■ 文/珠海格力電器股份有限公司 湯志平，鄭立，金昊鵬，郝樹(shù)坤

關(guān)鍵字：緩沖系數(shù)；動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)；產(chǎn)品脆值

出口產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前需要提前確定裝柜量、包裝成本及評(píng)估產(chǎn)品包裝是否能通過(guò)嚴(yán)格的國(guó)際運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，但目前的包裝設(shè)計(jì)方法基本都是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依靠多年的包裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定包裝設(shè)計(jì)是否能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，這種設(shè)計(jì)方式存在風(fēng)險(xiǎn)大、可靠性不高等缺點(diǎn)。

當(dāng)前對(duì)各類(lèi)內(nèi)包裝緩沖材料的緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系缺乏研究，特別是緩沖材料的厚度尺寸與緩沖性能特征關(guān)系缺乏數(shù)據(jù)支持。雖然目前對(duì)產(chǎn)品脆值的分析建立了理論分析手段和方法，但還須深入研究并形成系統(tǒng)化。因此，需要建立一套包含包裝材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系、產(chǎn)品脆值等緩沖包裝設(shè)計(jì)理論計(jì)算及驗(yàn)證體系方式，從而達(dá)到理論指導(dǎo)產(chǎn)品包裝緩沖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的目的。

1 理論分析

1.1 包裝設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法

變形能的大小等于產(chǎn)品克服緩沖墊反力所做的功，跌落沖擊緩沖墊所受的應(yīng)力和應(yīng)變分別如式（1）所示：

式中：σ為緩沖應(yīng)力，單位Pa；A為接觸面積，單位m2；ε為應(yīng)變，單位m；T為緩沖包裝厚度，單位m；F為沖擊載荷，單位N。

把G取為產(chǎn)品不發(fā)生破損的最大加速度許用值[G]（即脆值），則緩沖墊的計(jì)算公式如式（2）所示：

緩沖系數(shù)C=σ/u，由式（6）得：T=CH/G

式中：σ為緩沖應(yīng)力，單位Pa；H為跌落高度，單位m；G為重力加速度，單位m/s2；

已知A、G、W，根據(jù)公式σ=GW/A，可以計(jì)算得出δm，根據(jù)δm進(jìn)行緩沖材料選型并依照（C—σ）材料特性曲線(xiàn)查出材料緩沖系數(shù)C。如圖1所示。

圖1 緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力曲線(xiàn)圖

已知C、H、G，根據(jù)公式T=CH/G，可以計(jì)算得出材料緩沖厚度T；從而可以確定產(chǎn)品包裝緩沖面積以及緩沖厚度。綜上可知，要想通過(guò)理論計(jì)算公式得出包裝緩沖材料厚度值，首先需要明確產(chǎn)品脆值G、緩沖材料系數(shù)C及緩沖材料最大應(yīng)力（動(dòng)應(yīng)力）σm。

1.2 緩沖材料緩沖系數(shù)的確定方法

根據(jù)固定重錘上的加速度傳感器可以測(cè)出重錘沖擊時(shí)的最大加速度Gm，如圖2所示。因此，可計(jì)算出試件的最大應(yīng)力：

圖2 緩沖材料動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖

式中Gm為加速度上讀取數(shù)值單位m/s2

由此得出σm對(duì)應(yīng)的緩沖系數(shù)為：

（三）緩沖材料緩沖系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

選用包裝泡沫常用密度為20 kg/m3、25 kg/m3、30 kg/m3，每種密度樣件數(shù)量為15個(gè)，規(guī)格為10×10×20 cm、10×10×25 cm、10×10×30 cm進(jìn)行重錘沖擊測(cè)試，如圖3、圖4、圖5所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中EPE材料結(jié)構(gòu)變量及規(guī)格

圖3 20kg/m3泡沫材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)

圖4 25 kg/m3的泡沫材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)

圖5 30 kg/m3的泡沫材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)

至此，我們得出了常用密度的包裝泡沫對(duì)應(yīng)的緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)圖。同時(shí)從緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)圖中，我們可以看出，EPS緩沖材料的密度越大，則同等條件下緩沖系數(shù)越大。

1.4 產(chǎn)品脆值的確定

脆值又稱(chēng)易損度，是產(chǎn)品適應(yīng)流通需要而規(guī)定的一種強(qiáng)度概念。在包裝件流通過(guò)程中，由于包裝不良而造成的產(chǎn)品價(jià)值損失，都被稱(chēng)為破損。破損的形式很多，如薄壁產(chǎn)品變形、易碎產(chǎn)品破裂、儀器失靈、容器泄漏等。破損是一種流通事故，一方面受產(chǎn)品固有屬性（材質(zhì)、密度、結(jié)構(gòu)）的支配，另一方面又受外部流通環(huán)境的影響。將這種破損量化，即為脆值。從量值上講，脆值定義為產(chǎn)品不發(fā)生物理的或功能的損傷所能承受的最大加速度值，一般用重力加速度的倍數(shù)G表示。如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品脆值實(shí)驗(yàn)示意圖

式中：Gm為脆值，單位為m/s2；H為跌落高度，單位為m；T為脈沖響應(yīng)時(shí)間，單位為s。

以除濕機(jī)為例，通過(guò)對(duì)除濕機(jī)包裝測(cè)試問(wèn)題及售后數(shù)據(jù)分析，我們定義除濕機(jī)G值采集點(diǎn)為后殼進(jìn)行測(cè)試。跌落高度從100 mm開(kāi)始并以50 mm依次遞增進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如下。

跌落高度為100 mm，G值為2 m/s2，測(cè)試后樣機(jī)無(wú)破損，開(kāi)機(jī)運(yùn)行正常。如圖7所示。

圖7 脆值測(cè)試圖1

跌落高度150 mm，G值為3.7 m/s2，測(cè)試后樣機(jī)無(wú)破損，開(kāi)機(jī)運(yùn)行正常。如圖8所示。

圖8 脆值測(cè)試圖2

跌落高度350 mm，G值為80，測(cè)試后樣機(jī)壓縮機(jī)機(jī)角斷裂，影響使用。如圖9所示。

圖9 脆值測(cè)試圖3

因此此次測(cè)試的除濕機(jī)脆值為80。

2 實(shí)例運(yùn)用

2.1 底面沖擊加速度計(jì)算

產(chǎn)品質(zhì)量m=33 kg，跌落高度H=1 m，泡沫密度為30 kg/m3，泡沫受力面積A=0.2714m2，泡沫厚度h=0.010 m，泡沫受力緩沖體積（Ah）=0.002714 m3。

由緩沖系數(shù)C=（Ah/WH）σm=（0.002 714/339.81）σm=0.008 39σmKPa，得出C與σm關(guān)系曲線(xiàn)2，如圖10所示。

曲線(xiàn)2與30 kg/m3的泡沫材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)相交，交點(diǎn)可得出對(duì)應(yīng)的緩沖系數(shù)C=23.7，最大應(yīng)力σm=2 825 kPa。

圖10 緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力曲線(xiàn)圖

最大加速度Gm（計(jì)算）=CH/h=23.71/0.010=2 370 m/s2

2.2 脆值測(cè)定

我們將加速度傳感器固定在窗機(jī)底盤(pán)上，跌落高度以100 mm開(kāi)始進(jìn)行跌落，跌落高度以50 mm進(jìn)行遞增，分別進(jìn)行裸機(jī)底面跌落測(cè)試。如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 加速度安裝圖

圖12 測(cè)試圖

圖13 脈沖響應(yīng)圖

當(dāng)?shù)涓叨葹?00 mm時(shí)軸流風(fēng)葉根部出現(xiàn)裂痕，產(chǎn)品失效。因此，將裸機(jī)跌落高度為500 mm時(shí)的最大加速度50 m/s2定義為產(chǎn)品GJC07AB-K3NMNA1A的脆值。

通過(guò)包裝測(cè)試驗(yàn)證G值采集方法，采集GJC07ABK3NMNA1A窗機(jī)跌落過(guò)程中的實(shí)際最大沖擊加速度。

將加速度傳感器固定在窗機(jī)底盤(pán)內(nèi)側(cè)，以采集窗機(jī)底盤(pán)超高跌落測(cè)試過(guò)程中底盤(pán)實(shí)際所受的最大沖擊加速度。

進(jìn)行底盤(pán)超高跌落后，測(cè)試后產(chǎn)品未損壞。測(cè)試照片如下，所受最大沖擊加速度Gm（測(cè)量）為2 506 m/s2。如圖14所示。

圖14 測(cè)試過(guò)程圖2

對(duì)比理論最大沖擊加速度與實(shí)際測(cè)試最大沖擊加速度驗(yàn)證理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性。

（1）底盤(pán)超高跌落最大沖擊加速度Gm（測(cè)量值）2 506 m/s2＜脆值4 419 m/s2，因此判斷包裝保護(hù)性能可靠，產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)損壞。

（2）通過(guò)已測(cè)試的緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)進(jìn)行理論計(jì)算的底盤(pán)超高跌落最大沖擊加速度Gm（計(jì)算值）2 370 m/s2＜底盤(pán)超高跌落最大沖擊加速度Gm（測(cè)量值）2 506 m/s2，從結(jié)果來(lái)看理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值有誤差，分析為緩沖系數(shù)值是通過(guò)測(cè)試多組樣件求平均值得出以及廠(chǎng)家泡沫生產(chǎn)過(guò)程泡沫密度本身有波動(dòng)，都影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證緩沖包裝理論設(shè)計(jì)的可靠性，依據(jù)泡沫密度公差為（+10%，-7.5%），我們引入厚度h安全系數(shù)+10%，即2 370（1+10%）＝2 607＞2 506。

通過(guò)考慮誤差波動(dòng)，計(jì)算結(jié)果表明：現(xiàn)有緩沖包裝泡沫厚度可以滿(mǎn)足跌落高度（450 mm）要求和非標(biāo)跌落高度1 m的要求。

3 總 結(jié)

3.1 利用產(chǎn)品脆值和緩沖材料緩沖系數(shù)與動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)為基礎(chǔ)的包裝設(shè)計(jì)方法，以加速度傳感器采集跌落沖擊加速度G值的驗(yàn)證方法，可以起到理論指導(dǎo)產(chǎn)品包裝緩沖設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的目的。

3.2 對(duì)產(chǎn)品的特性和以往的售后反饋分析，建立了產(chǎn)品脆值沖擊測(cè)試方法以及包裝測(cè)試驗(yàn)證沖擊加速度G值的采集方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品脆值的不斷積累以及包裝測(cè)試驗(yàn)證方式的積累。

3.3產(chǎn)品脆值的確定

3.3.1 脆值采集點(diǎn)的選擇

脆值采集點(diǎn)需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性綜合售后反饋，以選取最容易損壞的且損壞后影響用戶(hù)使用造成客戶(hù)投訴的部件，可以選擇一個(gè)或者多個(gè)作為脆值采集點(diǎn)。脆值采集點(diǎn)可根據(jù)不同時(shí)期的售后反饋情況及時(shí)修訂。

窗機(jī)主要由外罩部件、冷凝器部件、蒸發(fā)器部件、風(fēng)道組件、底盤(pán)組件、壓縮機(jī)組件、軸流風(fēng)葉、面板部件等主要部件構(gòu)成，其中軸流風(fēng)葉為活動(dòng)零件，底面受到?jīng)_擊時(shí)，軸流風(fēng)葉會(huì)往下產(chǎn)生一定的位移容易撞擊到導(dǎo)流圈導(dǎo)致軸流風(fēng)葉破損，為確保能效，按照設(shè)計(jì)規(guī)范風(fēng)葉與導(dǎo)流圈的設(shè)計(jì)間隙僅要求大于5 mm，出口印度地區(qū)客戶(hù)售后反饋窗機(jī)也出現(xiàn)了一定比例的風(fēng)葉破損，售后反饋在產(chǎn)品運(yùn)行2個(gè)月左右即出現(xiàn)風(fēng)葉破損影響產(chǎn)品正常運(yùn)行，經(jīng)技術(shù)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，售后問(wèn)題為在運(yùn)輸過(guò)程中跌落底面時(shí)，軸流風(fēng)葉撞擊到導(dǎo)流圈，致使風(fēng)葉根部出現(xiàn)了開(kāi)裂，使用一段時(shí)間后葉片裂痕加大致使產(chǎn)品無(wú)法有效運(yùn)行導(dǎo)致窗機(jī)功能失效，綜合售后數(shù)據(jù)和理論分析，窗機(jī)軸流風(fēng)葉為易損壞的薄弱位置且出現(xiàn)損壞后直接導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效，故確認(rèn)將窗機(jī)脆值采集以軸流風(fēng)葉出現(xiàn)破裂時(shí)為窗機(jī)的脆值點(diǎn)，如圖15所示。

圖15 脆值采集點(diǎn)

除濕機(jī)、移動(dòng)機(jī)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、電器盒、風(fēng)葉等構(gòu)件組成，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期首次試制階段，跌落過(guò)程中易出現(xiàn)破損的點(diǎn)有底盤(pán)、后殼、側(cè)板等，底盤(pán)是承托壓縮機(jī)的主要部件，在受到?jīng)_擊時(shí)容易導(dǎo)致底盤(pán)破損，后殼、側(cè)板等受到壓縮機(jī)橫向沖擊最易出現(xiàn)破損。因此，除濕機(jī)、移動(dòng)機(jī)以底盤(pán)、后殼為脆值點(diǎn)。

3.3.2 脆值采集方法

脆值采集點(diǎn)確認(rèn)后，將加速度傳感器粘貼在脆值點(diǎn)上或者與脆值點(diǎn)相關(guān)的部件上。窗機(jī)脆值采集以軸流風(fēng)葉出現(xiàn)破裂時(shí)為窗機(jī)的脆值點(diǎn)后，需要使用加速度傳感器固定在窗機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于軸流風(fēng)葉為活動(dòng)部件，加速度傳感器無(wú)法牢固固定在軸流風(fēng)葉上，必須將加速度傳感器牢固固定在底盤(pán)內(nèi)側(cè)，并將風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)到與正下方導(dǎo)流圈距離最小的位置使用膠粘帶粘貼固定住，按照設(shè)定的不同高度進(jìn)行跌落，每次跌落底面后使用動(dòng)態(tài)分析儀采集數(shù)據(jù)。