基于一種冷風扇的包裝優化設計

牛晟 孔祥利 李漢鈞 林永清 周鑫鑫

（格力電器（中山）小家電制造有限公司 廣東中山 528441）

現今小家電產品的緩沖包裝材料一般采用EPS（發泡聚苯乙烯，俗稱泡沫），該材料的緩沖性能優異，抗壓強度大，價格相對來說比較低，能很好地保護產品。特別是對于體積比較大，重量比較重的一些家電產品，如大型風扇，大型電暖器，大型電磁爐等。

本文主要研究某品牌冷風扇的跌落試驗過程中所出現的問題，然后針對試驗結果分析研究，討論包裝設計方案不合格的原因，制定出可行方案，重新試驗驗證并總結經驗教訓，為同類產品包裝設計作鋪墊。

1 包裝結構設計

1.1 結構圖與產品的介紹

本文介紹的冷風扇是一種較重的產品，凈重達14.18kg，長寬高為：405×925×325（mm），其結構裝配圖如圖1所示。

1.2 產品緩沖包裝設計

以冷風扇為例，采用EPS作為其緩沖包材，采用緩沖設計六步法，確定好泡沫大致厚度，根據冷風扇的外形設計出泡沫的大致分布。如這款冷風扇是采用左上泡沫，右上泡沫，下泡沫作緩沖進行包裝。把產品進行包裝好后，再將其整體放入包裝箱中。泡沫與包裝箱內壁緊貼，使產品在長、寬、高各個方向都與包裝箱內壁保持一定距離，形成一個緩沖空間，從而避免產品在運輸、倉儲過程中受到直接的沖擊而損壞，起到保護作用。

1.2.1 泡沫脆值的選擇

引起沖擊過載損壞的主要原因是：產品受到較大的動載荷作用，使內應力超過了允許極限。跌落沖擊載荷是常見的動載荷，它與產品在跌落沖擊過程中出現的加速度成正比，產品不發生物理損壞或功能失效所能承受的最大加速度Ac與重力加速度g的比值被定義為產品的脆值Gc，即：Gc=Ac/g，包裝件跌落時，沖擊傳遞到產品的最大加速度Amax除與跌落高度有關外，還與緩沖包裝結構和材料性能有關。Amax與重力加速度g的比值Gmax應小于許用脆值【G】，即：Gmax=Amax/g≦【G】=Gc/n

一般確定冷風扇等家電產品，通常會采用類比法。

先進的工業化國家多年來已經對多種產品的脆值進行過大量的試驗測定，并指定出若干參考標準，緩沖包裝設計時可以通過類比，選用作為參考依據。例如這種大型冷風扇的脆值大約為60g～90g，本文選取60g作為該款冷風扇的脆值。

1.2.2 泡沫初步設計

一般來說，在泡沫的厚度尺寸設計過程中，可遵循以下計算步驟：

1）首先要知道產品的脆值。通過類比法的脆值為Gc=60g

2）確定產品最小靜應力，靜應力α=Gc×mg/A，查表可知該款冷風扇的最小靜應力為4.25kg/cm

3）確定產品的重量，如毛重為18.11kg；重量約等于W=18.11kg ×9.8N/kg=178N

4）確定產品的緩沖系數，經查表得：C=2.6

5）確定產品跌落試驗的高度，該試驗高度為：60cm

6）大致確定產品的泡沫厚度，t=C h/Gc=26cm，例：設計下泡沫時應注意厚度與26cm相近

7）確定產品的所需的承載面積。

Ad=W/α×10,把上述數值代進公式得，Ad=41882.352mm

經測量，所設計的下泡沫的承載面積為：Amax=62589.1mm

由于Amax＞Ad，因此符合所需的最大承載面積。

另外，在設計泡沫時應該注意泡沫一些地方的掏空，泡沫掏空的用途主要有兩個：①減小泡沫的重量，降低泡沫的成本；②做跌落試驗時一些地方的避空可以起到很好的緩沖作用，從而保護產品。

常見的泡沫掏空的地方就是泡沫的角部和棱邊，跌落時容易受到沖擊的地方。另外一個地方就是底面可以相應地作一些掏空，防止跌落試驗過程中跌面的時候對產品產生損壞。

如圖2所示，冷風扇產品的組裝圖可見，把上泡沫分割成左上泡沫和右上泡沫，一方面可以省材料，節約成本。另一方面，跌落的時候，把產品頂部受到的沖擊力都分散，不會造成太大的損害。左上泡沫和右上泡沫前方和上方的一些部位相應地做了一些掏空，主要目的就是避開產品的易損處，薄弱的地方。

2 包裝運輸試驗結果與分析

2.1 冷風扇包裝運輸試驗結果（表1）

2.2 冷風扇跌落試驗原因分析

上述對某款冷風扇跌落試驗出現的幾個主要問題，下面進行分析：

2.2.1 后殼螺釘柱斷裂，螺釘柱白化

分析如下：螺釘柱斷裂，發白現象。從該產品的結構來看，冷風扇的前后殼的閉合狀況主要由螺釘柱的螺釘固定的松緊度來決定。當產品跌落時，周圍幾個螺釘柱會承受所有的力，如果螺釘柱強度不夠大，就會出現螺釘柱發白或者螺釘柱斷裂的現象。從產品的材料來分析，產品后殼的材料主要成分是阻燃HIPS (V0 401C)，它跟一般的HIPS區別如表2。

從表2可以看出，阻燃HIPS(V0 401C)相對于高光HIPS來說，拉伸、彎曲、沖擊強度減弱，密度高，材料比較脆，因此在跌落試驗過程中很容易出現斷裂，發白等現象。

2.2.2 水箱側面塑料件斷裂，前殼下端開裂

分析：（1）從水箱側面塑料件斷裂的位置來觀察，它可能是因為跌落包裝箱棱邊，角部的時候，水箱的沖擊力把塑料件沖斷，從產品上看，依稀可以看到水箱沖擊所留下來的痕跡。可見，該處為冷風扇的薄弱環節。（2）從前殼下端的斷裂位置，方向和裂痕大小來看，跌落棱邊或角部時，它被跌落后的應力所產生的扭力扭斷的。

從包裝上進行考慮，跌落后底泡沫四角處有明顯的腳輪沖擊的裂痕，說明跌落后腳輪與泡沫接觸，從而沖擊力傳遞到產品的薄弱地方上。從而證明底泡沫四角處與輪子的距離比較小，應該增加它們之間的距離，并且泡沫內部結構應該要加強，增大泡沫與產品底盤的受力面積，減少跌落沖擊后產品受到的壓強。

表1 冷風扇包裝運輸試驗結果

從結構上進行考慮，水箱側面塑料件，前殼下端塑料件跌落后都出現斷裂的現象，因此可考慮加強筋，倒圓角等處理，根本上加強內部的結構強度。

3 設計改善方案驗證

3.1 冷風扇跌落試驗改善方案

綜合上述的問題進行分析，總結出如下的改善方案：

3.1.1 后殼螺釘柱斷裂，螺釘柱白化

對策：解決的最根本方法就是從結構上進行更改，如螺釘柱加倒角，加強螺釘柱的強度。包裝上可考慮更換底托，加強底托的強度。

包裝方面，更改后的底托技術要求如下：

（1）紙板耐破強度：≥800kPa；

（2）紙護角按QJ/GD52.00.004的要求；

（3）未注尺寸公差按 GB/T 1804-C；

（4）制品表面平整,釘合牢固可靠。

見圖4，底托四角處底面是由規格為70×70紙護角組成，且底面在同一平面上，強度相對于更改前的底托加強了很多，跌落后底托明顯不會出現凹陷，破裂等情況。

3.1.2 水箱側面塑料件斷裂，前殼下端開裂

對策：包裝方面，①從底泡沫可以看出，腳輪與泡沫沖擊的痕跡很大而且很深，說明受力很大，跌角的時候，沖擊力全部集中在水箱側面上。解決辦法就是使腳輪與泡沫的空隙加大。跌落時腳輪受到的力不會全部集中到水箱側面上，見圖5，底泡沫下面四角處增加10mm厚度正方形泡沫。

②在泡沫底部增加正方形泡沫的同時，底泡沫四角處相應地減少10mm，增大與腳輪之間的距離。如圖6所示。

③底泡沫內部新增泡沫塊，增大泡沫與產品底盤的受力面積，減少跌落沖擊后產品受到的壓強。見圖7。

表2 二種HIPS材料性能對比

④前殼下端開裂主要是塑料件受到扭力的作用，分析對策是一方面增大底托的強度；另一方面是在冷風扇的下前方增加泡沫條頂住冷風扇下端，使冷風扇固定，不會搖擺，從而使得產品受力均勻。見圖8。

結構方面改進：

水箱側面塑料件加強筋處理，見圖9；前殼下端塑料件倒圓角，加強筋，見圖10。

3.2 冷風扇跌落試驗驗證

經過上述的分析與方案的改善對策，對某款冷風扇再進行一次跌落試驗驗證，標準【60cm，1角3棱6面】，試驗結果令人滿意，證明本文上述過程分析正確，方案可行。

4 結語

本文通過對冷風扇的跌落試驗進行了分析與探討驗證，闡明了出現這些問題的原因，通過這些原因得出解決方案。在實驗過程中要密切留意各零部件，特別是各關鍵零部件的狀態，如本次試驗發現螺釘柱斷裂、發白，應該從產品的材料性能、產品結構、還有包裝等方面進行分析。進行包裝結構設計時應該充分考慮各種外部因素，在不增加成本或成本允許的情況下，盡量從產品可靠性方面加強。分析問題時應該嚴謹、有理有據，用實驗和數據說話；在產品的物流運輸過程中，緩沖包裝擔任著很重要的角色，產品出現外觀破損或者內部結構損壞，一般都會去改進包裝結構，更換包裝方式。從本文論述的觀點來看，結構上的更改也是占據著一個很重要的地位。只有外部包裝和里面的結構同時更改，才能更好地改善產品，使產品在物流運輸過程中不會受到損壞。

[1]王青.包裝用緩沖材料性能分析[J].中國包裝，2007（3）：76-78.

[2]彭國勛,宋寶豐.物流運輸包裝設計[M].北京：印刷工業出版社，2006.

[3]彭國勛.物流運輸包裝設計.北京：印刷工業出版社，2006.

[4]劉乘，劉晶.應力-能量法在求取包裝材料最大加速度-靜應力曲線方面的應用分析[J].包裝工程，2011,32（1）：74-75.

[5]孫誠.包裝結構設計.北京：中國輕工業出版社，2010.

[6]張書彬，肖夢蘭.淺談緩沖包裝材料[J].包裝工程，2002,23（3）：111-112.

[7]楊銘銳，余華.緩沖包裝材料的應用[J].中國包裝工業，2009(12):41-43.

[8]珠海格力電器股份有限公司標準.

[9]蘇遠，湯伯森.緩沖包裝理論基礎與應用[M].北京：化學工業出版社，2006.