jī)在35時(shí)發(fā)生了共振；泡沫塑料包裝時(shí)包裝件的*階共振頻率出現(xiàn)在30，比產(chǎn)品的固有頻率有限降低，且在35處沒(méi)有發(fā)生共振，可以在實(shí)際流通中使用；采用空氣墊包裝振動(dòng)時(shí)，低頻共振發(fā)生在25和35處。由此可分析得到泡沫塑料包裝在低頻時(shí)的保護(hù)功能優(yōu)于空氣墊，在高頻時(shí)的保護(hù)功能不如空氣墊的效果好。 

    空氣墊包裝時(shí)在25時(shí)產(chǎn)生共振，所以在固有頻率35處的激振頻率不會(huì)破壞產(chǎn)品。雖然包裝件仍在35時(shí)發(fā)生共振，但此處的峰值加速度明顯小于泡沫塑料的峰值加速度。可將包裝件在共振狀態(tài)下共振15分鐘，如果產(chǎn)品沒(méi)有損壞，即可認(rèn)為包裝合格。另外，如果改變單體的結(jié)構(gòu)或單體內(nèi)的氣體量均可改善緩沖效果。

3．2 泡沫塑料和空氣墊緩沖包裝的跌落測(cè)試比較 

    跌落試驗(yàn)是一種用來(lái)模擬物流過(guò)程中產(chǎn)品——包裝系統(tǒng)所經(jīng)歷的沖擊。試驗(yàn)時(shí)，包裝件從一定的高度跌下而不損壞內(nèi)部的產(chǎn)品，即在不超過(guò)脆值的情況下跌落，保證包裝對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)功能不被破壞。 

    利用Y5212Ⅱ/ZF跌落試驗(yàn)機(jī)，加速度傳感器，YE5850型電荷放大器及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，對(duì)包裝件的六個(gè)面依次進(jìn)行460㎜高度的跌落測(cè)試，采集各面相應(yīng)的峰值加速度值。 

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示：
 

    由于泡沫塑料包裝采用了左右結(jié)構(gòu)，且實(shí)際泡沫的厚度比理論計(jì)算出來(lái)的要小，沒(méi)有足夠的緩沖功能，故導(dǎo)致泡沫塑料比空氣墊的跌落效果差。泡沫塑料在第2、4面跌落時(shí)，峰值加速度明顯大于其它各面。造成的原因是：洗碗機(jī)跌落時(shí)，由于其外殼是易變形的鐵皮，具有一定的緩沖作用，與鐵皮相連的前端開(kāi)門為厚塑料制品，塑料的變形量很小，可近似認(rèn)為剛性體，當(dāng)左右面即洗碗機(jī)的兩側(cè)面跌落時(shí)，正好跌落在剛性體上，加上泡沫塑料因厚度小緩沖效果差，所以峰值加速度比其它面要大。在前端開(kāi)門處，上部為拉門，下部為控制面板，二者之間有一厘米寬的空隙。此處的塑料較薄，有一定的緩沖作用，所以跌落時(shí)峰值加速度反而不是很大。 
    與泡沫塑料相比，空氣墊的峰值加速度明顯要小，這說(shuō)明空氣墊的抗跌性能優(yōu)于泡沫塑料，對(duì)產(chǎn)品起到了很好的保護(hù)作用。 

    根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)進(jìn)性包裝件一個(gè)角三條棱的跌落試驗(yàn)，鑒于客戶未做此項(xiàng)要求，故未進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試。 

4 結(jié)論 

4．1 優(yōu)點(diǎn) 

（1）空氣緩沖墊近似于正切型緩沖材料，可以同線性彈性材料相比。

（2）空氣緩沖墊緩沖效果隨單體的面積和充氣量的大小而表現(xiàn)出不同的緩沖效果。 

（3）利用空氣墊進(jìn)行振動(dòng)和跌落試驗(yàn)，與泡沫塑料相比，有自己*的優(yōu)勢(shì)，并且有很好的回彈性，有著理想的緩沖效果。 

（4）從整體上講，其價(jià)格低，制作簡(jiǎn)單，非常適合中小型產(chǎn)品的緩沖包裝，可部分或*替代泡沫塑料。 

（5）空氣墊占用空間小，只有在需要包裝時(shí)才充氣，比泡沫塑料節(jié)省許多倉(cāng)儲(chǔ)空間。 

    目前日本已對(duì)空氣墊進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)，中國(guó)臺(tái)灣也有生產(chǎn)空氣墊的相關(guān)設(shè)備。不久的將來(lái)，空氣緩沖必將成為緩沖包裝技術(shù)的一大亮點(diǎn)，應(yīng)引起我國(guó)的重視，迅速應(yīng)用起來(lái)。 

4．2 問(wèn)題及不足 

（1）應(yīng)廣泛地對(duì)多種相關(guān)材料進(jìn)行試驗(yàn)，如尼龍等復(fù)合材料進(jìn)行緩沖包裝測(cè)試分析，肯定有多種材料的性能優(yōu)于我們進(jìn)行試驗(yàn)所用的材料。 

（2）需要進(jìn)一步進(jìn)行氣壓與單體K值之間關(guān)系的試驗(yàn)確定。 

（3）要進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的探索。 

（4）由于外包裝箱尺寸給定，緩沖墊的厚度尺寸過(guò)小，給設(shè)計(jì)造成困難。

天津科技大學(xué) 劉占勝 宋海燕 李光 劉功