防震包装的设计方法

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1、防震包装的设计有两方面的含义，一是指对新产品防震包装的设计；二是指对旧产品原包装进行改进设计。对于旧产品原包装进行包装改进设计之前，应当先考虑能否永久性改进产品，使其更加坚固，这样做比采 用更保险的防震包装要经济。一、防震包装的设计程序这里叙述的设计程序是针对用防震缓冲垫（又称缓冲垫或防震垫）对整体产品进行防震包装的情况， 设计程序分为五步：（1）确定环境；（2）确定产品的易损性；（3）选择合适的防震缓冲垫；（4）设计和制造原型包装；（5）对原型包装进行试验和修正。设计时一般只考虑冲击和振动因素，影响设计的因素还有压缩、湿度等，这些因素为修正因素，在包 装初步定型后再进行一次修正。二、确定环境

2、在第一节中巳讲到产品所处的环境主要是冲击和振动。对于冲击来说，在整个运输过程中会多次遇到， 而且大小程度不同，因此，就要选择用户所希望防护的最苛刻的跌落高度作为基准。产品所受到的振动是非常复杂的，比较典型的有两种：一种是冲击后随之而来的减衰振动，这种振动 的影响不会超过冲击影响，故一般不再单独考虑；另一种是持续不断的振动，这种振动的频率若和产品或 产品中某些零部件的固有频率共振，就将给产品带来损害的可能。后一种振动影响的大小一般要从环境数 据资料或所测加速度频率曲线中考虑。不同运输方式，所形成的振动环境是不一样的，在普通运输环境中，所出现的振动频率一般为1200Hz。振动环境确定后，要画出这种

3、环境的加速度一频率曲线，作 为设计时用。三、确定产品的易损性（一）确定产品的冲击损坏边界冲击破坏的原因是因惯性力引起过大内应力。惯性力与加速度成正比，故冲击易损性可用可承受的最 大加速度值来表示，即该产品能承受多少个重力加速度g。这里的“多少个”，即第一节所定义的允许加 速度系数Gm。当跌落的包装件冲击地面时，容器表面上的加速度最高可达几百个g。防震缓冲垫可以改变传到内装 物的冲击脉冲，从而使最大加速度大大减小，冲击脉冲持续时间延长。设计的目标就是保证以防震缓冲垫 传到内装物上的加速度值小于允许加速度值，即GGm。表征产品抗冲击性能的方法源于冲击谱和损坏边界原理。用这些原理可描画如图2-7-4

4、所示损坏边 界曲线。边界水平线所对应的纵坐标代表最小损坏冲击脉冲的峰值加速度，边界的垂直线所对应的横坐标代表 导致损坏所需的最小速度。对任何产品都可确定一条损坏边界曲线。图中阴影区域的冲击脉冲都将使产品 损坏，阴影之外区域的冲击脉冲都不会使产品损坏。该曲线图垂直线左边区域称低速度部分，这部分内即 使有极高的加速度也不发生损坏。该区域内，速度变化很小，产品本身就起到了减振作用。曲线图中水平 线下面区域内，即使速度变化很大，也不产生破坏，这是因为产生的力在产品强度极限范围之内。图2 74典型的损坏边界曲线图槌形脉冲-TL 未端，峰莅甑齿豚冲九 半正弦脉冲八速度变化米F秒2-7-5相同峰值加速度与相

5、同变化脉冲的损坏边界图2-7-5表示了速度变化边界（垂直边界线）与脉冲的波形无关。但是，对半正弦脉冲与锯齿脉冲， 损坏边界曲线的加速度值与速度变化有关。应用这个损坏边界，需要精确预测跌落高度及外包装防震缓冲 垫的恢复系数。然而，这种预测通常是不可能的，故一般应用梯形脉冲。用梯形脉冲产生的损坏边界包围 着其他波形的损坏边界，故采用它是可靠的。（二）进行易损性试验进行易损性试验的目的是为了确定产品的损坏边界，一般在冲击试验机上进行。将待试产品固定在冲击机的顶部，将冲击台提升到规定的跌落高度，然后松开，让其自由下落，冲击 机器的底板。当产品从底板回弹后，由一制动机构使其立刻停止，这样，只产生一次冲击

6、。冲击脉冲的类 型可以由冲击程度装置来控制。控制梯形脉冲的程序装置是一种可使压力不发生变化的气压气缸，通过调 节气缸中压缩气体的压力来控制梯形脉冲的G值，速度变化则由调节跌落高度来控制。第一次跌落是在最低的高度上开始，落下后检查是否有损坏，然后增加跌落高度进行第二次跌落，再 检查产品，依此重复直到出现损坏为止。记录下每次冲击时速度变化与峰值加速度，一旦发生损坏，就停 止边界试验，因为产生损坏必需的最小速度及损坏边界曲线的速度变化部分巳经确定了（见图2 7 6（a）。 损坏边界线位于无损坏的最后一次跌落与引起损坏的第一次跌落之间。为了继续确定加速度边界线，重新把一个新的试验样品固定到冲击台上，将

7、跌落高度调到临界值的1. 6 倍之上，将程序装置的压缩气体压力调低，让其产生一个较低的g值冲击。然后依次提高压力、依次检查 产品是否损坏，这样就可能在相同的跌落高度而不同的g片值下冲击，直到出现损坏为止。用这个g值就 可确定损坏边界曲线水平线的高度。该线位于无损坏的最后一次跌落与引起损坏的第一次跌落之间。引起损坏的第一决踪篇,无挑坏的是后一次畦浦f El/损事乾葬一度敏旅:漏操环的厦后一;sfii卷1据一洗喂著一透最一（a）速度损坏边界的形成；（b）损坏边界线的形成把垂直线（速度边界线）与水平线（加速度边界线）连接起来就可以画出损坏边界曲线。两条直线相 交的角实际上是圆角而不是直角。在大多数情

8、况下用直角就行了，在特殊情况下要通过附加试验来确定角 的形状。图2 7 6 （b）所示为用上述方法画出的典型的损坏边界曲线。从曲线图可看出两点：（1）若产品经受的速度低于临界速度，则不需要缓冲防震；（2）若产品将要经受的速度高于临界速度，则应设计防震缓冲垫，使其传输的加速度低于临界加速度 值。在产品可能以任意一边跌落的大多数情况下，应分别在三个坐标轴进行试验，确定出六个损坏边界。（三）确定产品的临界共振频率一般认为，稳态振动环境是属于幅度很低的加速度，由于是非共振惯性载荷，所以不会产生破坏作用。 当一种产品的某些零部件具备可为环境激发的固有频率时，就具有了发生损坏的可能性。如果产生的共振 充分

9、、长久，零部件的加速度和位移就可能增强到破坏的程度。产品或零部件对输入振动的响应，可用与图2 78所示的曲线来表示。由图2 7 8可知，在频率极低时，响应加速度与输入加速度相同。当频率极高时，响应加速度比输 入加速度小得多。在中间范围，响应加速度可能是输入值的许多倍，这是最可能发生损坏的频率范围。产品和零部件的共振频率是靠试验确定的。共振试验在振动试验机上进行。试验机由振动台和加振装 置组成，振动可以是上下方向或上下和水平两方向。振动波形一般采取正弦波，最大加速度可达1g以上， 频率可以连续变化，一般在210Hz的范围。将待试产品固定在振动台上，按照所选定的加速度频 率曲线使其经受上下方向振动

10、。改变频率，观察产品是否发生共振。一般需在三个坐标轴上分别试验，记 录下三组临界频率。选择合适的防震缓冲垫前两步是把冲击和振动过程分开考虑的，考虑实际情况，必须把两者兼顾，以设计出对冲击和振动都 可以起到良好防护的防震缓冲垫。应用缓冲曲线时，要同时采用冲击缓冲曲线和振动传输数据。(1)冲击缓冲曲线，系指最大的传输冲击加速度和静态应力的关系曲线。图2-7-7所示为聚乙烯的冲击缓冲曲线，它表示在不同静态应力值的情况下由各种不同厚度的聚乙 烯防震缓冲垫传输的加速度峰值。静态应力指单位缓冲垫面积上承受的包装产品重量。为了选用最经济的防震缓冲垫，应当选用与在第一步中选择的跌落高度相同的跌落高度缓冲曲线，

11、根 据这些曲线选择防震缓冲垫的类型与厚度，以便将传输加速度峰值限制到等于或低于在第二步的易损性试 验过程中确定的损坏g值。此外，采用什么结构的抗震缓冲垫，要以既安全又经济为原则。主要结构如上 节所述，有全面防震结构和部分防震结构。主要的缓冲材料都有现成的曲线可查，对那些没有的，可以进行动态缓冲试验，得到一系列数据，绘 制其缓冲曲线。试验时应用垂直跌落试验机与冲击试验机，采用一个可调重物的滑块，调好跌落高度。在跌落重物上 装上速度计，以便在冲击时记录加速度脉冲。每次试验产生一个数据点，加速度峰值由示波器直接读出，或从波形分析仪读出。静态应力是由滑块 重量除以缓冲面积得到的。对每一防震缓冲垫的厚度

12、与跌落高度，记录下相对于不同静态应力载荷的传输 加速度峰值的数据点，作为缓制缓冲曲线的依据。（2）振动传输率数据，系指固有振动频率和静态应力的关系曲线，图2 78为在产品的临界频率时 用抗振缓冲垫减小振动的实例。图中的频率是指产品和抗震缓冲垫组合的固有频率。在选用最合理的抗震缓冲垫时，应努力求出一种 类型、结构和厚度，它所产生的固有频率不会超过在第二步中所确定的最低临界共振频率的一半，这样就 可以保证在临界频率时出现合理的振动衰减量。如果如图2 7 8所示那样，产品和抗震缓冲组合的响应 曲线在15Hz时达峰值，当在临界频率时对产品的输入减小60%，如果有更高的临界频率，则向产品的输 入会更小。

13、Lil 2rV时芯应力儡呼山图2-7-7聚乙烯的冲击缓冲曲线（聚乙烯比重0. 031kg / dm3,跌落高度91. 5cm）图2 7 8在产品临界频率时用缓冲垫减小振动的实例然而，如图2-7-8所示的曲线通常是得不到的，在大多数情况下，必须自己动手进行试验以获得可 靠的缓冲振动数据。把抗震缓冲材料安装在振动机上，以不同的静态应力值，监控工作台和重物的加速度， 就可以在频率扫描过程中产生与图2-7-8类似的曲线，然后可以记录作为静态应力下函数的固有频率。应当注意，抗震缓冲垫的设计必须同时满足冲击与振动的要求，在任何给定的抗震缓冲垫与静态应力 值的情况下，都必须检查这两组数据，以保证传输的g值与

14、固有频率都符合要求。有时，因为易损性g值 或临界频率太低(或全低)，使得设计很困难。这时，必须将设计的防护水平牺牲到一定程度或者采用更加彻底的包装。在不少情况下，为了降低总 成本，要对产品坚固性等加以改进。五、设计和制造原型包装设计和制造原型包装的依据有以下几项：(1) 获取并确定相关资料；(2) 包装材料的经济性；(3) 需要考虑的其他保护问题；(4) 特殊的装运要求；(5) 包装封闭结构及其他特殊问题。原型包装应当非常接近预定的最后包装，材料、封闭、尺寸、重量等都要与最后包装一样。这样就可 以确保试验的原则包装确实足最后包装的代表性样品。理想的情况是原型包装在试验时显示的特性与最后 包装所

15、期望的相同。原型包装要制造一定数量，以备多次试验用。六、试验原型包装是试验装有产品的原型包装，以证明是否达到了预期的效果。要知道，为了简便，在前几步的设计中 忽略了很多本应考虑的变量，例如防震缓冲垫形状、侧垫的摩擦、底垫的密封等等，因此，必须要对原型 包装进行试验。（一）冲击试验就传输的加速度峰值而言，平直跌落是最严重的，因此，要用平直跌落来试验原型包装。不加引导很 难使包装重复地平直跌落，产生真正平直跌落的最准确而且也是可以重复的方法，是把包装件放在冲击试 验机的冲击台上，当冲击台碰到程序装置时，冲击台连同包装件就跌落并发生极快的速度变化。这种速度 变化试验叫做步进速度试验。所采用的冲击机可以和易损性试验所用的相同，不同的是采用不同的冲击程序装置。该程序装置产生 短时间（2ms或更短）的冲击脉冲。包装件对这些短脉冲的响应，类似于容器自由平直跌落在坚硬地面上 时受到的近乎瞬时的速度变化。另外，在冲击台上应装有仪表以观察输入的速度变化是否正确，也应当在包装产品上设置加速度计， 用以确定由防震缓冲垫传输的峰值g值是否仍在易损性极限内。在包装件可能以其任何一边跌落时的大多数情况下，应当在三个坐标轴的每个轴的两个方向进行试验， 总共进行六次。进行步进速度试验时，先将冲击机上的跌落高度调定在希望的高度，然后使冲击台升起并跌落。它冲 击