基于缓冲曲线的液晶电视包装设计方法

国家知识产权局专利局机械发明审查部 刘 毅

基于缓冲曲线的液晶电视包装设计方法

国家知识产权局专利局机械发明审查部 刘 毅

论述了基于缓冲曲线的缓冲包装设计方法的原理、推导以及计算过程，并提出了液晶电视的EPE缓冲包装设计方案。

缓冲包装；缓冲曲线；液晶电视；EPE

液晶电视由于其不失真、不闪烁、成像效果好、体积小等优点，逐渐取代了传统CRT电视，成为市场上的主流。然而，由于液晶电视特殊的结构，使其受冲击易收损坏。液晶电视在流通过程中的损坏给厂家和消费者带来了巨大损失，因此液晶电视的缓冲包装设计有着重大的现实意义。

缓冲包装设计的常用方法是“缓冲包装设计六步法”和“基于缓冲曲线的包装设计法”。本文将对后者进行重点介绍。

1　缓冲曲线

假设包装件从高度H处跌落，包装件落地后，产品冲击衬垫做功，根据功能原理，衬垫的弹性变形能等于冲击力P对衬垫所做的功，即：

单位体积弹性变形能称为弹性比能u， 即：

C称为缓冲系数，是最大应力与弹性比能u的比值。有应力应变曲线可看出，缓冲系数等于最大应力与其对应的曲边三角形的面积之比，因此，缓冲系数不是常数，而是最大应力的函数，这个函数的曲线即是缓冲系数/最大应力曲线（曲线）。

缓冲系数能反映材料的缓冲性能，缓冲系数越小，材料的缓冲性能越好。在选择包装材料时，应选择缓冲系数较小的缓冲材料，以便减少材料的用量。

包装件处于平衡时，衬垫在产品重力W作用下的应力称为静应力，即：

而包装件跌落时的最大应力：

经过推导（推导过程略），可以得出：

1.3缓冲衬垫尺寸设计

由式（1-7）得衬垫厚度为：

由这两个式子可知，想要确定A和h必须先确定最大应力和对应的缓冲系数。

可以推出：

1.4校核

因产品的质量、形状和尺寸不同，可将缓冲包装的衬垫结构分为全面缓冲包装、局部缓冲包装和悬挂式缓冲包装。

全面缓冲包装法是在产品与纸箱之间填满缓冲材料，如纸屑、木屑、棉花、塑料丝、纸浆发泡块等。局部缓冲包装法是采用预成型的缓冲材料对产品的角、楞、侧面或易损关键部位等处提供缓冲。悬挂缓冲包装结构是采用8根金属弹簧，把包装箱的8个角吊挂在刚性外包装箱的内壁上。

若缓冲衬垫面积太小，厚度太大，在产品冲击力的作用下会产生弯曲变形，引起应力加大而破坏，因此要采用克斯特拉经验公式进行校核。采用全面缓冲不必作这项校核。采用局部缓冲时，A要分成几块，Amin是各分块中最小分块的面积。h为衬垫厚度。

2　液晶电视缓冲包装设计

目前，对液晶电视主要进行缓冲包装设计，市场上使用的缓冲包装材料主要是EPE，另有少量的EPS、EPP等。

EPE具有优良的缓冲吸震性能以及缓冲复原性。此外，EPE的环境适应性以及抗化学性能都非常好，在环保方面也很有优势，其废料可以100%回收利用。

EPS缓冲衬垫具有良好的缓冲吸震性能，能够很好地保护产品。其加工工艺很成熟，成本较低。在环保性方面，EPS虽然也可以回收再利用，但回收率较低（50%）。随着环保的要求越来越高，体积大且不易回收的EPS作为缓冲材料的市场将越来越小。

EPP有弹性、不易开裂或断裂，具有良好的缓冲性能和多次保护能力，但是加工工艺复杂，成本高，设备投资大。

比较几种材料的优劣势，采用EPE作为液晶电视缓冲材料。

2.1液晶电视缓冲包装设计步骤

（1）确定液晶电视在流通过程中的冲击振动条件或安全性测试条件。

（2）确定液晶电视的性能参数，如脆值、最大外围尺寸、质量等。

（3）根据“基于缓冲曲线的包装设计方法”对液晶电视进行缓冲衬垫的结构和尺寸设计。

（4）制作出原型包装件并对其进行振动、冲击、压缩试验，如果不合格重新设计，知道合格为止。

2.2确定液晶电视性能参数、测试条件

表2-1是国内某电视生产厂家提供的某一型号的液晶电视性能参数：

表2　-1 某品牌液晶电视性能参数

图2　-1 某品牌液晶电视外形

2.3结构和尺寸设计

根据经济、体积小的原则，首先考虑局部缓冲，在电视机的各个角或棱增加缓冲衬垫。若缓冲衬垫未通过校核，或设计出的尺寸与实际不相匹配则考虑全面缓冲。

已知某种EPE材料的缓冲特性曲线如图2-2所示。

图2　-2的EPE曲线［1］

材料密度为0.037g/cm3，最低点处C=3.8，=160kPa=16N/cm2。

垂直于屏幕方向：

左右侧面，考虑用全面缓冲：

对应缓冲曲线上的C为4.1，因此：

上下侧面，采用全面缓冲：

对应缓冲曲线上的C为3.8，因此：

由于EPE无法模塑，厂家出售的EPE只有固定厚度的几种片材，如果需要特殊厚度的片材，必须向厂家定制，造成生产周期加大，增加成本等。因此将各个方向的EPE衬垫厚度均设定为4cm。

因为液晶电视屏幕不能承受压力，并且为了安放并固定附件袋，必须使衬垫尺寸使之配合，要适当加大衬垫厚度。拟将附件袋安放在电视机右侧。附件袋尺寸为：，电视机厚度为，因此若要使附件袋能固定在右侧必须使电视机和衬垫的总厚度等于附件袋的宽度，即，因此。

最终确定的EPE缓冲衬垫结构图为：

图2　-3 EPE缓冲衬垫装配图

图2　-4 EPE缓冲衬垫结构示意图

2.4工艺设计

由于EPE是片材，因此如果要想使其成为立体的缓冲包装衬垫，就必须将片材粘合在一起。因此工艺的优化设计主要就是粘合问题。

目前粘合的方法有3种：嵌合、电烫板粘合和热熔胶粘合。通过以下例子可以看出不同方法的优劣。

假设1立方米的EPE价格为800元，1千克热熔胶的价格为20元，粘合一平方米EPE所用的热熔胶为0.3kg，而电烫板所融EPE厚度为0.005m，那么，用热熔胶粘合EPE的费用为6元/m2，而用电烫板粘合的费用则为4元/m2。

另外，由于粘合的难易性以及粘合的次数会影响到粘合的速度，也就是说二者会影响到包装的成本。

据此可得几种方法的优劣对比：热熔胶粘合，成本较高，精度控制较好；电烫板粘合，成本较低，精度控制较差［2］。本EPE包装对于精度的要求不高，因此没有必要选用电烫板粘合。而嵌合设计较难，不是任何缓冲结构都能实现，所以最终选择热熔胶粘合。

3　总结

基于缓冲曲线的包装设计方法操作建议，只需要测试并绘制出材料的缓冲特性曲线，根据推导的公式就可以计算出缓冲垫的尺寸，因此非常有实用价值。

由于条件有限，没有做出原型包装件，后续研究应制作出原型包装件，根据行业标准进行安全性测试，若不合格则改进。

［1］彭国勋.物流运输包装设计［M］.北京：印刷工业出版社，2006：117.

［2］张波涛，叶梁玉，刘朝阳，彭国勋.EPE缓冲包装优化设计［J］.包装工程，2006，27（6）：211-212.

［3］苏远，汤柏森.缓冲包装理论基础与应用［M］.北京：化学工业出版社，教材出版中心，2006.

刘毅（1977—），男，山东人，硕士，现为国家知识产权局专利局机械发明审查部专利审查员，副调研员，主要从事机械领域的专利审查工作。