缓冲包装材料的冲击与振动测试研究

摘 要 对缓冲包装的动态试验越来越得到人们的重视，文章主要阐述了近年来发展的关于缓冲包装材料的冲击和振动测试方法，同时，也指出这两种方法存在的一些问题。

关键词 包装材料；冲击；振动；测试

中图分类号：TB484 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0035-02

包装设计专家在进行保护性包装设计选材时面临许多挑战。选择合适的包装材料要求权衡搬运、储存、缓冲特性、制造、客户要求和费用等诸多因数。防震包装设计的一个主要任务就是选择合适的缓冲材料以降低流通环境中冲击与振动对产品的危害，另外一个任务是在给定参数条件下实现最有效的包装设计。防震包装设计必须要有合理的缓冲材料数据。

缓冲包装材料的测试有静态压缩和动态压缩两种，静态试验用于评价包装件储存、堆码时，在静压力作用下缓冲材料的性能。动态测试用于评价包装件在装卸、搬运、运输过程中，由于冲击、振动等动载荷的作用下缓冲性能的变化。由于动态压缩试验更接近包装件在流通过程中受到的损害，采用动态压缩试验所取得的资料比静态压缩试验得到的资料更符合实际情况。因此，动态试验越来越受到人们的重视。

1 冲击测试

材料的缓冲特性是进行缓冲包装结构设计的基础，只有知道了材料的缓冲特性，才能进行好的缓冲包装设计。冲击测试在冲击试验机上进行。试验机具有一个可自由跌落的重锤和一个大的质量底座。重锤具有平整的，且能够完全覆盖被试样品的冲击面，其质量可以调节。重锤应坚硬，并且有足够的刚度，以保证在冲击过程中不因重锤自身的振动而使被测试波形发生畸变。重锤的冲击方向应与底座垂直，并以规定的速度冲击试验样品，冲击误差不超过2%，同时，应变能以不小于1min的间隔进行连续冲击。试验机的底座应具有足够的刚度，其质量至少应为最大重锤质量的50倍。

缓冲材料的冲击衰减特性通常用缓冲曲线来表示。一条缓冲曲线对应于一种材料类型在不同静态载荷和不同跌落高度的加速度值，在坐标图上表现为峰值加速度G's对于静态载荷的曲线。缓冲曲线可由ASTM D1596和MIL的相关试验标准得到，或者按照GB8167-87《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》要求试验。测试程序通常是引导一个预定质量的压板从某一高度跌落到已知厚度和承载面积的缓冲衬垫上，加速度传感器附着在压板上，其值由示波器读出。在同一静态载荷和跌落高度下，重复进行5次试验，取后四组试验结果的平均值绘制坐标点。通过改变压板重量，改变施加在试验样品上的静态载荷继续试验，得到一系列的加速度值，再根据这些数值就可以描绘出一条缓冲曲线。绘制一条缓冲曲线，最少需要测试5组静态载荷，每改变一次静态载荷，需换用新的试验样品。

大多数材料的缓冲曲线形状如图1所示。曲线的左边部分通常表现出较高的加速度传递率，在这个区域冲击物体的重量很小，静态应力相对较低，不能产生足够的冲击力压缩缓冲材料，因此表现出刚性冲击的特征，有点像将产品跌落到坚硬的表面上。

在曲线的中间部分，压板产生的冲击力增大，衬垫变形加大，加速度在一个较长的时间范围内变化，因此产生的冲击加速度最小。这也是缓冲包装材料可利用的最有效区域。在曲线的右边部分，压板重量继续增大，冲击力增加，压板继续下落，导致物体与缓冲材料的支撑底部碰撞，产生过载现象。在这部分区域，材料没有起到缓冲作用，因此加速度曲线继续上升。理想的缓冲包装设计是利用缓冲曲线的中间部份。

2 振动测试

对较大或易脆的产品来说，缓冲材料的振动特性比冲击特性显得更为重要。设计有效的振动衰减系统，包装设计师必须首先知道产品和所选材料的振动特性。振动测试在振动试验台上进行。缓冲材料对振动的衰减可用它的传递率和传递率曲线来表示，此时，缓冲材料和质量块构成一个弹簧质量系统，该系统能展示了产品的共振频率特性。

目前还没有缓冲包装材料振动试验的正式标准。ASTM D10委员会曾委派其小组委员会制定此类标准，但在80年代初至中期挣扎了一段时间之后，该委员会便宣告了它一个不可能的任务，原因是缓冲材料在承受不同载荷作用下得到的数据不一致。唯一广泛公开的缓冲振动数据是出现在美国军用标准手册MIL 304 A和B2中，该手册还包含了关于数据收集的完整程序。振动试验也可按照GB8169-87“包装用缓冲材料振动传递特性试验方法”的要求进行。

振动测试又包含有正弦和随机振动两种。正弦振动是给定一个加速度等级，在一定的频率范围内输入正弦激励。随机振动是给定功率谱密度曲线，在感兴趣的频率范围内输入随机信号。采用随机振动试验能使得数据更容易收集，而且由于产品在实际环境受到的振动实际上都是随机性质的，因而随机试验得到的数据也更为合理。

图2是两种（C-C和T-C）典型的振动试验设备的安装模式。第一份正式的振动数据文件，由70年代中期Lansmont公司采用设备对美国空军包装评估机构的多种材料进行试验获得。即是后来出版的MIL手册304A以及其修订版304 B2。

放大/衰减曲线图是由垂直的频率轴和水平的静应力（负荷）轴包围的一个区域。中间部分是材料对输入激励的放大区域，这也是包装设计师最为关注的区域。

图4中的曲线可以解释如下：对于给定的频率，低的静态压力产生相当于输入激励的加速度大小给产品。换句话说，加速度的响应/输入比率大约为1。随着静态应力增加，输入激励将被放大，这时候加速度的响应/输入比率大于1。在更高的应力情况下，缓冲材料将衰减振动输入，这时候加速度的响应/输入比率小于1。

3 一些补充说明

包装设计师进行防震包装设计时，不但应十分熟悉包装材料缓冲曲线和放大/衰减曲线的数据，还应知道这些数据是通过何种方式获得，这是非常重要的。比如说，同样是冲击试验，用ASTM D1596方法得到的数据将可能不同于采用ASTM D4168方法测试得到的数据。endprint

尽管材料的缓冲数据对于包装设计师来说非常重要，但是在使用过程我们也应该注意以下一些问题。

1）历史上，冲击衰减特性被认为是缓冲材料的唯一特性，而忽视了包装中的其他变量，比如容器、磨擦和空气动力学等的影响。这些因数能导致防震包装设计达不到最优效果，甚至使其行为失效。

2）尽管材料特性测试数据适用于不同材料之间的比较，但未必确信它就如何适合于某一具体的包装设计。主要的保护性包装供应商之一Sealed Air公司曾提出了一种叫做“In-package”的测试方法，由于更接近包装材料的实际工作状况，此种方法获得的数据相比于传统方法获得的数据更适用于设计师预测包装系统的表现。

缓冲包装材料的测试是一项永不停止的工作，完善的材料数据库对于设计有效的包装系统，对于节余时间是非常重要的。

参考文献

[1]李沛生.我国运输包装工业现状与发展趋势[J].物流技术与应用，2004（08）：55-58.

[2]Dale Root. Lansmont Six-Step Method for cushioned package development[R]. October 1988， Revised February 1992， April 1997.

[3]Mindlin R.D. Dynamics of package cushioning. Bell system technical journal， 1945， 24： 353-467.

[4]Schell E.H. Evaluation of a fragility test method and some proposals for simplified method[J]. The Shock and Vibration Bull， 1969， 40（6）： 133-152.

[5]Xi Dechang， Chen Qinghua， Pen Nanling， Zheng Zhiyin. The Vibration and Shock Testing in China， （1） Vibration Isolation and Cushioning of Binary Stage Item Packaging，（2） Vibration Isolation and Cushioning of Packaged Articles Connected by an Elastic Element， 5th IAPRI Conference Papers， 1986， 1（2）.

[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者简介

陈元龙（1979-），男，贵州遵义人，讲师，硕士学位，研究方向：材料与建筑工程。

尽管材料的缓冲数据对于包装设计师来说非常重要，但是在使用过程我们也应该注意以下一些问题。

1）历史上，冲击衰减特性被认为是缓冲材料的唯一特性，而忽视了包装中的其他变量，比如容器、磨擦和空气动力学等的影响。这些因数能导致防震包装设计达不到最优效果，甚至使其行为失效。

2）尽管材料特性测试数据适用于不同材料之间的比较，但未必确信它就如何适合于某一具体的包装设计。主要的保护性包装供应商之一Sealed Air公司曾提出了一种叫做“In-package”的测试方法，由于更接近包装材料的实际工作状况，此种方法获得的数据相比于传统方法获得的数据更适用于设计师预测包装系统的表现。

缓冲包装材料的测试是一项永不停止的工作，完善的材料数据库对于设计有效的包装系统，对于节余时间是非常重要的。

参考文献

[1]李沛生.我国运输包装工业现状与发展趋势[J].物流技术与应用，2004（08）：55-58.

[2]Dale Root. Lansmont Six-Step Method for cushioned package development[R]. October 1988， Revised February 1992， April 1997.

[3]Mindlin R.D. Dynamics of package cushioning. Bell system technical journal， 1945， 24： 353-467.

[4]Schell E.H. Evaluation of a fragility test method and some proposals for simplified method[J]. The Shock and Vibration Bull， 1969， 40（6）： 133-152.

[5]Xi Dechang， Chen Qinghua， Pen Nanling， Zheng Zhiyin. The Vibration and Shock Testing in China， （1） Vibration Isolation and Cushioning of Binary Stage Item Packaging，（2） Vibration Isolation and Cushioning of Packaged Articles Connected by an Elastic Element， 5th IAPRI Conference Papers， 1986， 1（2）.

[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者简介

陈元龙（1979-），男，贵州遵义人，讲师，硕士学位，研究方向：材料与建筑工程。

尽管材料的缓冲数据对于包装设计师来说非常重要，但是在使用过程我们也应该注意以下一些问题。

1）历史上，冲击衰减特性被认为是缓冲材料的唯一特性，而忽视了包装中的其他变量，比如容器、磨擦和空气动力学等的影响。这些因数能导致防震包装设计达不到最优效果，甚至使其行为失效。

2）尽管材料特性测试数据适用于不同材料之间的比较，但未必确信它就如何适合于某一具体的包装设计。主要的保护性包装供应商之一Sealed Air公司曾提出了一种叫做“In-package”的测试方法，由于更接近包装材料的实际工作状况，此种方法获得的数据相比于传统方法获得的数据更适用于设计师预测包装系统的表现。

缓冲包装材料的测试是一项永不停止的工作，完善的材料数据库对于设计有效的包装系统，对于节余时间是非常重要的。

参考文献

[1]李沛生.我国运输包装工业现状与发展趋势[J].物流技术与应用，2004（08）：55-58.

[2]Dale Root. Lansmont Six-Step Method for cushioned package development[R]. October 1988， Revised February 1992， April 1997.

[3]Mindlin R.D. Dynamics of package cushioning. Bell system technical journal， 1945， 24： 353-467.

[4]Schell E.H. Evaluation of a fragility test method and some proposals for simplified method[J]. The Shock and Vibration Bull， 1969， 40（6）： 133-152.

[5]Xi Dechang， Chen Qinghua， Pen Nanling， Zheng Zhiyin. The Vibration and Shock Testing in China， （1） Vibration Isolation and Cushioning of Binary Stage Item Packaging，（2） Vibration Isolation and Cushioning of Packaged Articles Connected by an Elastic Element， 5th IAPRI Conference Papers， 1986， 1（2）.

[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者简介

陈元龙（1979-），男，贵州遵义人，讲师，硕士学位，研究方向：材料与建筑工程。