电热水器缓冲材料选择与结构设计

刘贤宝 蔡想周 刘洋 王建飞 于水生

（青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266101）

家电产品缓冲包装的基本目的就是保证产品在投入使用时能执行其预定的功能。也就是说，包装必须使被包装物从出厂起，经运输、储存、装卸最终送到用户手中为止的全过程得到保护，因此所设计的家电产品包装垫层不仅要防止产品在运输装卸过程中因振动、冲击产生的损坏，而且要防止产品在仓储过程中因堆码歪斜倾倒所造成的产品损坏[1]。目前，各企业对家电产品的研究主要集中在产品内部结构、外观纹理及关键技术的解决等问题上，而对于适用于家电产品的缓冲包装结构设计、缓冲材料及缓冲性能改善上缺乏理论研究，大多数时候都是依靠经验进行。文中以形状为圆柱形的电热水器为研究对象，对其缓冲包装结构进行研究，在保证满足产品缓冲需求的同时，选择最合理的缓冲材料并设计出合理适用的包装结构。

1 产品市场调研及物流环境分析

1.1 电热水器产品市场调研

近几年来，在宏观经济环境及住宅产业低迷等综合因素的影响下，我国家电行业市场增长动力不足，主要产品品类销售量增速放缓，电热水器行业也未能摆脱同样的命运。我国电热水器行业遭遇双重挑战：经济新常态下，热水器市场外部驱动力不足，总体需求量回落；燃气热水器与热泵热水器的增长，侵蚀了电热水器的部分市场份额。在制造企业和商业企业面临日益激烈的全球化竞争新形势下，降低产品外损及降低物流成本已经成为企业的一项重要利润来源，而科学化、生态化的物流运输包装设计可以起到降低产品外损，提高物流效率的作用[2]。

电热水器在运输储存方面一直受到以下问题困扰：（1）电热水器在从工厂出厂→用户家的过程中，许多机器的缓冲垫层已经破损，失去了应有的保护性能，致使整机外损。（2）电热水器在仓库仓储过程中堆码倾斜，极限堆码层数只有四层，堆码高度不足，仓储利用率较低。

1.2 电热水器物流环境分析

在流通环境中，要充分考虑家电产品的机械条件、气候条件及生物条件等，但是跌落冲击是包装破损的主要原因，所以在产品设计时以缓冲减震为主要目的，因此将产品的运输环境简化为机器的跌落冲击环境。电热水器电商渠道产品在从工厂到用户家的过程中，要经历多次的中转运输，使产品的搬运次数及磨损率增加；且电热水器的质量一般在20 kg～35 kg之间，因此电热水器的搬运方式多为人力搬运，搬运人数为1人～2人，人力搬运时较容易出现暴力搬运，造成电热水器包装件与地面形成冲击碰撞，产品的冲击加速度取决于跌落时产品距地面高度，而冲击力大小出了取决于跌落高度外，还取决于产品的质量、缓冲衬垫的缓冲厚度、衬垫的缓冲性能以及地面的刚性[3]。

在仓储环境中，电热水器一般为在中转库集中储存，大部分中转库的储存方式为堆码储存。电热水器极限堆码层数为4层，堆码高度低于4 m，而中转库高度普遍高于10 m，这就导致电热水器的仓储利用率较低，产业仓储费用逐年居高不下。

2 缓冲衬垫材料的选择

2.1 电热水器跌落冲击分析

根据市场调查以及我国的国家标准GB/T 4857.17-2017《包装 运输包装件 编制性能试验大纲的定量数据》规定的跌落试验的试验高度，结合企标电热水器的跌落高度选取为610 mm。对标准中跌落试验进行分析，试验样品的方向定义如图1所示，跌落试验会对2-3-5角、3-5棱、3-6棱、2-3棱及所有6面进行总计十次跌落，实验发现十次跌落中有九次跌落会对包装下衬垫进行冲击，其中包括受力面积更小的角跌落和棱跌落。因此提升包装下衬垫的物理机械性能会降低因缓冲材料破损造成的产品外损。

图1 跌落试验分析

角跌落时包装下衬垫的受力分析如图2所示，角跌落时包装下衬垫受到方向向下的重力G，由势能转化的动能Ek=GH，以及受到方向向上的反冲回弹力F。因向上及向下的一对反作用力并不处于同一垂线上，因此衬垫还会受到较大的剪切力Fs。衬垫受到的反作用力要求缓冲材料具有较高的压缩强度及压缩回弹率；产生剪切力要求缓冲材料具有较高的断裂弯曲载荷及挠曲强度。

图2 角跌落垫层受力分析

2.2 包装下垫层缓冲材料现状

为缓解产品在运输过程中受到的跌落冲击，缓冲材料要求具有高度的压缩和复原性；为缓解缓冲衬垫在角跌落时受到的剪切应力，缓冲材料还应具有高度的剪切和挠曲性。目前，常用于家电产品的缓冲材料主要有以下三种形式：（1）EPS材料缓冲衬垫；（2）EPE材料缓冲衬垫；（3）EPS料块与EPE料块相组合拼接的缓冲衬垫。

EPS缓冲衬垫在家电产品中应用最为广泛，其优点为材料抗压强度高，尺寸稳定性强；可以模塑成型，生产效率高；缺点为材料韧性差，易碎，且难以回收，对环境污染性强[4]。

EPE缓冲衬垫主要应用于易碎的家电产品中，如彩电，电脑等，其优点为材料韧性好，缓冲性能优越，成型率高，有一定量产能力，易于回收；其缺点为尺寸稳定性差，抗压强度低，不利于堆码仓储[5]。

EPS料块与EPE料块相组合拼接的缓冲衬垫为国内某企业电热水器产品的缓冲衬垫，中和了EPS与EPE的优点，具有一定的尺寸稳定性及韧性；但其缺点同样较为明显，此衬垫需多个料块拼接粘合，无法模塑成型，无法满足较大规模的量化生产。

综合以上几款衬垫的优缺点及电热水器特性，特引入EPO材料做为电热水器的款冲包装材料，EPO颗粒是特殊聚合工艺生产的一种特殊的“共聚物”，其颗粒主要成分为70%的聚苯乙烯（PS）和30%的聚乙烯（PE）。PE组分主要分布在颗粒的外层，促进颗粒之间的塑化和结合；PS组分主要分布在颗粒的内部，对泡粒结构具有良好的支撑作用，其粒子结构如图3所示[6]。EPO材料独特的组成和结构,使之最大程度地综合了PE和PS地优点，其优越的耐压强度和挠曲强度完全满足电热水器的多次周转要求。

图3 EPO粒子结构

2.3 EPO材料缓冲可行性分析

按照GB/T 8813-2020《硬质泡沫塑料 压缩性能的测定》和GB/T 8812.1-2007《硬质泡沫塑料 弯曲性能的测定 第1部分：基本弯曲试验》标准中的要求准备压缩试验料块及剪切试验料块各10个，料块密度为20 kg/m3，分别对EPS及EPO料块进行压缩试验及剪切试验。其中压缩量为20%的压缩强度试验对比数据如图4（a）所示，对比发现EPS料块的平均压缩强度为142 kPa，EPO料块的平均压缩强度为126 kPa；压缩量为20%的压缩回弹率试验对比数据如图4（b）所示，对比发现EPS料块的平均压缩回弹率为38%，EPO料块的平均压缩回弹率为73%；剪切试验中断裂弯曲载荷试验数据对比如图5（a）所示，对比发现EPS料块的平均断裂弯曲载荷为163 kPa，EPO料块的平均断裂弯曲载荷为374 kPa；剪切试验中断裂挠度试验数据对比如图5（b） 所示，对比发现EPS料块的平均断裂挠度为13 mm，EPO料块的平均断裂挠度为55 mm。

图4 压缩实验对比

图5 剪切实验对比

对比发现在相同密度情况下，EPO材料的压缩强度略低于EPS，但EPO的压缩回弹率及断裂弯曲载荷是EPS的两倍，且EPO的断裂挠度是EPS的4倍多，EPO的耐压性能并不逊色于EPS材料，加上其优越挠曲强度完全符合电热水器的多次跌落冲击要求。

3 缓冲衬垫的设计与造型

对电热水器堆码状态下的缓冲衬垫进行受力分析，可以看出在打包带拉力和机器重力的反作用力下，具有一定的挠曲性的缓冲衬垫容易发生形变，使包装衬垫形成如图6所示的曲面造型，使电热水器底部受力面减小，受力不均匀使会向重心偏移的一侧倾倒。

图6 堆码时衬垫受力分析

对电热水器缓冲衬垫的静应力进行分析，缓冲衬垫受力如图7所示，对衬垫受力后挠度进行计算，计算公式如（1）：

图7 包装下垫层静应力分析

其中：

整机重力 G=mg=300 N

载荷 F=G/2=150 N

矩形惯性矩 I=bh3/12=7.7＊10-5m4

弹性模量 E=3MPa

L=0.7m a=0.15m

计算后发现单次仓储周转后垫层的挠度：

ωmax=1.8mm。

考虑到EPO材料具有较高的回弹率，设计时将包装下衬垫的底部中心区域进行局部掏空15 mm，这样可以改善EPO材料衬垫的底部受力结构，保证衬垫在经历多次周转运输后仍然具有较大的支撑面积，EPO衬垫结构如图8所示。

图8 EPO衬垫结构

4 结论

对电热水器跌落冲击进行分析，发现缓冲下衬垫是最主要受力缓冲衬垫，因此提升下衬垫的缓冲性能可有效降低因缓冲材料破损造成的产品外损。对比国内目前的缓冲衬垫现状，发现EPO材料同时具备缓冲性能及产能的优势，是非常适合电热水器的缓冲材料。对EPS及EPO材料进行压缩及弯曲试验对比，发现EPO材料的压缩强度只是略低于EPS，但EPO材料的压缩回弹率、断裂弯曲载荷及断裂挠度大大优于EPS材料。

对电热水器堆码状态下的缓冲衬垫进行受力分析，发现打包带拉力和机器重力的反作用力下，具有一定的挠曲性的缓冲衬垫容易发生形变。对电热水器缓冲衬垫的静应力进行分析，计算后得出设计时将包装下衬垫的底部中心区域进行局部掏空可解决堆码歪斜的问题。