閆國斌，張振宇，田野

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因包裝不善所造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)140多億元，其中因緩沖包裝不當(dāng)所造成的損失占80%左右。運(yùn)輸過程中包裝件受到的沖擊是由于物體的位置、速度或加速度在外力作用下發(fā)生的突然變化。當(dāng)沖擊對包裝件內(nèi)的軸承產(chǎn)生的加速度達(dá)到或超過產(chǎn)品的脆值時(shí)，軸承接觸表面會產(chǎn)生損傷從而影響質(zhì)量［1］。因此需要添加緩沖包裝襯墊削弱沖擊對軸承質(zhì)量的影響，將流通過程中的沖擊和振動(dòng)減小到軸承所能承受的范圍內(nèi)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

依據(jù)GJB 2711—1996《軍用運(yùn)輸包裝件測試方法》［2］并參考 GB／T 4857—1992《包裝 運(yùn)輸包裝件 試驗(yàn)時(shí)各部位的標(biāo)示方法》［3］系列包裝標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬真實(shí)運(yùn)輸過程出現(xiàn)的自由跌落和振動(dòng)，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)用276927型軸承的包裝進(jìn)行自由跌落和正弦定頻振動(dòng)測試研究。

1 無緩沖襯墊包裝的緩沖性能試驗(yàn)

傳統(tǒng)軸承包裝不采用緩沖襯墊，僅依靠瓦楞紙板的剛度和緩沖性對內(nèi)部軸承提供防護(hù)［4］，該方式包裝存在如下缺點(diǎn)：

1）無法對內(nèi)裝的軸承進(jìn)行定位，即無法限制其在盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，造成運(yùn)輸過程中的軸承竄動(dòng)；

2）對于降低運(yùn)輸過程中的沖擊和振動(dòng)對軸承接觸表面的影響情況，瓦楞紙板的作用有限。

以276927型軸承為研究對象，在標(biāo)準(zhǔn)高度（700 mm）［2］模擬搬運(yùn)過程中的自由跌落，通過多通道數(shù)據(jù)采集儀處理數(shù)據(jù)，得到?jīng)_擊加速度曲線如圖1所示。由圖可知，最大加速度為1 832 m／s2，該值遠(yuǎn)超加速度傳感器的極限量程，多次試驗(yàn)會燒毀調(diào)節(jié)器，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。振動(dòng)試驗(yàn)在運(yùn)輸包裝振動(dòng)試驗(yàn)臺上進(jìn)行，采用加速度傳感器及數(shù)據(jù)分析采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，軸承在5 Hz的頻率下［3］所受加速度為 11.703 m／s2（圖2），超出良好道路運(yùn)輸加速度范圍（表1）。

圖1 軸承跌落加速度曲線Fig.1 The acceleration curve of bearing dropping

圖2 軸承在5 Hz振動(dòng)頻率的加速度曲線Fig.2 The acceleration curve of bearing vibration with 5 Hz

表1 公路運(yùn)輸振動(dòng)加速度［5］Tab.1 Highway vibration acceleration

試驗(yàn)后軸承鋼球表面損傷如圖3所示。圖中白線圈出的區(qū)域存在明顯磕碰產(chǎn)生的凹痕，這是由于跌落試驗(yàn)時(shí)，鋼球與溝道相互碰撞。

圖3 鋼球損傷痕跡Fig.3 The damage on ball

試驗(yàn)前隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)測試，表面粗糙度Ra分別為0.054 2，0.059 9，0.056 3μm，試驗(yàn)后根據(jù)表面損傷情況選擇6個(gè)點(diǎn)測試表面粗糙度Ra分別為 0.094 8，0.066 6，0.084 7，0.084 7，0.068 5，0.072 3μm。由結(jié)果可知，試驗(yàn)后鋼球表面粗糙度均大于試驗(yàn)前，說明未加裝緩沖襯墊的軸承在運(yùn)輸過程中其表面質(zhì)量會受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重受損而產(chǎn)生次品。

2 不同緩沖襯墊材料的緩沖系數(shù)

2.1 發(fā)泡聚氨酯的緩沖系數(shù)

聚氨酯是常用的緩沖包裝材料［6-7］，其特點(diǎn)是回彈性好，緩沖性能好，適用溫度范圍廣［8-10］；缺點(diǎn)是承載能力小，適用范圍窄，不能用于較重產(chǎn)品的緩沖包裝。由于現(xiàn)場發(fā)泡工藝受人為因素影響較大，導(dǎo)致其緩沖性能有所差異，因此需要多次測試取均值對其進(jìn)行標(biāo)定。發(fā)泡聚氨酯試樣的密度 ρ＝0.02 g／cm3，截面積 A＝100 mm×100 mm，厚度h＝40 mm，60 mm。

緩沖包裝設(shè)計(jì)要求為

式中：Gm為產(chǎn)品受到的實(shí)際加速度；［G］為許用加速度。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出的應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線如圖4所示。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Curve of stress-strain

用近似解法求緩沖系數(shù)C的步驟如下：

1）將σ-ε曲線下的面積分割為若干個(gè)小區(qū)域，確定各分點(diǎn)的應(yīng)力σi和應(yīng)變εi的值（i＝1，2，3，…）；

2）計(jì)算各區(qū)域的面積

令σi＝σmi，以 C為縱坐標(biāo)，σm為橫坐標(biāo)，可得到緩沖系數(shù)-應(yīng)力的C-σm曲線，發(fā)泡聚氨酯材料緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖5 發(fā)泡聚氨酯緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig.5 Cushion-stress curve of cushioning coefficient of foamed polyurethane

2.2 發(fā)泡聚乙烯的緩沖系數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)泡聚乙烯試樣的密度ρ＝0.04 g／cm，截面積A＝100 mm×100 mm，厚度h＝40 mm?；陟o壓縮試驗(yàn)得到的EPE緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 發(fā)泡聚乙烯緩沖墊的緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig.6 Cushion-stress curve of cushioning coefficient of foamed polyethylene

3 緩沖襯墊厚度計(jì)算

276927型軸承的外徑為201.7 mm，內(nèi)徑為158.8 mm，質(zhì)量為3.94 kg，其脆值選擇為120［5］，跌落高度最大值為700 mm。

軸承水平放置在下層緩沖襯墊之上，其緩沖面積為外圈與襯墊的接觸面積

式中：R1為外圈外半徑；r1為外圈內(nèi)半徑。

緩沖襯墊受最大應(yīng)力為

式中：W為軸承重量；G為軸承脆值。

圖5中，σm＝0.378 MPa對應(yīng)的緩沖系數(shù)為6.2，緩沖襯墊的厚度為

式中：H為包裝件跌落高度。確定發(fā)泡聚氨酯材料襯墊厚度至少為40 mm，才能達(dá)到緩沖要求。

圖6中，σm＝0.378 MPa對應(yīng)的緩沖系數(shù)為3.5，則計(jì)算得到發(fā)泡聚乙烯襯墊厚度至少為20 mm。

緩沖材料為瓦楞紙板，根據(jù)文獻(xiàn)［4］中的曲線確定襯墊厚度至少為10 mm。

4 緩沖襯墊的性能對比試驗(yàn)

不同厚度的3種材料在同一高度（700mm）自由跌落的加速度如圖7所示。由圖可知，發(fā)泡聚乙烯緩沖襯墊傳遞給軸承的沖擊加速度最小，而瓦楞紙板傳遞加速度最大，即軸承受到的沖擊加速度影響最大。

圖7 3種材料自由跌落加速度對比圖Fig.7 Contrast diagram of free fall acceleration of three kinds of materials

由于瓦楞紙板的易損傷性質(zhì)，其不宜作為多次往復(fù)振動(dòng)的緩沖墊，故僅對比發(fā)泡聚氨酯和發(fā)泡聚乙烯運(yùn)輸振動(dòng)時(shí)傳遞給軸承的加速度。

不同振動(dòng)頻率下2種材料（厚40 mm）的加速度如圖8所示。由圖可知，發(fā)泡聚乙烯在3～5 Hz［3］內(nèi)吸收振動(dòng)的性能略優(yōu)于發(fā)泡聚氨酯，2種材料傳遞的加速度均隨振動(dòng)頻率的增加而增加。

圖8 不同頻率下2種材料的加速度對比圖Fig.8 Acceleration contrast diagram for different frequency

在軸承外圈滾道表面上隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，試驗(yàn)前后的表面粗糙度值見表2。

由表2可知，未加裝緩沖襯墊的軸承在瓦楞紙盒中，當(dāng)?shù)鋾r(shí)接觸表面會受到?jīng)_擊力影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重受損而產(chǎn)生次品。而采用發(fā)泡聚氨酯及發(fā)泡聚乙烯作為緩沖材料進(jìn)行保護(hù)時(shí)，可有效減輕沖擊對軸承接觸表面的不利影響。

5 結(jié)論

通過對發(fā)泡聚氨酯、發(fā)泡聚乙烯和瓦楞紙板包裝的緩沖性能進(jìn)行測試與分析，得出以下結(jié)論：

1）對于精密加工的軸承運(yùn)輸包裝必須采用緩沖襯墊進(jìn)行減振防護(hù)，否則在運(yùn)輸過程中會影響軸承表面質(zhì)量；采用發(fā)泡聚氨酯作為包裝緩沖墊可有效減小軸承受到的自由跌落和運(yùn)輸振動(dòng)產(chǎn)生的加速度；

2）發(fā)泡聚氨酯襯墊厚度為40 mm時(shí)緩沖效果最佳；發(fā)泡聚乙烯材料厚度為20 mm時(shí)即可提供足夠的包裝防護(hù)效果；

3）如提供足夠的軸承定位、緩沖等防護(hù)功能，可選用發(fā)泡聚氨酯與發(fā)泡聚乙烯材料復(fù)合包裝，即上層襯墊采用發(fā)泡聚氨酯，利用其現(xiàn)場發(fā)泡特點(diǎn)自適應(yīng)軸承形狀，以對軸承進(jìn)行定位；下層采用發(fā)泡聚乙烯提供足夠的吸能緩沖防護(hù)。