基于緩沖曲線的液晶電視包裝設計方法

國家知識產權局專利局機械發(fā)明審查部 劉 毅

基于緩沖曲線的液晶電視包裝設計方法

國家知識產權局專利局機械發(fā)明審查部 劉 毅

論述了基于緩沖曲線的緩沖包裝設計方法的原理、推導以及計算過程，并提出了液晶電視的EPE緩沖包裝設計方案。

緩沖包裝；緩沖曲線；液晶電視；EPE

液晶電視由于其不失真、不閃爍、成像效果好、體積小等優(yōu)點，逐漸取代了傳統(tǒng)CRT電視，成為市場上的主流。然而，由于液晶電視特殊的結構，使其受沖擊易收損壞。液晶電視在流通過程中的損壞給廠家和消費者帶來了巨大損失，因此液晶電視的緩沖包裝設計有著重大的現(xiàn)實意義。

緩沖包裝設計的常用方法是“緩沖包裝設計六步法”和“基于緩沖曲線的包裝設計法”。本文將對后者進行重點介紹。

1　緩沖曲線

假設包裝件從高度H處跌落，包裝件落地后，產品沖擊襯墊做功，根據(jù)功能原理，襯墊的彈性變形能等于沖擊力P對襯墊所做的功，即：

單位體積彈性變形能稱為彈性比能u， 即：

C稱為緩沖系數(shù)，是最大應力與彈性比能u的比值。有應力應變曲線可看出，緩沖系數(shù)等于最大應力與其對應的曲邊三角形的面積之比，因此，緩沖系數(shù)不是常數(shù)，而是最大應力的函數(shù)，這個函數(shù)的曲線即是緩沖系數(shù)/最大應力曲線（曲線）。

緩沖系數(shù)能反映材料的緩沖性能，緩沖系數(shù)越小，材料的緩沖性能越好。在選擇包裝材料時，應選擇緩沖系數(shù)較小的緩沖材料，以便減少材料的用量。

包裝件處于平衡時，襯墊在產品重力W作用下的應力稱為靜應力，即：

而包裝件跌落時的最大應力：

經過推導（推導過程略），可以得出：

1.3緩沖襯墊尺寸設計

由式（1-7）得襯墊厚度為：

由這兩個式子可知，想要確定A和h必須先確定最大應力和對應的緩沖系數(shù)。

可以推出：

1.4校核

因產品的質量、形狀和尺寸不同，可將緩沖包裝的襯墊結構分為全面緩沖包裝、局部緩沖包裝和懸掛式緩沖包裝。

全面緩沖包裝法是在產品與紙箱之間填滿緩沖材料，如紙屑、木屑、棉花、塑料絲、紙漿發(fā)泡塊等。局部緩沖包裝法是采用預成型的緩沖材料對產品的角、楞、側面或易損關鍵部位等處提供緩沖。懸掛緩沖包裝結構是采用8根金屬彈簧，把包裝箱的8個角吊掛在剛性外包裝箱的內壁上。

若緩沖襯墊面積太小，厚度太大，在產品沖擊力的作用下會產生彎曲變形，引起應力加大而破壞，因此要采用克斯特拉經驗公式進行校核。采用全面緩沖不必作這項校核。采用局部緩沖時，A要分成幾塊，Amin是各分塊中最小分塊的面積。h為襯墊厚度。

2　液晶電視緩沖包裝設計

目前，對液晶電視主要進行緩沖包裝設計，市場上使用的緩沖包裝材料主要是EPE，另有少量的EPS、EPP等。

EPE具有優(yōu)良的緩沖吸震性能以及緩沖復原性。此外，EPE的環(huán)境適應性以及抗化學性能都非常好，在環(huán)保方面也很有優(yōu)勢，其廢料可以100%回收利用。

EPS緩沖襯墊具有良好的緩沖吸震性能，能夠很好地保護產品。其加工工藝很成熟，成本較低。在環(huán)保性方面，EPS雖然也可以回收再利用，但回收率較低（50%）。隨著環(huán)保的要求越來越高，體積大且不易回收的EPS作為緩沖材料的市場將越來越小。

EPP有彈性、不易開裂或斷裂，具有良好的緩沖性能和多次保護能力，但是加工工藝復雜，成本高，設備投資大。

比較幾種材料的優(yōu)劣勢，采用EPE作為液晶電視緩沖材料。

2.1液晶電視緩沖包裝設計步驟

（1）確定液晶電視在流通過程中的沖擊振動條件或安全性測試條件。

（2）確定液晶電視的性能參數(shù)，如脆值、最大外圍尺寸、質量等。

（3）根據(jù)“基于緩沖曲線的包裝設計方法”對液晶電視進行緩沖襯墊的結構和尺寸設計。

（4）制作出原型包裝件并對其進行振動、沖擊、壓縮試驗，如果不合格重新設計，知道合格為止。

2.2確定液晶電視性能參數(shù)、測試條件

表2-1是國內某電視生產廠家提供的某一型號的液晶電視性能參數(shù)：

表2　-1 某品牌液晶電視性能參數(shù)

圖2　-1 某品牌液晶電視外形

2.3結構和尺寸設計

根據(jù)經濟、體積小的原則，首先考慮局部緩沖，在電視機的各個角或棱增加緩沖襯墊。若緩沖襯墊未通過校核，或設計出的尺寸與實際不相匹配則考慮全面緩沖。

已知某種EPE材料的緩沖特性曲線如圖2-2所示。

圖2　-2的EPE曲線［1］

材料密度為0.037g/cm3，最低點處C=3.8，=160kPa=16N/cm2。

垂直于屏幕方向：

左右側面，考慮用全面緩沖：

對應緩沖曲線上的C為4.1，因此：

上下側面，采用全面緩沖：

對應緩沖曲線上的C為3.8，因此：

由于EPE無法模塑，廠家出售的EPE只有固定厚度的幾種片材，如果需要特殊厚度的片材，必須向廠家定制，造成生產周期加大，增加成本等。因此將各個方向的EPE襯墊厚度均設定為4cm。

因為液晶電視屏幕不能承受壓力，并且為了安放并固定附件袋，必須使襯墊尺寸使之配合，要適當加大襯墊厚度。擬將附件袋安放在電視機右側。附件袋尺寸為：，電視機厚度為，因此若要使附件袋能固定在右側必須使電視機和襯墊的總厚度等于附件袋的寬度，即，因此。

最終確定的EPE緩沖襯墊結構圖為：

圖2　-3 EPE緩沖襯墊裝配圖

圖2　-4 EPE緩沖襯墊結構示意圖

2.4工藝設計

由于EPE是片材，因此如果要想使其成為立體的緩沖包裝襯墊，就必須將片材粘合在一起。因此工藝的優(yōu)化設計主要就是粘合問題。

目前粘合的方法有3種：嵌合、電燙板粘合和熱熔膠粘合。通過以下例子可以看出不同方法的優(yōu)劣。

假設1立方米的EPE價格為800元，1千克熱熔膠的價格為20元，粘合一平方米EPE所用的熱熔膠為0.3kg，而電燙板所融EPE厚度為0.005m，那么，用熱熔膠粘合EPE的費用為6元/m2，而用電燙板粘合的費用則為4元/m2。

另外，由于粘合的難易性以及粘合的次數(shù)會影響到粘合的速度，也就是說二者會影響到包裝的成本。

據(jù)此可得幾種方法的優(yōu)劣對比：熱熔膠粘合，成本較高，精度控制較好；電燙板粘合，成本較低，精度控制較差［2］。本EPE包裝對于精度的要求不高，因此沒有必要選用電燙板粘合。而嵌合設計較難，不是任何緩沖結構都能實現(xiàn)，所以最終選擇熱熔膠粘合。

3　總結

基于緩沖曲線的包裝設計方法操作建議，只需要測試并繪制出材料的緩沖特性曲線，根據(jù)推導的公式就可以計算出緩沖墊的尺寸，因此非常有實用價值。

由于條件有限，沒有做出原型包裝件，后續(xù)研究應制作出原型包裝件，根據(jù)行業(yè)標準進行安全性測試，若不合格則改進。

［1］彭國勛.物流運輸包裝設計［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2006：117.

［2］張波濤，葉梁玉，劉朝陽，彭國勛.EPE緩沖包裝優(yōu)化設計［J］.包裝工程，2006，27（6）：211-212.

［3］蘇遠，湯柏森.緩沖包裝理論基礎與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，教材出版中心，2006.

劉毅（1977—），男，山東人，碩士，現(xiàn)為國家知識產權局專利局機械發(fā)明審查部專利審查員，副調研員，主要從事機械領域的專利審查工作。