振動試驗在包裝測試中的應用

宋恩鵬，馬致旸

（遼寧省電子信息產品監督檢驗院，沈陽 110001）

1 包裝

包裝是在流通過程中保護產品，方便儲運，促進銷售，按一定的技術方法所用的容器、材料和輔助物等的總體名稱；也可以泛指為達到上述目的在采用容器，材料和輔助物的過程中施加的技術方法等操作活動。

包裝的主要作用包括下面四種:

1）保護被包裝的商品，防止風險和損壞。一件商品，要經多次流通，才能走進商場或其它場所，最終到消費者手中。這期間，需要經過裝卸、運輸、庫存、陳列、銷售等環節。在儲運過程中，很多外因，如撞擊、潮濕、光線、氣體、細菌等因素，都會威脅到商品的安全。產品從生產出來到使用之前這段時間，保護措施是很重要的，包裝如不能保護好里面的物品，則是一種失敗的包裝。

2）提供方便。商品的包裝是否便于使用、攜帶、存放等。

3）傳遞信息。包裝上必須注明產品型號、數量、品牌以及制造廠家或零售商的名稱。包裝能幫助庫房管理人員準確地找到產品，也可幫助消費者找到他想要的東西。

4）促進銷售。

2 包裝測試

在產品檢測領域主要關心的是包裝的保護效果。這要求我們制定測試方案來評價包裝的效果，并根據結果不斷改進設計，使其達到最優——在滿足產品保護的前提下，盡可能減少產品包裝的總成本。

最常見的包裝測試是“包裝運輸測試（ISTA）”。包裝運輸、配送和包裝處理是一個龐大而復雜的過程，而且數量巨大，形式各異。在實驗室中進行模擬測試，是評估包裝保護設計在實際使用條件中表現的一個簡單、快捷、有效且費用低廉的方法。經過測試的包裝，能保證達到相關各方對其使用穩定性、環保性、循環利用性等各個方面的指標。

包裝運輸測試是指對運輸包裝件進行測量和試驗，使產品包裝達到合理要求。這種技術根據產品的特性和實際的流通環境，通過實驗室的模擬測試，不斷改進產品的包裝特性，結構設計和包裝方式以及使用材料，直到科學且經濟。運輸包裝測試是進行包裝設計、提高包裝質量、減少貨物在流通過程中的損失、實現包裝合理化的主要手段。新產品、新材料或新的包裝方式，以及運輸條件發生重大變化時都需要做運輸包裝測試。

運輸包裝測試中機械試驗處于核心地位，主要分為振動試驗和沖擊試驗兩大部分。詳細了解運輸過程中包裝件的振動特性，對包裝設計和評價，就顯得尤為重要。

3 振動危害與振動試驗

物體在外力作用下沿直線或弧線以中心位置（平衡位置）為基準的往復機械運動，稱為振動。物體離中心位置的最大距離為振幅。單位時間內振動的次數稱為頻率。振動對產品的主要影響是：①使結構損壞，引起變形、彎曲、產生裂紋、斷裂，造成部件間的相互撞擊等，從而使產品疲勞損壞；②使工作性能失靈、功能失效或性能超差，造成接觸部件的接觸不良，繼電器誤動作，電子管噪聲增加，指示燈閃爍等，從而導致工作不正常、不穩定，甚至完全不能工作；③使工藝性能破壞，如螺釘或連接件松動、脫焊等。

運輸包裝件所受的振動危害主要來自運輸過程中的環境危害和承載工具。汽車運輸時，路面的起伏、發動機的固有振動、減震彈簧的特性和輪胎的充氣程度等因素都可能會使運輸包裝件發生不同方向的振動；火車運輸時，振動則來源于牽引機車和鐵軌接縫；海運時，運輸包裝件就要承受發動機和水面風浪的顛簸帶來的振動；在航空運輸中，包裝件不但受到發動機高頻激振的影響，還要承受氣流作用產生的低頻振動以及周期性的搖擺。

振動試驗是環境試驗中的一種。它是在實驗室模擬各種惡劣的振動條件，以檢驗振動對產品的影響，例如：經振動試驗后樣品是否有結構的損壞，工作時是否出現了異常的噪聲，引線及元器件是否有開焊、斷裂或其它形式的失效等等。振動試驗一般放在振動試驗裝置上進行，其振動頻率、振動強度及試驗時間要根據振動試驗標準來確定。

振動試驗的目的是確定產品從制成開始，在運輸、使用及工作過程中所承受的外來振動或自身產生的振動，而不致破壞并能保持其原有性能，達到預定的壽命和可靠性的能力。振動試驗通常有下列幾種類型：

1）疲勞環境試驗：通過這種試驗了解各種機械、構件、設備、材料以及元器件，承受往復振動環境而引起的性能參數變化或疲勞破壞的有關數據。

2）研究性試驗：為了研究、開發新產品或改進、提高產品的質量，通過振動試驗提供必要的力學性能參數。

3）產品質量監控試驗：為確保制造的產品質量，嚴格控制生產工藝，采用振動試驗對其實行質量監控。

4）新產品質量驗證試驗：對新設計制造的產品，通過振動試驗來驗證其是否能承受預期的振動環境條件，并保持其應有的性能。

5）包裝運輸試驗：為了解產品出廠時包裝是否安全、牢固和合理，運輸中是否安全和可靠，通過振動試驗提供必要的參數。

6）適應性試驗：通過試驗確定人體對交通工具的振動、公害振動等是否適應，能否滿足人們在各種振動環境下正常生活或工作。

4 振動試驗的典型應用

振動試驗可以檢驗運輸包裝件的強度及對內裝物的保護能力。在測試過程中選擇合適的試驗方案讓試驗結果更接近現實，可以幫助企業更好地選擇包裝材料和包裝結構，控制包裝成本，預判可能造成的損失，并加以避免。

振動試驗方法中規定了“正弦振動試驗”和“隨機振動試驗”兩種型式的試驗方法。詳見表1所示。

4.1 正弦振動試驗

正弦振動試驗控制的參數主要是頻率和幅值。按照頻率特點分為定頻和掃頻兩種。

4.1.1 定頻試驗分為定加速法和定位移法兩種，主要用于：

1）耐共振頻率測試：對產品進行掃頻振動響應檢查時在發現的明顯共振頻率點上，施加規定振幅的振動，來測試產品耐受能力。

2）定頻耐久測試：在已知產品使用環境或運輸條件振動頻率時，可采用定頻耐久的振動試驗，以測試產品在預定危險頻率下承受振動的能力。

4.1.2 掃頻試驗主要用于：

1）產品掃頻振動響應檢查（即最初共振檢查）：確定共振點及工作的穩定性，找出產品共振頻率，以做耐共振頻率測試。

2）掃頻耐久測試：當產品在使用頻率范圍內無共振點時，或有數個不明顯的諧振點，則應進行掃頻耐久測試，掃頻處理方式在低頻段采用定位移幅值，高頻段采用定加速度幅值的對數連續掃描，其交越頻率一般在55Hz～72Hz，掃頻速率一般為每分鐘一個倍頻程。

3）最后共振檢查：以產品掃頻振動響應檢查相同的方法測試產品經掃頻耐久測試后，各共振點有無改變，以確定產品通過耐振處理后的可靠程度。

4.2 隨機振動試驗

在評價包裝件在振動條件下的力學性能時，最好的振動試驗方法是對包裝件進行隨機振動試驗。隨機振動是一種非確定性振動。當物體作隨機振動時，無論振動系統的位移、速度、加速度還是激勵荷載，都是一個隨機過程，隨機振動試驗能夠比較真實地反映運輸過程中運輸包裝件所遭受的危害。隨機振動相對傳統的正弦振動有著無法比擬的優點，它能模擬各種實際運輸條件下可能遇到的振動情況，如公路、鐵路、海運等等，能夠完全模擬實際過程中運輸包裝件所受到的振動能量。對于各種類型的運輸包裝件而言，隨機振動試驗都是適用的。

隨機振動的核心參數包括：方根加速度、頻率、試驗時間：

1）均方根加速度:均方根加速度是通過計算頻譜曲線下面的面積后再開根號求出。如PSD 是平線，則其值即為wf的平方根 ，其中W是PSD 值，f是頻率值，其值等于最高頻率-最低頻率，是斜線時則要運用微積分的方法計算。一般試驗標準中會給出相關值，給試驗人員參考。均方根加速度值與正弦振動的g值作用類似，它與設備的最大推力有關，是選擇設備的重要參數，也是設計試驗的關鍵之一。

2）頻率：頻率是隨機振動的另一個重要參數，其單位是Hz，頻率的選擇一般與實踐使用范圍有關。例如：模擬海面運輸的試驗頻率較低，一般從1～100Hz，低頻的PSD值大，試驗時給人的感覺像乘海輪，振幅大，頻率低。模擬鐵路運輸的試驗，頻率是5～150Hz，也是低頻的PSD 值大，如果人經受這個試驗就會如同乘坐火車旅行，振動時試驗臺發出的聲音也類似。高頻隨機振動則用來模擬飛機運輸或者其它有高頻場合的地方，一般高頻至2000Hz時，振動時噪聲非常刺耳。設計試驗時必須注意最高頻率和最低頻率值。高頻時，有些試驗附加臺面有可能不符合要求，不能使用；最低頻率時，則要了解其振幅是否要超過振動臺的最大允許值，不注意的話有可能損傷臺面，使試驗無法進行。

表1 幾種振動試驗方法的比較

3）試驗時間：在設計一個隨機振動時，選擇試驗時間，就是選擇模擬整個試驗施加給樣品的模擬運輸里程數，是試驗強度的關鍵指標，直接影響試驗的結果。在國軍標GJB 150.16的標準中，就給出了1小時的隨機振動相當于運輸多少公里的數值。隨機振動的試驗時間，一般在垂直方向最長，試驗條件也嚴酷，三個軸向的條件和實際差異很大，這與正弦振動中一般三個方向的試驗條件和試驗時間都是相同的極為不同。

有了均方根加速度、頻率范圍和試驗時間，這三個條件就可以進行隨機振動試驗了。隨著計算機技術飛速發展，許多專業軟件中已經將隨機振動試驗的參數進行了自動計算，不需要技術人員進行復雜的計算。但是，作為一個合格的試驗人員和專業的技術人員，應該熟悉各參數設置的原理。隨機振動的加速度譜密度、頻率范圍和試驗時間，是檢驗產品運輸包裝振動性能的重要因素。合理地選擇試驗條件，既可以使產品包裝和結構設計滿足運輸中振動環境的考驗，也可以將結構設計和運輸包裝成本控制到最低。

5 結束語

包裝運輸測試是一門綜合學科，是對包裝、產品結構設計、動力學、電工學等專業方向的融會貫通。只有設計合理的測試條件、模擬邊界、控制參數，并作出科學的數據分析，才能夠將試驗得到數據轉換成正確的包裝改進指導建議。因此作為試驗人員必須不斷的探索試驗技術的演變，學習包裝運輸方法理論體系的相關知識，不斷完善技術能力，才能滿足為產品包裝的科學性把關的要求。

[1]GB/T 2423.56-2006,電工電子產品環境試驗 第2 部分：試驗方法試驗Fh：寬帶隨機振動（數字控制）和導則[S].

[2]GB/T 2423.10-2008,電工電子產品環境試驗 第2 部分: 試驗方法試驗Fc: 振動(正弦)[S].

[3]黃昌海. 包裝測試在包裝方案優化中的價值[J].印刷技術, 2012,(02) : 25-27.

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