包装动力学和缓冲包装设计专训课件.ppt
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1、包装动力学与缓冲包装设计,彭国勋中国包装技术协会技术顾问陕西科技大学教授,物流中的运输包装科学、经济、方便、标准化、系列化、管理现代化、循环经济,面向现代物流的包装技术,在制造企业和商业企业面临日益激烈的全球化竞争的新形势下,降低物流成本已经成为企业的第三利润来源。现代物流系统,以信息技术为核心,集合包括包装技术在内的多种技术,对于传统行业转轨变型、调整结构、优化流程、降低成本,发挥了重大作用,风险进一步减少,服务水平得到提高。包装设计将直接影响物流活动的生产率,没有合理而科学的包装将零散的商品成组化和信息化,就没有现代的物流系统。2003年:社会物流总成本24974亿,其中:运输14028亿
2、,保管7376亿,管理成本3570亿,相当于GPD的21.4%(1991为24%,美、日等仅10,降1即250亿!)。落后原因:迂回运输、重复搬运、物资损坏或丢失。全国社会物流货物总额295 437亿,其中:工业品249570亿,农产品11261亿,进口货物物流总值34193亿,邮政物流总额136亿。全国货物周转量57152亿吨公里,其中:铁路17092,公路7010,水运32275,航空58。全国主要港口国际集装箱吞吐量4735.5万标箱,占世界的比重达17.9%;港口货物吞吐量33亿吨。,运输包装的建模 m1dx12/dt2=k1(x2-x1)+c1(dx2/dt-dx1/dt)+F1(t
3、)m2dx22/dt2=-k1(x2-x1)-c1(dx2/dt-dx1/dt)-k2x2-c2dx2/dt+F2(t),m1,m2,m3,k1,c1,c2,k2,F1,F2,m1,c1k1,c2k2,m2,m3,产品流通中的动力学环境条件l储存中的堆码静载荷。主要校核压稳定性。l运输中的冲击和振动动载荷。首先按冲击进行设计,然后检验运输包装系统在共振状态下的损伤情况。,储运中的机械性损坏,机械冲击装卸作业起重机作业的冲击,铲车作业的冲击,大量统计表明,包装件重量、跌落高度和发生跌落概率之间,存在一定关系,公布过许多统计关系曲线。如密歇根州立大学包装学院最近通过对某条运输路线的跟踪研究,得到如
4、下结果:小尺寸包装件(L:轻型,20磅重;中型,30磅重),c1,大尺寸包装件(H:重型,45磅重),通过数理统计分析,可得如下经验关系式:Gm=W-Gm包装件经受到的最大加速度(g);W包装件的重量(kg)、经验参数,有三种数据:高冲击现象 801,0.704中冲击现象 203,0.306低冲击现象 53.2,0.100,产品损伤模式,l 弹性失效或失稳l 脆性失效或断裂l 疲劳失效l 过度变性,运输作业通常是研究各种载荷谱。最大值如下:公路运输:汽车以30km/h行驶时紧急制动可能产生0.6-0.7g的负加速度;汽车以20km/h在农村土路上行驶时可能产生5-35g的冲击加速度。铁路运输:
5、车厢连挂、启动与制动的瞬态水平冲击加速度可能达20g以上;堆码高度对冲击加速度影响较大,如货车以5.7km/h速度碰撞时,底层加速度为1.7g,頂层则高达7g左右。航空运输:遇恶劣天气产生剧烈颠簸时可能产生23g的加速度。水上运输:除装卸外,冲击不大。,频域分析x(t)=Acos(t+),f=/2x(t)=A0+sin(2nf0t+n),Rx()=,Sx()=,Rx()exp(-i)d,)dt,/,T,t,X(t),X(t),t,Sx(),机械振动功率谱(卡车),火车,空运,水 运,自然环境,雨淋潮湿高温冷冻阳光虫、鼠辐射防盗,流通中气候引起的损坏,储运过程中的生物性损坏,典型包装材料包装食物
6、时被昆虫咬透的速率,污染引起的损坏,出口运输对包装的损坏 出口包装先会遇到国内的搬运、装卸、跌落、压力和潮气的风险,加上运输的风险。经海关和登陆国的储存、多次搬运、转船和交货,又造成损坏的可能。这部分可能避免的损失约占70,其中水损(淡水、咸水、冷凝水、湿气)10,偷窃或未交货20,搬运和储存(容器损坏、破损、渗漏、压坏、与油或其他物质接触、污染、冷藏或其他设备故障)40。只有30货损属于沉船、搁浅、火灾、碰撞、海水或坏天气造成的偶然损失。海船航行时存在6个方向的运动,每分钟可能摆78次,摆角可能达40度,装在顶部的包装件的摆动幅度可能达到20米。出口包装受到的冲击与振动一般是国内运输的50倍
7、,尽量采用集装箱运输。,脆值(Fragility),美国Mindlin教授在1945年的“Dynamics of Packaging Cushioning”一文中首次提出了脆值概念:Gm=x”/gmax=Pm/W x”包装件上产生的冲击加速度;Pm通过缓冲垫传至包装产品上的最大冲击力;W包装件的重量。当产品受到冲击时,Gm值一旦达到某个处于临界状态的极限值就会发生破坏或失效,此值即称脆值。,冲击试验机与跌落试验机1试验样件,2导轨,3冲击台面,4程序器,5升降装置,6测试系统,冲击脆值的测定利用冲击试验机或跌落试验机,不同脉冲波的冲击谱1、有限上升阶跃波;2、矩形脉冲波;3、半正弦脉冲波;4、
8、后峰锯齿脉冲波,Am/AM fc,冲击破损边界曲线(Damage Boundary Curve),位移破损边界曲线,组合破损边界曲线,振动破坏模式 振动峰值破坏模型可按冲击脆值问题处理。振动疲劳破坏模型振动破损边界曲线(Vibration Damage Boundary Curve),三参数疲劳损伤边界曲线,最近,美国Gary Burgess教授提出一种新见解,认为可以把冲击破损边界曲线上的临界速度变化Vc和冲击临界加速度Ac二参数与冲击循环次数N互相联系起来:,缓冲包装设计,20世纪70年代,MTS公司与密歇根州立大学包装学院合作,总结出缓冲包装设计五步法:(1)确定环境条件;(2)确定产品
9、脆值;(3)选择缓冲材料;(4)设计原型包装结构;(5)试验评价原型包装。1986年,Lansmont公司F.C.Bresk等人提出了缓冲包装设计六步法,在五步法的(2)与(3)步之间增加了新的一步“产品重新设计”。此步强调改进产品冲击脆值超标的易损件强度和刚度,增加振动脆值超标易损件的阻尼,考虑成本等。,缓冲材料的缓冲性能,缓冲材料的动力学特性十分复杂,远非常见的线性系统。通过对具体缓冲材料的缓冲系数(C=Gm t/H,t缓冲材料厚度,H跌落高度)曲线的测定,可为缓冲包装结构设计提供基本依据。注意温度影响、压稳定、角冲击等。C-m曲线 最大静应力C-曲线 应变C-E曲线 比能Gm-s曲线 静
10、应力(动态),G,时间t,毫秒,加缓冲垫后的响应,输入的冲击脉冲,振动衰减,冲击衰减,ei,静态缓冲系数由F/A,=x/T;,由应力应变曲线可计算F的变形能E,ATd=AT,d=eAT缓冲材料单位厚度吸收的能量E/T与外力F之比定义为缓冲效率,缓冲系数 C=1/=,=,=,=,其中单位体积缓冲材料的变e=,量纲与相同。为了省材,可以选为达到破坏时的最大值m=,则 C=e可以用差分法求得:ei=()+i-1=()+(-),m,缓冲系数C-m曲线例题:产品质量m=10.2kg,底面尺寸60400cm,等效跌落高度H=80cm,产品脆值Gc=50g,求T。解:mGcmg/A=2.08kPa,对应曲线
11、4的最小C5.2,得TCH/Gc=8.3cm,动态缓冲系数更符合实际情况。试验时,选定跌落高度H,面积A不变,改变厚度T和重锤重量W,测重锤最大冲击加速度Gm,得试验材料的以T为参变量的Gmst(W/A)曲线族。跌落时,位能转变为弹性能WH=,ATd=AT,d=eATC=,Gm-st曲线例题:产品质量m=20.4kg,底面尺寸2525cm,产品脆值Gm65g,求缓冲厚度T。解:st=mg10/A=3.2kPa,与Gm=65g交于A,内插得T5.8cm,蠕变过大的蠕变使缓冲垫变薄,导致缓冲减少和产品松动。设计时应考虑此厚度减少,一般有510。抗轴向弯曲性缓冲垫厚度与支撑面积之比决定了缓冲垫抗轴向
12、弯曲能力。产品在下一个冲击到来之前可能回不到原位置,导致缓冲垫受弯曲,特别使用小支撑面积缓冲垫时更严重。一般可使用如下公式来避免:按克斯特拉经验公式,最小支撑面积(1.33缓冲垫设计厚度)2,通常只要设计的支撑面积超过它,弯曲问题便不大。抗变形性缓冲垫的压缩强度必须作为整个包装件的一部分来考虑,从而确定堆码高度。,蠕变,h,10,20,200,600,1000,m,压缩速度的影响,温度的影响,预处理的影响,角跌落、棱跌落的影响,最省材设计法,例题 产品重W50Kg,等效跌落高度H50cm,许用Gm40g。确定缓冲垫尺寸。解:(1)按最小缓冲系数法。Cmin=2.4,对应m10Kpa,则缓冲面积
13、为A=WG/m1045040/(10103)1042000cm2T=CH/Gm=2.450/40=3cm体积V=AT=200036000cm3(2)按过原点切线法。C02.4,对应m011.5Kpa,则缓冲面积为A=WG/m1045040/(11.5103)1041739.1cm2T=CH/Gm=2.650/40=3.25cm体积V=AT=1739.13.255652cm3,缓冲材料的放置角垫、粘结、成型,例题2:棱形产品尺寸19515英寸(481338cm),毛重13.6kg.,脆值40G,临界谐振频率90Hz,产量每季度1000件,运输公司要求经得住76cm高跌落10次(6面、一角、3棱)
14、。利用前面的Gm-st曲线内插得3英寸(7.6cm)厚的曲线最低点为40G,对应的 st10.3KPa。选不同缓冲材料时有不同的结果。要求的支撑面积13.6kg981/10.3KPa129cm2。最小支撑面积(1.337.6cm)2102.2 cm2,表明上述支撑面积是足够的。缓冲垫的结构形状应考虑装箱和拆箱方便,需留足够空间,让手能查入取出缓冲垫与产品。由于产品是对称的,重心在中央,缓冲垫可放在产品的4个顶角处,办法有4:1)批量不大,采用挤塑板材较经济。两端各一块,支撑面积要有64.5 cm2。板材可选2、3、4英寸厚的。最经济的应是选2英寸(5.1cm)板材组合成梯形垫,结果是25英寸基
15、框外侧粘4块厚1英寸和长宽22.5小梯形块与2块25大梯形块,使得缓冲厚度为3英寸。(见图)2)8个角,每个支撑面积为5英寸2。耗材,包装时缓冲垫易搞乱。3)克服上述缺点的办法是将最小尺寸的缓冲垫粘贴在箱板上。4)批量大时,采用模塑缓冲垫,比组合垫节省材料。,聚苯乙烯泡沫塑料(EPSExpanded Polystyrene)可模塑、轻质、半硬的均聚物,成本低,闭孔结构。1945美国开始用于缓冲包装。EPS原料是用不到8的碳氢化合物发泡剂(戊烷)浸泡小粒树脂,加热到8596,发泡剂产生内压,膨胀为珠粒,称为预发泡材料。膨胀倍数2540,密度1626mg/cm3。预发泡材料注入模具,锁模压力几吨,
16、通蒸气加热和使珠粒膨胀。封闭区内的热量与压力使珠粒熔合成为半硬的闭孔泡沫塑料制品。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。新模塑与模具设计技术:抽真空、缩短加工周期、正反压密封、使用轻质模具、模塑表面大量排气等。计算机厂等通过使用弹性体添加剂开发出耐冲击和耐环境应力开裂的ESCR等,代替高弹泡沫塑料和ABS。扭转、弯曲和伸长能力有限,为轻质易碎品设计狭长筋时受限制,可精密设计解决。适合低脆值产品。,聚乙烯泡沫塑料(EPEEx
17、panded Polyethylene)低密度、半硬、闭孔结构、耐候的均聚物。比EPS易压缩,但不如开孔结构的聚氨酯柔软。密度29120 mg/cm3。可模塑和在烘箱中固化。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,-5185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,蠕变优于聚氨酯而不如EPS。特点:高扭转、伸长、压缩能力,变形回复98,高阻尼,低Tr,适合重、贵、易碎品。挤塑厚板、圆柱或薄板便利,但有方向性和装配生产率低。模塑无方向性,可优化设计省料,生产率高,但模具贵。,发
18、泡聚乙烯共聚物(EPCExpanded Polyethylene Copolymer)40PE与60PS的结合体。低密度、半硬、闭孔结构。原料(颗粒泡沫塑料)需在4下冷冻保存一月以上。含发泡剂的EPC易预发泡而膨胀和扩展,需特殊处理和尽快模塑,模塑周期比EPS长。回弹性高,拉伸韧性高,耐戳穿,密度2040mg/cm3时的拉伸强度241324KPa,蒸气透过率与吸水率低(1),压缩蠕变不如EPS而比EPE好(23和28KPa下1000小时变形为2.5),耐一般溶剂(汽油、矿物油、脂肪族化合物),可加抗静电剂,可通过二次连续发泡装置膨胀至22mg/cm3以下,多在3240 mg/cm3。韧性优于E
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- 包装 动力学 和缓 设计 课件
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