基于一种冷风扇的包装优化设计

牛晟 孔祥利 李汉钧 林永清 周鑫鑫

（格力电器（中山）小家电制造有限公司 广东中山 528441）

现今小家电产品的缓冲包装材料一般采用EPS（发泡聚苯乙烯，俗称泡沫），该材料的缓冲性能优异，抗压强度大，价格相对来说比较低，能很好地保护产品。特别是对于体积比较大，重量比较重的一些家电产品，如大型风扇，大型电暖器，大型电磁炉等。

本文主要研究某品牌冷风扇的跌落试验过程中所出现的问题，然后针对试验结果分析研究，讨论包装设计方案不合格的原因，制定出可行方案，重新试验验证并总结经验教训，为同类产品包装设计作铺垫。

1 包装结构设计

1.1 结构图与产品的介绍

本文介绍的冷风扇是一种较重的产品，净重达14.18kg，长宽高为：405×925×325（mm），其结构装配图如图1所示。

1.2 产品缓冲包装设计

以冷风扇为例，采用EPS作为其缓冲包材，采用缓冲设计六步法，确定好泡沫大致厚度，根据冷风扇的外形设计出泡沫的大致分布。如这款冷风扇是采用左上泡沫，右上泡沫，下泡沫作缓冲进行包装。把产品进行包装好后，再将其整体放入包装箱中。泡沫与包装箱内壁紧贴，使产品在长、宽、高各个方向都与包装箱内壁保持一定距离，形成一个缓冲空间，从而避免产品在运输、仓储过程中受到直接的冲击而损坏，起到保护作用。

1.2.1 泡沫脆值的选择

引起冲击过载损坏的主要原因是：产品受到较大的动载荷作用，使内应力超过了允许极限。跌落冲击载荷是常见的动载荷，它与产品在跌落冲击过程中出现的加速度成正比，产品不发生物理损坏或功能失效所能承受的最大加速度Ac与重力加速度g的比值被定义为产品的脆值Gc，即：Gc=Ac/g，包装件跌落时，冲击传递到产品的最大加速度Amax除与跌落高度有关外，还与缓冲包装结构和材料性能有关。Amax与重力加速度g的比值Gmax应小于许用脆值【G】，即：Gmax=Amax/g≦【G】=Gc/n

一般确定冷风扇等家电产品，通常会采用类比法。

先进的工业化国家多年来已经对多种产品的脆值进行过大量的试验测定，并指定出若干参考标准，缓冲包装设计时可以通过类比，选用作为参考依据。例如这种大型冷风扇的脆值大约为60g～90g，本文选取60g作为该款冷风扇的脆值。

1.2.2 泡沫初步设计

一般来说，在泡沫的厚度尺寸设计过程中，可遵循以下计算步骤：

1）首先要知道产品的脆值。通过类比法的脆值为Gc=60g

2）确定产品最小静应力，静应力α=Gc×mg/A，查表可知该款冷风扇的最小静应力为4.25kg/cm

3）确定产品的重量，如毛重为18.11kg；重量约等于W=18.11kg ×9.8N/kg=178N

4）确定产品的缓冲系数，经查表得：C=2.6

5）确定产品跌落试验的高度，该试验高度为：60cm

6）大致确定产品的泡沫厚度，t=C h/Gc=26cm，例：设计下泡沫时应注意厚度与26cm相近

7）确定产品的所需的承载面积。

Ad=W/α×10,把上述数值代进公式得，Ad=41882.352mm

经测量，所设计的下泡沫的承载面积为：Amax=62589.1mm

由于Amax＞Ad，因此符合所需的最大承载面积。

另外，在设计泡沫时应该注意泡沫一些地方的掏空，泡沫掏空的用途主要有两个：①减小泡沫的重量，降低泡沫的成本；②做跌落试验时一些地方的避空可以起到很好的缓冲作用，从而保护产品。

常见的泡沫掏空的地方就是泡沫的角部和棱边，跌落时容易受到冲击的地方。另外一个地方就是底面可以相应地作一些掏空，防止跌落试验过程中跌面的时候对产品产生损坏。

如图2所示，冷风扇产品的组装图可见，把上泡沫分割成左上泡沫和右上泡沫，一方面可以省材料，节约成本。另一方面，跌落的时候，把产品顶部受到的冲击力都分散，不会造成太大的损害。左上泡沫和右上泡沫前方和上方的一些部位相应地做了一些掏空，主要目的就是避开产品的易损处，薄弱的地方。

2 包装运输试验结果与分析

2.1 冷风扇包装运输试验结果（表1）

2.2 冷风扇跌落试验原因分析

上述对某款冷风扇跌落试验出现的几个主要问题，下面进行分析：

2.2.1 后壳螺钉柱断裂，螺钉柱白化

分析如下：螺钉柱断裂，发白现象。从该产品的结构来看，冷风扇的前后壳的闭合状况主要由螺钉柱的螺钉固定的松紧度来决定。当产品跌落时，周围几个螺钉柱会承受所有的力，如果螺钉柱强度不够大，就会出现螺钉柱发白或者螺钉柱断裂的现象。从产品的材料来分析，产品后壳的材料主要成分是阻燃HIPS (V0 401C)，它跟一般的HIPS区别如表2。

从表2可以看出，阻燃HIPS(V0 401C)相对于高光HIPS来说，拉伸、弯曲、冲击强度减弱，密度高，材料比较脆，因此在跌落试验过程中很容易出现断裂，发白等现象。

2.2.2 水箱侧面塑料件断裂，前壳下端开裂

分析：（1）从水箱侧面塑料件断裂的位置来观察，它可能是因为跌落包装箱棱边，角部的时候，水箱的冲击力把塑料件冲断，从产品上看，依稀可以看到水箱冲击所留下来的痕迹。可见，该处为冷风扇的薄弱环节。（2）从前壳下端的断裂位置，方向和裂痕大小来看，跌落棱边或角部时，它被跌落后的应力所产生的扭力扭断的。

从包装上进行考虑，跌落后底泡沫四角处有明显的脚轮冲击的裂痕，说明跌落后脚轮与泡沫接触，从而冲击力传递到产品的薄弱地方上。从而证明底泡沫四角处与轮子的距离比较小，应该增加它们之间的距离，并且泡沫内部结构应该要加强，增大泡沫与产品底盘的受力面积，减少跌落冲击后产品受到的压强。

表1 冷风扇包装运输试验结果

从结构上进行考虑，水箱侧面塑料件，前壳下端塑料件跌落后都出现断裂的现象，因此可考虑加强筋，倒圆角等处理，根本上加强内部的结构强度。

3 设计改善方案验证

3.1 冷风扇跌落试验改善方案

综合上述的问题进行分析，总结出如下的改善方案：

3.1.1 后壳螺钉柱断裂，螺钉柱白化

对策：解决的最根本方法就是从结构上进行更改，如螺钉柱加倒角，加强螺钉柱的强度。包装上可考虑更换底托，加强底托的强度。

包装方面，更改后的底托技术要求如下：

（1）纸板耐破强度：≥800kPa；

（2）纸护角按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,钉合牢固可靠。

见图4，底托四角处底面是由规格为70×70纸护角组成，且底面在同一平面上，强度相对于更改前的底托加强了很多，跌落后底托明显不会出现凹陷，破裂等情况。

3.1.2 水箱侧面塑料件断裂，前壳下端开裂

对策：包装方面，①从底泡沫可以看出，脚轮与泡沫冲击的痕迹很大而且很深，说明受力很大，跌角的时候，冲击力全部集中在水箱侧面上。解决办法就是使脚轮与泡沫的空隙加大。跌落时脚轮受到的力不会全部集中到水箱侧面上，见图5，底泡沫下面四角处增加10mm厚度正方形泡沫。

②在泡沫底部增加正方形泡沫的同时，底泡沫四角处相应地减少10mm，增大与脚轮之间的距离。如图6所示。

③底泡沫内部新增泡沫块，增大泡沫与产品底盘的受力面积，减少跌落冲击后产品受到的压强。见图7。

表2 二种HIPS材料性能对比

④前壳下端开裂主要是塑料件受到扭力的作用，分析对策是一方面增大底托的强度；另一方面是在冷风扇的下前方增加泡沫条顶住冷风扇下端，使冷风扇固定，不会摇摆，从而使得产品受力均匀。见图8。

结构方面改进：

水箱侧面塑料件加强筋处理，见图9；前壳下端塑料件倒圆角，加强筋，见图10。

3.2 冷风扇跌落试验验证

经过上述的分析与方案的改善对策，对某款冷风扇再进行一次跌落试验验证，标准【60cm，1角3棱6面】，试验结果令人满意，证明本文上述过程分析正确，方案可行。

4 结语

本文通过对冷风扇的跌落试验进行了分析与探讨验证，阐明了出现这些问题的原因，通过这些原因得出解决方案。在实验过程中要密切留意各零部件，特别是各关键零部件的状态，如本次试验发现螺钉柱断裂、发白，应该从产品的材料性能、产品结构、还有包装等方面进行分析。进行包装结构设计时应该充分考虑各种外部因素，在不增加成本或成本允许的情况下，尽量从产品可靠性方面加强。分析问题时应该严谨、有理有据，用实验和数据说话；在产品的物流运输过程中，缓冲包装担任着很重要的角色，产品出现外观破损或者内部结构损坏，一般都会去改进包装结构，更换包装方式。从本文论述的观点来看，结构上的更改也是占据着一个很重要的地位。只有外部包装和里面的结构同时更改，才能更好地改善产品，使产品在物流运输过程中不会受到损坏。

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