運輸包裝件正弦定頻振動試驗詳解

■ 文/陳振強，張衛紅，鄭安，李志恒，陳志強

運輸包裝件振動試驗分為正弦定頻振動試驗、正弦變頻振動試驗（俗稱：掃頻試驗）和隨機振動試驗，不涉及復合振動試驗。復合振動試驗適用于電子元器件、軍工裝備、航空航天等特殊應用領域，因而復合振動試驗不在運輸包裝件試驗方法的談論范圍之內。

正弦定頻振動試驗用于評定運輸包裝件和單元貨物在正弦定頻振動情況下的強度和包裝對內裝物的保護能力，既可以作為單項試驗，也可以作為一系列試驗的組成部分。這項試驗的特點是運輸包裝不固定在振動臺臺面上，為了安全起見，包裝件四周可以安裝高低護欄，護欄與包裝件之間留有一定的間隙，不能限制或影響包裝件垂直方向的運動。由于不同標準對正弦定頻振動試驗的規定存在不同的規定，為方便選擇標準和理解標準之間的差異，下面將根據不同標準的規定對正弦定頻振動試驗展開詳細闡述。一般標準對試驗設備、試驗程序和試驗報告分別進行了規定，涉及內容較多，本文僅對試驗程序進行詳細說明，具體內容如下：除了各標準的試驗方法存在差異以外，試驗程序中的其他要求基本一致，各標準的試驗程序。

1 各標準的相同之處

除了試驗方法以外，試驗程序的規定基本大同小異，沒有本質性的差異。下面對相同之處進行統一說明，不按照標準分開闡述，各標準相同之處的具體內容如下。

1.1 試驗樣品的裝備

一般用正常運輸包裝件作為試驗樣品，考慮到包裝件內裝物的特性和價值，可以采用模擬內裝物，模擬內裝物尺寸及物理性質，均應接近內裝物尺寸及物理性質，并按發運前的正常程序對包裝件進行封裝。

試驗時，內裝物使用真是產品是首選條件。但是，如果無法獲得真是產品，而使用模擬內裝物，就要對模擬物進行評估，并確保使用的模擬物不會對試驗結果產生影響。當使用有缺陷的實際內裝物時，應詳細記錄內裝試驗前的缺陷，試驗后，若試驗前的缺陷沒有發生明顯變化，則認為這些缺陷沒有影響試驗結果；如果試驗前的缺陷發生了明顯變化，則建議使用無缺陷的內裝物重新進行試驗評價。

當僅測試包裝的保護性能時，也就是考察試驗對包裝產生的損壞時，可以不要求內裝的狀態，此時的內裝僅作為試驗配重使用，無需對內裝物性能進行評價。

1.2 試驗樣品各部位的編號

以最常見的平行六面體為例，這種類型的包裝件包含6個面、8個角和12條棱，按照各標準的要求對6個面進行標示后，26個面角棱都有了唯一性編號。對各部位進行編號的目的是為了清晰記錄不用試驗時樣品哪些部位經歷了何種類型的試驗以及試驗順序。當樣品沒有通過試驗后，可根據這些記錄分析試驗失敗的原因，在包裝或產品改進后，再次按照相同的試驗項目和順序進行試驗。如果沒有對包裝件的各部位進行編號，會影響試驗結果的分析以及準確的再現試驗。

如果僅做單項正弦定頻試驗，可以不對樣品的各部位進行編號，因為定頻振動試驗都是要求按照預定的狀態放置到振動臺面上進行試驗。預定狀態也就是包裝件正常的運輸狀態，底面向下放置。定頻振動試驗不存在包裝件將包裝件側面放置到振動臺的情況，除非客戶有特殊要求。

1.3 試驗樣品的預處理

根據包裝件的目的地，從標準中選擇或者根據實際情況確定一種或多種溫濕度條件進行預處理，可以是溫度試驗、濕度試驗，也可以是溫濕度循環試驗，在特定情況下需要進行溫度沖擊試驗。

包裝件是否需要溫濕度預處理試驗，需要根據包裝件的特性進行判定，并不是所有的包裝件都需要進行溫濕度預處理試驗。當溫濕度對包裝件的性能不存在影響或者影響可以忽略時，就沒必要進行溫濕度預處理。如果溫濕度在包裝件運輸過程中存在潛在的風險，就必需要對包裝件進行溫濕度預處理。

1.4 試驗時的溫濕度條件

試驗應在與預處理相同的溫濕度條件下進行，如果達不到預處理條件，必須在試驗樣品離開預處理條件5 min之內開始試驗。但實際情況是，幾乎沒有實驗室能夠滿足試驗能在相同的預處理條件下進行試驗，按照GB/T 4857.2—2005的規定，最低溫度-55℃，最高溫度+55℃，一是沒有試驗設備能夠在這兩種條件下進行正常工作，二是必須將試驗設備放置到特定尺寸的氣候箱中才能滿足溫濕度條件的要求。事實上，包裝件在溫濕度預處理完成后5 min之內進行后續試驗。包裝件沒有在與預處理溫濕度條件相同的條件下進行后續試驗，試驗結果可能會存在一定的影響，為了降低或減少這種影響；若有些標準規定后續試驗的試驗時間不超過3 h，則忽略這種情況的影響；若后續試驗無法在3 h內完成，則需要在3 h后將包裝件重新進行8 h的溫濕度預處理，然后再進行下一步的試驗。

1.5 試驗強度的選擇

按照相應標準的規定，一般標準的試驗強度都在試驗方法中進行了規定，具體內容見試驗方法。

2 各標準的不同之處——試驗方法

試驗方法中規定了試驗參數，為了方便閱讀，在每個方法后面用括號標注了試驗方法在標準中的條款號。具體各標準的試驗方法如下：

2.1 GB/T 4857.7—2005 《包裝 運輸包裝件基本試驗 第7部分 正弦定頻振動試驗方法》

GB/T 4857.7—2005修改采用ISO2247：2000，這兩個標準的文本結構存在差異，技術內容方面的規定是一致的，所以可將這兩個標準看成一個標準。GB/T 4857.7規定了兩種試驗方法，具體內容如下。

2.1.1 方法A：包裝件試驗時不跳離臺面（標準中的第5.6.3條）

振動臺產生0.5 g～1.0 g之間的加速度，并且使樣品不跳離臺面。然后選擇10 mm、15 mm、20 m或25 mm的峰峰值位移，使得振動臺產生0.5 g～1.0 g的加速度進行定頻振動試驗。

這就要求試驗前需要明確試驗頻率—加速度或者試驗頻率—波峰值位移。在一般情況下，試驗需求方很難獲得這樣的精確數據，這種試驗方法在實際中極少被使用。

2.1.2 方法B：包裝件試驗時跳離臺面（標準中的第5.6.4條）

使振動臺產生可選范圍的加速度，使得包裝件從臺面跳離而引起相對沖擊。按照選定的振幅，包裝件在2 Hz頻率下開始振動，并逐漸提高頻率，直至包裝件能夠跳離振動臺面。包裝件與振動臺面分離的要求是：試驗期間，沿包裝件底部移動1.5 mm～3 mm，使用最小寬度為50 mm的標準量具，在至少三分之一包裝件底面積的部分，可以插入該標準量具。振動頻率、振幅與加速度的關系，如圖1所示。

圖1 振動頻率、振幅與加速度的關系

這項試驗方法沒有規定具體的波峰峰值位移，從實際情況來看，一般默認選擇被峰峰值位移為25 mm，這樣就與其他標準的規定保持一致。

方法A和方法B都只規定了試驗開始的條件，沒有規定具體的試驗時間，同時該標準的引用文件GB/T 4857.17—2017也沒有固定試驗時間。這也是該標準在使用過程中存在的一個漏洞。該標準在使用過程中如無特殊規定或需求，一般推薦試驗時間為60 min。

2.2 ASTM D 999—2008 Standard Test Methods for Vibration Testing of Shipping Containers

包裝件放置在振動臺面，四周安裝護欄，護欄不能限制包裝件垂直方向的文藝，但也不能給包裝間水平方向產生嚴重的沖擊。也就是說，護欄既不能在水平方向擠壓包裝件，也不能與包裝件間的距離過大。

2.2.1 方法A1：重復沖擊試驗（標準中的第9.1條）

要求試驗設備在垂直方向能產生25 mm波峰峰值位移，設備頻率范圍2 Hz～5 Hz之間。包裝件在振動臺面劇中放置。如無特殊規定，試驗時間為1 h。

2.2.2 方法A2：重復沖擊試驗（標準中的第9.1條）

要求試驗設備在垂直和水平兩個方向能同時產生25 mm波峰峰值位移，即設備可以做圓周運動，設備頻率范圍2 Hz～5 Hz之間。包裝件靠近振動臺后擋板放置。如無特殊規定，試驗時間為1 h。

包裝件與振動臺面分離的要求：金屬片厚度1.6 mm、最小寬度為50 mm、長度為254 mm。沿包裝件底部長度方向在振動臺上可間歇移動。

方法A1和方法A2的主要區別是試驗設備。適用于在運輸過程中不固定的包裝件和單或貨物。這兩種試驗方法對包裝件施加的作用力不一樣，可能會對包裝件產生不同的試驗結果。這兩種試驗之間沒有關聯性，試驗結果也沒有可比較性。

2.3 STA1A與ISTA 1B

ISTA11A和ISTA 1B對定頻振動試驗也做了詳細的規定，試驗方法是一樣的，唯一的區別是ISTA 1A包裝件不超過68 kg，振動次數是14 200次，ISTA 1B包裝件質量超過68 kg，振動次數是11 800次。

2.3.1 垂直線性振動試驗

振動臺在控制振幅峰峰值位移25 mm后，最低頻率開始振動，緩慢增加頻率直至包裝件跳離臺面。振動時間min=振動次數/（頻率×60），振動期間不改變包裝件的方向，一次完成振動試驗。

2.3.2 旋轉振動試驗

振動參數與垂直線性振動試驗一致，試驗時間計算方法也一致。包裝件分兩次振動，振動總時間均分。要求包裝件在振動到一半時間時，停止振動試驗，將包裝件在振動臺面上水平旋轉90°或者旋轉180°（主要是旋轉90°時，包裝件的長度超過了振動臺臺面的尺寸）。包裝件與振動臺面分離的要求是：試驗期間，將1.5 mm厚、寬度50 mm、長度適宜的金屬片，沿包裝件底部長度方向在振動臺上可間歇移動。

這兩種試驗方法未說明試驗方法的差異，按照已有的試驗設備選擇試驗方法即可。

2.4 GJB 2711—1996 《軍用運輸包裝件試驗方法》

將包裝件按照實際運輸狀態放置在振動臺面，不固定。如包裝件有幾種擺放方式，按時改變放置狀態，且每種狀態的振動時間相等。一種擺放狀態的振動時間為120 min，多種擺放狀態的總振動時間為180 min，振動臺面加裝限位裝置時，包裝件的中心能在個水平方向12 mm范圍內做無約束運動。

2.4.1 方法a（標準中的5.3a條）

從3～5 Hz中選定一個頻率值，此頻率在1.0 g峰值加速度下進行振動試驗。

2.4.2 方法b（標準中的5.3b條）

調整振動臺峰峰值位移為25 mm，3 Hz頻率開始振動、然后緩慢增加頻率，直至包裝件跳離臺面。包裝件與振動臺面分離的要求是：用1.5 mm厚的塞尺能瞬時自由插入包裝件與振動臺面之間的任何一個位置。

2.5 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》（標準中的第A.2.2.3條）

這個標準適用于軍用裝備，不適用于包裝件，只是這個標準中的程序II——散裝貨物運輸的定頻振動試驗與上述標準類似，所將該標準在此文中一并闡述。

該試驗是模擬散裝貨物的運輸車輛通過無規律路面時會出現彈跳、挪動，在水平方向與其他貨物和車輛擋板相互碰撞等情況，這項試驗復現在這些條件下運輸散裝貨物時出現的重復隨機沖擊環境。

振動臺臺面的垂直面內可以產生頻率5 Hz、雙振幅值25.4 mm的圓周運動，樣品在臺面不固定，允許試件與試驗裝置的限制物發生碰撞。因為試驗頻率和振幅已確定，所以此試驗沒有規定貨物跳離臺面的要求。

圖2給出了試驗裝置的圖紙及相關附件尺寸。此試驗項目也是唯一一個規定了試驗時間與運輸距離的對應關系。20 min的試驗持續時間可以代表從部隊貯存地區到使用地點在不同路面上行駛240 km的運輸。

圖2 試驗裝置的圖紙及相關附件測尺寸

綜上所述：正弦定頻振動試驗作為最基礎的振動試驗方法，除了GJB 150.16A—2009以外，其余標準的相同之處可簡單總結為振動臺可產生2 Hz～5 Hz、25 mm波峰峰值位移振動，使用厚度為1.5 mm、寬度為50 mm和適當長度的金屬片確定包裝件的跳離臺面。一般情況下，使用垂直方向定頻振動試驗即可。若包裝件可能存在水平方向的碰撞沖擊，則使用旋轉振動試驗方法。