包裝件模擬運輸旋轉振動測試的標準解讀及應用分析

包裝件模擬運輸旋轉振動測試的標準解讀及應用分析

　　摘 要：通過對標準ASTM D999中的旋轉振動測試、ASTM D4169 標準中的程序F松散載荷振動、ISTA標準中的固定位移振動試驗和GB/T 4857.7-2005標準中的定位移法這四個標準的分析與綜合，探討包裝件模擬運輸旋轉振動測試的原理、設備要求和程序過程，得出包裝件模擬運輸旋轉振動測試在包裝測試中的應用，為模擬運輸旋轉振動臺奠定了理論基礎。

　　關鍵詞：包裝運輸 模擬 旋轉振動 固定位移振動 標準

　　在包裝運輸過程中，包裝運輸、配送和包裝處理是最關鍵的因素。而運輸包裝測試根據產品的特點與實際的運輸環境，通過實驗室的模擬環境，對包裝件進行檢測和試驗，進而通過改進產品的包裝特性、結構設計和包裝方式以及使用材料，使產品包裝達到要求[1]。

　　評估運輸包裝件在實際使用中表現的一個簡單、快捷、有效且低廉的方法是通過在實驗室中進行模擬測試。通過測試的包裝，可以保證達到使用穩定性、環保性、循環利用性等指標的要求。機械試驗在運輸包裝測試中處于核心地位，在運輸過程中，車載設備會受到多種機械環境條件的影響，主要為振動、沖擊、靜負荷、傾斜搖擺、穩態加速度、裝卸作業中的自由跌落等，其中振動和沖擊是最主要的因素[2]。

　　而振動測試可以用來檢測運輸包裝件的強度及對內裝產品的保護能力，主要是通過在包裝運輸過程中承受外來振動或自身振動，達到預定的壽命和可靠性的能力[3]。

　　振動測試包括正弦振動、周期性振動、隨機振動和顛簸等幾種運動形式，但是在實際運輸過程，包裝件與包裝件和裝置之間會經歷彈跳、移動、碰撞這幾個過程[4]。包裝件承受的是重復隨機沖擊環境，這種嚴酷的機械環境會導致包裝箱和包裝件損壞，填充在包裝箱的緩沖材料性能退化，甚至會松開包裝箱，破壞填充層，使之暴露于大氣環境下[5]。

　　在包裝運輸測試過程中包裝件會發生旋轉振動、碰撞和沖擊等，而包裝運輸件在運輸過程中部分產生的振動與運輸工具、裝載方式、路況等因素有關[6]。目前，運輸包裝件旋轉振動(固定位移振動試驗)的標準有美國材料與試驗協會標準ASTM D999、ASTM D4169、國際安全運輸協會ISTA標準和G B/T 4857.7-2005包裝運輸包裝件基本試驗方法，下面分別對這幾個標準進行分析。

　　一、ASTM D999-貨運集裝箱振動試驗測試方法的標準實施規范

　　這個標準[7]涵蓋了貨運集裝箱的不同振動測試，可以用來評估在實際運輸過程中貨運箱受到振動時的功能(包括內包裝、封箱方法以及貨運箱的結構強度和對產品的保護能力)。這些程序適合于不同形式、材料、種類、內包裝設計、封箱方法、尺寸和重量的貨運箱。但是這些程序不能評定設計產品的振動響應，也不能說明這些程序是否更適合分析產品運作結構。

　　貨運箱在運輸過程會產生機械振動，因此受到復雜的動態壓力。在A2旋轉振動測試中，適用于單個集裝箱在運輸車運輸過程中運動沒有受到限制的測試，也適用于由于負載和堆碼的放大振動導致貨運箱重復振動的測試。

　　振動測試設備裝備一個足夠強度和剛度的水平臺面，保證加載測試樣品時，設備施加的振動在整個測試平面上均勻分布。通過測試臺面旋轉運動，使包裝件在垂直方向產生正弦曲線的振動。振動的雙幅位移應該為25mm，而頻率范圍處于2Hz到至少5Hz之間。同時為了防止測試樣品脫離臺面，測試設備要裝備護欄，隔板或其它限制物，但臺面保證不能限制樣品垂直方向的運動。

　　ASTM D999標準中規定的試驗程序如下。

　　(1)將測試樣品按正常裝載方式放置在測試平臺上，附加限制裝置以防止包裝件水平運動時脫離臺面，同時防止包裝件隨意擺動，但不能限制測試樣品垂直運動。調整限制裝置，使測試樣品在水平方向從中心位置產生大約10mm的自由運動。

　　(2)振動臺面的初始啟動頻率為大約2Hz，平穩地增加測試頻率，直至測試樣品的某些位置重復地脫離測試臺面。為了保證測試包裝件受到持續的重復振動，當包裝件脫離測試平臺時，用一塊厚1.6mm，寬 50mm的墊片插入包裝件下，最少可以塞入100mm長，墊片并能間歇地沿著測試樣品的整個長度移動。通過足夠長的墊片來確保操作者的安全，并把墊片平放在振動臺面上。

　　(3)在這個振動頻率下繼續測試，達到標準要求的時間，或規定的周期，或觀察到規定數量的損壞時停止試驗，并檢查損壞情況。

　　(4)如果貨運箱在運輸過程可能會以其它方向擺放，則至少保證一個貨運箱的每個可能擺放方向完成規定的測試時間。

　　備注4：如果沒有規定測試時間，推薦測試一個小時，也可以參考操作D4169。

　　(5)檢查貨運箱和內在產品，記錄測試中出現的損壞結果。

　　二、ASTM D4169運輸集裝箱和設備性能測試的標準實施規范

　　這個標準[8]提供了評估貨運單元在實驗室中承受分配環境的能力的一個統一依據。這個標準是通過測試產品在不同分配周期經受一系列預期的嚴酷環境的測試計劃來實現。但是對于危險材料的適用性還沒有確定。

　　在程序F-松散載荷振動，通過在分配周期中測試水平和測試方法的目的是確定貨運單元在散裝或松散負載運輸過程中承受重復振動的能力，該測試水平和方法應該考慮重復沖擊的振幅、方向和時間。

　　測試方法參考ASTM D999中的方法2，測試環境為分配周期包含影響產品、集裝箱或如緩沖器等部件性能的氣候條件。在標準條件下進行測試，并對氣候條件的影響進行補償，標準大氣環境溫度為(23±1)℃，相對濕度為(50±2)%。纖維板貨運箱按照標準D4332進行試驗，相同的大氣條件應該應用于任何確保水平。試驗前應該使包裝件和產品的各個部件在72h的調節周期或足夠的時間達到平衡。

　　在此標準與ASTM D999中增加了駐留時間分配的規定。駐留時間在通常的垂直貨運軸方向分配50 %，剩余的50 %平均分配到其它所有可能的貨運方向。具體的駐留時間分布如表1所示。

　　(1)對于確保水平Ⅰ和Ⅱ，組合加載和有滑動裝置的集裝箱底部的測試時間為2小時，對于其它在運輸中任意取向的集裝箱，則每三個相互垂直的軸線測試時間為1小時。

　　(2)對于確保水平Ⅲ，集裝箱底部進行15分鐘測試，同時兩個相鄰的邊分別進行7.5分鐘測試。

　　三、ISTA標準

　　1A和2A標準[9-10]都規定了固定位移振動試驗的設備要求，它們都規定了振動試驗系統在固定頻率下能產生1in(25mm)振幅的振動。

　　儀器需要滿足ASTM D999標準中方法A1或A2的儀器要求。與ASTM標準相比，增加了轉速計和計時器。

　　振動臺可做旋轉運動或者垂直線性運動，振幅峰-峰值為1in(25mm)。

　　金屬薄片：0.06in(1.5mm)厚，大約2in(50mm)寬，長度適當。

　　轉速計或類似指示器來確定振動頻率，單位為Hz或CPM。

　　計時器或秒表。

　　振動系統的限定裝置的作用為防止測試樣品脫離臺面，固定包裝件的測試方向，但是不能限制在垂直方向上的運動。這點與ASTM D999標準要求一致。

　　同時給出了試驗時間的計算公式。試驗時間可以通過下式來計算：

　　式(1)

　　具體結果如表2所示。

　　具體試驗的操作過程如下。

　　(1)將包裝件的面3向下放置于振動臺上，其中面3為圖1所示。(2)啟動振動系統，使設備在最低的頻率下產生25 mm的位移。(3)在25mm的固定位移下，緩慢增加振動臺的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開臺面。(4)金屬墊片能否從最長直徑的底部間斷地移動到振動臺的臺面。如果能，保持此頻率，并進行步驟5。如果不能，則緩慢增加頻率直到滿足步驟4的要求，然后保持此頻率。(5)根據公式(1)和步驟4的CPM或Hz來確定振動試驗時間。(6)開始計時振動試驗時間。(7)振動系統是否為垂直線性振動。如果是，進行步驟12;如果不是，進行下一步驟。(8)完成一半的試驗時間，則停止試驗，同時按照表2進行試驗。(9)重新在最低的頻率產生25mm的全位移。(10)重復步驟(3)，在25mm的固定位移下，緩慢增加振動臺的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開臺面。(11)重復步驟(4)。如果能，保持此頻率，并進行步驟12;如果不能，則緩慢增加頻率直到滿足步驟11的要求，然后保持此頻率。(12)繼續計時，完成振動試驗的另一半時間。(13)完成振動，進行其它振動試驗。

　　其中2A步驟中增加了包裝件的檢查，可視的損壞是允許的，在任何方式檢查包裝件的當前狀態或產品的狀態和位置。

　　四、GB/T 4857.7-2005包裝運輸包裝件基本試驗方法

　　在此標準[11]中定位移法是樣品在2Hz的頻率下以選定預定的振幅振動，并逐漸增加頻率，直至試驗樣品即將與振動臺分離為止。在試驗期間，沿試驗樣品底部移動厚度為1.5mm-3.0mm、最小寬度為50mm的標準量具，試驗樣品與振動臺分離的標準評定為在試驗樣品至少三分之一的底面積部分，標準量具可以插入。這種試驗方法又被稱為連續沖擊試驗。

　　五、模擬運輸旋轉振動測試的應用

　　在包裝運輸測試中，模擬運輸旋轉振動試驗已廣泛應用。模擬運輸旋轉振動試驗主要通過模擬運輸振動臺進行，設備如圖2所示。模擬運輸振動臺主要通過控制臺面和控制器兩部分組成�？刂婆_面主要通過凸輪轉動形成回程，凸輪轉動間的位移差為25mm，而利用凸輪和偏心軸承在電機旋轉的帶動下通過帶傳動產生橢圓形的運動軌跡來模擬汽車或輪船運輸過程中貨物產生的振動和碰撞等機械現象。當偏心軸承轉動時，固定在偏心軸承上測試平臺的整個平面就會產生橢圓形的上下前后運動，調整偏心軸隨轉動速度相當于調整汽車或輪船的行駛速度。同時控制器主要通過電機的轉速傳感器和繼電器來計算時間。

　　控制系統：(1)直流電機調速，運行平穩，負載能力強。(2)回轉式振動(俗稱跑馬式)，符合歐美運輸標準。

　　箱體結構：(1)數字儀表顯示振動頻率。(2)同步靜噪皮帶傳動，噪聲極低。(3)試品裝夾采用導軌式，操作方便、安全。

　　小型包裝件進行模擬運輸旋轉振動試驗，如圖3。ASTM D999、ASTM D4169、ISTA 1A和2A及GB/T 4857.7-2005這四個標準規定的試驗原理一致，而儀器與設備逐漸規范，增加了轉速計和計時器，同時規定的試驗時間有些不同。實驗過程按照ISTA 2A進行。通過試驗，我們得出包裝件的Z軸向振動頻率為3.5Hz，試驗時間為14分鐘。試驗后樣品不允許外觀明顯變形、破裂、結構無松動等損壞現象。

　　在運輸包裝件進行模擬運輸旋轉振動試驗時，通過標準解讀，模擬運輸旋轉振動能夠很好地模擬固定位移振動試驗，我們可以根據實驗室模擬試驗來分析包裝過程旋轉振動對包裝件和產品的影響，來改進產品包裝。

　　參考文獻：

　　[1]趙煜，袁文廣.運輸包裝檢測的目的與應用[J].中國包裝工業，2007(10)：74-76.

　　[2]顧曉華.車載設備隨機振動疲勞壽命研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

　　[3]宋恩鵬，馬致旸.振動試驗在包裝測試中的應用[J].環境技術，2014(6)：21-24.

　　[4]盧彩玲，康寧民，王樹榮.設備運輸振動試驗方法探討[J].環境試驗，2009(6)：7-17.

　　[5]郭彥峰，付云崗，許文才，潘松年.緩沖包裝件的運輸包裝性能測試與評估技術[J].包裝過程，2006，27(4)：26-28.

　　[6]沈黎明，張華良，顧祖莉.運輸包裝件振動試驗系統研究[J].中國測試技術，2005，31(6)：87-89.

　　[7]ASTM D999-01 Standard test methods for vibration testing of shipping containers.

　　[8]ASTM D4169-08 Standard practice forperformance testing of shipping containers and systems.

　　[9]ISTA 1A Packaged-products 150 ib (68 kg) or less.

　　[10]ISTA 2A Packaged-products 150 ib (68 kg)or less.

　　[11]GB/T 4857.7-2005包裝運輸包裝件基本試驗方法.

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