基于一種冷風(fēng)扇的包裝優(yōu)化設(shè)計

牛晟 孔祥利 李漢鈞 林永清 周鑫鑫

（格力電器（中山）小家電制造有限公司 廣東中山 528441）

現(xiàn)今小家電產(chǎn)品的緩沖包裝材料一般采用EPS（發(fā)泡聚苯乙烯，俗稱泡沫），該材料的緩沖性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度大，價格相對來說比較低，能很好地保護(hù)產(chǎn)品。特別是對于體積比較大，重量比較重的一些家電產(chǎn)品，如大型風(fēng)扇，大型電暖器，大型電磁爐等。

本文主要研究某品牌冷風(fēng)扇的跌落試驗過程中所出現(xiàn)的問題，然后針對試驗結(jié)果分析研究，討論包裝設(shè)計方案不合格的原因，制定出可行方案，重新試驗驗證并總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為同類產(chǎn)品包裝設(shè)計作鋪墊。

1 包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)圖與產(chǎn)品的介紹

本文介紹的冷風(fēng)扇是一種較重的產(chǎn)品，凈重達(dá)14.18kg，長寬高為：405×925×325（mm），其結(jié)構(gòu)裝配圖如圖1所示。

1.2 產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計

以冷風(fēng)扇為例，采用EPS作為其緩沖包材，采用緩沖設(shè)計六步法，確定好泡沫大致厚度，根據(jù)冷風(fēng)扇的外形設(shè)計出泡沫的大致分布。如這款冷風(fēng)扇是采用左上泡沫，右上泡沫，下泡沫作緩沖進(jìn)行包裝。把產(chǎn)品進(jìn)行包裝好后，再將其整體放入包裝箱中。泡沫與包裝箱內(nèi)壁緊貼，使產(chǎn)品在長、寬、高各個方向都與包裝箱內(nèi)壁保持一定距離，形成一個緩沖空間，從而避免產(chǎn)品在運輸、倉儲過程中受到直接的沖擊而損壞，起到保護(hù)作用。

1.2.1 泡沫脆值的選擇

引起沖擊過載損壞的主要原因是：產(chǎn)品受到較大的動載荷作用，使內(nèi)應(yīng)力超過了允許極限。跌落沖擊載荷是常見的動載荷，它與產(chǎn)品在跌落沖擊過程中出現(xiàn)的加速度成正比，產(chǎn)品不發(fā)生物理損壞或功能失效所能承受的最大加速度Ac與重力加速度g的比值被定義為產(chǎn)品的脆值Gc，即：Gc=Ac/g，包裝件跌落時，沖擊傳遞到產(chǎn)品的最大加速度Amax除與跌落高度有關(guān)外，還與緩沖包裝結(jié)構(gòu)和材料性能有關(guān)。Amax與重力加速度g的比值Gmax應(yīng)小于許用脆值【G】，即：Gmax=Amax/g≦【G】=Gc/n

一般確定冷風(fēng)扇等家電產(chǎn)品，通常會采用類比法。

先進(jìn)的工業(yè)化國家多年來已經(jīng)對多種產(chǎn)品的脆值進(jìn)行過大量的試驗測定，并指定出若干參考標(biāo)準(zhǔn)，緩沖包裝設(shè)計時可以通過類比，選用作為參考依據(jù)。例如這種大型冷風(fēng)扇的脆值大約為60g～90g，本文選取60g作為該款冷風(fēng)扇的脆值。

1.2.2 泡沫初步設(shè)計

一般來說，在泡沫的厚度尺寸設(shè)計過程中，可遵循以下計算步驟：

1）首先要知道產(chǎn)品的脆值。通過類比法的脆值為Gc=60g

2）確定產(chǎn)品最小靜應(yīng)力，靜應(yīng)力α=Gc×mg/A，查表可知該款冷風(fēng)扇的最小靜應(yīng)力為4.25kg/cm

3）確定產(chǎn)品的重量，如毛重為18.11kg；重量約等于W=18.11kg ×9.8N/kg=178N

4）確定產(chǎn)品的緩沖系數(shù)，經(jīng)查表得：C=2.6

5）確定產(chǎn)品跌落試驗的高度，該試驗高度為：60cm

6）大致確定產(chǎn)品的泡沫厚度，t=C h/Gc=26cm，例：設(shè)計下泡沫時應(yīng)注意厚度與26cm相近

7）確定產(chǎn)品的所需的承載面積。

Ad=W/α×10,把上述數(shù)值代進(jìn)公式得，Ad=41882.352mm

經(jīng)測量，所設(shè)計的下泡沫的承載面積為：Amax=62589.1mm

由于Amax＞Ad，因此符合所需的最大承載面積。

另外，在設(shè)計泡沫時應(yīng)該注意泡沫一些地方的掏空，泡沫掏空的用途主要有兩個：①減小泡沫的重量，降低泡沫的成本；②做跌落試驗時一些地方的避空可以起到很好的緩沖作用，從而保護(hù)產(chǎn)品。

常見的泡沫掏空的地方就是泡沫的角部和棱邊，跌落時容易受到?jīng)_擊的地方。另外一個地方就是底面可以相應(yīng)地作一些掏空，防止跌落試驗過程中跌面的時候?qū)Ξa(chǎn)品產(chǎn)生損壞。

如圖2所示，冷風(fēng)扇產(chǎn)品的組裝圖可見，把上泡沫分割成左上泡沫和右上泡沫，一方面可以省材料，節(jié)約成本。另一方面，跌落的時候，把產(chǎn)品頂部受到的沖擊力都分散，不會造成太大的損害。左上泡沫和右上泡沫前方和上方的一些部位相應(yīng)地做了一些掏空，主要目的就是避開產(chǎn)品的易損處，薄弱的地方。

2 包裝運輸試驗結(jié)果與分析

2.1 冷風(fēng)扇包裝運輸試驗結(jié)果（表1）

2.2 冷風(fēng)扇跌落試驗原因分析

上述對某款冷風(fēng)扇跌落試驗出現(xiàn)的幾個主要問題，下面進(jìn)行分析：

2.2.1 后殼螺釘柱斷裂，螺釘柱白化

分析如下：螺釘柱斷裂，發(fā)白現(xiàn)象。從該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來看，冷風(fēng)扇的前后殼的閉合狀況主要由螺釘柱的螺釘固定的松緊度來決定。當(dāng)產(chǎn)品跌落時，周圍幾個螺釘柱會承受所有的力，如果螺釘柱強(qiáng)度不夠大，就會出現(xiàn)螺釘柱發(fā)白或者螺釘柱斷裂的現(xiàn)象。從產(chǎn)品的材料來分析，產(chǎn)品后殼的材料主要成分是阻燃HIPS (V0 401C)，它跟一般的HIPS區(qū)別如表2。

從表2可以看出，阻燃HIPS(V0 401C)相對于高光HIPS來說，拉伸、彎曲、沖擊強(qiáng)度減弱，密度高，材料比較脆，因此在跌落試驗過程中很容易出現(xiàn)斷裂，發(fā)白等現(xiàn)象。

2.2.2 水箱側(cè)面塑料件斷裂，前殼下端開裂

分析：（1）從水箱側(cè)面塑料件斷裂的位置來觀察，它可能是因為跌落包裝箱棱邊，角部的時候，水箱的沖擊力把塑料件沖斷，從產(chǎn)品上看，依稀可以看到水箱沖擊所留下來的痕跡。可見，該處為冷風(fēng)扇的薄弱環(huán)節(jié)。（2）從前殼下端的斷裂位置，方向和裂痕大小來看，跌落棱邊或角部時，它被跌落后的應(yīng)力所產(chǎn)生的扭力扭斷的。

從包裝上進(jìn)行考慮，跌落后底泡沫四角處有明顯的腳輪沖擊的裂痕，說明跌落后腳輪與泡沫接觸，從而沖擊力傳遞到產(chǎn)品的薄弱地方上。從而證明底泡沫四角處與輪子的距離比較小，應(yīng)該增加它們之間的距離，并且泡沫內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)該要加強(qiáng)，增大泡沫與產(chǎn)品底盤的受力面積，減少跌落沖擊后產(chǎn)品受到的壓強(qiáng)。

表1 冷風(fēng)扇包裝運輸試驗結(jié)果

從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行考慮，水箱側(cè)面塑料件，前殼下端塑料件跌落后都出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，因此可考慮加強(qiáng)筋，倒圓角等處理，根本上加強(qiáng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 設(shè)計改善方案驗證

3.1 冷風(fēng)扇跌落試驗改善方案

綜合上述的問題進(jìn)行分析，總結(jié)出如下的改善方案：

3.1.1 后殼螺釘柱斷裂，螺釘柱白化

對策：解決的最根本方法就是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行更改，如螺釘柱加倒角，加強(qiáng)螺釘柱的強(qiáng)度。包裝上可考慮更換底托，加強(qiáng)底托的強(qiáng)度。

包裝方面，更改后的底托技術(shù)要求如下：

（1）紙板耐破強(qiáng)度：≥800kPa；

（2）紙護(hù)角按QJ/GD52.00.004的要求；

（3）未注尺寸公差按 GB/T 1804-C；

（4）制品表面平整,釘合牢固可靠。

見圖4，底托四角處底面是由規(guī)格為70×70紙護(hù)角組成，且底面在同一平面上，強(qiáng)度相對于更改前的底托加強(qiáng)了很多，跌落后底托明顯不會出現(xiàn)凹陷，破裂等情況。

3.1.2 水箱側(cè)面塑料件斷裂，前殼下端開裂

對策：包裝方面，①從底泡沫可以看出，腳輪與泡沫沖擊的痕跡很大而且很深，說明受力很大，跌角的時候，沖擊力全部集中在水箱側(cè)面上。解決辦法就是使腳輪與泡沫的空隙加大。跌落時腳輪受到的力不會全部集中到水箱側(cè)面上，見圖5，底泡沫下面四角處增加10mm厚度正方形泡沫。

②在泡沫底部增加正方形泡沫的同時，底泡沫四角處相應(yīng)地減少10mm，增大與腳輪之間的距離。如圖6所示。

③底泡沫內(nèi)部新增泡沫塊，增大泡沫與產(chǎn)品底盤的受力面積，減少跌落沖擊后產(chǎn)品受到的壓強(qiáng)。見圖7。

表2 二種HIPS材料性能對比

④前殼下端開裂主要是塑料件受到扭力的作用，分析對策是一方面增大底托的強(qiáng)度；另一方面是在冷風(fēng)扇的下前方增加泡沫條頂住冷風(fēng)扇下端，使冷風(fēng)扇固定，不會搖擺，從而使得產(chǎn)品受力均勻。見圖8。

結(jié)構(gòu)方面改進(jìn)：

水箱側(cè)面塑料件加強(qiáng)筋處理，見圖9；前殼下端塑料件倒圓角，加強(qiáng)筋，見圖10。

3.2 冷風(fēng)扇跌落試驗驗證

經(jīng)過上述的分析與方案的改善對策，對某款冷風(fēng)扇再進(jìn)行一次跌落試驗驗證，標(biāo)準(zhǔn)【60cm，1角3棱6面】，試驗結(jié)果令人滿意，證明本文上述過程分析正確，方案可行。

4 結(jié)語

本文通過對冷風(fēng)扇的跌落試驗進(jìn)行了分析與探討驗證，闡明了出現(xiàn)這些問題的原因，通過這些原因得出解決方案。在實驗過程中要密切留意各零部件，特別是各關(guān)鍵零部件的狀態(tài)，如本次試驗發(fā)現(xiàn)螺釘柱斷裂、發(fā)白，應(yīng)該從產(chǎn)品的材料性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、還有包裝等方面進(jìn)行分析。進(jìn)行包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該充分考慮各種外部因素，在不增加成本或成本允許的情況下，盡量從產(chǎn)品可靠性方面加強(qiáng)。分析問題時應(yīng)該嚴(yán)謹(jǐn)、有理有據(jù)，用實驗和數(shù)據(jù)說話；在產(chǎn)品的物流運輸過程中，緩沖包裝擔(dān)任著很重要的角色，產(chǎn)品出現(xiàn)外觀破損或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，一般都會去改進(jìn)包裝結(jié)構(gòu)，更換包裝方式。從本文論述的觀點來看，結(jié)構(gòu)上的更改也是占據(jù)著一個很重要的地位。只有外部包裝和里面的結(jié)構(gòu)同時更改，才能更好地改善產(chǎn)品，使產(chǎn)品在物流運輸過程中不會受到損壞。

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