DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2022.05.021
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）
摘要：为提高缓冲包装设计的科学性、高效性，建立聚乙烯发泡棉（E P E）缓冲包装的设计流程及方法。依据《包装用缓冲材料动态压缩试验方法》（GB/T 8167-2008）对缓冲材料EPE的
动态压缩性能进行试验，获取在不同冲击载荷条件下EPE的最大加速度-静应力曲线；结合产品的防护需求，确定缓冲包装的设计参数；对缓冲包装进行不同高度、落地方向的自由跌落试验，以检验缓冲包装对产品的防护效果，并结合对包装的其他评估指标，获得符合企业预期的最佳缓冲包装。以铁路信号继电器的缓冲包装设计为例，验证EPE缓冲包装设计流程及方法的
可行性，提高设计效率和质量，为EPE缓冲包装的设计提供数据支持。
关键词：铁路信号继电器；EPE；缓冲包装设计；跌落试验
中图分类号：TB485.1 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2022)05-0104-05 Cushion Packaging Drop Test and Design Method of Relay
Guo Guoqing, Li Qingshi, Liu Wei
(Shenyang Railway Signal Co., Ltd., Shenyang 110025, China)
Abstract: In order to improve the scientificity and efficiency of cushion packaging design, the design
process and method of EPE cushion packaging have been established. The dynamic compression performance of the cushioning material EPE is tested according to GB/T 8167-2008 Testing Method of Dynamic Compression for Packaging Cushioning Materials, and the maximum acceleration-static stress curve of EPE under different impact load conditions is obtained. The design parameters of the cushioning packaging are determined according to the protection requirements of the product. The free drop test at different heights and landing directions is carried out for the cushion packaging to test the protective effect of the cushioning package on the product, and obtain the best cushion packaging combining with other evaluation indicators of packaging that meets the expectations of the company.
Taking the cushion packaging design of railway signal relay as an example, the feasibility of the design process and method of EPE cushion packaging is verified, the design efficiency and quality is improved, and the data support for the design of EPE cushion packaging is provided.
网上兼职翻译Keywords: railway signal relay; EPE; cushion packaging design; drop test
收稿日期：2021-04-21；修回日期：2022-03-20
第一作者：郭国庆（1992—），男，工程师，硕士，主要研究方向：铁路信号继电器设计与研发，邮箱：*****************。
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（G max-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
再见英文试验，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G max-δs曲线，如图1所示。
图� 最大加速度-静应力曲线
Fig.1 Maximum acceleration-static stress curve
最
大promi是什么意思
加
速
度
/
(
m
/
s
�
)
静应力/kg·cm�
�.���.���.���.���.���.���.���.���.���.��������
�����
����
����
����
����
����
����
����
��
�� mm
�� mm
�� mm
�� mm
�� mm
martin�� mm
由图1可知，随着缓冲材料EPE厚度的增加，
G max-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。
G m=aW -β（1）公式（1）中：G m为包装经受的最大加速度m/s2；W为包装件的重量/kg；a、β为苏教版四年级上册
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《MIL-HDBK-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）
美剧英雄第一季
。
小学安全教育讲话稿
（2）
：W为包装件的重量/kg；H为跌
惊喜的英文怎么写落高度/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
（G max-δs）曲线，取产品脆值与G max-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、
辅导中考
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。
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
图� 缓冲包装的设计流程
Fig.2 Design process of cushion packaging
mm，质量为1.8 kg，结构如图3所示。图� 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（G max -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/cm 2。根据产品重量1.8 kg，计算出接触面积为1.8 kg/0.035 kgf/
cm 2=51.42 cm 2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 cm 2。具体
缓冲包装的设计结构如图4所示。
图� 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� 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 heightinuit
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。
参考文献
[1]苗红涛.EPE泡沫塑料在多次冲击下的缓冲性能
[J].包装工程，2017，38(5):111-114.
Miao Hongtao. EPE Foam Cushioning Performance under Repeated Dropping Shocks[J]. Packaging Engineering, 2017, 38(5): 111-114.
[2]雷鹏，付志强，张莉伟，等.基于J o h n s o n-
cook本构模型的EPE包装跌落冲击模拟[J].包
装工程，2018，39(19):70-74.
Lei Peng, Fu Zhiqiang, Zhang Liwei, et al. EPE Package Drop Impact Simulation Bad on Johnson-cook Constitutive Model[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(19): 70-74.
[3]倪敏，蔡小尧，朱玉波.烟草包装机械可靠性
设计[J]. 湖北农机化，2020(4):176.
[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,
中国国家标准化管理委员会.G B/T 8167-2008 包装用缓冲材料动态压缩试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009.
[5]程琳，王伟.常见缓冲包装材料的应用现状
[J].上海包装，2014(6)：53-54.
[6]卢杰，薛进.基于数据库与模型库的智能缓冲
包装C A D系统[J].包装与食品与机械，2006，24(1)：26-28.
Lu Jie, Xue Jin. Intelligent CAD System of Cushioning Package Bad on the Databa and Model[J]. Packaging and Food Machinery, 2006, 24(1): 26-28.
[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,
中国国家标准化管理委员会.G B/T 7417-2010 铁路信号A X系列继电器[S].北京：中国标准出版社，2011.
（上接81页）
data/ref/h2020/other/wp/jtis/h2020-masterplan-shift2rail_en.pdf.
[6] Goikoetxea J. Roadmap towards the Wireless
Virtual Coupling of Trains[C]//Communication Technologies for Vehicles, 2016.
[7]刘岭.基于虚拟耦合的列车群体智能控制技
术研究及展望[J].铁路通信信号工程技术，2020，17(2):1-9.
Liu Ling. Rearch and Prospect of Intelligent
Control Technology for Virtually Coupled Train Formation[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2020, 17(2): 1-9. [8]张博.基于可变编组的城市轨道交通Y型线路
列车运行计划优化研究[D].北京：北京交通大学，2017.
[9]中国城市轨道交通协会.T/CAMET 04017.1-2019
城市轨道交通全自动运行系统规范第1部分：需求[S].北京：中国铁道出版社，2019.
***********************************************
