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脆值，也叫易損度，它是產(chǎn)品所能承受的最大加速度值。脆值的大小表示了產(chǎn)品在流通過(guò)程中承受外部載荷的能力，一般用重力加速度的倍數(shù)G來(lái)表示。包裝設(shè)計(jì)的目的，就是根據(jù)被包裝產(chǎn)品脆值的大小，以及包裝件所經(jīng)受的流通環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)木彌_材料對(duì)產(chǎn)品加以保護(hù)，使產(chǎn)品在流通中所經(jīng)受的最大加速度值不超過(guò)它本身的脆值，由此達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。因此，準(zhǔn)確地測(cè)量產(chǎn)品的脆值，對(duì)緩沖包裝的設(shè)計(jì)是非常重要的，它是設(shè)計(jì)緩沖墊厚度的主要依據(jù)。表6-25-21是測(cè)定的幾種產(chǎn)品的脆值。

表6-25-21 某些產(chǎn)品的脆值

對(duì)于不同的產(chǎn)品，它的脆值各不相同，即使是同類產(chǎn)品，由于質(zhì)量、形狀、性能上有差別，測(cè)得的脆值也不一樣。因此，在有試驗(yàn)設(shè)備的條件下，盡量對(duì)每一種產(chǎn)品進(jìn)行精確的測(cè)量，以使所設(shè)計(jì)的包裝更加經(jīng)濟(jì)合理。

脆值的測(cè)試目前有兩種方法，一種是沖擊試驗(yàn)機(jī)法，一種是緩沖跌落法。前者設(shè)備先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但設(shè)備昂貴; 后者設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)錢便宜，但測(cè)量精度較低。

(一) 用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)量產(chǎn)品的脆值

1. 試驗(yàn)方法

利用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)得產(chǎn)品的脆值。按照不同的流通環(huán)境條件，該試驗(yàn)分為三種方法。

(1) 方法A——梯形沖擊脈沖試驗(yàn)法 方法A是應(yīng)用梯形脈沖對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跌落沖擊，它主要應(yīng)用于流通中跌落高度不能預(yù)先確定，緩沖材料沒(méi)有選定，緩沖材料的恢復(fù)系數(shù)未知的情況。由于梯形沖擊脈沖使產(chǎn)品上產(chǎn)生的沖擊加速度值最大，因而用這種方法試驗(yàn)是最保守的，但是由于對(duì)流通條件不了解，用這種方法測(cè)出的脆值用于包裝設(shè)計(jì)，可以保證包裝的可靠程度。但同時(shí)用這種方法可能會(huì)引起過(guò)剩包裝，使包裝成本提高。

(2) 方法B——半正弦沖擊脈沖試驗(yàn)法 方法B是利用半正弦波對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行沖擊。半正弦波易于產(chǎn)生、容易控制，且與實(shí)際流通中的沖擊波形接近，因此用得比較廣泛。這種方法適用于：已知產(chǎn)品在流通中受到的沖擊波類似于半正弦波，已知流通環(huán)境中的等效跌落高度和裝卸作業(yè)中跌落沖擊的次數(shù)，所使用的緩沖材料已定并已知緩沖材料的恢復(fù)系數(shù)。

(3) 方法C——臨界速度試驗(yàn)法 方法C用于剛性較大、強(qiáng)度較高、一般可能不需要進(jìn)行緩沖包裝的產(chǎn)品。用這種方法可以確定產(chǎn)品的臨界速度。臨界速度是指產(chǎn)品在試驗(yàn)時(shí)剛剛出現(xiàn)破損時(shí)的速度變化量(沖擊速度與回彈速度絕對(duì)值之和)。在這種試驗(yàn)中既可以用梯形波，也可以用半正弦波，因?yàn)榕R界速度的大小不受波形的影響。

2.試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為沖擊試驗(yàn)機(jī)。它主要包括放置試驗(yàn)樣品的滑臺(tái)，使滑臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)柱、提升裝置、沖擊脈沖程序器以及底座。機(jī)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-25-35所示。

滑臺(tái)：滑臺(tái)表面要平整，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并通過(guò)附加設(shè)備使它不發(fā)生二次沖擊，滑臺(tái)下落過(guò)程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)及其他方向的運(yùn)動(dòng)。

沖擊脈沖程序器：它用來(lái)控制沖擊脈沖的形式，可以是氣壓、液壓結(jié)構(gòu)形式，也可以用橡膠墊結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變氣體壓力、液體壓力，或改變橡膠墊厚度，來(lái)調(diào)節(jié)所需要的沖擊脈沖的形狀、大小和持續(xù)時(shí)間。

3. 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)包括加速度計(jì)、放大器、記錄儀、顯示器等。加速度計(jì)應(yīng)剛性地連接在產(chǎn)品的基面上，或安裝在固定產(chǎn)品用的夾具上，如果固定產(chǎn)品的夾具安裝很牢固，不影響對(duì)產(chǎn)品的沖擊作用，則加速度計(jì)可以安裝在滑臺(tái)的臺(tái)面上。測(cè)量裝置的頻率響應(yīng)在0.5～1000Hz 之內(nèi)，測(cè)量值的誤差不超過(guò)±5%。

圖6-25-35 沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1—底座 2—沖擊脈沖程序器

3—導(dǎo)柱 4—滑臺(tái) 5—試驗(yàn)樣品

4.試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備及預(yù)處理?xiàng)l件

在產(chǎn)品中隨機(jī)抽取幾個(gè)作為試驗(yàn)樣品，如果產(chǎn)品批量較大，可以多選幾個(gè)以使測(cè)量結(jié)果更具有代表性。

預(yù)處理在標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度條件下進(jìn)行。溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%，放置時(shí)間不少于4h。

5.試驗(yàn)過(guò)程

按實(shí)際的運(yùn)輸狀態(tài)將試驗(yàn)樣品放在滑臺(tái)上，用固定夾具將試樣緊固，以免影響對(duì)產(chǎn)品的沖擊，并防止試樣從滑臺(tái)上落下。

如果已知產(chǎn)品的流通中只受一個(gè)方向的沖擊，則只需進(jìn)行一個(gè)方向的試驗(yàn); 如果在實(shí)際流通中沖擊方向是變化的，則必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各個(gè)方向的沖擊試驗(yàn)。

(1) 方法A——梯形沖擊脈沖試驗(yàn)

①首先確定跌落高度：由于該方法用于流通環(huán)境未知、緩沖材料未定的情況，所以跌落高度可參考表6-25-22選取。由于運(yùn)輸環(huán)境各不相同，可根據(jù)具體情況，選擇一個(gè)合適值。

表6-25-22 試驗(yàn)跌落高度

②調(diào)整沖擊試驗(yàn)機(jī)：使它獲得上表所選定的最大速度變化量，如果實(shí)際的流通條件與表中所列情況不同，可按下式計(jì)算速度變化量：

式中 v——產(chǎn)品的最大速度變化量 (cm/s)

h——設(shè)計(jì)的跌落高度 (cm)

g——重力加速度，(980cm/s²)

沖擊試驗(yàn)機(jī)的跌落高度不一定與設(shè)計(jì)的跌落高度相同，如果要計(jì)算沖擊脈沖的速度變化可按附錄中 “1”的過(guò)程進(jìn)行。

③調(diào)整沖擊試驗(yàn)機(jī)：使它的沖擊加速度達(dá)到預(yù)定值，該值的大小要低于產(chǎn)品破損時(shí)的加速度值，若此值不好確定，則選最大沖擊加速度值為15g。

④調(diào)整好機(jī)器后進(jìn)行第一次沖擊：檢查沖擊后記錄下來(lái)的波形是否是所期望的，以及最大加速度值和速度變化值; 檢驗(yàn)產(chǎn)品是否由于沖擊而出現(xiàn)破損或功能上的障礙。

⑤如果產(chǎn)品沒(méi)有破損，調(diào)整沖擊脈沖程序器：使沖擊試驗(yàn)機(jī)獲得較高的沖擊加速度值。可以通過(guò)增大氣缸或油缸的壓力，或改換較薄的橡膠墊來(lái)完成，試驗(yàn)時(shí)跌落高度保持不變 (速度變化量不變)。

⑥重復(fù)過(guò)程④：然后逐漸增加沖擊加速度值，直到產(chǎn)品發(fā)生破損為止。出現(xiàn)破損時(shí)的最大加速度值就是該產(chǎn)品在這個(gè)沖擊方向的脆值，參看圖6-25-36。

(2) 方法B——半正弦沖擊脈沖試驗(yàn)

圖6-25-36 產(chǎn)品破損邊界曲線

①確定跌落高度(該值已知)：根據(jù)跌落高度和緩沖材料的恢復(fù)系數(shù)計(jì)算產(chǎn)品的速度變化量，參考圖6-25-37。

②調(diào)整沖擊試驗(yàn)機(jī)：使它產(chǎn)生預(yù)定的速度變化值，滑臺(tái)的提升高度不一定等于確定的跌落高度; 同時(shí)使沖擊試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生預(yù)定的加速度值，該值要低于產(chǎn)品發(fā)生破損的預(yù)定值，如果比值不確定，則最大沖擊加速度可定為15g。

③進(jìn)行第一次沖擊：沖擊后檢查所記錄的沖擊脈沖值是否是所期望的最大沖擊加速度值和最大速度變化量。該值的計(jì)算過(guò)程參考附錄中“2”; 同時(shí)檢查產(chǎn)品是否發(fā)生破損或功能上的障礙。

④調(diào)整試驗(yàn)機(jī)：如果產(chǎn)品沒(méi)有出現(xiàn)破損，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)使沖擊加速度值增加而不改變跌落高度，方法同上，重復(fù)過(guò)程③，使沖擊加速度值逐漸增加，直到產(chǎn)品出現(xiàn)損壞。破損時(shí)的最大加速度值即為產(chǎn)品的脆值。

圖6-25-37 跌落高度與速度變化量曲線

(3) 方法C——臨界速度沖擊試驗(yàn) 如果產(chǎn)品的強(qiáng)度很高，本身不需要進(jìn)行緩沖包裝，這時(shí)產(chǎn)品對(duì)沖擊加速度不敏感，它的破損取決于速度變化量，在這種情況下，適宜用這種方法進(jìn)行試驗(yàn)。

①如果是在前兩種試驗(yàn)之一完成以后進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)，則把試驗(yàn)機(jī)的沖擊加速度值調(diào)整到方法B試驗(yàn)中產(chǎn)品出現(xiàn)破損時(shí)的加速度值的兩倍;如果在進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)之前沒(méi)有做以上兩種試驗(yàn)，則把沖擊加速度值調(diào)整到75g，跌落高度定為5～10cm。

②調(diào)整好沖擊試驗(yàn)機(jī)后，對(duì)試樣進(jìn)行第一次沖擊，然后檢驗(yàn)產(chǎn)品是否出現(xiàn)破損。

③如果沒(méi)有破損，增大跌落高度繼續(xù)試驗(yàn)，直到產(chǎn)品出現(xiàn)破損為止。

④發(fā)生破損后，分析記錄下來(lái)的沖擊脈沖波形，用附錄中 “1”或“2”中介紹的方法，計(jì)算出該沖擊脈沖的速度變化量，這個(gè)值就是產(chǎn)品的臨界速度值。

附錄

1.梯形沖擊脈沖速度變化量

如圖6-25-38所示為沖擊試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的梯形沖擊脈沖，其速度變化量為該脈沖曲線與水平坐標(biāo)軸所圍成的面積。為了計(jì)算該梯形沖擊脈沖的面積，首先要把脈沖曲線進(jìn)行整形。取各峰的中點(diǎn)連成一平滑的曲線，如圖中虛線所示。整形后曲線所圍成的面積應(yīng)與記錄儀記錄下的脈沖曲線圍成的面積相等。要精確的計(jì)算速度變化量，需對(duì)整形后的脈沖曲線進(jìn)行積分，積分區(qū)間為從脈沖前的0.4T_p到脈沖后的0.1T_p。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可按下式計(jì)算速度變化量的近似值：

圖6-25-38 梯形脈沖速度變化

△v=gA_m[(T_R/2)+T_D+(T_F/2)]

式中 △v——梯形沖擊脈沖的速度變化量 (cm/s)

A_m——整形后脈沖最大加速度值g (m/s²)

T_R——上升時(shí)間 (s)

T_D——停留時(shí)間 (s)

g——重力加速度，980 (cm/s²)

2.半正弦沖擊脈沖速度變化量

半正弦沖擊脈沖速度變化量的計(jì)算方法參照?qǐng)D6-25-39。同樣，首先要對(duì)沖擊脈沖曲線進(jìn)行整形，在各峰之間取中點(diǎn)連成一條平滑的曲線，整形后曲線所圍成的面積應(yīng)等于原脈沖曲線所圍成的面積。如果精確計(jì)算速度變化量，需對(duì)整形后的曲線從脈沖前的0.4T_h到脈沖后的0.1T_h進(jìn)行積分。如果在10%的脈沖高度處劃定脈寬，所得的曲線更接近半正弦波，所以速度的變化量可近似為：

圖6-25-39 半正弦速度變化量

△v=2/πgA_mT_h＝0.637gA_mT_h

式中 T_h——脈沖持續(xù)時(shí)間 (s)

3. 產(chǎn)品的破損邊界曲線

通過(guò)上述方法得出產(chǎn)品破損時(shí)的最大加速度值和速度變化量以后，以速度變化量為橫坐標(biāo)，最大沖擊加速度值為縱坐標(biāo)，畫(huà)出這兩條線，兩條線相交部分用圓弧連接，這條曲線就是該產(chǎn)品在沖擊方面的破損邊界曲線，如圖6-25-39所示。兩條直線所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值分別為臨界加速度值 (脆值) 和臨界速度變化量。邊界曲線劃定了兩個(gè)區(qū)域，曲線右上方為破損區(qū)，左下方為非破損區(qū)也叫安全區(qū)。如果已知產(chǎn)品在流通中受到的沖擊加速度值和速度變化量的交點(diǎn)落在破損區(qū)以內(nèi)，則可判定在流通中產(chǎn)品可能出現(xiàn)破損，否則產(chǎn)品就是安全的，這時(shí)可以不采用緩沖包裝。因此，產(chǎn)品的破損邊界曲線可以用于包裝設(shè)計(jì)。

(二) 用緩沖跌落法測(cè)定產(chǎn)品的脆值

另外一種測(cè)定脆值的簡(jiǎn)易方法是緩沖跌落試驗(yàn)，它用于試驗(yàn)設(shè)備條件有限、測(cè)試精度要求一般的場(chǎng)合。

1.試驗(yàn)設(shè)備

①普通跌落試驗(yàn)機(jī)。

②沖擊面，是一剛性的堅(jiān)硬的表面，并與沖擊方向垂直。

③測(cè)試系統(tǒng)，包括加速度計(jì)、信號(hào)放大器、記錄儀。把加速度計(jì)剛性地連接在產(chǎn)品底部靠近緩沖支撐的部位，記錄儀用來(lái)記錄沖擊過(guò)程中產(chǎn)品上的沖擊加速度-時(shí)間曲線。

2. 試驗(yàn)方法

(1) 試樣的準(zhǔn)備 試驗(yàn)樣品為簡(jiǎn)易的緩沖包裝件，內(nèi)裝物應(yīng)該是實(shí)際產(chǎn)品而不能用模擬品，但是如果不影響試驗(yàn)的結(jié)果，一些等外品或表面有損傷有缺陷的產(chǎn)品也可以用作試驗(yàn)樣品。用與實(shí)際包裝相同的緩沖材料，做一組厚度不同的緩沖墊，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)易的包裝。

(2) 試驗(yàn)過(guò)程 試驗(yàn)過(guò)程如下：

①把產(chǎn)品按實(shí)際運(yùn)輸狀況放在外包裝容器內(nèi)，第一次試驗(yàn)，在產(chǎn)品底部放上較厚的襯墊，產(chǎn)品上面加上襯墊使其高度正好達(dá)到外箱的頂部，產(chǎn)品四周也放上緩沖材料，以免在試驗(yàn)中出現(xiàn)移動(dòng)、回彈或二次沖擊。

②將包裝好的試樣按運(yùn)輸位置放在跌落試驗(yàn)機(jī)上，由提升裝置提高到預(yù)定高度 (一般取460～910mm)，進(jìn)行第一次跌落沖擊，記錄沖擊過(guò)程中的加速度-時(shí)間曲線。

③打開(kāi)包裝檢查產(chǎn)品是否發(fā)生損壞，如果沒(méi)有損壞，換一較薄的襯墊，重新包裝好，在相同的高度繼續(xù)跌落，重復(fù)上述過(guò)程，直到產(chǎn)品出現(xiàn)破損為止，此時(shí)的最大沖擊加速度值即為產(chǎn)品在這個(gè)方向的脆值。

重復(fù)上述過(guò)程，對(duì)其他面進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，可以得到產(chǎn)品其他方向的脆值。每次試驗(yàn)應(yīng)更換新的試驗(yàn)樣品。

(三) 脆值測(cè)量實(shí)例

我國(guó)傳統(tǒng)工藝品唐三彩，在流通過(guò)程中破損較多，為了設(shè)計(jì)出合理的包裝結(jié)構(gòu)，需對(duì)唐三彩的脆值進(jìn)行測(cè)量。

已知某廠生產(chǎn)的唐三彩質(zhì)量為1.2kg，預(yù)定采用聚苯乙烯泡沫塑料進(jìn)行緩沖包裝。現(xiàn)用緩沖跌落法測(cè)試該產(chǎn)品的脆值：

①首先制作一組不同厚度的聚苯乙烯泡沫塑料緩沖墊，其厚度分別為5、10、15、20、 25mm。第一次先取25mm的緩沖墊放在外包裝箱底部，然后把加速度計(jì)固定在樣品的靠近重心的平整部位，放入箱中，箱子四周及頂部也放上緩沖墊，封好包裝箱。

②將測(cè)試儀器接好，測(cè)量系統(tǒng)連接框圖如下所示：

③把試驗(yàn)樣品放在跌落試驗(yàn)機(jī)的臺(tái)板上，由提升裝置升至500mm，進(jìn)行跌落沖擊。

④沖擊完后，打開(kāi)包裝箱，檢查產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)沒(méi)有破損，更換緩沖墊，在樣品底部換上 20mm厚的襯墊，重新包裝好，仍在500mm高度進(jìn)行第二次跌落，跌落后檢查內(nèi)裝物的破損情況。最后在緩沖墊為10mm時(shí)，進(jìn)行第四次跌落沖擊后，檢查出產(chǎn)品出現(xiàn)了破損，在樣品唐三彩馬的腿部位出現(xiàn)了裂縫，此時(shí)記錄儀記錄的沖擊加速度值為72g。

隨機(jī)抽取另外幾個(gè)產(chǎn)品作為試驗(yàn)樣品，測(cè)出這種唐三彩馬的脆值在70g左右。