嵌入式微波炉的包装跌落改善分析

刘彬彬 刘蕾 陆树敏 梁德强 黄志飞 钟勋

广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528300

0 引言

微波炉作为现代烹饪灶具的代表，因微波加热的快捷性，受到了消费者的青睐，已进入千家万户，据统计，2021年全国微波炉总产量高达9997.87万台，并呈逐年上涨态势[1]。嵌入式微波炉作为高端微波炉的代表，外观简洁大方，空间利用率高，可与厨房家电保持统一风格，广受年轻消费者喜爱[2]。

近年来，随着互联网技术的高速发展，线上销售成为最重要的产品分销渠道之一，包装运输已经成为国内外贸易的最重要的环节，在运输、装卸、搬运等环节上，存在一定的不确定性。嵌入式微波炉体积和重量较大，对包装的可靠性提出了更高要求。

嵌入式系列产品因其具有节省空间、美观协调、智能化等优势，且产品消费主体趋于年轻化，已成为中国年轻家庭的最喜爱家电品类之一，因此，近年来，嵌入式品类也迎来了暴发式增长。其中线上销售占据了主要份额，由于嵌入式厨房电器结构体积大，结构复杂，给包装、运输提出了更高的要求。在实际运输环节中，出现了一定比例的产品损坏，无论对消费者或生产商，均有一定的负面影响，因此，嵌入式品类的包装可靠性就显得尤为重要。

1 嵌入式微波炉跌落损伤分析

1.1 跌落损伤现状

跌落是包装运输中最常见的破坏方式之一，是搬运场景中难以避免的，较易造成产品损伤，需要重点关注[3]。根据国标跌落标准GB/T 4857.5—2008和国际跌落标准ASTM D5276-98，根据不同的装卸方式、包装重量，并结合具体的搬运场景，来确定跌落实验高度。通常，企业为了增加包装可靠性，满足不同复杂搬运场景，要求在国标基础上，增加修正系数，提高现有标准。某型嵌入式微波炉根据企标跌落时，在跌落场景中，外罩发生严重变形，如图1所示。机体跌落过程主要包含角跌落、棱跌落、面跌落三种方式，机体外罩变形主要发生在棱跌落场景，其条件如下：

图1 机体棱跌落变形情况

棱跌落时，使实验样品的重力线通过被跌落的棱，构成该棱的两个平面的一个平面与冲击面夹角误差不大于±5°或此夹角的10%；跌落的棱与水平面平行，其夹角最大不超过2°，按照企标进行棱跌落时，出现底板与侧外罩变形的情况，如图1所示。

1.2 跌落损伤过程分析

机体外罩产生变形，主要发生在棱跌落过程中，根据企标QMWJCN07.187进行棱跌落时，低落过程分为4个阶段[4]，stage1自由落体阶段，包装箱整体从初始位置H0跌落，设跌落面为刚性面，进行自由落体，不计空气阻力；stage2撞击临界时，当包装和地面接触瞬间时的临界速度，此时的动能为（如图2所示）；state3跌落刚性面时，能量被包装和机体吸收，此时，包装泡沫衬垫开始变形，机体外罩的棱受到冲击，此时合力F反向向下，由于嵌入式质量和体积较大，跌落后跳弹高度很小，此处不予考虑；state4随后包装缓冲物形变恢复，速度vt方向向上，碰撞瞬间有部分能量损耗，以热量形式Q散出，此处不做考虑，即取Q=0，故碰撞时，机体和包装受到的冲击能量：

图2 棱跌落过程示意

式中：

Q1-表示最大冲击能量（J）；

m-包装总质量（kg）；

vmax-下降过程的最大速度（m/s）；

vt-反弹最大速度（m/s）；

Q-其中以热能形式散发出的能量（J）。

其中由于嵌入式质量和体积较大，考虑到最大冲击能力最大化作用于机体，此时，令vt=0，Q=0简化后为：

跌落时，由于棱受到跌落冲击，弯矩产生的弯曲应力大于材料的屈服极限，从而造成机体的棱变形。

2 跌落损伤力学模型构建

基于以上的条件，将受冲击的包装棱边，等效为简支梁[5-6]，（梁的一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座），对跌落过程进一步分析，以嵌入式机体底板与外罩相连的作为点设为受力点A和B，其长度设置为L，如图3、图4所示。

图3 整机包装棱跌落图示

图4 机体对应的受力点图示

设跌落时的棱长度为L，设机体棱跌落瞬间，其中冲击载荷Fd，冲击力为P，并引入动载荷系数kd，则冲击载荷Fd：

假设为均布载荷，为设其载荷集度为q1：

棱跌落的主要失效形式为外罩棱边向内凹陷变形，主要是因为局部弯曲应力过大所致。根据图5等效模型，可得到弯矩为：

图5 机体棱跌落力学模型

当0≤x≤L时：

改善前，弯矩图如图6所示。

图6 改善前所产生的弯矩图

令M′(x)=0，可得，即弯矩最大值出现在棱中点处，其最大弯曲应力：

外罩变形原因，即最大弯曲应力大于材料的屈服强度：

M1max为最大弯矩，Iz为横截面对中性面Z的惯性矩，y为距中性面的最大距离。

以某品牌微蒸烤R5为例，其包装质量m约40 kg，根据标准，其跌落高度h为46 mm，自由落体后，与地面接触时间极短，t为0.2 s，且无反弹，机体受力距离L为427 mm，棱边截面Iz对中性面惯性矩为1.235e3 kg·mm2，中性面距棱底面的距离为21.9 mm，动载荷系数kd取1.5，求最大弯曲应力σ1max。

由冲量定理可得：

其载荷集度为q1：

最大弯曲应力为σ1max：

外罩采用SPCC材料，其中屈服强度δs约为200 MPa

由于σ1max＞δs，固跌落时，外罩变形。

3 跌落改善分析及验证

3.1 棱跌落原理分析

为改善棱跌落时，底边外罩的变形问题，需对棱的弯矩分布进行优化，根据力学原理，通过优化泡沫衬垫的支撑结构[7-8]，来改善弯矩分布，从而达到改善弯曲应力的目的，现制定方案如下：将泡沫衬垫底部支撑挖空长度为，两边各保留长度，改善前后的整机对比模型如图7、图8所示，泡沫改善状态如图9、图10所示。

图7 改善前下泡沫的整机模型

图8 改善后下泡沫的整机模型

图9 改善前下泡沫状态

图10 改善后泡沫状态

改善后的等效力学模型如图11所示，计算其弯矩分布，所产生弯矩如图12所示。

图11 改善后的等效力学模型

图12 改善后所产生的弯矩图

则最大弯曲应力：

则两者的应力比：

由公式（1）可得集中度q1：

同理可得，改善后的集中度q2：

由公式（2），公式（3），公式（4），公式（5）可得：

故改善前后的弯曲应力比为：

改善之前为δ1max=269.6 MPa，改善弯曲应力降为改善前的50%，即=134.8 MPa，小于外罩材料屈服强度δs=200 MPa，故外罩不变形，改善有效。

3.2 改善方案实施效果

图13 改善前机体跌落外罩变形

图14 改善后机体跌落外罩未变形

4 结语

根据建立的跌落损伤力学模型及跌落实验验证，可得如下结论：

（1）本文将嵌入式棱跌落等效为简支梁受力，根据构建的跌落损伤力学模型可知，最大弯曲应力处在跌落棱的中点处，通过优化包装衬垫的支撑结构，有效改善了弯矩分布，减小了弯曲应力极值。

（2）根据构建的跌落损伤力学模型，对包装衬垫的支撑结构做了针对性的优化，优化后的弯矩分布更合理，且可有效抑制最大弯矩极值，从而减小棱冲击时的最大弯曲应力。优化后的最大弯曲应力可降为优化前的50%，即。经实验验证，使用优化后的包装，机体外罩无变形，改善有效。生产实际导入后，运输跌落损伤的降幅高达70%，相关客诉也降低了约50%。

（3）针对大型家电的跌落损伤问题，大多数学者采用CAE仿真的方法进行包装优化，而本文则通过力学等效的方法，构建了跌落损伤力学模型，找到包装衬垫尺寸与弯曲应力极值的定量关系，较CAE仿真优化，该方法具有简便、经济、可快速实施等特点，对大型家电的包装设计具有一定的理论指导意义。