儲水式熱水流通環(huán)境分析

儲水式熱水流通環(huán)境分析

在運輸和流通的過程中，家電產(chǎn)品不可避免地會受到外部因素的影響，比如重量和振動。為了有效保護(hù)產(chǎn)品的外觀不變形，內(nèi)部器件不受損，科學(xué)合理的緩沖區(qū)要求和沖孔緩沖區(qū)設(shè)計非常重要。目前,對電熱水器的研究主要集中在內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的解決等問題上,而對適用于電熱水器的緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計及緩沖性能改善上缺乏理論研究,大多數(shù)時候是依靠經(jīng)驗進(jìn)行。文中以市場上的某主流品牌儲水式電熱水器為研究對象,對其緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在滿足緩沖包裝的要求下,選擇最合理的緩沖材料并設(shè)計出合理適用的包裝結(jié)構(gòu)。1產(chǎn)品參數(shù)和交付環(huán)境分析1.1溫層及防電墻儲水式電熱水器的關(guān)鍵部件主要有內(nèi)膽(雙面凸形)、電加熱管、鎂陽極棒、保溫層及防電墻,其中在運輸過程中的易損部位是內(nèi)膽。研究的儲水式電熱水器外形為滾筒圓柱形,其質(zhì)量為25kg,長為765mm,外圓直徑為400mm,額定壓力為0.75MPa,容量為60L,其基本外觀結(jié)構(gòu)見圖1。1.2包裝件采用機(jī)械的方式在流通環(huán)境中,要綜合考慮其機(jī)械條件、氣候條件及生物條件等,但是沖擊與振動是包裝破損的2個重要原因,所以在設(shè)計時以緩沖減振為主要目的,可將運輸環(huán)境簡化為沖擊環(huán)境與振動環(huán)境。電熱水器通常是在大型商場或者家電市場內(nèi)進(jìn)行銷售,在配送時,生產(chǎn)廠家利用自己的運輸車隊進(jìn)行供貨,這就減少了搬運次數(shù),降低了磨損率,但是只要存在搬運,就有可能產(chǎn)生機(jī)械的或者人為的包裝件跌落。根據(jù)電熱水器的質(zhì)量來看,如果是人力搬運一般為2人搬運,搬運高度不會太高,但是如果一旦配合不好就容易造成電熱水器包裝件與地面形成沖擊碰撞,沖擊加速度取決于跌落高度,而沖擊力大小除了取決于跌落高度外,還取決于包裝件的質(zhì)量、內(nèi)襯墊緩沖性能及地面的剛性。在設(shè)計時,跌落高度選取太大,雖能減少破損造成的經(jīng)濟(jì)損失,但是會相應(yīng)增加成本,高度選取過小,雖能在一定程度上降低成本但是會增加破損率。根據(jù)市場調(diào)查及我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的跌落試驗的試驗高度,跌落高度選取為600mm,運輸方式為公路。在公路運輸中,汽車振動的頻率在0～200Hz之間,加速度峰值在0.1g～3g之間,由于各個地區(qū)的路面情況不同,在我國,城市路面好于鄉(xiāng)村路面,汽車在不同路面行駛時各個方向產(chǎn)生的最大加速度見表1。1.3產(chǎn)品脆度分析由于國內(nèi)企業(yè)在測試產(chǎn)品脆值方面做的工作相對于美、英、日等發(fā)達(dá)國家來說較少,根據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,確定儲水式電熱水器的脆值G為70g。2段外結(jié)構(gòu)材料的選擇為緩解產(chǎn)品在運輸過程中受到的沖擊與振動等外力,緩沖材料要求具有高度的壓縮和復(fù)原性,一般具有以下幾點特性:沖擊與振動能量的吸收性、復(fù)原性、吸濕性以及溫濕度的穩(wěn)定性等。目前,常用于家電產(chǎn)品的緩沖材料有塑料緩沖材料中的泡沫材料和紙制品緩沖材料中的紙漿模塑材料。緩沖材料的發(fā)展趨勢是以紙代塑,注重環(huán)保要求。紙漿模制品廢棄物不污染環(huán)境,可回收利用,成為替代泡沫材料的環(huán)保型制品。紙漿模塑的特點是通過制品的幾何形狀構(gòu)成力學(xué)結(jié)構(gòu)來增大緩沖性能,根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究進(jìn)展情況來看,其在力學(xué)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)關(guān)系的發(fā)展研究上還不成熟,目前只是在小型家電的應(yīng)用上取得了一定的研究成果,而在體積較大、質(zhì)量較大的中、大型家電產(chǎn)品上發(fā)展不夠成熟,不能夠進(jìn)行大范圍的使用,所以紙漿模塑要想取代泡沫材料在中、大型家電產(chǎn)品應(yīng)用上的地位還需要更多的研究。儲水式電熱水器屬于中、大型家電,市場調(diào)查發(fā)現(xiàn),泡沫材料在電熱水器上的實際應(yīng)用很廣泛,但是在緩沖襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計上基本都是依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行,缺乏相應(yīng)的理論研究依據(jù)?；诖吮尘肮P者選用泡沫材料作為儲水式電熱水器的緩沖襯墊材料。泡沫材料中使用最廣泛的是聚苯乙烯泡沫塑料,它具有抗壓強(qiáng)度大,振動阻尼大,抗蠕變性能極好,光滑略有彈性的模塑表面不會磨損內(nèi)裝物以及不吸水、耐腐蝕、重載下的緩沖性能好等優(yōu)點,而且在成本和材料質(zhì)量上也優(yōu)于其他泡沫類材料。綜合考慮,在設(shè)計中,緩沖襯墊材料選用密度為0.012g/cm3的聚苯乙烯泡沫材料。3緩沖設(shè)計和造型3.1不同結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯泡沫材料的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計在運輸過程中,包裝件受到外界環(huán)境的沖擊時,產(chǎn)品對襯墊的沖擊并不能夠用靜態(tài)方式來模擬。因為這時的緩沖材料阻尼的影響不能忽略,需要采用更符合實際情況的動態(tài)緩沖系數(shù)來設(shè)計,即聚苯乙烯泡沫材料的最大加速度-靜應(yīng)力(σm-σst)曲線。假設(shè)電熱水器底面積為A,則A=πr2,根據(jù)前面電熱水器的尺寸可知,r=20cm,即A=πr2=3.14×(20)2=1256cm2,根據(jù)靜應(yīng)力公式σm=WAσm=WA可知:σm=WA=mgA=0.0195×105σm=WA=mgA=0.0195×105Pa(1)式中:σm為電熱水器的靜應(yīng)力;W為電熱水器的重力;m為電熱水器的質(zhì)量。聚苯乙烯泡沫材料在跌落高度為600mm時的am-σst曲線見圖2。靜應(yīng)力σm與G=70g的交點為圖2上的a點,a點位于緩沖曲線的左邊,說明靜應(yīng)力過大,不需要對整個產(chǎn)品進(jìn)行全面緩沖保護(hù),可采用局部緩沖方案。在圖2中取G=70g作一條水平線,與t=5cm的緩沖曲線相交,得到b點與c點兩個交點;由于水平線與t=2.5cm的曲線沒有交點,說明2.5cm的厚度過小,不能滿足要求;依據(jù)am-σst曲線的使用方法,選擇c點進(jìn)行設(shè)計最省材料,則相應(yīng)的靜應(yīng)力σc=0.04MPa,所需要的承載面積為:Ac=Wσc×104=61.25cm2(2)Ac=Wσc×104=61.25cm2(2)從圖2中不難看出,聚苯乙烯泡沫材料厚度為5cm時曲線最低點為d點,其靜應(yīng)力大小為σd=0.01MPa,則所需的承載面積為Ad:Ad=Wσd×104=245cm2(3)Ad=Wσd×104=245cm2(3)這是最安全的設(shè)計方案。由于聚苯乙烯泡沫材料的缺點是不耐多次沖擊、性脆、拉伸強(qiáng)度較低等,當(dāng)流通環(huán)境非常惡劣時,其緩沖性能會有所降低,因此選取緩沖面積最大的安全方案,即選取面積為Ad=245cm2。由于緩沖襯墊是由兩塊基本形狀相同的緩沖襯墊組成,每塊襯墊的承載面積為A:A=Ad2=122.5cm2(4)A=Ad2=122.5cm2(4)緩沖結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計除了考慮按緩沖系數(shù)和脆值確定厚度外,還應(yīng)該校核緩沖襯墊的壓縮撓曲。厚度較厚的緩沖襯墊容易撓曲,降低承載能力,通常采用克斯特那經(jīng)驗公式進(jìn)行校核:Amin(1.33t)2＞1(5)Amin(1.33t)2＞1(5)式中:Amin為最小承載面積;t為緩沖襯墊的厚度。將計算出的面積A作為最小襯墊面積,即Amin=A=122.5cm2,同時將厚度t=5cm代入式(5)中得:Amin(1.33t)2=2.77＞1(6)Amin(1.33t)2=2.77＞1(6)校核通過,滿足壓縮撓曲的要求。3.2襯合結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)前面計算分析可知,采用局部緩沖包裝法。儲水式電熱水器的整體外形結(jié)構(gòu)是圓柱體,不同于電視、冰箱、電腦主機(jī)等外觀是立方體的電器產(chǎn)品,沒有棱角,所以不適用一般的角墊支撐法。那么,在襯墊的圓型結(jié)構(gòu)中,采用天地墊的方案,將電熱水器的緩沖襯墊面積平分到上、下端面,每個端面各有一塊襯墊。依據(jù)儲水式電熱水器在倉庫及運輸過程中的堆碼方式,當(dāng)電熱水器橫放時,上襯墊與下襯墊的下半部分需承擔(dān)起主要的防震緩沖作用;當(dāng)電熱水器豎放時,下襯墊主要承擔(dān)緩沖作用。綜合來看,下襯墊結(jié)構(gòu)的抗壓能力需優(yōu)于上襯墊。在設(shè)計中,依據(jù)電熱水器的上、下端面投影都是圓形的特點,兩襯墊的內(nèi)端面與電熱水器的外端面相配合處設(shè)計成圓形凹槽,見圖3。裝配時電熱水器的兩端分別嵌合進(jìn)凹槽,裝配效果見圖4。上下兩襯墊內(nèi)端面的結(jié)構(gòu)設(shè)計相同,其三維效果見圖5。兩襯墊結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在外端面,具體結(jié)構(gòu)見圖6,對這2個圖形進(jìn)行比較,可以直觀清晰地看出,上襯墊的外端面開了一個近似于內(nèi)端面的凹槽,開此槽的目的,一是可以省料,二是可以放置一些電熱水器的搭配零件。不在下襯墊外端面開槽的目的是為了增強(qiáng)襯墊在電熱水器豎放時的抗壓能力。為了節(jié)省材料,在上、下兩襯墊的內(nèi)外端面的角落處各自分別開了4個省料孔。文中所有三維結(jié)構(gòu)圖都是由SolidWorks軟件繪制。儲水式電熱水器結(jié)構(gòu)看似復(fù)雜,不同于常規(guī)的六面體形狀的家電產(chǎn)品,但是只要抓住其本質(zhì)為圓柱體的特點,無論其兩端面的結(jié)構(gòu)如何變化,都可以依據(jù)端面的投影為圓形來考慮設(shè)計緩沖襯墊的基礎(chǔ)外形,而具體的細(xì)節(jié)部分則可以根據(jù)電熱水器的端面結(jié)構(gòu)來調(diào)整。4襯墊結(jié)構(gòu)設(shè)計對家電產(chǎn)品中某儲水式電熱水器的緩沖包裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究,運用傳統(tǒng)的緩沖包裝設(shè)計方法及二維、三維繪圖工具完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計與方案設(shè)計,為電熱水器緩沖襯墊的理論研究與設(shè)計提供了可靠的依據(jù),并對電熱水器緩沖襯墊的結(jié)構(gòu)