用運輸試驗測定木箱生命周期的方法探討

王偉

（中國包裝科研測試中心，天津 300457）

用運輸試驗測定木箱生命周期的方法探討

王偉

（中國包裝科研測試中心，天津 300457）

本文對可循環使用的木箱采取加速壽命試驗方法，分析木箱在實際運輸中受到的環境、機械振動、沖擊等應力，模擬木箱的實際運輸環境，對木箱進行運輸性能試驗，評估驗證木箱的使用壽命，從而獲得木箱的生命周期。

壽命剖面；PSD功率譜密度；置信度；使用方風險

Abstract: This paper describes an accelerated life test method for reusable wooden boxes, analyzes stresses such as environment, mechanical vibration and shock, etc. to the boxed during the real transport,stimulating the real transport environment, performing transport performance tests to the boxes, to evaluate the life of the boxes, so as to get the life cycle of the wooden boxes.

Key words: life profile; power spectral density; confidence level; consumer’s risk

可循環木箱可以多次復用，提高物流效率，是生產企業實現物流現代化的重要包裝器具，并且符合綠色包裝的要求；對減少國家森林資源的消耗，對社會經濟的可持續發展具有極其重要的現實意義。但它真實的循環次數即壽命評估還需要進一步研究和探討。在可靠性領域，將產品從開始工作到發生故障前的使用時間稱為壽命期。為此需要驗證木箱能否滿足預期使用壽命的要求。

試驗樣品選用框架木箱，用物流監控儀記錄產品的壽命剖面。通過運輸包裝試驗，如隨機振動試驗、叉運試驗、沖擊試驗、跌落試驗等，模擬完整的物流過程，記錄當樣品在某一環節發生損壞時，記錄試驗結果。然后用概率的方法確定置信度，最終算出木箱的壽命區間。

壽命剖面：產品從交付到壽命終結或退出使用這段時間內所經歷的全部事件或環境的時序分析。

置信度：設總體的分布族為{Pθ，θ＜θ}，其中θ為一維參數；若存在兩個量T1（χ1，χ2，……，χn）及T2（χ1，χ2，……，χn），對給定的α（1＜α＜1）有P{ T1（χ1，χ2，……，χn）≤θ≤T2（χ1，χ2，……，χn）}≥1-α，則稱隨機區間[T1，T2]為參數θ的置信水平1-α的置信區間，T1為置信下限，T2為置信上限，1-α為置信水平或置信度。置信度為所測數據的可信程度，表示真值出現在該范圍內的幾率。

使用方風險：壽命真值小于置信下限的概率，用β表示，置信度=（1-2β）×100%。

1 選取研究對象

本文為了具有更廣泛的適用性，特意選用海運、空運中用量大，具有代表性的木箱；不同箱型中通用或常用配合部件；木箱通用材料、常用零部件、連接件，如圖1所示。

圖1 可循環使用框架木箱

2 失效原因分析

失效分析是加速壽命試驗確定應力類型的基礎，通過失效分析可確定壽命期內的敏感應力，進而作為加速壽命試驗的應力。

木箱壽命期使用過程中受到多重環境應力的作用而導致故障，主要包括自然環境應力和誘發環境應力。根據木箱潛在故障模式及機理分析結果，自然環境應力中敏感應力主要是濕熱環境；誘發環境應力中敏感應力主要是陸運、空運、裝卸過程中的隨機振動、沖擊、跌落。因此，加速壽命試驗選取的應力類型為濕熱環境、隨機振動、叉運、沖擊和跌落等。

3 選擇加速應力和加載方法

依據IEC 62506-2013中的加速方法，木箱加速壽命試驗主要通過三種手段實現加速：

（1）時間壓縮方法

時間壓縮方法是一種只考慮產品能產生明顯損傷狀態下的持續時間的加速試驗方法。木箱只考慮壽命期內裝卸和運輸等對產品有明顯損傷的時間段，而忽略其儲存等對產品基本無損傷的時間段。

（2）事件壓縮方法

當一種應力是不斷循環的，可以通過增加應力重復頻次來實現加速。

（3）加大應力方法

加大應力方法主要是通過加大環境應力來實現加速目的的，加速壽命試驗加大應力的范圍如圖2所示。木箱工作極限是其正常使用所能承受的應力極限，超過這一極限就不能正常使用。對于木箱這種特殊產品，其不能正常使用即是破壞，故其工作極限和破壞極限相同。

圖2 加大應力的范圍

3.1 環境老化試驗

根據實際運輸中在集裝箱內外監測到的溫濕度數據，溫度變化范圍-5℃～45℃，濕度變化范圍25%～65%。

環境老化試驗采用加大應力的方法，試驗條件應高于海運實測濕熱條件。選用GJB150.9A-2009中的加嚴試驗方法[1-2]，試驗條件見圖3，量級小于木箱的工作極限。根據實際監測情況，10個周期模擬使用16年中濕熱環境對木箱的影響。

圖3環境試驗濕熱交變條件

3.2 隨機振動

根據實際運輸監測的數據，木箱一年中陸運距離2325km，陸運隨機振動試驗條件按照標準ISTA 3E-2009中的規定進行[5]，試驗時間（分鐘）=運輸距離（公里）÷8，最長試驗時間240分鐘，因此振動時間為240min。振動路譜按圖4所示。

圖4 公路運輸隨機振動路譜

3.3 叉運試驗

在陸運、海運過程，到達后，由叉車從集裝箱內掏出，木箱的裝卸與移動都依靠叉車進行叉運。

依據IEC 62506-2013和ASTM D6055-96[3]，叉運試驗采用事件壓縮的方法，模擬實際裝卸中的叉車裝載過程及叉運過程中經歷倉庫門口、港口或其他不平坦之處受到的顛簸。實際一個循環中叉運12次，加速試驗1循環模擬實際運輸1年，因此加速試驗1循環叉運12次。

在常規工作條件下，叉車可以從木箱四個方向叉運，叉運方向具有隨機性，因此試驗時叉運次數均分到四個面，即試驗1個循環中木箱4個面各叉運3次。

3.4 斜面沖擊試驗

依據IEC 62506-2013，斜面沖擊試驗采用事件壓縮和加大應力的方法，模擬實際裝卸和運輸中受到的沖擊，如陸運緊急剎車、叉車卸貨時都會受到沖擊。依據標準ISTA 3E-2009[5]，對研究對象進行斜面沖擊試驗，以1.1m/s的速度，對4個側面依次按順序沖擊。依據可靠性試驗經驗和實際運輸過程中的沖擊情況，1次斜面沖擊試驗模擬1年實際使用中對木箱的沖擊影響。

3.5 旋轉棱跌落試驗

在木箱流通中，跌落為不可控因素，旋轉棱跌落試驗采用事件壓縮和加大應力的方法，依據標準IEC 62506-2013和ISTA 3E-2009[5]，模擬實際裝卸和運輸中受到的跌落，旋轉棱跌落試驗量級小于木箱的工作極限。依據軍工行業可靠性鑒定試驗工程經驗和實際裝卸中跌落情況，1個循環的旋轉棱跌落試驗模擬2年使用過程中跌落對木箱的影響。

4 加速試驗

運輸性能加速試驗中，試驗1個循環相當于實際周轉1年。

5 數據處理與壽命評估

5.1 故障分析

加速壽命試驗中木箱發生側板分離、原因為圍板間結合強度降低，強度不足以抗拒外力沖擊時故障發生。在使用中必須定期維護，檢查螺釘是否能牢固結合。

5.2 壽命評估分析

依據試驗結果，對參試木箱進行壽命界定，定義安全期、預警期、風險期三個階段。在安全期和預警期內可能需要簡單維修，如更換金屬部件；風險期需要勤檢查與維護，發生大故障時根據實際情況更換新箱。

加速壽命試驗與實際使用存在差異，實際使用中不同木箱也存在差異，實際使用中木箱的壽命可能是加速壽命試驗驗證的壽命結果附近的某值，因此對木箱進行統計意義上的壽命評估。統計方案選用GJB 899A-2009可靠性驗證試驗中的標準型定時試驗統計方案[4]，置信度為80%。

在置信度為80%情況下，依據公式（1）計算木箱使用壽命的置信下限：

式中，θL為置信下限，為總試驗時間，為責任故障數量，此處為加速壽命試驗中導致壽命終結的故障；γ為置信度，γ=0.8；χ2為的分位點值。

加速壽命試驗第8循環時，受到沖擊、跌落的影響，導致側板分離，不能正常工作，對木箱進行維修。對側板重新固定按安裝，維修后木箱強度較故障前提高，試驗結束后，外觀無異常發生，木箱使用壽命可以滿足16年的使用要求。

依據試驗結果，第8循環后木箱側板分離，以此作為木箱安全期和預警期的分界線。

在綜合運輸、儲存環境條件下，置信度為80%時，依據公式（1），16個循環模擬16年使用壽命，T=16，Z=0，計算得θL=9.94。

因此，在置信度為80%情況下，木箱的使用壽命置信下限為9.94年。

此時使用方風險為10%，即壽命真值小于置信下限9.94年的概率為10%。

6 結束語

經加速壽命試驗，得出以下結論：

對于所選取的木箱，在常規物流環境和可維修的情況下，90%以上壽命不低于9.94年。

[1] GJB 150．9A-2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第9部分：濕熱試驗[S]．

[2] GJB 150．16A-2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法第16部分：振動試驗[S]．

[3] ASTM D6055-96, 大型包裝件的機械搬運[S]．

[4] GJB899A-2009, 可靠性鑒定與驗收試驗[S]．

[5] ISTA 3E-2009, 同種產品的包裝單元試驗[S]．

The Method Probe to Measure the Life Cycle of Wooden Boxes by Transport Tests

WANG Wei

TB485.3

A

1400 (2017) 09-0044-04

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.09.002

王偉(1980- )，男(漢族)，天津人，中國包裝科研測試中心，工程師 ，學士學位 ，2005年至今從事運輸包裝檢測工作。