产品运输包装关键技术及其性能评价卢立新博士/教授/博士生导师江南大学机械工程学院副院长国家轻工业包装制品质量监督检测中心常务副主任兼技术负责人提纲：Ⅰ产品运输包装涉及的主要技术环节一、总体上•产品基本特性的测定评估；•运输环境评估与参数化表征；•运输包装的设计理论与方法；•运输包装件性能测试评价；•相关包装标准、法规、社会效应；•包装成本等二、产品基本特性的测定评估（1）与运输包装相关基本特性：（2）产品脆值（3）产品共振频率分布三、运输环境评估与参数化表征（1）运输环境因素（2）装卸条件（3）运输条件（4）气候条件Ⅱ运输包装设计方法一、产品运输包装设计的基本原则（1）物流过程中－容纳产品；（2）保护产品安全到达目的地；（3）包装便于分配分送，包括装卸、贮藏、取货等；（4）基本信息（内容物特性、特殊处理的警示等）二、产品运输包装设计技术过程：（1）确定产品的基本特性（2）获得市场的运输模式、运输系统；（3）确定可能导致包装产品破损的因素（4）评估目前工程可应用的包装形式与材料，以及相应的成功率；（5）设计内包装、运输包装箱、集合包装（包材基本性能、包装容器性能指标）；（6）运输包装件试验测试评价：制订试验方案、确定试验方法与标准、合格包装检验标准等。
（7）试验评价不合格，重新设计；（8）最终确定包装用材、包装结构的技术性能标准与要求、测试评价方法；（9）根据需要，制订具体包装作业的技术文件。
三、相关参数的测定、估算技术方法1. 产品脆值（1）含义：脆值的含义是产品经受振动和冲击时用以表示其强度的定量指标。
又称为产品的易损度。
此值表示产品对外力的承受能力，一般用重力加速度的倍数G来表示。
G值愈大，表示产品对外力的承受能力愈强，在设计防振包装时，可以选择刚度大些的材料，反之，则意味着产品对外力的承受能力愈差，设计时应作慎重考虑。
因此，在不影响产品性能的条件下，努力提高产品本身对外力的承受能力，即提高产品的脆值，可以大大简化防振包装，节约缓冲材料，减少劳动量，降低包装成本。
由牛顿第二定律，我们知道产品受冲击时产生的加速度正比于它所受到的冲击力，因此可以用产品所能承受的最大加速度来代替产品所能承受的最大冲击力，以产品所承受的最大加速度与g的比值Gc来代替最大加速度。
目前国内外都已一致以产品破损前的临界加速度与g的比值Gc作为脆值的定义。
G c = Ac / g（2）确定脆值的方法：对产品脆值的测定方法有碰撞机试验法和自由跌落试验法两种：测定时可视具体条件任选一种进行。
a. 碰撞机试验法。
采用本法进行测定时，碰撞机须满足下列条件的要求：①碰撞波形应尽量接近半正弦波；②碰撞脉冲持续时间应在20ms以下，并可调节；⑧加速度误差应在±10％以内。
具体测定步骤如下：(1)选择与被测产品重量相当的配重(模拟)件，并将其固定于碰撞台上。
按图1接线路，调试各种仪器；使其处于正常工作状态。
(2)调整碰撞机的加速度，参考表1和表2所列数据，对被测产品的脆值范围作一粗略估计，注意：第一次试验的加速度应比该产品的实际脆值为小，以防止产品作第一次试验时就损坏，然后调整好试验加速度值。
图1脆值测试方框图1—碰撞机 2—配重模拟件 3—加速度计4—电荷放大器5—峰值电压表 6—脉宽测试仪表1 日本得出的产品脆值表2 英国得出的产品脆值(3)试件安装，取下配重件，将被试产品刚性固定好。
碰撞试验方向一般选取产品受碰撞时最容易损坏的方向，但对那些不允许倒置的产品则按其正常摆放位置进行试验。
(4)开动碰撞试验机，连续碰撞5－10次，读取峰值加速度值，并记录之。
每做完一次试验后，必须进行检查，确认产品并未受损坏时，才能增大加速度进行下一次试验。
如此进行至产品损坏为止。
b. 自由跌落试验法。
跌落试验测试系统由试验机、加速度传感器、信号放大器和显示记录仪等仪器和设备组成.采用此法试验时，跌落试验设备须满足下列条件：①跌落高度能任意且容易调整，最大跌落高度为1500mm ；②要求冲击面为坚硬平整的水平平面，其质量至少为被试样品质量的50倍；③试验样品能完全不受妨碍地自由跌落；④便于对试验样品操纵和起吊。
具体测试步骤如下：(1)选择一组厚度可以逐步减小的衬垫，保证产品在第一次跌落时产品不致损坏，把被测产品置于包装衬垫中，并把加速度计固定在产品表面上。
(2)将该包装件从规定的高度自由跌落，分别对6个面进行跌落，记录每次跌落的冲击加速度。
每一高度、每个面至少跌落两次。
但对不允许倒置的产品，则按其正常摆放位置，对每一高度进行不少于6次的试验。
(3)每做完一次试验后，经检查确认产品并未损坏时，逐步减小衬垫厚度，重复步骤(2)，直至产品损坏为止。
c. 产品脆值的确定。
由产品损坏前记录下来的加速度值，取多个同类产品测试数据的平均值。
考虑到产品的强度偏差及价格等因素，取平均值的80％作为产品的脆值。
2. 产品等效跌落高度等效跌落高度代表包装件在流通过程中跌落冲击能量的大小。
跌落高度越高，冲击能量越大，产品越容易损坏，缓冲防护就要求越高。
而跌落主要是在装卸过程中由人工作业或机械作业造成的，跌落时冲击能量的大小要根据产品的重量、体积大小、人员高度、搬运难易程度、搬运方式等因素确定，最后的结果都是由概率统计而得到的。
它的确定方法有两种：一是经验公式法，另一种是标准量值法。
一般在人工装卸中，包装件的跌落高度与重量有如下关系：21300-⨯=W h式中：h －跌落高度，cm ；W －重量，kg 。
标准量值法，就是根据我国、日本、美国等一些国家的标准，以及一些产品的行业标准来确定跌落高度值。
如日本标准JISI0202中规定的自由跌落试验条件，美国军用标准MIL —P —116H 规定自由落高的试验条件，我国标准GB4857．5—84规定的跌落试验高度，都可根据产品重量、最大尺寸范围、运输条件，由表格直接查到跌落高度值。
以上两种方法是由经验及数理统计得到，要根据产品价值、特性、运输条件综合确定，若采用集合包装运输(托盘或集装箱)，等效跌落高度取值就要小很多。
3．常用缓冲材料的缓冲特性（1）缓冲材料基本要求：• 良好的冲击能量和振动吸收性外，还要求有良好的回弹性，即对外界的动、静载荷引起的5％～10％压缩变形，都有良好的复原性，永久变形小。
• 应有良好的柔软性，室温下压缩5％时的弹性模量应在0.15MPa 以下，在流通过程中不会擦伤产品表面。
• 缓冲材料应耐物流环境可能出现的温度(－20～40℃)和湿度，耐酸、耐碱、耐油、耐霉、耐有机物腐蚀、耐盐、耐光、耐辐射，不腐蚀产品，抗静电，易加工成型，易操作，成本低，易回收和处理，符合环保要求。
常用缓冲材料：• 泡沫塑料，包括聚乙烯泡沫塑料(EPE)、聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚氨酯泡沫塑料(PU)、乙烯一醋酸乙烯共聚物橡塑制品(EV A)和聚乙烯交联发泡塑料(XPE ／IXPE)等。
• 纸制品，包括瓦楞纸板、蜂窝纸板、皱纹纸垫和纸浆模等。
• 橡胶、木屑、棉花、化纤丝和金属弹簧等。
• 塑料薄膜气垫、塑料薄膜悬挂等缓冲包装结构。
（2）缓冲特性与缓冲系数：缓冲包装材料主要用于运输包装，缓冲特性是其最为重要的性能，它一方面减弱产品对外界激励的响应，另一方面又耗散外界激励的能量。
表征材料的缓冲特性最基本的方法是测定其静态或动态材料压缩力－变形关系。
缓冲包装材料的性能可用基于变形能的缓冲系数概念来表征。
1FTC E η==缓冲系数用缓冲材料承受一定应力下对应的单位体积内缓冲材料吸收的能量比值来表示。
当η取最大值时，C 取最小值，在实际的缓冲包装设计中，总是要求选最小的缓冲系数。
材料的缓冲系数是通过试验测出的，通常使用的方法，有静态试验法和动态试验法，按试验方法不同，有静态缓冲系数和动态缓冲系数之分。
（3）缓冲系数—最大应力曲线在缓冲包装设计中，为了节省材料，一般可允许缓冲材料承受应力等于产品所能承受的最大应力。
为此测定缓冲包装材料缓冲系数—最大应力特性曲线具有工程意义。
通过对缓冲材料进行静态压缩试验，可获得多种缓冲材料的缓冲系数—最大应力曲线。
a. 静态缓冲系数包装材料的静态试验，通常是在万能试验机上进行的，主要是用来测定缓冲材料的力－变形特性，由此可以求得缓冲材料的应力—应变曲线图，从而可以得出材料的缓冲系数。
静态试验(如图2所示)进行时，上压板的速度通常为12±3mm/min ，接近于静态力，随着压力的不断增加，缓冲材料的厚度不断减少，变形量不断增加，测量的结果可以得到材料的力—形变曲线。
由于同一种材料在不同受力面积或不同厚度时的力－形变曲线不同，在进行缓冲设计时应用该曲线很不方便，因此需要把上述试验结果进一步处理。
把力F 除以材料受力面积A ，得到应力σ；把形变x 除以材料原始厚度T ，得到应变ε。
经过这样的处理，力－形变曲线就转化为应力－应变曲线。
根据应力—应变曲线可计算缓冲材料的力形变能E ：000xE Fdx A Td E AT d εεσεσε===⎰⎰⎰静态缓冲系数：0F T A T C E A T d εσσε==⎰0C d εσσε=⎰图2 缓冲材料压缩－变形前面已经讨论过，σ-ε 曲线上的一是缓冲材料为了抵抗形变而产生的附加内力，它也等于作用到产品上的破坏力，为了保护产品，这个破坏力的数值应小于或等于产品所能承受的外力。
为了节省材料，在缓冲包装设计中，一般可允许这一破坏力等于产品所能承受的最大外力，由于σ与ε的对应关系，在σ取最大值σm 时，ε也取最大值ε。
把σm 、εm 直接代入C 的表达式，从而得到一个特定的函数值式中，G m 和W 是由产品本身性质而决定的常数，A 是变量，σm 是A 的函数，改变A 的数值，可以得到一系列的σm ，将这些σm 值分别带入上式，可以计算出相应的C 值，这样可以画出一条C-σm 。
曲线。
由于曲线中的σm 代表产品在冲击过程中所能承受的最大压力F m 时所对应的应力，这条曲线也称为静态系数一最大应力曲线。
在缓冲包装设计中常用的就是这种曲线。
图3给出了常见材料的缓冲系数一最大应力曲线。
m m G W A σ=0m m C d εσσε=⎰图3 常见材料的缓冲系数最大应力曲线①发泡聚苯乙烯(比重0.014)②发泡聚苯乙烯(比重0.020)⑧发泡聚苯乙烯(比重0.033)④发泡聚乙烯(比重0.035)⑤人造纤维100(比重0.050)⑥人造纤维150(比重0.06)⑦人造纤维200(比重0.08)⑧聚氨酯泡沫(比重0.03)⑨聚氨酯泡沫醚(比重0.03)⑩发泡氯乙烯(比重0.31)⑾发泡氯乙烯(比重0.42)⑿泡沫橡胶⒀木屑(比重0.07)⒁发泡聚氯乙烯碎屑(比重0.08)⒂塑料碎屑(比重0.087)（4）动态缓冲特性－最大加速度－静应力曲线由于静态试验的加压速度很小，考虑到包装件在流通过程中，往往受到强烈的冲撞和跌落，缓冲材料的形变速度很大，如从60cm 高度跌落冲击，形变速度约3.4m/s ，这数值是静态试验速度的1.7万倍。
