國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械發(fā)明審查部 劉 毅

基于緩沖曲線的液晶電視包裝設(shè)計(jì)方法

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械發(fā)明審查部 劉 毅

論述了基于緩沖曲線的緩沖包裝設(shè)計(jì)方法的原理、推導(dǎo)以及計(jì)算過程，并提出了液晶電視的EPE緩沖包裝設(shè)計(jì)方案。

緩沖包裝；緩沖曲線；液晶電視；EPE

液晶電視由于其不失真、不閃爍、成像效果好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)CRT電視，成為市場上的主流。然而，由于液晶電視特殊的結(jié)構(gòu)，使其受沖擊易收損壞。液晶電視在流通過程中的損壞給廠家和消費(fèi)者帶來了巨大損失，因此液晶電視的緩沖包裝設(shè)計(jì)有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

緩沖包裝設(shè)計(jì)的常用方法是“緩沖包裝設(shè)計(jì)六步法”和“基于緩沖曲線的包裝設(shè)計(jì)法”。本文將對(duì)后者進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1　緩沖曲線

假設(shè)包裝件從高度H處跌落，包裝件落地后，產(chǎn)品沖擊襯墊做功，根據(jù)功能原理，襯墊的彈性變形能等于沖擊力P對(duì)襯墊所做的功，即：

單位體積彈性變形能稱為彈性比能u， 即：

C稱為緩沖系數(shù)，是最大應(yīng)力與彈性比能u的比值。有應(yīng)力應(yīng)變曲線可看出，緩沖系數(shù)等于最大應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)的曲邊三角形的面積之比，因此，緩沖系數(shù)不是常數(shù)，而是最大應(yīng)力的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的曲線即是緩沖系數(shù)/最大應(yīng)力曲線（曲線）。

緩沖系數(shù)能反映材料的緩沖性能，緩沖系數(shù)越小，材料的緩沖性能越好。在選擇包裝材料時(shí)，應(yīng)選擇緩沖系數(shù)較小的緩沖材料，以便減少材料的用量。

包裝件處于平衡時(shí)，襯墊在產(chǎn)品重力W作用下的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力，即：

而包裝件跌落時(shí)的最大應(yīng)力：

經(jīng)過推導(dǎo)（推導(dǎo)過程略），可以得出：

1.3緩沖襯墊尺寸設(shè)計(jì)

由式（1-7）得襯墊厚度為：

由這兩個(gè)式子可知，想要確定A和h必須先確定最大應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的緩沖系數(shù)。

可以推出：

1.4校核

因產(chǎn)品的質(zhì)量、形狀和尺寸不同，可將緩沖包裝的襯墊結(jié)構(gòu)分為全面緩沖包裝、局部緩沖包裝和懸掛式緩沖包裝。

全面緩沖包裝法是在產(chǎn)品與紙箱之間填滿緩沖材料，如紙屑、木屑、棉花、塑料絲、紙漿發(fā)泡塊等。局部緩沖包裝法是采用預(yù)成型的緩沖材料對(duì)產(chǎn)品的角、楞、側(cè)面或易損關(guān)鍵部位等處提供緩沖。懸掛緩沖包裝結(jié)構(gòu)是采用8根金屬彈簧，把包裝箱的8個(gè)角吊掛在剛性外包裝箱的內(nèi)壁上。

若緩沖襯墊面積太小，厚度太大，在產(chǎn)品沖擊力的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，引起應(yīng)力加大而破壞，因此要采用克斯特拉經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核。采用全面緩沖不必作這項(xiàng)校核。采用局部緩沖時(shí)，A要分成幾塊，Amin是各分塊中最小分塊的面積。h為襯墊厚度。

2　液晶電視緩沖包裝設(shè)計(jì)

目前，對(duì)液晶電視主要進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計(jì)，市場上使用的緩沖包裝材料主要是EPE，另有少量的EPS、EPP等。

EPE具有優(yōu)良的緩沖吸震性能以及緩沖復(fù)原性。此外，EPE的環(huán)境適應(yīng)性以及抗化學(xué)性能都非常好，在環(huán)保方面也很有優(yōu)勢(shì)，其廢料可以100%回收利用。

EPS緩沖襯墊具有良好的緩沖吸震性能，能夠很好地保護(hù)產(chǎn)品。其加工工藝很成熟，成本較低。在環(huán)保性方面，EPS雖然也可以回收再利用，但回收率較低（50%）。隨著環(huán)保的要求越來越高，體積大且不易回收的EPS作為緩沖材料的市場將越來越小。

EPP有彈性、不易開裂或斷裂，具有良好的緩沖性能和多次保護(hù)能力，但是加工工藝復(fù)雜，成本高，設(shè)備投資大。

比較幾種材料的優(yōu)劣勢(shì)，采用EPE作為液晶電視緩沖材料。

2.1液晶電視緩沖包裝設(shè)計(jì)步驟

（1）確定液晶電視在流通過程中的沖擊振動(dòng)條件或安全性測(cè)試條件。

（2）確定液晶電視的性能參數(shù)，如脆值、最大外圍尺寸、質(zhì)量等。

（3）根據(jù)“基于緩沖曲線的包裝設(shè)計(jì)方法”對(duì)液晶電視進(jìn)行緩沖襯墊的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)。

（4）制作出原型包裝件并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)、沖擊、壓縮試驗(yàn)，如果不合格重新設(shè)計(jì)，知道合格為止。

2.2確定液晶電視性能參數(shù)、測(cè)試條件

表2-1是國內(nèi)某電視生產(chǎn)廠家提供的某一型號(hào)的液晶電視性能參數(shù)：

表2　-1 某品牌液晶電視性能參數(shù)

圖2　-1 某品牌液晶電視外形

2.3結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)、體積小的原則，首先考慮局部緩沖，在電視機(jī)的各個(gè)角或棱增加緩沖襯墊。若緩沖襯墊未通過校核，或設(shè)計(jì)出的尺寸與實(shí)際不相匹配則考慮全面緩沖。

已知某種EPE材料的緩沖特性曲線如圖2-2所示。

圖2　-2的EPE曲線［1］

材料密度為0.037g/cm3，最低點(diǎn)處C=3.8，=160kPa=16N/cm2。

垂直于屏幕方向：

左右側(cè)面，考慮用全面緩沖：

對(duì)應(yīng)緩沖曲線上的C為4.1，因此：

上下側(cè)面，采用全面緩沖：

對(duì)應(yīng)緩沖曲線上的C為3.8，因此：

由于EPE無法模塑，廠家出售的EPE只有固定厚度的幾種片材，如果需要特殊厚度的片材，必須向廠家定制，造成生產(chǎn)周期加大，增加成本等。因此將各個(gè)方向的EPE襯墊厚度均設(shè)定為4cm。

因?yàn)橐壕щ娨暺聊徊荒艹惺軌毫?，并且為了安放并固定附件袋，必須使襯墊尺寸使之配合，要適當(dāng)加大襯墊厚度。擬將附件袋安放在電視機(jī)右側(cè)。附件袋尺寸為：，電視機(jī)厚度為，因此若要使附件袋能固定在右側(cè)必須使電視機(jī)和襯墊的總厚度等于附件袋的寬度，即，因此。

最終確定的EPE緩沖襯墊結(jié)構(gòu)圖為：

圖2　-3 EPE緩沖襯墊裝配圖

圖2　-4 EPE緩沖襯墊結(jié)構(gòu)示意圖

2.4工藝設(shè)計(jì)

由于EPE是片材，因此如果要想使其成為立體的緩沖包裝襯墊，就必須將片材粘合在一起。因此工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要就是粘合問題。

目前粘合的方法有3種：嵌合、電燙板粘合和熱熔膠粘合。通過以下例子可以看出不同方法的優(yōu)劣。

假設(shè)1立方米的EPE價(jià)格為800元，1千克熱熔膠的價(jià)格為20元，粘合一平方米EPE所用的熱熔膠為0.3kg，而電燙板所融EPE厚度為0.005m，那么，用熱熔膠粘合EPE的費(fèi)用為6元/m2，而用電燙板粘合的費(fèi)用則為4元/m2。

另外，由于粘合的難易性以及粘合的次數(shù)會(huì)影響到粘合的速度，也就是說二者會(huì)影響到包裝的成本。

據(jù)此可得幾種方法的優(yōu)劣對(duì)比：熱熔膠粘合，成本較高，精度控制較好；電燙板粘合，成本較低，精度控制較差［2］。本EPE包裝對(duì)于精度的要求不高，因此沒有必要選用電燙板粘合。而嵌合設(shè)計(jì)較難，不是任何緩沖結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)，所以最終選擇熱熔膠粘合。

3　總結(jié)

基于緩沖曲線的包裝設(shè)計(jì)方法操作建議，只需要測(cè)試并繪制出材料的緩沖特性曲線，根據(jù)推導(dǎo)的公式就可以計(jì)算出緩沖墊的尺寸，因此非常有實(shí)用價(jià)值。

由于條件有限，沒有做出原型包裝件，后續(xù)研究應(yīng)制作出原型包裝件，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性測(cè)試，若不合格則改進(jìn)。

［1］彭國勛.物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2006：117.

［2］張波濤，葉梁玉，劉朝陽，彭國勛.EPE緩沖包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.包裝工程，2006，27（6）：211-212.

［3］蘇遠(yuǎn)，湯柏森.緩沖包裝理論基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，教材出版中心，2006.

劉毅（1977—），男，山東人，碩士，現(xiàn)為國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械發(fā)明審查部專利審查員，副調(diào)研員，主要從事機(jī)械領(lǐng)域的專利審查工作。