劉賢寶 蔡想周 劉洋 王建飛 于水生

（青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266101）

家電產(chǎn)品緩沖包裝的基本目的就是保證產(chǎn)品在投入使用時(shí)能執(zhí)行其預(yù)定的功能。也就是說，包裝必須使被包裝物從出廠起，經(jīng)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝卸最終送到用戶手中為止的全過程得到保護(hù)，因此所設(shè)計(jì)的家電產(chǎn)品包裝墊層不僅要防止產(chǎn)品在運(yùn)輸裝卸過程中因振動(dòng)、沖擊產(chǎn)生的損壞，而且要防止產(chǎn)品在倉儲(chǔ)過程中因堆碼歪斜傾倒所造成的產(chǎn)品損壞[1]。目前，各企業(yè)對(duì)家電產(chǎn)品的研究主要集中在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀紋理及關(guān)鍵技術(shù)的解決等問題上，而對(duì)于適用于家電產(chǎn)品的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖材料及緩沖性能改善上缺乏理論研究，大多數(shù)時(shí)候都是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。文中以形狀為圓柱形的電熱水器為研究對(duì)象，對(duì)其緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在保證滿足產(chǎn)品緩沖需求的同時(shí)，選擇最合理的緩沖材料并設(shè)計(jì)出合理適用的包裝結(jié)構(gòu)。

1 產(chǎn)品市場調(diào)研及物流環(huán)境分析

1.1 電熱水器產(chǎn)品市場調(diào)研

近幾年來，在宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境及住宅產(chǎn)業(yè)低迷等綜合因素的影響下，我國家電行業(yè)市場增長動(dòng)力不足，主要產(chǎn)品品類銷售量增速放緩，電熱水器行業(yè)也未能擺脫同樣的命運(yùn)。我國電熱水器行業(yè)遭遇雙重挑戰(zhàn)：經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，熱水器市場外部驅(qū)動(dòng)力不足，總體需求量回落；燃?xì)鉄崴髋c熱泵熱水器的增長，侵蝕了電熱水器的部分市場份額。在制造企業(yè)和商業(yè)企業(yè)面臨日益激烈的全球化競爭新形勢下，降低產(chǎn)品外損及降低物流成本已經(jīng)成為企業(yè)的一項(xiàng)重要利潤來源，而科學(xué)化、生態(tài)化的物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)可以起到降低產(chǎn)品外損，提高物流效率的作用[2]。

電熱水器在運(yùn)輸儲(chǔ)存方面一直受到以下問題困擾：（1）電熱水器在從工廠出廠→用戶家的過程中，許多機(jī)器的緩沖墊層已經(jīng)破損，失去了應(yīng)有的保護(hù)性能，致使整機(jī)外損。（2）電熱水器在倉庫倉儲(chǔ)過程中堆碼傾斜，極限堆碼層數(shù)只有四層，堆碼高度不足，倉儲(chǔ)利用率較低。

1.2 電熱水器物流環(huán)境分析

在流通環(huán)境中，要充分考慮家電產(chǎn)品的機(jī)械條件、氣候條件及生物條件等，但是跌落沖擊是包裝破損的主要原因，所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)以緩沖減震為主要目的，因此將產(chǎn)品的運(yùn)輸環(huán)境簡化為機(jī)器的跌落沖擊環(huán)境。電熱水器電商渠道產(chǎn)品在從工廠到用戶家的過程中，要經(jīng)歷多次的中轉(zhuǎn)運(yùn)輸，使產(chǎn)品的搬運(yùn)次數(shù)及磨損率增加；且電熱水器的質(zhì)量一般在20 kg～35 kg之間，因此電熱水器的搬運(yùn)方式多為人力搬運(yùn)，搬運(yùn)人數(shù)為1人～2人，人力搬運(yùn)時(shí)較容易出現(xiàn)暴力搬運(yùn)，造成電熱水器包裝件與地面形成沖擊碰撞，產(chǎn)品的沖擊加速度取決于跌落時(shí)產(chǎn)品距地面高度，而沖擊力大小出了取決于跌落高度外，還取決于產(chǎn)品的質(zhì)量、緩沖襯墊的緩沖厚度、襯墊的緩沖性能以及地面的剛性[3]。

在倉儲(chǔ)環(huán)境中，電熱水器一般為在中轉(zhuǎn)庫集中儲(chǔ)存，大部分中轉(zhuǎn)庫的儲(chǔ)存方式為堆碼儲(chǔ)存。電熱水器極限堆碼層數(shù)為4層，堆碼高度低于4 m，而中轉(zhuǎn)庫高度普遍高于10 m，這就導(dǎo)致電熱水器的倉儲(chǔ)利用率較低，產(chǎn)業(yè)倉儲(chǔ)費(fèi)用逐年居高不下。

2 緩沖襯墊材料的選擇

2.1 電熱水器跌落沖擊分析

根據(jù)市場調(diào)查以及我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.17-2017《包裝 運(yùn)輸包裝件 編制性能試驗(yàn)大綱的定量數(shù)據(jù)》規(guī)定的跌落試驗(yàn)的試驗(yàn)高度，結(jié)合企標(biāo)電熱水器的跌落高度選取為610 mm。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中跌落試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)樣品的方向定義如圖1所示，跌落試驗(yàn)會(huì)對(duì)2-3-5角、3-5棱、3-6棱、2-3棱及所有6面進(jìn)行總計(jì)十次跌落，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)十次跌落中有九次跌落會(huì)對(duì)包裝下襯墊進(jìn)行沖擊，其中包括受力面積更小的角跌落和棱跌落。因此提升包裝下襯墊的物理機(jī)械性能會(huì)降低因緩沖材料破損造成的產(chǎn)品外損。

圖1 跌落試驗(yàn)分析

角跌落時(shí)包裝下襯墊的受力分析如圖2所示，角跌落時(shí)包裝下襯墊受到方向向下的重力G，由勢能轉(zhuǎn)化的動(dòng)能Ek=GH，以及受到方向向上的反沖回彈力F。因向上及向下的一對(duì)反作用力并不處于同一垂線上，因此襯墊還會(huì)受到較大的剪切力Fs。襯墊受到的反作用力要求緩沖材料具有較高的壓縮強(qiáng)度及壓縮回彈率；產(chǎn)生剪切力要求緩沖材料具有較高的斷裂彎曲載荷及撓曲強(qiáng)度。

圖2 角跌落墊層受力分析

2.2 包裝下墊層緩沖材料現(xiàn)狀

為緩解產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中受到的跌落沖擊，緩沖材料要求具有高度的壓縮和復(fù)原性；為緩解緩沖襯墊在角跌落時(shí)受到的剪切應(yīng)力，緩沖材料還應(yīng)具有高度的剪切和撓曲性。目前，常用于家電產(chǎn)品的緩沖材料主要有以下三種形式：（1）EPS材料緩沖襯墊；（2）EPE材料緩沖襯墊；（3）EPS料塊與EPE料塊相組合拼接的緩沖襯墊。

EPS緩沖襯墊在家電產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)為材料抗壓強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)；可以模塑成型，生產(chǎn)效率高；缺點(diǎn)為材料韌性差，易碎，且難以回收，對(duì)環(huán)境污染性強(qiáng)[4]。

EPE緩沖襯墊主要應(yīng)用于易碎的家電產(chǎn)品中，如彩電，電腦等，其優(yōu)點(diǎn)為材料韌性好，緩沖性能優(yōu)越，成型率高，有一定量產(chǎn)能力，易于回收；其缺點(diǎn)為尺寸穩(wěn)定性差，抗壓強(qiáng)度低，不利于堆碼倉儲(chǔ)[5]。

EPS料塊與EPE料塊相組合拼接的緩沖襯墊為國內(nèi)某企業(yè)電熱水器產(chǎn)品的緩沖襯墊，中和了EPS與EPE的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的尺寸穩(wěn)定性及韌性；但其缺點(diǎn)同樣較為明顯，此襯墊需多個(gè)料塊拼接粘合，無法模塑成型，無法滿足較大規(guī)模的量化生產(chǎn)。

綜合以上幾款襯墊的優(yōu)缺點(diǎn)及電熱水器特性，特引入EPO材料做為電熱水器的款沖包裝材料，EPO顆粒是特殊聚合工藝生產(chǎn)的一種特殊的“共聚物”，其顆粒主要成分為70%的聚苯乙烯（PS）和30%的聚乙烯（PE）。PE組分主要分布在顆粒的外層，促進(jìn)顆粒之間的塑化和結(jié)合；PS組分主要分布在顆粒的內(nèi)部，對(duì)泡粒結(jié)構(gòu)具有良好的支撐作用，其粒子結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。EPO材料獨(dú)特的組成和結(jié)構(gòu),使之最大程度地綜合了PE和PS地優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)越的耐壓強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度完全滿足電熱水器的多次周轉(zhuǎn)要求。

圖3 EPO粒子結(jié)構(gòu)

2.3 EPO材料緩沖可行性分析

按照GB/T 8813-2020《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》和GB/T 8812.1-2007《硬質(zhì)泡沫塑料 彎曲性能的測定 第1部分：基本彎曲試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的要求準(zhǔn)備壓縮試驗(yàn)料塊及剪切試驗(yàn)料塊各10個(gè)，料塊密度為20 kg/m3，分別對(duì)EPS及EPO料塊進(jìn)行壓縮試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)。其中壓縮量為20%的壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4（a）所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)EPS料塊的平均壓縮強(qiáng)度為142 kPa，EPO料塊的平均壓縮強(qiáng)度為126 kPa；壓縮量為20%的壓縮回彈率試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如圖4（b）所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)EPS料塊的平均壓縮回彈率為38%，EPO料塊的平均壓縮回彈率為73%；剪切試驗(yàn)中斷裂彎曲載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5（a）所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)EPS料塊的平均斷裂彎曲載荷為163 kPa，EPO料塊的平均斷裂彎曲載荷為374 kPa；剪切試驗(yàn)中斷裂撓度試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5（b） 所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)EPS料塊的平均斷裂撓度為13 mm，EPO料塊的平均斷裂撓度為55 mm。

圖4 壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖5 剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)在相同密度情況下，EPO材料的壓縮強(qiáng)度略低于EPS，但EPO的壓縮回彈率及斷裂彎曲載荷是EPS的兩倍，且EPO的斷裂撓度是EPS的4倍多，EPO的耐壓性能并不遜色于EPS材料，加上其優(yōu)越撓曲強(qiáng)度完全符合電熱水器的多次跌落沖擊要求。

3 緩沖襯墊的設(shè)計(jì)與造型

對(duì)電熱水器堆碼狀態(tài)下的緩沖襯墊進(jìn)行受力分析，可以看出在打包帶拉力和機(jī)器重力的反作用力下，具有一定的撓曲性的緩沖襯墊容易發(fā)生形變，使包裝襯墊形成如圖6所示的曲面造型，使電熱水器底部受力面減小，受力不均勻使會(huì)向重心偏移的一側(cè)傾倒。

圖6 堆碼時(shí)襯墊受力分析

對(duì)電熱水器緩沖襯墊的靜應(yīng)力進(jìn)行分析，緩沖襯墊受力如圖7所示，對(duì)襯墊受力后撓度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如（1）：

圖7 包裝下墊層靜應(yīng)力分析

其中：

整機(jī)重力 G=mg=300 N

載荷 F=G/2=150 N

矩形慣性矩 I=bh3/12=7.7＊10-5m4

彈性模量 E=3MPa

L=0.7m a=0.15m

計(jì)算后發(fā)現(xiàn)單次倉儲(chǔ)周轉(zhuǎn)后墊層的撓度：

ωmax=1.8mm。

考慮到EPO材料具有較高的回彈率，設(shè)計(jì)時(shí)將包裝下襯墊的底部中心區(qū)域進(jìn)行局部掏空15 mm，這樣可以改善EPO材料襯墊的底部受力結(jié)構(gòu)，保證襯墊在經(jīng)歷多次周轉(zhuǎn)運(yùn)輸后仍然具有較大的支撐面積，EPO襯墊結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 EPO襯墊結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

對(duì)電熱水器跌落沖擊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)緩沖下襯墊是最主要受力緩沖襯墊，因此提升下襯墊的緩沖性能可有效降低因緩沖材料破損造成的產(chǎn)品外損。對(duì)比國內(nèi)目前的緩沖襯墊現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)EPO材料同時(shí)具備緩沖性能及產(chǎn)能的優(yōu)勢，是非常適合電熱水器的緩沖材料。對(duì)EPS及EPO材料進(jìn)行壓縮及彎曲試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)EPO材料的壓縮強(qiáng)度只是略低于EPS，但EPO材料的壓縮回彈率、斷裂彎曲載荷及斷裂撓度大大優(yōu)于EPS材料。

對(duì)電熱水器堆碼狀態(tài)下的緩沖襯墊進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)打包帶拉力和機(jī)器重力的反作用力下，具有一定的撓曲性的緩沖襯墊容易發(fā)生形變。對(duì)電熱水器緩沖襯墊的靜應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算后得出設(shè)計(jì)時(shí)將包裝下襯墊的底部中心區(qū)域進(jìn)行局部掏空可解決堆碼歪斜的問題。