缓冲包装及结构设计

1.课程设计目的与任务

1.1 课程设计的目的

（1）通过缓冲包装与结构设计课程设计，使同学们对指定产品的缓冲包装设计过程和设计方法有一个全面的了解，熟练掌握缓冲包装设计六步法；

（2）对于产品的缓冲衬垫和外包装箱的结构进行设计，掌握各种箱型结构设计的方法。为毕业设计和以后走向工作岗位打下良好的基础。

1.2课程设计的任务

为格力空调KFR-72LW设计出合理缓冲衬垫以及外包装箱。要适合国运输环境的要求，存贮时间为30——100天。

2.产品介绍

产品名称：格力空调

型号：KFR-72LW

室机竟重：40kg

产地：

价格:5999元

销售围：全国各地

尺寸：宽*高*深mm（500*1720*300）图2-1 格力空调的外形图

产品机械性能:

3. 流通环境

a.外观工艺、检查：机柜表面喷涂均匀、无破损；

b.操作及维修安全、方便,标牌、标记：应平整清晰。

c.部件排列合理、整齐；，布放平整；接插件牢固；

进出线符合工程需要；具备抗震措施。

3.1流通的基本环节

包装件在运输流通中所经历的一切外部因素统称为流通环境条件。包装技术就是要确保产品由一地向另一地运送时不受经济上和功能上的意外损失。对产品可能遭遇的条件作考察与评价，是运输包装设计中的重要容。流通过程的基本环节有：装卸搬运环节、运输环节、贮存环节。

(1)装卸搬运环节

在装卸搬运环节中，由于格力KFR-72LW空调销售遍及全国乃至全球任何地方，其销售围非常的广泛，所以既可能有短流程运输也可能包括较长流程的运输。如果流程越长，中转环节越多，装卸搬运次数就越多，所以对此商品的包装件造成的损害就越大。装卸作业中既可能有人工装卸也有机械装卸，所以要中和考虑到抛掷、堆垛倒塌、起吊脱落、装卸机的突然启动和过急的升降都会造成产品的跌落损害。

(2) 运输环节

产品的主要运输方式铁路和公路运输。由于产品销往全国各地，既有长途运输又有短途运输。一般产品从出厂到发货火车站使用汽车运输，从发货站到全国各地的代理商使用火车运输，而从各地代理商到零售商和从零售商到消费者手中多使用汽车运输。汽车运输

的冲击，主要取决于路面状况，车辆的启动和制动，货物重量及装载稳定性。汽车运输振动加速度的大小也与路面状况、行驶速度、车型和载重量有关，但主要因素为公路的起伏和不平。汽车运输是包装件的共振频率一般小于25HZ，实验测得，汽车运输发生二次共振时其基频为8.2～8.5HZ，二次共振频率围为17.3～18HZ，共振加速度增大为外界激励的18倍。汽车运输的随机振动加速度垂直方向最大，汽车运输振动能量绝大部分分布在0～200HZ，其中能量最集中处于0～50HZ频带。汽车运输随机振动功率谱密度在2HZ和10HZ 左右各有一个较大峰值。通常2HZ出的峰值为全频带最大值，所以公路运输包装件的固有频率应避开这两个频率值。铁路运输时产生的冲击有两种。一种是车轮滚过钢轨接逢时的垂直冲击，在普通路轨上为80～120次/分，加速度最高为1g；另一种是火车在挂钩撞合时产生的水平冲击，加速度可达2～4g。若速度为14.5km/h时作溜放挂钩，车体撞合瞬间可能产生18g的冲击加速度。火车驶过钢轨时受到冲击，以正常速度70km/h驶过钢轨时，垂直方向加速度峰值为5～8g。

(3) 贮存环节

在贮存环节中，贮存是商品流通链中重要的一环。贮存方法、堆码重量、堆码高度、贮存周期、贮存地点、贮存环境等，会直接影响产品的流通安全性。在贮存时，为节省占地面积、常需将货物堆高，堆码后底部货物包装件将承受上部货物的重压。这种重载压力会导致包装容器变形，影响包装外观及其动态保护性能。一般情况下,空调的堆码层数为一层.存贮时间为30——100天。

3.2确定跌落高度H

(1)图表法:

不同重量的包装件相应的跌落试验高度有所不同，在这里参考表1取产品的跌落高度取61cm.

表3-1 货物规格、装卸方式和跌落高度

（2）根据经验公式求跌落高度

47

H cm =

==

式中W----包装件的重量，kg ； H----跌落高度，cm 。本产品的重量为40kg ，得出H 为47cm.

所以综合上述尺寸，此包装件的跌落高度为54cm,装卸方式为二人搬运,姿态为一端或一角。

3.3流通环境的频率谱

图3-1公路运输

图3-2铁路运输

4.选择合适的缓冲材料

4.1可选缓冲材料的特性

可选的缓冲包装材料主要是泡沫塑料，包括聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、聚乙烯泡沫塑料（EPE），其次是纸制品，包括瓦楞纸板、蜂窝纸板。

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）:这是一种可模塑的,轻质的,半硬质的,闭孔的和低成本的缓冲材料.模塑的EPS是半硬的，抗压强度大，成本低还可以制成带肋的复杂形状以节约用量；震动阻尼大不吸水，耐腐蚀，耐油，耐老化；隔热和绝缘性能好，敏感性低，可接触食品重载下，缓冲性能好。但不耐多次冲击，性脆，拉伸强度低。

聚乙烯泡沫塑料（EPE）：俗称珍珠棉，是一种低密度的，半硬质的，闭孔结构的，耐候性好的，无毒的，耐腐蚀，阻水的和易回收的聚乙烯聚合物。拉伸强度高，缓冲性能好，耐多次冲击，动态变形小，抗静电性能好

蜂窝纸板：与瓦楞纸板特点相似，具有易回收，易粘贴，成本低等优点；缺点是缓冲性能不稳定，对某些产品表面有磨损，难形成三维曲面，湿度影响较大，过载复原性较差，加工较难，不好模切，垂直方向缓冲性能差，

4.2缓冲材料的缓冲特性曲线

试验材料: EPE

实验名称：静态压缩

试样长度：200.0mm

试样宽度：200.0mm

试样厚度：47.5mm

试样密度：0.0260g/cm3

试验温度：19.5℃

试验湿度：63HR

试样数量：5件

图4-1静态缓冲系数——应力对数坐标曲线

图

4-2最大加速度

——静应力曲线

5.确定产品脆

a.利用类比法确

定产品的脆值

表5-1中国机械标准化研究所推荐的产品脆值围

根据表5-1可选取冰箱的脆值为G=70g 。 b.:经验公式法:

G c =αW -β（5-1）

（较弱冲击现象：203α=0.306β=）

G c =αW -β=203*40-0.306=65.7 综合以上：G c =68g 许用脆值：

[]G =c G n

（n=1.2）（5-2）

∴

[]G =

c

G n =68÷ 1.2=56.7≈ 57g

6.缓冲包装的设计

6.1初步设计

由于产品与缓冲材料之间的接触面积大，且静应力较小，故采用全面缓冲。产品底面

积A=0.5?0.3=0.15m 2

σ

m

=

[]G W

A

=57409.80.15??=1.5*105Pa

由C-

m

σ

曲线查的：C=3.5

T=[]CH G =3.554?=3.31cm 所以：

缓冲衬垫的面积 A=0.15m 2

=1500cm 2

厚度为T=3.31cm 6.2衬垫校核 （1）.产品强度校核

在缓冲设计时，应校核产品在载荷方向上与缓冲材料接触部分的强度。产品与衬垫之间的作用力是相互的，在跌落冲击时，产品以惯性力和自重压缩衬垫，衬垫则以同样大小的弹力反作用于产品，在初步设计时，为了节省材料，常设法减少衬垫面积，带来的后 果是产品支承面的应力集中，可能导致产品局部破损，所以要校核产品支承面的应力，控制在产品强调所允许的围。

[σ] ≥σm [σ]－产品许用应力Pa ，σm －冲击时的最大应力Pa (2)挠度校核： 克斯特那公式校核：

A min /(1.33T)2>1 （6-1）

∴()2

1500

1.333.31?=77.4>1 符合

（3）跌落姿态校核：

在衬垫基础设计中所引用的一系列试验特性曲线和数据，都是以假定的理想姿态试验平直，底面着地为前提的，但衬垫的实际工况远非标准姿态。实际的流通过程中，包装件跌落姿态千变万化，有角着地的，面着地还有棱着地的，受力情况变化较大，因而有对基本设计尺寸作相应的调整。由于角着地时，其对产品的冲击能力最大，因此需对角着地进行校核当角着地时，承载面积为此衬垫的三个缓冲面在水平面上的投影面积。

(4).恢复性校核

(a)冲击次数不同，缓冲材料性能差异很大，因为回复性不肯100％。

(b)蠕变量校核：缓冲材料在长期静压作用下，其塑性变形会随时间增大，这种蠕变使得衬垫尺寸变小，在使用一段时间后容器出现间隙，加强装产品的振动与摩擦损伤，同时缓冲衬垫的缓冲能力有所下降，考虑到这个因素，所以初步设计的衬垫尺寸应附加一个蠕变补偿值，称为蠕变增量。

Tc=T(1+Cr) (6-2)

Tc-修正后的厚度㎝；Cr－蠕变系数％；T－原设计厚度㎝

Tc=T(1+Cr) =33.1(1+0.1)=36.41mm 取T=37mm

(5).温湿度校核：

环境温度个湿度的变化对衬垫的缓冲能力有明显的影响，温度的升高和降低，还会引起衬垫尺寸变化，因此，应根据流通过程可能出现的环境条件修正缓冲衬垫的尺寸。

6.3.缓冲衬垫结构设计

缓冲包装形式：考虑到此产品体积大，质量大，高度高，为了更好的保持产品的稳定性，减少在装卸搬运，运输等环节中冲击振动引起的损伤，故采用全面缓冲包装。根据缓

冲衬垫的初步设计计算可知应选用全部缓冲，经过以上校核，最终计算所得的缓冲衬垫厚度T=3.7cm，面积A=1500cm2,缓冲衬垫的高度为H=T+50=87mm,缓冲衬垫的外尺寸为57.4cm*37.4cm。考虑到冰箱底下有四个脚支座，因此在衬垫的相应位置应该有四个下凹的坑。上衬垫除了没有脚支座外其他的与下衬垫相同。

图6-1缓冲衬垫展开图

7.外包装箱设计

7.1 箱型的选择

瓦楞纸板因无污染，可再生，具有良好的缓冲性能等优点。在运输包装中得到广泛应用，本设计也采用此材料设计外包装。对于格力空调包装，由于空调重量较大，采用单体包装不便装卸搬运，另外，直接采用0320型箱型，箱体底面需要粘合等等，产品容易掉出造成跌落损坏，故采用0301型纸板的箱体，配合0320型的箱盖使用。该空调质量较大，且高度比较高，并且运输过程中涉及夹抱车夹，所以使用强度较大的双瓦楞纸，楞型为AB 型。

7.2 尺寸计算

（1）缓冲衬垫的最大外廓尺寸

()()()0

222L T B T H T L B H ??=+?+?+（7-1）

()()()()()()0

22250023730023717202375743741794L T B T H T mm mm mm

L B H ??=+?+?+=+??+??+?=??

（2）0301箱体瓦楞纸箱的尺寸设计 a.0301箱体瓦楞纸箱的尺寸，由公式

i max =x X k

+（7-2）

式中

i

X --纸箱尺寸，mm

max

x --装物最大外尺寸，mm

k --尺寸修正系数，mm

查阅《包装结构设计》课本，修正系数见表 7-1

表7-1 瓦楞纸箱尺寸修正系数k 值

取k 为6mm ，代入公式，则0301箱体瓦楞纸箱的尺寸为：

max

6579i mm l

L =+= max

6379i

mm b

B =+=

考虑到衬垫高度和空调的装箱，下底高度取H=87mm b.0301箱体瓦楞纸箱的制造尺寸，根据计算公式

i X X k

=+（7-3）

式中X --瓦楞纸箱制造尺寸，mm

i

X --纸箱尺寸，mm

k --纸箱外尺寸修正系数，mm

由《包装结构设计》课本表5-11取瓦楞纸箱外尺寸修正系数L=9mm,B=9mm,H=5mm 代入公式得，制造尺寸：

()()()579+9379+987+5=58838892L B H mm mm mm ??=???? c.0301箱体瓦楞纸箱的外尺寸，根据计算公式

K

X X +=max 0（7-4）

式中0X ——纸箱外尺寸，mm

max x ——纸箱最大制造尺寸，mm

K ——纸箱外尺寸修正系数，mm

查阅课本取瓦楞纸箱外尺寸修正系数K 为10mm 及制造尺寸代入公式得：

()()()0

588+10388+1092+10=598398102mm mm mm L B H ??=????

（3）0320纸箱箱盖尺寸

a.0302箱盖瓦楞纸箱的尺寸，即为0301箱体的外尺寸加上公差 查阅课本0320箱型尺寸修正系数，长宽均为5mm ，所以：

5985603L mm =+= 3985403B mm =+=

考虑到上箱盖离地要留一定距离，其尺寸为：

1730601670H mm =-=

b.0302箱盖的制造尺寸，根据式7-3计算

查阅课本0320箱型制造尺寸修正系数，长宽均为26mm ，高度方向为-13mm 得出其制造尺寸为：

()()()1

1

1

603+26403+261670136294291657mm mm mm

L B H ??=??-=??

c.0320箱体瓦楞纸箱的外尺寸，根据式7-4计算，且瓦楞纸箱的修正系数由下表7-2查

表7-2瓦楞纸箱外尺寸修正系数

查表取瓦楞纸箱外尺寸修正系数K 为10mm 即外尺寸代入公式得：

()()()

6291042910165710=6394391667O

H mm mm mm

L B

??=+?+?+??

b.对接摇盖制造尺寸根据公式： （7-5）

修正系数查《包装结构设计》课本表5-9知f

x =6

将修正系数代入公式得F=4296

217.52

mm +==218mm d.接头尺寸

查阅《包装结构设计》课本表5-10，取接头尺寸J=45mm 。

2

1f

x B F +=

图7-1箱体展开图

图7-2箱盖展开图

7.3瓦楞纸箱强度计算

（此部分计算均参考《包装结构设计》课本） 根据卡特公式

23

4X

Z P ZJ

a X P Z =?? ???（7-6）

式中 P----瓦楞纸箱抗压强度

P X ----瓦楞纸板原纸的综合环压强度，N cm aX Z ----瓦楞常数 Z-----瓦楞纸箱周长 J----纸箱常数 对于瓦楞纸板来说：

1

2

3

11

2

1

2

15.2

m m X

C C

R R R R R P

++++=

(7-7)

式中1R 、2R 、3R -------面纸环压强度测试值，N m

1

m R

、2m R -------瓦楞芯纸环压强度测试值，0.152N m

1

C 、2

C

-------瓦楞收缩率，即瓦楞芯纸原纸长度与面积强度之比

上式中的15.2（cm ）为测定原纸环压强度时的试样长度。 凯利卡特公式中各个数据的计算：

R1+R2+R3=γ1×0.152Q1+γ2×0.152Q2+γ3×0.152Q3 式中γ———箱纸板环压指数

Q ———纸板定量，g/m2

查《物流运输包装设计》表9-10差得纸箱代号为BD-1.5，纸板代号为D-1.5

从《物流运输包装设计》表9-4查得D-1.5瓦楞纸板的耐破强度P=1900kpa 。选用A 、B 级箱纸板，其中面衬纸选A 级，底衬纸和中间夹层选B 级。 根据公式：

0.95Z

P P =∑（7-8）

可得箱纸板的耐破强度为：

Z P =1900

0.9530.953

P =??=666.67kpa

查《物流运输包装设计》表9-6得面衬纸的耐破指数r=2.75kpa

2

m /g ，其定量为：

666.67

2.75Z P Q r =

==242.42g/2m

查《物流运输包装设计》表9-6，取Q1=250g/2

m ，Q2=250g/

2

m ，Q3=250g/

2

m

查《物流运输包装设计》表9-6，取γ1=9.2，γ2=9.2，γ3=9.2。

将数据代入得：R 1+R 2+R 3=9.2×0.152×250+9.2×0.152×250+9.2×0.152×250=1048.8 R m1C 1+R m2C 2=γ4×0.152Q 4×C 1+γ5×0.152Q 5×C 2 式中 ———瓦楞楞缩率

γ4、γ5———瓦楞原纸环压指数

查《包装结构设计》表5-22得C 1=1.53，C 2=1.36取Q4=140g/2

m ，Q5=140/

2

m

查《物流运输包装设计》表9-7，得γ4=6.3，γ5=6.3

将数据代得：R m1C 1+R m2C 2=6.3×0.152×140×1.53+6.3×0.152×140×1.36=387.445 故1048.8384.445

94.2915.2

x P +=

=

查包装结构设计表9-12得：z aX =13.36；J=1.01 Z 可按照如下公式计算：Z=2（L 0+B 0）

纸箱长度外尺寸L 0=63.4cm ；纸箱宽度外尺寸B 0=43.4cm

故：2Z =?(63.4+43.4)=213.6

2

233

94.29213.6 1.018076.664413.36213.6X z ZJ N a X P

P Z ==???=?????

? ?????

7.4确定瓦楞纸箱封箱、钉箱要求

采用宽度为80mm 的胶带进行封箱，制造商接头处选用16号U 形钉双钉钉合，斜向排列，双钉钉距为70mm ，头、尾钉距离压痕中线的距离为13mm ±7mm ，钉数定为52个，箱钉必须完全钉在搭接舌部位，应沿搭接部分的中线钉、偏斜不超过3mm 。扁丝宽度为2.0mm ，厚度在0.65mm-0.75mm 之间。 7.5瓦楞纸箱外包装装潢设计

a.正面上印有海尔公司标志，保护公司合法权益。

b.外包装上还包含有产品的名称、型号、生产厂家、产品的重量、包装箱外形尺寸、运输包装标识。

图7-1外包装箱的装潢图

8.设计小结

本次课程设计，让我将课本的理论知识与具体的实践有了很好的结合，让我对课本里知识的具体含义有了更为深切的体会，本次我做的立式空调是很常见的运输件，在运输里出现的问题也是经常发生的，我们通过对他的研究，了解了如何对一个具体的产品在运输中出现的问题做具体的研究，以及如何解决这些问题，通过这次课设我学到了很多，自身的知识也有了提高。使自己在运输包装和缓冲包装更加深入的系统的了解，也对于自己在运输包装的运用更加深入，对于物流运输过程中的一些因素及问题也有了相对的了解，为自己以后的发展奠定了良好的基础，同时也给自己一个更加广阔的空间，对物流领域有了一个全新的认识和了解。

通过本次课程设计，使我对各种软件的应用有了更深一步的认识，并且运用了所学知识去发现、提出、分析和解决问题，锻炼动手的能力，使得在课堂上所学的理论知识运用

到实践当中。本次课程设计不仅仅让我对于作图用的各种软件运用得更加自如，还让我收获了更加深厚的友谊，班级同学一起讨论，遇到不会的一起研究，其乐融融。对这门课程的设计和学习使我对包装工程专业有进一步的了解和认识，在自己以后的学习和工作中做了一个很好的铺垫。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游刃而解。同时，在老师的身上我学到很多实用的知识，在此表示衷心的感！