■ 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。
1.1 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。
2.1 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。
3.1 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)。