運(yùn)輸包裝件正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)詳解

■ 文/陳振強(qiáng)，張衛(wèi)紅，鄭安，李志恒，陳志強(qiáng)

運(yùn)輸包裝件振動(dòng)試驗(yàn)分為正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)、正弦變頻振動(dòng)試驗(yàn)（俗稱：掃頻試驗(yàn)）和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，不涉及復(fù)合振動(dòng)試驗(yàn)。復(fù)合振動(dòng)試驗(yàn)適用于電子元器件、軍工裝備、航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，因而復(fù)合振動(dòng)試驗(yàn)不在運(yùn)輸包裝件試驗(yàn)方法的談?wù)摲秶畠?nèi)。

正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)用于評(píng)定運(yùn)輸包裝件和單元貨物在正弦定頻振動(dòng)情況下的強(qiáng)度和包裝對(duì)內(nèi)裝物的保護(hù)能力，既可以作為單項(xiàng)試驗(yàn)，也可以作為一系列試驗(yàn)的組成部分。這項(xiàng)試驗(yàn)的特點(diǎn)是運(yùn)輸包裝不固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，為了安全起見(jiàn)，包裝件四周可以安裝高低護(hù)欄，護(hù)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(yùn)動(dòng)。由于不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)的規(guī)定存在不同的規(guī)定，為方便選擇標(biāo)準(zhǔn)和理解標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，下面將根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對(duì)正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)展開(kāi)詳細(xì)闡述。一般標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)報(bào)告分別進(jìn)行了規(guī)定，涉及內(nèi)容較多，本文僅對(duì)試驗(yàn)程序進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，具體內(nèi)容如下：除了各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法存在差異以外，試驗(yàn)程序中的其他要求基本一致，各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序。

1 各標(biāo)準(zhǔn)的相同之處

除了試驗(yàn)方法以外，試驗(yàn)程序的規(guī)定基本大同小異，沒(méi)有本質(zhì)性的差異。下面對(duì)相同之處進(jìn)行統(tǒng)一說(shuō)明，不按照標(biāo)準(zhǔn)分開(kāi)闡述，各標(biāo)準(zhǔn)相同之處的具體內(nèi)容如下。

1.1 試驗(yàn)樣品的裝備

一般用正常運(yùn)輸包裝件作為試驗(yàn)樣品，考慮到包裝件內(nèi)裝物的特性和價(jià)值，可以采用模擬內(nèi)裝物，模擬內(nèi)裝物尺寸及物理性質(zhì)，均應(yīng)接近內(nèi)裝物尺寸及物理性質(zhì)，并按發(fā)運(yùn)前的正常程序?qū)Πb件進(jìn)行封裝。

試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)裝物使用真是產(chǎn)品是首選條件。但是，如果無(wú)法獲得真是產(chǎn)品，而使用模擬內(nèi)裝物，就要對(duì)模擬物進(jìn)行評(píng)估，并確保使用的模擬物不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。當(dāng)使用有缺陷的實(shí)際內(nèi)裝物時(shí)，應(yīng)詳細(xì)記錄內(nèi)裝試驗(yàn)前的缺陷，試驗(yàn)后，若試驗(yàn)前的缺陷沒(méi)有發(fā)生明顯變化，則認(rèn)為這些缺陷沒(méi)有影響試驗(yàn)結(jié)果；如果試驗(yàn)前的缺陷發(fā)生了明顯變化，則建議使用無(wú)缺陷的內(nèi)裝物重新進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。

當(dāng)僅測(cè)試包裝的保護(hù)性能時(shí)，也就是考察試驗(yàn)對(duì)包裝產(chǎn)生的損壞時(shí)，可以不要求內(nèi)裝的狀態(tài)，此時(shí)的內(nèi)裝僅作為試驗(yàn)配重使用，無(wú)需對(duì)內(nèi)裝物性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 試驗(yàn)樣品各部位的編號(hào)

以最常見(jiàn)的平行六面體為例，這種類型的包裝件包含6個(gè)面、8個(gè)角和12條棱，按照各標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)6個(gè)面進(jìn)行標(biāo)示后，26個(gè)面角棱都有了唯一性編號(hào)。對(duì)各部位進(jìn)行編號(hào)的目的是為了清晰記錄不用試驗(yàn)時(shí)樣品哪些部位經(jīng)歷了何種類型的試驗(yàn)以及試驗(yàn)順序。當(dāng)樣品沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)后，可根據(jù)這些記錄分析試驗(yàn)失敗的原因，在包裝或產(chǎn)品改進(jìn)后，再次按照相同的試驗(yàn)項(xiàng)目和順序進(jìn)行試驗(yàn)。如果沒(méi)有對(duì)包裝件的各部位進(jìn)行編號(hào)，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的分析以及準(zhǔn)確的再現(xiàn)試驗(yàn)。

如果僅做單項(xiàng)正弦定頻試驗(yàn)，可以不對(duì)樣品的各部位進(jìn)行編號(hào)，因?yàn)槎l振動(dòng)試驗(yàn)都是要求按照預(yù)定的狀態(tài)放置到振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行試驗(yàn)。預(yù)定狀態(tài)也就是包裝件正常的運(yùn)輸狀態(tài)，底面向下放置。定頻振動(dòng)試驗(yàn)不存在包裝件將包裝件側(cè)面放置到振動(dòng)臺(tái)的情況，除非客戶有特殊要求。

1.3 試驗(yàn)樣品的預(yù)處理

根據(jù)包裝件的目的地，從標(biāo)準(zhǔn)中選擇或者根據(jù)實(shí)際情況確定一種或多種溫濕度條件進(jìn)行預(yù)處理，可以是溫度試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)，也可以是溫濕度循環(huán)試驗(yàn)，在特定情況下需要進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)。

包裝件是否需要溫濕度預(yù)處理試驗(yàn)，需要根據(jù)包裝件的特性進(jìn)行判定，并不是所有的包裝件都需要進(jìn)行溫濕度預(yù)處理試驗(yàn)。當(dāng)溫濕度對(duì)包裝件的性能不存在影響或者影響可以忽略時(shí)，就沒(méi)必要進(jìn)行溫濕度預(yù)處理。如果溫濕度在包裝件運(yùn)輸過(guò)程中存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，就必需要對(duì)包裝件進(jìn)行溫濕度預(yù)處理。

1.4 試驗(yàn)時(shí)的溫濕度條件

試驗(yàn)應(yīng)在與預(yù)處理相同的溫濕度條件下進(jìn)行，如果達(dá)不到預(yù)處理?xiàng)l件，必須在試驗(yàn)樣品離開(kāi)預(yù)處理?xiàng)l件5 min之內(nèi)開(kāi)始試驗(yàn)。但實(shí)際情況是，幾乎沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室能夠滿足試驗(yàn)?zāi)茉谙嗤念A(yù)處理?xiàng)l件下進(jìn)行試驗(yàn)，按照GB/T 4857.2—2005的規(guī)定，最低溫度-55℃，最高溫度+55℃，一是沒(méi)有試驗(yàn)設(shè)備能夠在這兩種條件下進(jìn)行正常工作，二是必須將試驗(yàn)設(shè)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(shí)上，包裝件在溫濕度預(yù)處理完成后5 min之內(nèi)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。包裝件沒(méi)有在與預(yù)處理溫濕度條件相同的條件下進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)存在一定的影響，為了降低或減少這種影響；若有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定后續(xù)試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間不超過(guò)3 h，則忽略這種情況的影響；若后續(xù)試驗(yàn)無(wú)法在3 h內(nèi)完成，則需要在3 h后將包裝件重新進(jìn)行8 h的溫濕度預(yù)處理，然后再進(jìn)行下一步的試驗(yàn)。

1.5 試驗(yàn)強(qiáng)度的選擇

按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一般標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)強(qiáng)度都在試驗(yàn)方法中進(jìn)行了規(guī)定，具體內(nèi)容見(jiàn)試驗(yàn)方法。

2 各標(biāo)準(zhǔn)的不同之處——試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法中規(guī)定了試驗(yàn)參數(shù)，為了方便閱讀，在每個(gè)方法后面用括號(hào)標(biāo)注了試驗(yàn)方法在標(biāo)準(zhǔn)中的條款號(hào)。具體各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法如下：

2.1 GB/T 4857.7—2005 《包裝 運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn) 第7部分 正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)方法》

GB/T 4857.7—2005修改采用ISO2247：2000，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的文本結(jié)構(gòu)存在差異，技術(shù)內(nèi)容方面的規(guī)定是一致的，所以可將這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)看成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 4857.7規(guī)定了兩種試驗(yàn)方法，具體內(nèi)容如下。

2.1.1 方法A：包裝件試驗(yàn)時(shí)不跳離臺(tái)面（標(biāo)準(zhǔn)中的第5.6.3條）

振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生0.5 g～1.0 g之間的加速度，并且使樣品不跳離臺(tái)面。然后選擇10 mm、15 mm、20 m或25 mm的峰峰值位移，使得振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生0.5 g～1.0 g的加速度進(jìn)行定頻振動(dòng)試驗(yàn)。

這就要求試驗(yàn)前需要明確試驗(yàn)頻率—加速度或者試驗(yàn)頻率—波峰值位移。在一般情況下，試驗(yàn)需求方很難獲得這樣的精確數(shù)據(jù)，這種試驗(yàn)方法在實(shí)際中極少被使用。

2.1.2 方法B：包裝件試驗(yàn)時(shí)跳離臺(tái)面（標(biāo)準(zhǔn)中的第5.6.4條）

使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生可選范圍的加速度，使得包裝件從臺(tái)面跳離而引起相對(duì)沖擊。按照選定的振幅，包裝件在2 Hz頻率下開(kāi)始振動(dòng)，并逐漸提高頻率，直至包裝件能夠跳離振動(dòng)臺(tái)面。包裝件與振動(dòng)臺(tái)面分離的要求是：試驗(yàn)期間，沿包裝件底部移動(dòng)1.5 mm～3 mm，使用最小寬度為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)量具，在至少三分之一包裝件底面積的部分，可以插入該標(biāo)準(zhǔn)量具。振動(dòng)頻率、振幅與加速度的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)頻率、振幅與加速度的關(guān)系

這項(xiàng)試驗(yàn)方法沒(méi)有規(guī)定具體的波峰峰值位移，從實(shí)際情況來(lái)看，一般默認(rèn)選擇被峰峰值位移為25 mm，這樣就與其他標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定保持一致。

方法A和方法B都只規(guī)定了試驗(yàn)開(kāi)始的條件，沒(méi)有規(guī)定具體的試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)的引用文件GB/T 4857.17—2017也沒(méi)有固定試驗(yàn)時(shí)間。這也是該標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中存在的一個(gè)漏洞。該標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中如無(wú)特殊規(guī)定或需求，一般推薦試驗(yàn)時(shí)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(dòng)臺(tái)面，四周安裝護(hù)欄，護(hù)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(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊。也就是說(shuō)，護(hù)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(guò)大。

2.2.1 方法A1：重復(fù)沖擊試驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)中的第9.1條）

要求試驗(yàn)設(shè)備在垂直方向能產(chǎn)生25 mm波峰峰值位移，設(shè)備頻率范圍2 Hz～5 Hz之間。包裝件在振動(dòng)臺(tái)面劇中放置。如無(wú)特殊規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。

2.2.2 方法A2：重復(fù)沖擊試驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)中的第9.1條）

要求試驗(yàn)設(shè)備在垂直和水平兩個(gè)方向能同時(shí)產(chǎn)生25 mm波峰峰值位移，即設(shè)備可以做圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)備頻率范圍2 Hz～5 Hz之間。包裝件靠近振動(dòng)臺(tái)后擋板放置。如無(wú)特殊規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。

包裝件與振動(dòng)臺(tái)面分離的要求：金屬片厚度1.6 mm、最小寬度為50 mm、長(zhǎng)度為254 mm。沿包裝件底部長(zhǎng)度方向在振動(dòng)臺(tái)上可間歇移動(dòng)。

方法A1和方法A2的主要區(qū)別是試驗(yàn)設(shè)備。適用于在運(yùn)輸過(guò)程中不固定的包裝件和單或貨物。這兩種試驗(yàn)方法對(duì)包裝件施加的作用力不一樣，可能會(huì)對(duì)包裝件產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果。這兩種試驗(yàn)之間沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，試驗(yàn)結(jié)果也沒(méi)有可比較性。

2.3 STA1A與ISTA 1B

ISTA11A和ISTA 1B對(duì)定頻振動(dòng)試驗(yàn)也做了詳細(xì)的規(guī)定，試驗(yàn)方法是一樣的，唯一的區(qū)別是ISTA 1A包裝件不超過(guò)68 kg，振動(dòng)次數(shù)是14 200次，ISTA 1B包裝件質(zhì)量超過(guò)68 kg，振動(dòng)次數(shù)是11 800次。

2.3.1 垂直線性振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)在控制振幅峰峰值位移25 mm后，最低頻率開(kāi)始振動(dòng)，緩慢增加頻率直至包裝件跳離臺(tái)面。振動(dòng)時(shí)間min=振動(dòng)次數(shù)/（頻率×60），振動(dòng)期間不改變包裝件的方向，一次完成振動(dòng)試驗(yàn)。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)

振動(dòng)參數(shù)與垂直線性振動(dòng)試驗(yàn)一致，試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算方法也一致。包裝件分兩次振動(dòng)，振動(dòng)總時(shí)間均分。要求包裝件在振動(dòng)到一半時(shí)間時(shí)，停止振動(dòng)試驗(yàn)，將包裝件在振動(dòng)臺(tái)面上水平旋轉(zhuǎn)90°或者旋轉(zhuǎn)180°（主要是旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，包裝件的長(zhǎng)度超過(guò)了振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的尺寸）。包裝件與振動(dòng)臺(tái)面分離的要求是：試驗(yàn)期間，將1.5 mm厚、寬度50 mm、長(zhǎng)度適宜的金屬片，沿包裝件底部長(zhǎng)度方向在振動(dòng)臺(tái)上可間歇移動(dòng)。

這兩種試驗(yàn)方法未說(shuō)明試驗(yàn)方法的差異，按照已有的試驗(yàn)設(shè)備選擇試驗(yàn)方法即可。

2.4 GJB 2711—1996 《軍用運(yùn)輸包裝件試驗(yàn)方法》

將包裝件按照實(shí)際運(yùn)輸狀態(tài)放置在振動(dòng)臺(tái)面，不固定。如包裝件有幾種擺放方式，按時(shí)改變放置狀態(tài)，且每種狀態(tài)的振動(dòng)時(shí)間相等。一種擺放狀態(tài)的振動(dòng)時(shí)間為120 min，多種擺放狀態(tài)的總振動(dòng)時(shí)間為180 min，振動(dòng)臺(tái)面加裝限位裝置時(shí)，包裝件的中心能在個(gè)水平方向12 mm范圍內(nèi)做無(wú)約束運(yùn)動(dòng)。

2.4.1 方法a（標(biāo)準(zhǔn)中的5.3a條）

從3～5 Hz中選定一個(gè)頻率值，此頻率在1.0 g峰值加速度下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

2.4.2 方法b（標(biāo)準(zhǔn)中的5.3b條）

調(diào)整振動(dòng)臺(tái)峰峰值位移為25 mm，3 Hz頻率開(kāi)始振動(dòng)、然后緩慢增加頻率，直至包裝件跳離臺(tái)面。包裝件與振動(dòng)臺(tái)面分離的要求是：用1.5 mm厚的塞尺能瞬時(shí)自由插入包裝件與振動(dòng)臺(tái)面之間的任何一個(gè)位置。

2.5 GJB 150.16A—2009 《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》（標(biāo)準(zhǔn)中的第A.2.2.3條）

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于軍用裝備，不適用于包裝件，只是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的程序II——散裝貨物運(yùn)輸?shù)亩l振動(dòng)試驗(yàn)與上述標(biāo)準(zhǔn)類似，所將該標(biāo)準(zhǔn)在此文中一并闡述。

該試驗(yàn)是模擬散裝貨物的運(yùn)輸車輛通過(guò)無(wú)規(guī)律路面時(shí)會(huì)出現(xiàn)彈跳、挪動(dòng)，在水平方向與其他貨物和車輛擋板相互碰撞等情況，這項(xiàng)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)在這些條件下運(yùn)輸散裝貨物時(shí)出現(xiàn)的重復(fù)隨機(jī)沖擊環(huán)境。

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的垂直面內(nèi)可以產(chǎn)生頻率5 Hz、雙振幅值25.4 mm的圓周運(yùn)動(dòng)，樣品在臺(tái)面不固定，允許試件與試驗(yàn)裝置的限制物發(fā)生碰撞。因?yàn)樵囼?yàn)頻率和振幅已確定，所以此試驗(yàn)沒(méi)有規(guī)定貨物跳離臺(tái)面的要求。

圖2給出了試驗(yàn)裝置的圖紙及相關(guān)附件尺寸。此試驗(yàn)項(xiàng)目也是唯一一個(gè)規(guī)定了試驗(yàn)時(shí)間與運(yùn)輸距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系。20 min的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間可以代表從部隊(duì)貯存地區(qū)到使用地點(diǎn)在不同路面上行駛240 km的運(yùn)輸。

圖2 試驗(yàn)裝置的圖紙及相關(guān)附件測(cè)尺寸

綜上所述：正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)作為最基礎(chǔ)的振動(dòng)試驗(yàn)方法，除了GJB 150.16A—2009以外，其余標(biāo)準(zhǔn)的相同之處可簡(jiǎn)單總結(jié)為振動(dòng)臺(tái)可產(chǎn)生2 Hz～5 Hz、25 mm波峰峰值位移振動(dòng)，使用厚度為1.5 mm、寬度為50 mm和適當(dāng)長(zhǎng)度的金屬片確定包裝件的跳離臺(tái)面。一般情況下，使用垂直方向定頻振動(dòng)試驗(yàn)即可。若包裝件可能存在水平方向的碰撞沖擊，則使用旋轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)方法。