洗碗機聚苯泡沫塑料緩沖包裝設計探討

［摘要］采用聚苯泡沫塑料和空氣墊兩種材料對洗碗機進行緩沖包裝，并通過進行振動和跌落沖擊試驗測試比較，總結其優缺點，以期在實際應用中選取合理的包裝材料和結構，并試圖獲得更佳的緩沖效果，實現對產品的保護。 

［關鍵詞］空氣緩沖墊 泡沫塑料 緩沖包裝 

    洗碗機屬中小型機電產品，重19kg，外殼單薄，兩側板的固定點均在底面，側面沒有支承固定點，且側板內有筋，筋與側板間無柔性墊。根據用戶“不改變原外包裝箱的尺寸，不增加更多包裝成本”的要求，只能將包裝的重點放在改變原有緩沖墊的結構，或采用新的緩沖材料上。 

1．原包裝存在的問題及設計方案 

1．1 原包裝存在的問題（如圖1、2所示）

（1）根據對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，局部應力過大，其反作用力傳給了產品的兩個側壁，造成了側壁變形。 

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

1．2設計方案 

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

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

（3）兩種設計 

a 變原上下緩沖結構為左右緩沖結構（圖3） 

由于洗碗機的外包裝箱尺寸已確定， 盡管在理論上計算泡沫塑料墊的厚度為： =39.1㎜，實際上只能取厚度為30㎜。又因為原包裝的緩沖墊為上下結構形式，底面積不足造成產 品損壞。故改為左右結構形式進行緩沖， 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，為了更好地進行性能比較，將空氣墊的厚度也定為30㎜。空氣墊采用塊狀結構，每一個面有8個小的單體連接而成，各個單體相互獨立。這樣設計的原因是防止其中的某一單體受到損壞時，其它的單體仍能繼續發揮作用。

2．緩沖襯墊尺寸的確定 

2．1因為洗碗機的外箱尺寸已確定，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，在設計過程中依次使用低密度、中密度、高密度的泡沫塑料，經過實際試驗，發現由于產品本身的強度問題，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，且產品亦容易變形，故無法有效地保護產品變形。而高密度的泡沫塑料本身強度好，能較好地保護產品發生變形。 

    應用曲線設計緩沖墊時，根據相關標準使用密度為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曲線=8.8時對應的zui小緩沖系數C=3.4，根據H=46㎝，G=40（查標準，估算值）則計算的緩沖襯墊尺寸為：=3.4×46/40=3.91㎝ 

2．2由于洗碗機的質量較重，所以選用T=0.3㎜厚的塑料薄膜作為單體氣墊的設計材料。經實驗測得該材料的橫向拉伸率為344.8%，縱向拉伸率為296.4%，縱向熱封強度為28.4（N）橫向熱封強度27.6（N），可見，所選用T=0.3㎜厚的塑料薄膜拉伸率十分理想，同時也具有較好的熱封強度，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試比較 

3．1泡沫塑料和空氣墊緩沖包裝的振動試驗比較 

    振動是流通環境引起商品損壞的主要因素之一。通過正弦振動試驗可以找到商品的固有頻率，以期在進行包裝設計時，盡量避開在商品固有頻率下發生共振。試驗框圖如圖4所示： 

    將兩種緩沖設計做出來后，按要求裝箱，利用Y50100-1A/ZF型100㎏機械振動臺，加速度傳感器，YE5850電荷放大器及數據采集分析系統等（均為西北機器廠產品），將包裝件固定在振動臺臺面上，經歷3~50的掃頻振動，每5增幅記錄相應頻率下的加速度值，從而確定包裝件的固有頻率和共振頻率。 

振動試驗結果如圖5所示：
 

   從上圖可看出：裸機振動時，洗碗機在35時發生了共振；泡沫塑料包裝時包裝件的*階共振頻率出現在30，比產品的固有頻率有限降低，且在35處沒有發生共振，可以在實際流通中使用；采用空氣墊包裝振動時，低頻共振發生在25和35處。由此可分析得到泡沫塑料包裝在低頻時的保護功能優于空氣墊，在高頻時的保護功能不如空氣墊的效果好。 

    空氣墊包裝時在25時產生共振，所以在固有頻率35處的激振頻率不會破壞產品。雖然包裝件仍在35時發生共振，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下共振15分鐘，如果產品沒有損壞，即可認為包裝合格。另外，如果改變單體的結構或單體內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試比較 

    跌落試驗是一種用來模擬物流過程中產品——包裝系統所經歷的沖擊。試驗時，包裝件從一定的高度跌下而不損壞內部的產品，即在不超過脆值的情況下跌落，保證包裝對產品的保護功能不被破壞。 

    利用Y5212Ⅱ/ZF跌落試驗機，加速度傳感器，YE5850型電荷放大器及數據采集分析系統，對包裝件的六個面依次進行460㎜高度的跌落測試，采集各面相應的峰值加速度值。 

試驗結果如圖6所示：
 

    由于泡沫塑料包裝采用了左右結構，且實際泡沫的厚度比理論計算出來的要小，沒有足夠的緩沖功能，故導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，峰值加速度明顯大于其它各面。造成的原因是：洗碗機跌落時，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門為厚塑料制品，塑料的變形量很小，可近似認為剛性體，當左右面即洗碗機的兩側面跌落時，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，這說明空氣墊的抗跌性能優于泡沫塑料，對產品起到了很好的保護作用。 

    根據相關標準還應進性包裝件一個角三條棱的跌落試驗，鑒于客戶未做此項要求，故未進行此項測試。 

4 結論 

4．1 優點 

（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出不同的緩沖效果。 

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

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

（5）空氣墊占用空間小，只有在需要包裝時才充氣，比泡沫塑料節省許多倉儲空間。 

    目前日本已對空氣墊進入了工業化生產，中國臺灣也有生產空氣墊的相關設備。不久的將來，空氣緩沖必將成為緩沖包裝技術的一大亮點，應引起我國的重視，迅速應用起來。 

4．2 問題及不足 

（1）應廣泛地對多種相關材料進行試驗，如尼龍等復合材料進行緩沖包裝測試分析，肯定有多種材料的性能優于我們進行試驗所用的材料。 

（2）需要進一步進行氣壓與單體K值之間關系的試驗確定。 

（3）要進行工業化生產的探索。 

（4）由于外包裝箱尺寸給定，緩沖墊的厚度尺寸過小，給設計造成困難。

天津科技大學 劉占勝 宋海燕 李光 劉功