继电器缓冲包装跌落试验与设计方法

郭国庆，李庆诗，刘 炜

（沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳 110025）

1 概述

针对铁路信号继电器在运输、装卸过程中受到振动和冲击作用而发生机械或电气特性不良的现象，需考虑对继电器包装进行重新设计。缓冲包装是在包装设计过程中加入缓冲材料，当产品在受到振动、冲击时，通过吸收能量保证产品的安全[1]。科学合理地进行缓冲包装设计，使产品在运输、装卸过程的损失降到最小，成本降到最低，具有重大的经济和社会意义[2]。很多企业对产品包装进行设计时，仅凭经验进行包装的材质选择和结构设计，没有具体可参考的包装设计数据，常导致实际包装的防护性能不能满足要求[3]。以铁路信号继电器的缓冲包装设计过程为例，首先通过动态压缩试验，获取缓冲材料聚乙烯发泡棉（EPE）的最大加速度-静应力曲线，根据产品的脆值、重量及跌落高度，确定缓冲包装设计参数，通过缓冲包装进行跌落试验，评估缓冲包装对产品的防护性能，结合跌落试验结果对包装设计参数进行优化，提高缓冲包装设计的科学性、合理性。

2 动态压缩试验

2.1 设备及样品

设备：DY-2型包装冲击试验机；试验样品：EPE，密度为27.2 kg/m3，尺寸为80 mm×80 mm，厚度为30、35、40、45、50和55 mm。

2.2 动态缓冲特性

将块状缓冲材料装入试验机的压缩箱内进行动态压缩试验，自由跌落的重锤对缓冲材料施加冲击载荷，来模拟包装件跌落时缓冲材料受到的冲击作用，按《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》（GB/T 8167—2008）的试验方法[4-5]，可得到冲击加速度-时间（G-t）曲线，并通过一组（不同厚度样品）试验得到试样在给定跌落高度下的最大加速度-静应力（Gmax-δs）曲线。

在缓冲材料中，EPE泡沫塑料具有良好的缓冲性能和吸振性能，也因符合绿色包装的要求，是目前包装设计中使用最为广泛的缓冲材料之一[6]。铁路信号继电器选择EPE材质进行缓冲包装的设计及跌落试验，根据继电器产品运输环境工况，确定跌落高度为610 mm。根据单台继电器的质量，选择6种不同质量的重锤，静应力分别为0.009 2 kg/cm2、0.014 5 kg/cm2、0.025 8 kg/cm2、0.038 4 kg/cm2、0.058 0 kg/cm2和0.071 5 kg/cm2进行跌落试验。选取不同厚度（30、35、40、45、50和55 mm）的EPE缓冲材料作为样件进行动态压缩试验。根据试验数据，绘制出缓冲材料EPE的Gmax-δs曲线，如图1所示。

图1 最大加速度-静应力曲线Fig.1 Maximum acceleration-static stress curve

由图1可知，随着缓冲材料EPE厚度的增加，Gmax-δs曲线趋向右下方偏移，且趋于平缓。表明随着缓冲材料EPE厚度越大，缓冲能力越好，静应力的选择范围也越大，同时缓冲包装的体积也越大。

3 包装设计流程

3.1 确定产品脆值

脆值是产品不发生物理损伤或功能失效所能承受的最大加速度值。通常用临界加速度与重力加速度的比值来表示，表达产品对外力的承受能力，又称产品的易损度。不同产品的脆值一般不同，即使是同类产品，由于质量、形状、性能上存在差异，其脆值也不相同。

确定产品脆值的方法较多，即试验法、估计法和参考法。第一类为试验法，常用试验方法有冲击试验机法和缓冲跌落法。产品受到冲击时，即将发生损坏时的最大加速度为临界加速度。对于不同的冲击方向，同一产品通常有不同的临界加速度，通过试验获得的产品脆值比较可靠。

第二类为估计法，根据经验公式（1）估计。

公式（1）中：Gm为包装经受的最大加速度m/s2；W为包装件的重量/kg；a、β为经验参数。有3种数据：高冲击现象a=801，β=0.704；中冲击现象a=203，β=0.306；低冲击现象a=53.2，β=0.100。

第三类为参考法，即通过相关行业产品的脆值标准作为参考，如引用美国军用手册《MILHDBK-304》确定产品脆值。此种方法仅能估计产品的某一方向的脆值，对于其他方向的冲击后临界加速度则无法获取。

3.2 确定环境变量

从铁路信号继电器外部质量问题反馈中发现，继电器运输到现场后，钢丝卡松动量占比较高，分析认为钢丝卡的松动与继电器在运输、装卸中受到的冲击有关。在装卸过程中，装卸方式为一人搬运，跌落姿态为一端面或一角。人工装卸的跌落高度，可参考经验公式（2）。

公式（2）中：W为包装件的重量/kg；H为跌落高度/mm。

3.3 确定设计参数

根据缓冲材料EPE的最大加速度-静应力（Gmax-δs）曲线，取产品脆值与Gmax-δs曲线多个交点中的最佳厚度h值，以及对应的静应力载荷δs值。根据载荷计算公式，计算确定缓冲包装与产品的接触面积S：S=M/δs。根据缓冲包装厚度h与接触面积S进行包装结构的设计。

3.4 综合评估

缓冲包装的设计过程中，在保证厚度与接触面积的前提下，尽量减少包装的用料量，达到科学、合理的设计要求。根据实际的跌落试验结果，对缓冲包装最易受冲击的尺寸进行优化。同时，根据生产企业对缓冲包装的经济性、人工搬运效率、运输效率及仓储能力等方面进行综合评估。当不符合企业预期时，需对包装的外形尺寸进行再设计。缓冲包装设计流程及方法，如图2所示。

图2 缓冲包装的设计流程Fig.2 Design process of cushion packaging

4 设计实例

4.1 包装设计

以铁路信号继电器为研究对象，其外形尺寸（长×宽×高）为：165 mm×49 mm×163 mm，质量为1.8 kg，结构如图3所示。

图3 铁路信号继电器结构Fig.3 Railway signal relay structure

根据《铁路信号AX系列继电器》（GB/T 7417-2010）标准的规定[7]，产品冲击试验中要求峰值加速度为50 g，脉冲持续时间为11 ms，采用半正弦波冲击脉冲。根据相关行业标准及公式（1），按脆值为60 g进行缓冲包装的设计。根据铁路信号继电器的实际装卸环境及公式（2），计算跌落高度H=610 mm，并依此进行缓冲包装的动态缓冲试验。

根据缓冲材料EPE的最大加速度-静应力（Gmax-δs）曲线，在图1中以脆值60 g做一条平行于横轴的线，发现EPE的厚度h设定为40 mm最佳，此时施加的静载荷为0.035 kgf/cm2。根据产品重量1.8 kg，计算出接触面积为1.8 kg/0.035 kgf/cm2=51.42 cm2时，缓冲包装具有最佳保护性能。因此，在包装设计时，确保X、Y、Z轴方向上EPE与继电器的接触面积需达到51.42 cm2。具体缓冲包装的设计结构如图4所示。

图4 缓冲包装的结构Fig.4 Cushion packaging structure

4.2 跌落试验

根据《国际运输安全协会》（ISTA-1A）包装跌落测试标准的规定，结合铁路信号继电器的产品特点，当外界冲击与继电器接点的运动方向一致时，可能会对接点压力产生影响，故面2或4，以及边2-3或边3-4需要进行跌落试验，而5、6面则不需要；当正向冲击会对继电器钢丝卡产造成影响，故面3角、角2-3-5或角3-4-5需要进行跌落试验；而1面则不需要进行跌落试验。

将原有EPS包装和新设计EPE缓冲包装同时进行跌落试验，跌落试验台，如图5所示。

图5 跌落试验台Fig.5 Drop test bench

跌落方式选择面2、面3、边2-3及角2-3-5，跌落高度设定为0.61 m、1.24 m和2.48 m。每次跌落试验结束后，检查箱内继电器的外观质量，并测试继电器的电气特性、机械特性和接点电阻等特性指标。记录每次试验后继电器失效的跌落高度，如表1所示。

表1 继电器跌落失效高度Tab.1 Relay drop failure height

由表1可知，相比于原有EPS包装，新设计的EPE缓冲包装显著提升了继电器的失效高度，提高了对继电器的防护性能。综合评估继电器EPE缓冲包装的经济性，以及对存储空间、运输效率的影响，符合企业对包装的设计预期，故采用新款EPE缓冲包装作为原有EPS包装的升级款。

5 结束语

本文建立了EPE缓冲包装的设计流程与方法，以铁路信号继电器缓冲包装设计为研究对象，验证了该方法的可行性。通过对EPE在不同静应力下的动态压缩试验，获得了最大加速度-静应力曲线，为EPE材料在缓冲包装设计中的应用提供了基本数据支持。通过对铁路信号继电器缓冲包装的跌落试验，优化包装设计参数，提高了设计效率和质量，为相关铁路产品的缓冲包装设计提供借鉴思路。