繼電器緩沖包裝跌落試驗與設計方法

郭國慶，李慶詩，劉 煒

（沈陽鐵路信號有限責任公司，沈陽 110025）

1 概述

針對鐵路信號繼電器在運輸、裝卸過程中受到振動和沖擊作用而發(fā)生機械或電氣特性不良的現(xiàn)象，需考慮對繼電器包裝進行重新設計。緩沖包裝是在包裝設計過程中加入緩沖材料，當產品在受到振動、沖擊時，通過吸收能量保證產品的安全[1]?？茖W合理地進行緩沖包裝設計，使產品在運輸、裝卸過程的損失降到最小，成本降到最低，具有重大的經(jīng)濟和社會意義[2]。很多企業(yè)對產品包裝進行設計時，僅憑經(jīng)驗進行包裝的材質選擇和結構設計，沒有具體可參考的包裝設計數(shù)據(jù)，常導致實際包裝的防護性能不能滿足要求[3]。以鐵路信號繼電器的緩沖包裝設計過程為例，首先通過動態(tài)壓縮試驗，獲取緩沖材料聚乙烯發(fā)泡棉（EPE）的最大加速度-靜應力曲線，根據(jù)產品的脆值、重量及跌落高度，確定緩沖包裝設計參數(shù)，通過緩沖包裝進行跌落試驗，評估緩沖包裝對產品的防護性能，結合跌落試驗結果對包裝設計參數(shù)進行優(yōu)化，提高緩沖包裝設計的科學性、合理性。

2 動態(tài)壓縮試驗

2.1 設備及樣品

設備：DY-2型包裝沖擊試驗機；試驗樣品：EPE，密度為27.2 kg/m3，尺寸為80 mm×80 mm，厚度為30、35、40、45、50和55 mm。

2.2 動態(tài)緩沖特性

將塊狀緩沖材料裝入試驗機的壓縮箱內進行動態(tài)壓縮試驗，自由跌落的重錘對緩沖材料施加沖擊載荷，來模擬包裝件跌落時緩沖材料受到的沖擊作用，按《包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法》（GB/T 8167—2008）的試驗方法[4-5]，可得到?jīng)_擊加速度-時間（G-t）曲線，并通過一組（不同厚度樣品）試驗得到試樣在給定跌落高度下的最大加速度-靜應力（Gmax-δs）曲線。

在緩沖材料中，EPE泡沫塑料具有良好的緩沖性能和吸振性能，也因符合綠色包裝的要求，是目前包裝設計中使用最為廣泛的緩沖材料之一[6]。鐵路信號繼電器選擇EPE材質進行緩沖包裝的設計及跌落試驗，根據(jù)繼電器產品運輸環(huán)境工況，確定跌落高度為610 mm。根據(jù)單臺繼電器的質量，選擇6種不同質量的重錘，靜應力分別為0.009 2 kg/cm2、0.014 5 kg/cm2、0.025 8 kg/cm2、0.038 4 kg/cm2、0.058 0 kg/cm2和0.071 5 kg/cm2進行跌落試驗。選取不同厚度（30、35、40、45、50和55 mm）的EPE緩沖材料作為樣件進行動態(tài)壓縮試驗。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制出緩沖材料EPE的Gmax-δs曲線，如圖1所示。

圖1 最大加速度-靜應力曲線Fig.1 Maximum acceleration-static stress curve

由圖1可知，隨著緩沖材料EPE厚度的增加，Gmax-δs曲線趨向右下方偏移，且趨于平緩。表明隨著緩沖材料EPE厚度越大，緩沖能力越好，靜應力的選擇范圍也越大，同時緩沖包裝的體積也越大。

3 包裝設計流程

3.1 確定產品脆值

脆值是產品不發(fā)生物理損傷或功能失效所能承受的最大加速度值。通常用臨界加速度與重力加速度的比值來表示，表達產品對外力的承受能力，又稱產品的易損度。不同產品的脆值一般不同，即使是同類產品，由于質量、形狀、性能上存在差異，其脆值也不相同。

確定產品脆值的方法較多，即試驗法、估計法和參考法。第一類為試驗法，常用試驗方法有沖擊試驗機法和緩沖跌落法。產品受到?jīng)_擊時，即將發(fā)生損壞時的最大加速度為臨界加速度。對于不同的沖擊方向，同一產品通常有不同的臨界加速度，通過試驗獲得的產品脆值比較可靠。

第二類為估計法，根據(jù)經(jīng)驗公式（1）估計。

公式（1）中：Gm為包裝經(jīng)受的最大加速度m/s2；W為包裝件的重量/kg；a、β為經(jīng)驗參數(shù)。有3種數(shù)據(jù)：高沖擊現(xiàn)象a=801，β=0.704；中沖擊現(xiàn)象a=203，β=0.306；低沖擊現(xiàn)象a=53.2，β=0.100。

第三類為參考法，即通過相關行業(yè)產品的脆值標準作為參考，如引用美國軍用手冊《MILHDBK-304》確定產品脆值。此種方法僅能估計產品的某一方向的脆值，對于其他方向的沖擊后臨界加速度則無法獲取。

3.2 確定環(huán)境變量

從鐵路信號繼電器外部質量問題反饋中發(fā)現(xiàn)，繼電器運輸?shù)浆F(xiàn)場后，鋼絲卡松動量占比較高，分析認為鋼絲卡的松動與繼電器在運輸、裝卸中受到的沖擊有關。在裝卸過程中，裝卸方式為一人搬運，跌落姿態(tài)為一端面或一角。人工裝卸的跌落高度，可參考經(jīng)驗公式（2）。

公式（2）中：W為包裝件的重量/kg；H為跌落高度/mm。

3.3 確定設計參數(shù)

根據(jù)緩沖材料EPE的最大加速度-靜應力（Gmax-δs）曲線，取產品脆值與Gmax-δs曲線多個交點中的最佳厚度h值，以及對應的靜應力載荷δs值。根據(jù)載荷計算公式，計算確定緩沖包裝與產品的接觸面積S：S=M/δs。根據(jù)緩沖包裝厚度h與接觸面積S進行包裝結構的設計。

3.4 綜合評估

緩沖包裝的設計過程中，在保證厚度與接觸面積的前提下，盡量減少包裝的用料量，達到科學、合理的設計要求。根據(jù)實際的跌落試驗結果，對緩沖包裝最易受沖擊的尺寸進行優(yōu)化。同時，根據(jù)生產企業(yè)對緩沖包裝的經(jīng)濟性、人工搬運效率、運輸效率及倉儲能力等方面進行綜合評估。當不符合企業(yè)預期時，需對包裝的外形尺寸進行再設計。緩沖包裝設計流程及方法，如圖2所示。

圖2 緩沖包裝的設計流程Fig.2 Design process of cushion packaging

4 設計實例

4.1 包裝設計

以鐵路信號繼電器為研究對象，其外形尺寸（長×寬×高）為：165 mm×49 mm×163 mm，質量為1.8 kg，結構如圖3所示。

圖3 鐵路信號繼電器結構Fig.3 Railway signal relay structure

根據(jù)《鐵路信號AX系列繼電器》（GB/T 7417-2010）標準的規(guī)定[7]，產品沖擊試驗中要求峰值加速度為50 g，脈沖持續(xù)時間為11 ms，采用半正弦波沖擊脈沖。根據(jù)相關行業(yè)標準及公式（1），按脆值為60 g進行緩沖包裝的設計。根據(jù)鐵路信號繼電器的實際裝卸環(huán)境及公式（2），計算跌落高度H=610 mm，并依此進行緩沖包裝的動態(tài)緩沖試驗。

根據(jù)緩沖材料EPE的最大加速度-靜應力（Gmax-δs）曲線，在圖1中以脆值60 g做一條平行于橫軸的線，發(fā)現(xiàn)EPE的厚度h設定為40 mm最佳，此時施加的靜載荷為0.035 kgf/cm2。根據(jù)產品重量1.8 kg，計算出接觸面積為1.8 kg/0.035 kgf/cm2=51.42 cm2時，緩沖包裝具有最佳保護性能。因此，在包裝設計時，確保X、Y、Z軸方向上EPE與繼電器的接觸面積需達到51.42 cm2。具體緩沖包裝的設計結構如圖4所示。

圖4 緩沖包裝的結構Fig.4 Cushion packaging structure

4.2 跌落試驗

根據(jù)《國際運輸安全協(xié)會》（ISTA-1A）包裝跌落測試標準的規(guī)定，結合鐵路信號繼電器的產品特點，當外界沖擊與繼電器接點的運動方向一致時，可能會對接點壓力產生影響，故面2或4，以及邊2-3或邊3-4需要進行跌落試驗，而5、6面則不需要；當正向沖擊會對繼電器鋼絲卡產造成影響，故面3角、角2-3-5或角3-4-5需要進行跌落試驗；而1面則不需要進行跌落試驗。

將原有EPS包裝和新設計EPE緩沖包裝同時進行跌落試驗，跌落試驗臺，如圖5所示。

圖5 跌落試驗臺Fig.5 Drop test bench

跌落方式選擇面2、面3、邊2-3及角2-3-5，跌落高度設定為0.61 m、1.24 m和2.48 m。每次跌落試驗結束后，檢查箱內繼電器的外觀質量，并測試繼電器的電氣特性、機械特性和接點電阻等特性指標。記錄每次試驗后繼電器失效的跌落高度，如表1所示。

表1 繼電器跌落失效高度Tab.1 Relay drop failure height

由表1可知，相比于原有EPS包裝，新設計的EPE緩沖包裝顯著提升了繼電器的失效高度，提高了對繼電器的防護性能。綜合評估繼電器EPE緩沖包裝的經(jīng)濟性，以及對存儲空間、運輸效率的影響，符合企業(yè)對包裝的設計預期，故采用新款EPE緩沖包裝作為原有EPS包裝的升級款。

5 結束語

本文建立了EPE緩沖包裝的設計流程與方法，以鐵路信號繼電器緩沖包裝設計為研究對象，驗證了該方法的可行性。通過對EPE在不同靜應力下的動態(tài)壓縮試驗，獲得了最大加速度-靜應力曲線，為EPE材料在緩沖包裝設計中的應用提供了基本數(shù)據(jù)支持。通過對鐵路信號繼電器緩沖包裝的跌落試驗，優(yōu)化包裝設計參數(shù)，提高了設計效率和質量，為相關鐵路產品的緩沖包裝設計提供借鑒思路。