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包裝件模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)解讀及應(yīng)用分析
摘 要：通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D999中的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試、ASTM D4169 標(biāo)準(zhǔn)中的程序F松散載荷振動(dòng)、ISTA標(biāo)準(zhǔn)中的固定位移振動(dòng)試驗(yàn)和GB/T 4857.7-2005標(biāo)準(zhǔn)中的定位移法這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分析與綜合，探討包裝件模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試的原理、設(shè)備要求和程序過程，得出包裝件模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試在包裝測(cè)試中的應(yīng)用，為模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：包裝運(yùn)輸 模擬 旋轉(zhuǎn)振動(dòng) 固定位移振動(dòng) 標(biāo)準(zhǔn)
在包裝運(yùn)輸過程中，包裝運(yùn)輸、配送和包裝處理是最關(guān)鍵的因素。而運(yùn)輸包裝測(cè)試根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)與實(shí)際的運(yùn)輸環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境，對(duì)包裝件進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，進(jìn)而通過改進(jìn)產(chǎn)品的包裝特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和包裝方式以及使用材料，使產(chǎn)品包裝達(dá)到要求[1]。
評(píng)估運(yùn)輸包裝件在實(shí)際使用中表現(xiàn)的一個(gè)簡(jiǎn)單、快捷、有效且低廉的方法是通過在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬測(cè)試。通過測(cè)試的包裝，可以保證達(dá)到使用穩(wěn)定性、環(huán)保性、循環(huán)利用性等指標(biāo)的要求。機(jī)械試驗(yàn)在運(yùn)輸包裝測(cè)試中處于核心地位，在運(yùn)輸過程中，車載設(shè)備會(huì)受到多種機(jī)械環(huán)境條件的影響，主要為振動(dòng)、沖擊、靜負(fù)荷、傾斜搖擺、穩(wěn)態(tài)加速度、裝卸作業(yè)中的自由跌落等，其中振動(dòng)和沖擊是最主要的因素[2]。
而振動(dòng)測(cè)試可以用來檢測(cè)運(yùn)輸包裝件的強(qiáng)度及對(duì)內(nèi)裝產(chǎn)品的保護(hù)能力，主要是通過在包裝運(yùn)輸過程中承受外來振動(dòng)或自身振動(dòng)，達(dá)到預(yù)定的壽命和可靠性的能力[3]。
振動(dòng)測(cè)試包括正弦振動(dòng)、周期性振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和顛簸等幾種運(yùn)動(dòng)形式，但是在實(shí)際運(yùn)輸過程，包裝件與包裝件和裝置之間會(huì)經(jīng)歷彈跳、移動(dòng)、碰撞這幾個(gè)過程[4]。包裝件承受的是重復(fù)隨機(jī)沖擊環(huán)境，這種嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境會(huì)導(dǎo)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?xí)砷_包裝箱，破壞填充層，使之暴露于大氣環(huán)境下[5]。
在包裝運(yùn)輸測(cè)試過程中包裝件會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)振動(dòng)、碰撞和沖擊等，而包裝運(yùn)輸件在運(yùn)輸過程中部分產(chǎn)生的振動(dòng)與運(yùn)輸工具、裝載方式、路況等因素有關(guān)[6]。目前，運(yùn)輸包裝件旋轉(zhuǎn)振動(dòng)(固定位移振動(dòng)試驗(yàn))的標(biāo)準(zhǔn)有美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D999、ASTM D4169、國際安全運(yùn)輸協(xié)會(huì)ISTA標(biāo)準(zhǔn)和G B/T 4857.7-2005包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)方法，下面分別對(duì)這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。
一、ASTM D999-貨運(yùn)集裝箱振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[7]涵蓋了貨運(yùn)集裝箱的不同振動(dòng)測(cè)試，可以用來評(píng)估在實(shí)際運(yùn)輸過程中貨運(yùn)箱受到振動(dòng)時(shí)的功能(包括內(nèi)包裝、封箱方法以及貨運(yùn)箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)能力)。這些程序適合于不同形式、材料、種類、內(nèi)包裝設(shè)計(jì)、封箱方法、尺寸和重量的貨運(yùn)箱。但是這些程序不能評(píng)定設(shè)計(jì)產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)，也不能說明這些程序是否更適合分析產(chǎn)品運(yùn)作結(jié)構(gòu)。
貨運(yùn)箱在運(yùn)輸過程會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，因此受到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)壓力。在A2旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試中，適用于單個(gè)集裝箱在運(yùn)輸車運(yùn)輸過程中運(yùn)動(dòng)沒有受到限制的測(cè)試，也適用于由于負(fù)載和堆碼的放大振動(dòng)導(dǎo)致貨運(yùn)箱重復(fù)振動(dòng)的測(cè)試。
振動(dòng)測(cè)試設(shè)備裝備一個(gè)足夠強(qiáng)度和剛度的水平臺(tái)面，保證加載測(cè)試樣品時(shí)，設(shè)備施加的振動(dòng)在整個(gè)測(cè)試平面上均勻分布。通過測(cè)試臺(tái)面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使包裝件在垂直方向產(chǎn)生正弦曲線的振動(dòng)。振動(dòng)的雙幅位移應(yīng)該為25mm，而頻率范圍處于2Hz到至少5Hz之間。同時(shí)為了防止測(cè)試樣品脫離臺(tái)面，測(cè)試設(shè)備要裝備護(hù)欄，隔板或其它限制物，但臺(tái)面保證不能限制樣品垂直方向的運(yùn)動(dòng)。
ASTM D999標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)程序如下。
(1)將測(cè)試樣品按正常裝載方式放置在測(cè)試平臺(tái)上，附加限制裝置以防止包裝件水平運(yùn)動(dòng)時(shí)脫離臺(tái)面，同時(shí)防止包裝件隨意擺動(dòng)，但不能限制測(cè)試樣品垂直運(yùn)動(dòng)。調(diào)整限制裝置，使測(cè)試樣品在水平方向從中心位置產(chǎn)生大約10mm的自由運(yùn)動(dòng)。
(2)振動(dòng)臺(tái)面的初始啟動(dòng)頻率為大約2Hz，平穩(wěn)地增加測(cè)試頻率，直至測(cè)試樣品的某些位置重復(fù)地脫離測(cè)試臺(tái)面。為了保證測(cè)試包裝件受到持續(xù)的重復(fù)振動(dòng)，當(dāng)包裝件脫離測(cè)試平臺(tái)時(shí)，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(cè)試樣品的整個(gè)長度移動(dòng)。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(dòng)臺(tái)面上。
(3)在這個(gè)振動(dòng)頻率下繼續(xù)測(cè)試，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間，或規(guī)定的周期，或觀察到規(guī)定數(shù)量的損壞時(shí)停止試驗(yàn)，并檢查損壞情況。
(4)如果貨運(yùn)箱在運(yùn)輸過程可能會(huì)以其它方向擺放，則至少保證一個(gè)貨運(yùn)箱的每個(gè)可能擺放方向完成規(guī)定的測(cè)試時(shí)間。
備注4：如果沒有規(guī)定測(cè)試時(shí)間，推薦測(cè)試一個(gè)小時(shí)，也可以參考操作D4169。
(5)檢查貨運(yùn)箱和內(nèi)在產(chǎn)品，記錄測(cè)試中出現(xiàn)的損壞結(jié)果。
二、ASTM D4169運(yùn)輸集裝箱和設(shè)備性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)范
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[8]提供了評(píng)估貨運(yùn)單元在實(shí)驗(yàn)室中承受分配環(huán)境的能力的一個(gè)統(tǒng)一依據(jù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是通過測(cè)試產(chǎn)品在不同分配周期經(jīng)受一系列預(yù)期的嚴(yán)酷環(huán)境的測(cè)試計(jì)劃來實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于危險(xiǎn)材料的適用性還沒有確定。
在程序F-松散載荷振動(dòng)，通過在分配周期中測(cè)試水平和測(cè)試方法的目的是確定貨運(yùn)單元在散裝或松散負(fù)載運(yùn)輸過程中承受重復(fù)振動(dòng)的能力，該測(cè)試水平和方法應(yīng)該考慮重復(fù)沖擊的振幅、方向和時(shí)間。
測(cè)試方法參考ASTM D999中的方法2，測(cè)試環(huán)境為分配周期包含影響產(chǎn)品、集裝箱或如緩沖器等部件性能的氣候條件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)氣候條件的影響進(jìn)行補(bǔ)償，標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境溫度為(23±1)℃，相對(duì)濕度為(50±2)%。纖維板貨運(yùn)箱按照標(biāo)準(zhǔn)D4332進(jìn)行試驗(yàn)，相同的大氣條件應(yīng)該應(yīng)用于任何確保水平。試驗(yàn)前應(yīng)該使包裝件和產(chǎn)品的各個(gè)部件在72h的調(diào)節(jié)周期或足夠的時(shí)間達(dá)到平衡。
在此標(biāo)準(zhǔn)與ASTM D999中增加了駐留時(shí)間分配的規(guī)定。駐留時(shí)間在通常的垂直貨運(yùn)軸方向分配50 %，剩余的50 %平均分配到其它所有可能的貨運(yùn)方向。具體的駐留時(shí)間分布如表1所示。
(1)對(duì)于確保水平Ⅰ和Ⅱ，組合加載和有滑動(dòng)裝置的集裝箱底部的測(cè)試時(shí)間為2小時(shí)，對(duì)于其它在運(yùn)輸中任意取向的集裝箱，則每三個(gè)相互垂直的軸線測(cè)試時(shí)間為1小時(shí)。
(2)對(duì)于確保水平Ⅲ，集裝箱底部進(jìn)行15分鐘測(cè)試，同時(shí)兩個(gè)相鄰的邊分別進(jìn)行7.5分鐘測(cè)試。
三、ISTA標(biāo)準(zhǔn)
1A和2A標(biāo)準(zhǔn)[9-10]都規(guī)定了固定位移振動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)備要求，它們都規(guī)定了振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)在固定頻率下能產(chǎn)生1in(25mm)振幅的振動(dòng)。
儀器需要滿足ASTM D999標(biāo)準(zhǔn)中方法A1或A2的儀器要求。與ASTM標(biāo)準(zhǔn)相比，增加了轉(zhuǎn)速計(jì)和計(jì)時(shí)器。
振動(dòng)臺(tái)可做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者垂直線性運(yùn)動(dòng)，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(dāng)。
轉(zhuǎn)速計(jì)或類似指示器來確定振動(dòng)頻率，單位為Hz或CPM。
計(jì)時(shí)器或秒表。
振動(dòng)系統(tǒng)的限定裝置的作用為防止測(cè)試樣品脫離臺(tái)面，固定包裝件的測(cè)試方向，但是不能限制在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)。這點(diǎn)與ASTM D999標(biāo)準(zhǔn)要求一致。
同時(shí)給出了試驗(yàn)時(shí)間的計(jì)算公式。試驗(yàn)時(shí)間可以通過下式來計(jì)算：
式(1)
具體結(jié)果如表2所示。
具體試驗(yàn)的操作過程如下。
(1)將包裝件的面3向下放置于振動(dòng)臺(tái)上，其中面3為圖1所示。(2)啟動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)，使設(shè)備在最低的頻率下產(chǎn)生25 mm的位移。(3)在25mm的固定位移下，緩慢增加振動(dòng)臺(tái)的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開臺(tái)面。(4)金屬墊片能否從最長直徑的底部間斷地移動(dòng)到振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面。如果能，保持此頻率，并進(jìn)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(jù)公式(1)和步驟4的CPM或Hz來確定振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間。(6)開始計(jì)時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間。(7)振動(dòng)系統(tǒng)是否為垂直線性振動(dòng)。如果是，進(jìn)行步驟12;如果不是，進(jìn)行下一步驟。(8)完成一半的試驗(yàn)時(shí)間，則停止試驗(yàn)，同時(shí)按照表2進(jìn)行試驗(yàn)。(9)重新在最低的頻率產(chǎn)生25mm的全位移。(10)重復(fù)步驟(3)，在25mm的固定位移下，緩慢增加振動(dòng)臺(tái)的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開臺(tái)面。(11)重復(fù)步驟(4)。如果能，保持此頻率，并進(jìn)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(xù)計(jì)時(shí)，完成振動(dòng)試驗(yàn)的另一半時(shí)間。(13)完成振動(dòng)，進(jìn)行其它振動(dòng)試驗(yàn)。
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(dāng)前狀態(tài)或產(chǎn)品的狀態(tài)和位置。
四、GB/T 4857.7-2005包裝運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)方法
在此標(biāo)準(zhǔn)[11]中定位移法是樣品在2Hz的頻率下以選定預(yù)定的振幅振動(dòng)，并逐漸增加頻率，直至試驗(yàn)樣品即將與振動(dòng)臺(tái)分離為止。在試驗(yàn)期間，沿試驗(yàn)樣品底部移動(dòng)厚度為1.5mm-3.0mm、最小寬度為50mm的標(biāo)準(zhǔn)量具，試驗(yàn)樣品與振動(dòng)臺(tái)分離的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為在試驗(yàn)樣品至少三分之一的底面積部分，標(biāo)準(zhǔn)量具可以插入。這種試驗(yàn)方法又被稱為連續(xù)沖擊試驗(yàn)。
五、模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試的應(yīng)用
在包裝運(yùn)輸測(cè)試中，模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)已廣泛應(yīng)用。模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)主要通過模擬運(yùn)輸振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行，設(shè)備如圖2所示。模擬運(yùn)輸振動(dòng)臺(tái)主要通過控制臺(tái)面和控制器兩部分組成。控制臺(tái)面主要通過凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成回程，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)間的位移差為25mm，而利用凸輪和偏心軸承在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下通過帶傳動(dòng)產(chǎn)生橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡來模擬汽車或輪船運(yùn)輸過程中貨物產(chǎn)生的振動(dòng)和碰撞等機(jī)械現(xiàn)象。當(dāng)偏心軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在偏心軸承上測(cè)試平臺(tái)的整個(gè)平面就會(huì)產(chǎn)生橢圓形的上下前后運(yùn)動(dòng)，調(diào)整偏心軸隨轉(zhuǎn)動(dòng)速度相當(dāng)于調(diào)整汽車或輪船的行駛速度。同時(shí)控制器主要通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器和繼電器來計(jì)算時(shí)間。
控制系統(tǒng)：(1)直流電機(jī)調(diào)速，運(yùn)行平穩(wěn)，負(fù)載能力強(qiáng)。(2)回轉(zhuǎn)式振動(dòng)(俗稱跑馬式)，符合歐美運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。
箱體結(jié)構(gòu)：(1)數(shù)字儀表顯示振動(dòng)頻率。(2)同步靜噪皮帶傳動(dòng)，噪聲極低。(3)試品裝夾采用導(dǎo)軌式，操作方便、安全。
小型包裝件進(jìn)行模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)，如圖3。ASTM D999、ASTM D4169、ISTA 1A和2A及GB/T 4857.7-2005這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)原理一致，而儀器與設(shè)備逐漸規(guī)范，增加了轉(zhuǎn)速計(jì)和計(jì)時(shí)器，同時(shí)規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間有些不同。實(shí)驗(yàn)過程按照ISTA 2A進(jìn)行。通過試驗(yàn)，我們得出包裝件的Z軸向振動(dòng)頻率為3.5Hz，試驗(yàn)時(shí)間為14分鐘。試驗(yàn)后樣品不允許外觀明顯變形、破裂、結(jié)構(gòu)無松動(dòng)等損壞現(xiàn)象。
在運(yùn)輸包裝件進(jìn)行模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，通過標(biāo)準(zhǔn)解讀，模擬運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)能夠很好地模擬固定位移振動(dòng)試驗(yàn)，我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)來分析包裝過程旋轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)包裝件和產(chǎn)品的影響，來改進(jìn)產(chǎn)品包裝。
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[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(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn)方法.
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