嵌入式微波爐的包裝跌落改善分析

劉彬彬 劉蕾 陸樹敏 梁德強(qiáng) 黃志飛 鐘勛

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528300

0 引言

微波爐作為現(xiàn)代烹飪灶具的代表，因微波加熱的快捷性，受到了消費(fèi)者的青睞，已進(jìn)入千家萬戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全國微波爐總產(chǎn)量高達(dá)9997.87萬臺，并呈逐年上漲態(tài)勢[1]。嵌入式微波爐作為高端微波爐的代表，外觀簡潔大方，空間利用率高，可與廚房家電保持統(tǒng)一風(fēng)格，廣受年輕消費(fèi)者喜愛[2]。

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，線上銷售成為最重要的產(chǎn)品分銷渠道之一，包裝運(yùn)輸已經(jīng)成為國內(nèi)外貿(mào)易的最重要的環(huán)節(jié)，在運(yùn)輸、裝卸、搬運(yùn)等環(huán)節(jié)上，存在一定的不確定性。嵌入式微波爐體積和重量較大，對包裝的可靠性提出了更高要求。

嵌入式系列產(chǎn)品因其具有節(jié)省空間、美觀協(xié)調(diào)、智能化等優(yōu)勢，且產(chǎn)品消費(fèi)主體趨于年輕化，已成為中國年輕家庭的最喜愛家電品類之一，因此，近年來，嵌入式品類也迎來了暴發(fā)式增長。其中線上銷售占據(jù)了主要份額，由于嵌入式廚房電器結(jié)構(gòu)體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給包裝、運(yùn)輸提出了更高的要求。在實(shí)際運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，出現(xiàn)了一定比例的產(chǎn)品損壞，無論對消費(fèi)者或生產(chǎn)商，均有一定的負(fù)面影響，因此，嵌入式品類的包裝可靠性就顯得尤為重要。

1 嵌入式微波爐跌落損傷分析

1.1 跌落損傷現(xiàn)狀

跌落是包裝運(yùn)輸中最常見的破壞方式之一，是搬運(yùn)場景中難以避免的，較易造成產(chǎn)品損傷，需要重點(diǎn)關(guān)注[3]。根據(jù)國標(biāo)跌落標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4857.5—2008和國際跌落標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5276-98，根據(jù)不同的裝卸方式、包裝重量，并結(jié)合具體的搬運(yùn)場景，來確定跌落實(shí)驗(yàn)高度。通常，企業(yè)為了增加包裝可靠性，滿足不同復(fù)雜搬運(yùn)場景，要求在國標(biāo)基礎(chǔ)上，增加修正系數(shù)，提高現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。某型嵌入式微波爐根據(jù)企標(biāo)跌落時(shí)，在跌落場景中，外罩發(fā)生嚴(yán)重變形，如圖1所示。機(jī)體跌落過程主要包含角跌落、棱跌落、面跌落三種方式，機(jī)體外罩變形主要發(fā)生在棱跌落場景，其條件如下：

圖1 機(jī)體棱跌落變形情況

棱跌落時(shí)，使實(shí)驗(yàn)樣品的重力線通過被跌落的棱，構(gòu)成該棱的兩個(gè)平面的一個(gè)平面與沖擊面夾角誤差不大于±5°或此夾角的10%；跌落的棱與水平面平行，其夾角最大不超過2°，按照企標(biāo)進(jìn)行棱跌落時(shí)，出現(xiàn)底板與側(cè)外罩變形的情況，如圖1所示。

1.2 跌落損傷過程分析

機(jī)體外罩產(chǎn)生變形，主要發(fā)生在棱跌落過程中，根據(jù)企標(biāo)QMWJCN07.187進(jìn)行棱跌落時(shí)，低落過程分為4個(gè)階段[4]，stage1自由落體階段，包裝箱整體從初始位置H0跌落，設(shè)跌落面為剛性面，進(jìn)行自由落體，不計(jì)空氣阻力；stage2撞擊臨界時(shí)，當(dāng)包裝和地面接觸瞬間時(shí)的臨界速度，此時(shí)的動能為（如圖2所示）；state3跌落剛性面時(shí)，能量被包裝和機(jī)體吸收，此時(shí)，包裝泡沫襯墊開始變形，機(jī)體外罩的棱受到?jīng)_擊，此時(shí)合力F反向向下，由于嵌入式質(zhì)量和體積較大，跌落后跳彈高度很小，此處不予考慮；state4隨后包裝緩沖物形變恢復(fù)，速度vt方向向上，碰撞瞬間有部分能量損耗，以熱量形式Q散出，此處不做考慮，即取Q=0，故碰撞時(shí)，機(jī)體和包裝受到的沖擊能量：

圖2 棱跌落過程示意

式中：

Q1-表示最大沖擊能量（J）；

m-包裝總質(zhì)量（kg）；

vmax-下降過程的最大速度（m/s）；

vt-反彈最大速度（m/s）；

Q-其中以熱能形式散發(fā)出的能量（J）。

其中由于嵌入式質(zhì)量和體積較大，考慮到最大沖擊能力最大化作用于機(jī)體，此時(shí)，令vt=0，Q=0簡化后為：

跌落時(shí)，由于棱受到跌落沖擊，彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大于材料的屈服極限，從而造成機(jī)體的棱變形。

2 跌落損傷力學(xué)模型構(gòu)建

基于以上的條件，將受沖擊的包裝棱邊，等效為簡支梁[5-6]，（梁的一端為固定鉸支座，另一端為可動鉸支座），對跌落過程進(jìn)一步分析，以嵌入式機(jī)體底板與外罩相連的作為點(diǎn)設(shè)為受力點(diǎn)A和B，其長度設(shè)置為L，如圖3、圖4所示。

圖3 整機(jī)包裝棱跌落圖示

圖4 機(jī)體對應(yīng)的受力點(diǎn)圖示

設(shè)跌落時(shí)的棱長度為L，設(shè)機(jī)體棱跌落瞬間，其中沖擊載荷Fd，沖擊力為P，并引入動載荷系數(shù)kd，則沖擊載荷Fd：

假設(shè)為均布載荷，為設(shè)其載荷集度為q1：

棱跌落的主要失效形式為外罩棱邊向內(nèi)凹陷變形，主要是因?yàn)榫植繌澢鷳?yīng)力過大所致。根據(jù)圖5等效模型，可得到彎矩為：

圖5 機(jī)體棱跌落力學(xué)模型

當(dāng)0≤x≤L時(shí)：

改善前，彎矩圖如圖6所示。

圖6 改善前所產(chǎn)生的彎矩圖

令M′(x)=0，可得，即彎矩最大值出現(xiàn)在棱中點(diǎn)處，其最大彎曲應(yīng)力：

外罩變形原因，即最大彎曲應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度：

M1max為最大彎矩，Iz為橫截面對中性面Z的慣性矩，y為距中性面的最大距離。

以某品牌微蒸烤R5為例，其包裝質(zhì)量m約40 kg，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其跌落高度h為46 mm，自由落體后，與地面接觸時(shí)間極短，t為0.2 s，且無反彈，機(jī)體受力距離L為427 mm，棱邊截面Iz對中性面慣性矩為1.235e3 kg·mm2，中性面距棱底面的距離為21.9 mm，動載荷系數(shù)kd取1.5，求最大彎曲應(yīng)力σ1max。

由沖量定理可得：

其載荷集度為q1：

最大彎曲應(yīng)力為σ1max：

外罩采用SPCC材料，其中屈服強(qiáng)度δs約為200 MPa

由于σ1max＞δs，固跌落時(shí)，外罩變形。

3 跌落改善分析及驗(yàn)證

3.1 棱跌落原理分析

為改善棱跌落時(shí)，底邊外罩的變形問題，需對棱的彎矩分布進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)力學(xué)原理，通過優(yōu)化泡沫襯墊的支撐結(jié)構(gòu)[7-8]，來改善彎矩分布，從而達(dá)到改善彎曲應(yīng)力的目的，現(xiàn)制定方案如下：將泡沫襯墊底部支撐挖空長度為，兩邊各保留長度，改善前后的整機(jī)對比模型如圖7、圖8所示，泡沫改善狀態(tài)如圖9、圖10所示。

圖7 改善前下泡沫的整機(jī)模型

圖8 改善后下泡沫的整機(jī)模型

圖9 改善前下泡沫狀態(tài)

圖10 改善后泡沫狀態(tài)

改善后的等效力學(xué)模型如圖11所示，計(jì)算其彎矩分布，所產(chǎn)生彎矩如圖12所示。

圖11 改善后的等效力學(xué)模型

圖12 改善后所產(chǎn)生的彎矩圖

則最大彎曲應(yīng)力：

則兩者的應(yīng)力比：

由公式（1）可得集中度q1：

同理可得，改善后的集中度q2：

由公式（2），公式（3），公式（4），公式（5）可得：

故改善前后的彎曲應(yīng)力比為：

改善之前為δ1max=269.6 MPa，改善彎曲應(yīng)力降為改善前的50%，即=134.8 MPa，小于外罩材料屈服強(qiáng)度δs=200 MPa，故外罩不變形，改善有效。

3.2 改善方案實(shí)施效果

圖13 改善前機(jī)體跌落外罩變形

圖14 改善后機(jī)體跌落外罩未變形

4 結(jié)語

根據(jù)建立的跌落損傷力學(xué)模型及跌落實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得如下結(jié)論：

（1）本文將嵌入式棱跌落等效為簡支梁受力，根據(jù)構(gòu)建的跌落損傷力學(xué)模型可知，最大彎曲應(yīng)力處在跌落棱的中點(diǎn)處，通過優(yōu)化包裝襯墊的支撐結(jié)構(gòu)，有效改善了彎矩分布，減小了彎曲應(yīng)力極值。

（2）根據(jù)構(gòu)建的跌落損傷力學(xué)模型，對包裝襯墊的支撐結(jié)構(gòu)做了針對性的優(yōu)化，優(yōu)化后的彎矩分布更合理，且可有效抑制最大彎矩極值，從而減小棱沖擊時(shí)的最大彎曲應(yīng)力。優(yōu)化后的最大彎曲應(yīng)力可降為優(yōu)化前的50%，即。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用優(yōu)化后的包裝，機(jī)體外罩無變形，改善有效。生產(chǎn)實(shí)際導(dǎo)入后，運(yùn)輸?shù)鋼p傷的降幅高達(dá)70%，相關(guān)客訴也降低了約50%。

（3）針對大型家電的跌落損傷問題，大多數(shù)學(xué)者采用CAE仿真的方法進(jìn)行包裝優(yōu)化，而本文則通過力學(xué)等效的方法，構(gòu)建了跌落損傷力學(xué)模型，找到包裝襯墊尺寸與彎曲應(yīng)力極值的定量關(guān)系，較CAE仿真優(yōu)化，該方法具有簡便、經(jīng)濟(jì)、可快速實(shí)施等特點(diǎn)，對大型家電的包裝設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。