可靠性试验测试运输包装振动试验方法解析 振动试验

　　运输包装测试主要分为振动试验和冲击试验两大部分。本文主要介绍运输包装振动试验需要确定的量值、试验方法以及如何确定试验时间等相关问题。

 

　　振动的危害

　　在运输过程中，产品会因振动发生表面擦伤、漆膜或镀膜脱落等问题，内部部件还会因反复施加作用力发生螺钉松动、部件变形弯曲、产生裂纹、断裂、脱落等现象，造成不必要的损失。

环境和运输工具。在汽车运输过程中，公路路面的起伏不平、汽车发动机的固有振动、轮胎的充气程度和减震弹簧的性能等因素都可能会使运输包装件发生上下、前后、左右不同方向的振动；在火车运输过程中，受牵引机车和铁轨接缝的影响，运输包装件也会发生周期性的振动；在海运过程中，运输包装件除了受到发动机的振动影响外，还因水面风浪的颠簸发生低频振动；在空运过程中，运输包装件不但受到发动机高频激振的影响，还会受气流作用产生低频振动以及周期性的上下和左右摇摆。由于运输工具和运输环境存在差异，运输包装件的振幅范围也不尽相同。目前在国内外的一些研究中，对汽车、火车、船舶、飞机等运输工具的实测结果说明，平稳随机振动大量存在于汽车、火车和飞机的运输环境中，船舶的随机振动量很小。火车和飞机的随机振动功率谱密度值比汽车小得多，这说明汽车运输的机械条件最差。

 

　　振动试验需要确定的量值

　　运输包装的振动试验分为正弦定频振动试验、正弦变频振动试验和随机振动试验三种。振动试验中需要确定的量值很多，有的与样品特性有关，有的与气候有关，有的则与包装流通过程中的力学条件有关。三种振动试验中需要确定的量值

 

　　正弦定频振动试验

　　进行正弦定频振动试验的目的就是在实验室内模拟运输包装件在运输过程中可能受到的正弦定频振动，用以评定在正弦定频振动情况下运输包装件的强度及对内装物的保护能力。它既可以作为单项试验，也可以作为一系列试验的组成部分。

　　在《GB/T 4857.7－2005包装运输包装件基本试验方法》中，规定了两种正弦定频振动试验方法。

　　1.定加速度法

　　试验时，在不能确定运输方法的情况下，一般采取的方式是，在相应的频率范围内确定试验频率，产生在0.5～1.0g的某一目标加速度值，故称之为定加速度法的正弦定频振动试验。这个试验不需要确定振幅参数值，因为振动频率、振动加速度和振幅三者之间存在着固定的数学关系，用振动状态方程式表示为：

峰值（Dp-p）表示，而式中D0-p表示半峰值位移，单位为mm；G表示振动加速度，一般习惯用g的倍数表示；f表示振动频率，单位为Hz。振动位移Dp-p是半峰值位移D0-p的两倍，即Dp-p＝2D0-p。

　　在这类振动试验中，试验时间的确定主要有以下两种方式：

　　①根据实际情况和试验目的，由客户确定；

　　②在确定运输包装件的固有频率后，按照不同的运输方法，在测得的共振点上进行定加速度的定频试验。试验时间一般根据相关标准规定的试验强度等级进行选择，详见表2。

　　这类试验适用于机械和电子产品类的运输包装件。

 

 

 

　　2.定位移法

　　定位移法是选定预定的振幅，使样品在2Hz的频率下振动，并逐渐提高频率，直到试验样品即将与振动台分离为止。在试验期间，沿试验样品底部移动厚度为1.5～3.0mm、最小宽度为50mm的标准量具，如果在至少三分之一试验样品的底面积部分，该标准量具可以被插入，即认为试验样品与振动台分离。根据ASTM D999的规定，位移一般确定为25.4mm（即1.0in.），振动频率主要在低频范围内，一般为2～5Hz。这种试验方法又被称为连续冲击试验。

　　国际安全运输协会（ISTA）发布的测试程序中采用的就是定位移法。ISTA 1A和ISTA 1B根据运输包装件的质量不同，分别选择了不同的试验强度。

规定，当运输包装件质量小于68kg时：

　　ISTA 1B规定，当运输包装件质量大于68kg时：

　　试验时间可以通过上面的公式计算得到，在ISTA的标准程序中总结了一些经验参数值，当运输包装件质量大于68kg时，振动时间的经验参数值详见表3。这种方法中的冲击次数是一定的（14200次或11800次），频率不同，测试时间也会相应产生变化。

 

　　正弦变频振动试验

　　在运输过程中，有时外力的振动频率与运输包装件的固有频率相一致，就会引起共振现象。正弦变频振动试验的目的是确定运输包装件的固有频率，找出引起产品损坏的共振点，并考察在正弦变频振动或共振情况下运输包装件的强度及对内装物的保护能力，为防震包装的结构设计提供基本参数。

　　一般而言，共振点是运输包装件的薄弱环节。实践证明，运输包装件若在共振点上能经得住规定的应力循环的振动，那么在其他频率点上也就一定能经住考验。正弦变频振动试验既可以作为单项试验，也可以作为一系列试验的组成部分。正弦变频振动试验主要有两种试验方法。

范围内，并重复两个周期。变频速率为每分钟0.5倍频程。最大加速度可设定为2.5m/s2，5m/s2或7.5m/s2。

　　方法二：在主共振频率的±10％的范围内变化，也可在第二、第三共振频率±10％的范围内变化。振动时间为15分钟。

　　第一种测试方法的试验时间可以通过公式计算得到。在实际应用中，客户根据实际情况可以增加或减少变频试验的周期，也就使变频试验的时间发生了变化。下面介绍对数变频试验的计算公式。

　　倍频程计算公式为：

　　n=式中，n表示倍频程，单位为oct；fH表示上限频率，单位为Hz；fL表示下限频率，单位为Hz。

　　变频速率计算公式为：

　　R=式中，R表示变频速率，单位为oct/min；T表示变频时间，单位为min或s。

　　变频时间计算公式为：

　　T=n/R

　　这种方法主要用以了解运输包装件的固有频率。

　　随机振动试验

　　随机振动试验能够比较真实地反映运输过程中运输包装件所遭受的危害。在测试时间内，放大振动强度，可达到完全模拟实际过程中运输包装件所受到的振动能量。

　　随机振动试验是以传感记录技术和计算机数据处理技术为前提的。它要求采集、记录实际环境中的振动信号，然后在实验室内进行重放。试验过程中，控制器发出指令，在试验机上获得随机振动。在振动过程中，质点运动周期没有规律，并且过程永不精确重复，这种非周期性振动只能用统计方法进行研究。

率谱密度实际就是将原来对时间域的振动描述转化为频率域的振动描述，表示为单位频率的加速度均方值，单位为g2/Hz。它反映了振动能量在各个频率域上的概率分布。这样就可以从功率谱密度中读出具有不同固有频率的振动激扰所含振动能量的平均密度。

　　随机振动试验的试验时间是根据预期的运输总里程来确定的，实际运输距离与振动时间的关系。

 

　　用表格法确定随机振动试验的时间有一定的不足，主要表现在以下几个方面。

　　①数据有重叠。例如：运输距离是1000km，依据表格规定，试验时间可以为60min，也可以为90min。

　　②时间不连续。例如：运输距离分别为999km和1001km，而表格规定的试验时间分别为60min和90min，相差较大。

　　在ISTA Resources Book 2009中的3E和3H测试程序中，ISTA将上述的表格变成了公式：

　　试验时间（min）=运输距离（miles）/5=运输距离（km）/8。最长试验时间为240min。

　　用公式法确定随机振动试验的试验时间，有以下几方面的特点。

　　①试验时间与运输距离呈线性变化；

　　②试验时间连续性变化；

　　③试验最长时间由3h变为4h；

　　④试验强度增大。

　　随机振动试验适用于各种类型的运输包装件。