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包裝件模擬運輸旋轉振動(dòng)測試的標準解讀及應用分析
摘 要：通過(guò)對標準ASTM D999中的旋轉振動(dòng)測試、ASTM D4169 標準中的程序F松散載荷振動(dòng)、ISTA標準中的固定位移振動(dòng)試驗和GB/T 4857.7-2005標準中的定位移法這四個(gè)標準的分析與綜合，探討包裝件模擬運輸旋轉振動(dòng)測試的原理、設備要求和程序過(guò)程，得出包裝件模擬運輸旋轉振動(dòng)測試在包裝測試中的應用，為模擬運輸旋轉振動(dòng)臺奠定了理論基礎。
關(guān)鍵詞：包裝運輸 模擬 旋轉振動(dòng) 固定位移振動(dòng) 標準
在包裝運輸過(guò)程中，包裝運輸、配送和包裝處理是最關(guān)鍵的因素。而運輸包裝測試根據產(chǎn)品的特點(diǎn)與實(shí)際的運輸環(huán)境，通過(guò)實(shí)驗室的模擬環(huán)境，對包裝件進(jìn)行檢測和試驗，進(jìn)而通過(guò)改進(jìn)產(chǎn)品的包裝特性、結構設計和包裝方式以及使用材料，使產(chǎn)品包裝達到要求[1]。
評估運輸包裝件在實(shí)際使用中表現的一個(gè)簡(jiǎn)單、快捷、有效且低廉的方法是通過(guò)在實(shí)驗室中進(jìn)行模擬測試。通過(guò)測試的包裝，可以保證達到使用穩定性、環(huán)保性、循環(huán)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(guò)程中，車(chē)載設備會(huì )受到多種機械環(huán)境條件的影響，主要為振動(dòng)、沖擊、靜負荷、傾斜搖擺、穩態(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)測試可以用來(lái)檢測運輸包裝件的強度及對內裝產(chǎn)品的保護能力，主要是通過(guò)在包裝運輸過(guò)程中承受外來(lái)振動(dòng)或自身振動(dòng)，達到預定的壽命和可靠性的能力[3]。
振動(dòng)測試包括正弦振動(dòng)、周期性振動(dòng)、隨機振動(dòng)和顛簸等幾種運動(dòng)形式，但是在實(shí)際運輸過(guò)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(guò)程[4]。包裝件承受的是重復隨機沖擊環(huán)境，這種嚴酷的機械環(huán)境會(huì )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(huì )松開(kāi)包裝箱，破壞填充層，使之暴露于大氣環(huán)境下[5]。
在包裝運輸測試過(guò)程中包裝件會(huì )發(fā)生旋轉振動(dòng)、碰撞和沖擊等，而包裝運輸件在運輸過(guò)程中部分產(chǎn)生的振動(dòng)與運輸工具、裝載方式、路況等因素有關(guān)[6]。目前，運輸包裝件旋轉振動(dòng)(固定位移振動(dòng)試驗)的標準有美國材料與試驗協(xié)會(huì )標準ASTM D999、ASTM D4169、國際安全運輸協(xié)會(huì )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(gè)標準進(jìn)行分析。
一、ASTM D999-貨運集裝箱振動(dòng)試驗測試方法的標準實(shí)施規范
這個(gè)標準[7]涵蓋了貨運集裝箱的不同振動(dòng)測試，可以用來(lái)評估在實(shí)際運輸過(guò)程中貨運箱受到振動(dòng)時(shí)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(chǎn)品的保護能力)。這些程序適合于不同形式、材料、種類(lèi)、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(chǎn)品的振動(dòng)響應，也不能說(shuō)明這些程序是否更適合分析產(chǎn)品運作結構。
貨運箱在運輸過(guò)程會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)，因此受到復雜的動(dòng)態(tài)壓力。在A(yíng)2旋轉振動(dòng)測試中，適用于單個(gè)集裝箱在運輸車(chē)運輸過(guò)程中運動(dòng)沒(méi)有受到限制的測試，也適用于由于負載和堆碼的放大振動(dòng)導致貨運箱重復振動(dòng)的測試。
振動(dòng)測試設備裝備一個(gè)足夠強度和剛度的水平臺面，保證加載測試樣品時(shí)，設備施加的振動(dòng)在整個(gè)測試平面上均勻分布。通過(guò)測試臺面旋轉運動(dòng)，使包裝件在垂直方向產(chǎn)生正弦曲線(xiàn)的振動(dòng)。振動(dòng)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(shí)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(dòng)。
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(dòng)時(shí)脫離臺面，同時(shí)防止包裝件隨意擺動(dòng)，但不能限制測試樣品垂直運動(dòng)。調整限制裝置，使測試樣品在水平方向從中心位置產(chǎn)生大約10mm的自由運動(dòng)。
(2)振動(dòng)臺面的初始啟動(dòng)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(dòng)，當包裝件脫離測試平臺時(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(cháng)，墊片并能間歇地沿著(zhù)測試樣品的整個(gè)長(cháng)度移動(dòng)。通過(guò)足夠長(cháng)的墊片來(lái)確保操作者的安全，并把墊片平放在振動(dòng)臺面上。
(3)在這個(gè)振動(dòng)頻率下繼續測試，達到標準要求的時(shí)間，或規定的周期，或觀(guān)察到規定數量的損壞時(shí)停止試驗，并檢查損壞情況。
(4)如果貨運箱在運輸過(guò)程可能會(huì )以其它方向擺放，則至少保證一個(gè)貨運箱的每個(gè)可能擺放方向完成規定的測試時(shí)間。
備注4：如果沒(méi)有規定測試時(shí)間，推薦測試一個(gè)小時(shí)，也可以參考操作D4169。
(5)檢查貨運箱和內在產(chǎn)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(shí)施規范
這個(gè)標準[8]提供了評估貨運單元在實(shí)驗室中承受分配環(huán)境的能力的一個(gè)統一依據。這個(gè)標準是通過(guò)測試產(chǎn)品在不同分配周期經(jīng)受一系列預期的嚴酷環(huán)境的測試計劃來(lái)實(shí)現。但是對于危險材料的適用性還沒(méi)有確定。
在程序F-松散載荷振動(dòng)，通過(guò)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(guò)程中承受重復振動(dòng)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(shí)間。
測試方法參考ASTM D999中的方法2，測試環(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。在標準條件下進(jìn)行測試，并對氣候條件的影響進(jìn)行補償，標準大氣環(huán)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(jìn)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(chǎn)品的各個(gè)部件在72h的調節周期或足夠的時(shí)間達到平衡。
在此標準與ASTM D999中增加了駐留時(shí)間分配的規定。駐留時(shí)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(shí)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(dòng)裝置的集裝箱底部的測試時(shí)間為2小時(shí)，對于其它在運輸中任意取向的集裝箱，則每三個(gè)相互垂直的軸線(xiàn)測試時(shí)間為1小時(shí)。
(2)對于確保水平Ⅲ，集裝箱底部進(jìn)行15分鐘測試，同時(shí)兩個(gè)相鄰的邊分別進(jìn)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(dòng)試驗的設備要求，它們都規定了振動(dòng)試驗系統在固定頻率下能產(chǎn)生1in(25mm)振幅的振動(dòng)。
儀器需要滿(mǎn)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(shí)器。
振動(dòng)臺可做旋轉運動(dòng)或者垂直線(xiàn)性運動(dòng)，振幅峰-峰值為1in(25mm)。
金屬薄片：0.06in(1.5mm)厚，大約2in(50mm)寬，長(cháng)度適當。
轉速計或類(lèi)似指示器來(lái)確定振動(dòng)頻率，單位為Hz或CPM。
計時(shí)器或秒表。
振動(dòng)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(dòng)。這點(diǎn)與ASTM D999標準要求一致。
同時(shí)給出了試驗時(shí)間的計算公式。試驗時(shí)間可以通過(guò)下式來(lái)計算：
式(1)
具體結果如表2所示。
具體試驗的操作過(guò)程如下。
(1)將包裝件的面3向下放置于振動(dòng)臺上，其中面3為圖1所示。(2)啟動(dòng)振動(dòng)系統，使設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)臺的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開(kāi)臺面。(4)金屬墊片能否從最長(cháng)直徑的底部間斷地移動(dòng)到振動(dòng)臺的臺面。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(mǎn)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(lái)確定振動(dòng)試驗時(shí)間。(6)開(kāi)始計時(shí)振動(dòng)試驗時(shí)間。(7)振動(dòng)系統是否為垂直線(xiàn)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)完成一半的試驗時(shí)間，則停止試驗，同時(shí)按照表2進(jìn)行試驗。(9)重新在最低的頻率產(chǎn)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(dòng)臺的頻率(速度)直到包裝件能即刻離開(kāi)臺面。(11)重復步驟(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(mǎn)足步驟11的要求，然后保持此頻率。(12)繼續計時(shí)，完成振動(dòng)試驗的另一半時(shí)間。(13)完成振動(dòng)，進(jìn)行其它振動(dòng)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(tài)或產(chǎn)品的狀態(tài)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(dòng)，并逐漸增加頻率，直至試驗樣品即將與振動(dòng)臺分離為止。在試驗期間，沿試驗樣品底部移動(dòng)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(dòng)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(chēng)為連續沖擊試驗。
五、模擬運輸旋轉振動(dòng)測試的應用
在包裝運輸測試中，模擬運輸旋轉振動(dòng)試驗已廣泛應用。模擬運輸旋轉振動(dòng)試驗主要通過(guò)模擬運輸振動(dòng)臺進(jìn)行，設備如圖2所示。模擬運輸振動(dòng)臺主要通過(guò)控制臺面和控制器兩部分組成�？刂婆_面主要通過(guò)凸輪轉動(dòng)形成回程，凸輪轉動(dòng)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(dòng)下通過(guò)帶傳動(dòng)產(chǎn)生橢圓形的運動(dòng)軌跡來(lái)模擬汽車(chē)或輪船運輸過(guò)程中貨物產(chǎn)生的振動(dòng)和碰撞等機械現象。當偏心軸承轉動(dòng)時(shí)，固定在偏心軸承上測試平臺的整個(gè)平面就會(huì )產(chǎn)生橢圓形的上下前后運動(dòng)，調整偏心軸隨轉動(dòng)速度相當于調整汽車(chē)或輪船的行駛速度。同時(shí)控制器主要通過(guò)電機的轉速傳感器和繼電器來(lái)計算時(shí)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(dòng)(俗稱(chēng)跑馬式)，符合歐美運輸標準。
箱體結構：(1)數字儀表顯示振動(dòng)頻率。(2)同步靜噪皮帶傳動(dòng)，噪聲極低。(3)試品裝夾采用導軌式，操作方便、安全。
小型包裝件進(jìn)行模擬運輸旋轉振動(dòng)試驗，如圖3。ASTM D999、ASTM D4169、ISTA 1A和2A及GB/T 4857.7-2005這四個(gè)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(shí)器，同時(shí)規定的試驗時(shí)間有些不同。實(shí)驗過(guò)程按照ISTA 2A進(jìn)行。通過(guò)試驗，我們得出包裝件的Z軸向振動(dòng)頻率為3.5Hz，試驗時(shí)間為14分鐘。試驗后樣品不允許外觀(guān)明顯變形、破裂、結構無(wú)松動(dòng)等損壞現象。
在運輸包裝件進(jìn)行模擬運輸旋轉振動(dòng)試驗時(shí)，通過(guò)標準解讀，模擬運輸旋轉振動(dòng)能夠很好地模擬固定位移振動(dòng)試驗，我們可以根據實(shí)驗室模擬試驗來(lái)分析包裝過(guò)程旋轉振動(dòng)對包裝件和產(chǎn)品的影響，來(lái)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包裝運輸包裝件基本試驗方法.
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