高斯與非高斯隨機振動對洗護產品包裝的影響

路冰琳，孫宜恒，潘玉軍，張曉龍，曾亮

高斯與非高斯隨機振動對洗護產品包裝的影響

路冰琳1，孫宜恒2，潘玉軍3，張曉龍4，曾亮5

（1.中國包裝科研測試中心，天津 300457；2.廣州立白企業集團有限公司, 廣州 510000； 3.岱納包裝（天津）有限公司，天津 300000；4.上海崴爾聲振科技有限公司，上海 200000； 5.杭州杭美質量技術服務有限公司，杭州 310000）

研究高斯激振力和非高斯激振力的隨機振動對商品包裝的影響差異，提供隨機振動試驗方法和參數，并對商品運輸包裝設計方案提供優化建議。利用科學計量方法研究隨機振動技術的發展態勢。通過增大峭度的方法進行非高斯激振模擬隨機振動試驗。研究隨機振動強度通過功率譜密度和疲勞損傷的表達，以及隨機振動試驗時間與疲勞損傷的表達關系。電商渠道銷售通過快遞配送的洗潔精商品包裹優先采用ISTA 3A—2018 Packaged-Products for Parcel Delivery System Shipment 70 kg (150 lb) or less。使用Over-The-Road Trailer圖譜和Pick-up and Delivery Vehicle圖譜進行隨機振動試驗，通過加載峭度進行加速模擬試驗和加強模擬試驗。在洗潔精商品包裹加載峭度為5、7、9條件下，能夠復現實際配送中商品的貨損。基于試驗結果提出的包裝設計修改方案在加強模擬試驗條件下可以實現商品防護的功能。全渠道供應鏈配送商品包裹應采用高效、科學的實驗室測試方法，為運輸包裝設計和驗證提供方法和數據。

非高斯隨機振動；洗潔精；運輸包裝；隨機振動；疲勞損傷；高斯隨機振動；功率譜密度

國家發展改革委于2021年7月印發的《“十四五”循環經濟發展規劃》，國家發展改革委、交通運輸部印發的《關于進一步降低物流成本的實施意見》，國家發展改革委、國家郵政局、工業和信息化部等八部委聯合印發的《關于加快推進快遞包裝綠色轉型的意見》，均提到推動物流降本增效、促進資源高效利用，進一步加快物流綠色高質量發展。包裝件運輸性能測試作為一項科學有效的手段，能夠為包裝減量化及綠色轉型提供方法和依據，如運輸包裝測試程序ISTA 3A[1]。目前，運輸包裝性能測試方法較成熟且應用較普及，但在模擬運輸條件方面還存在差異，特別是公路運輸對貨物造成的運輸疲勞機械損傷模擬方法的應用方面。

1 隨機振動技術發展

以Web of Science和“中國知網”為分析數據源，對隨機振動技術在國內外的發展情況從研究文獻產出態勢、合作網絡、關鍵詞聚類分析等方面進行了系統梳理。

隨機振動研究文獻產出態勢如圖1所示，隨機振動相關技術已經歷了40余年的發展，最早的一篇研究為HOWELL L J于1975年發表的《約束修正對阻尼線性結構隨機振動的影響》論文。隨機振動研究在1990年后呈現顯著增長趨勢，2002年后年均發文量超過100篇，在學術界引起了較大的關注，隨機振動研究處于快速發展階段。關鍵詞聚類分析結果顯示，隨機振動的應用領域主要集中在非線性激蕩器、疲勞壽命、環境振動試驗、質量阻尼器、車?橋系統、生物動力響應、復雜結構、風洞測試系統、隨機?激勵等方面。非高斯振動的研究主要與非線性振蕩器和疲勞壽命相關，且與順風向響應、細胞映射法、近似解法、滯回模型、統計線性化、隨機過程等方向交叉[2]。其中，非線性振蕩器的研究在1990年前后受到廣泛關注，隨后研究頻率激增，且研究熱度持續至近年。目前，隨機振動相關研究已在各個領域形成了一定的研究規模，但針對非高斯振動的研究并不多。為了探究非高斯振動在運輸包裝領域的應用及發展，按“packaging”主題對采集的樣本數據進一步篩選，得到259篇論文。目前有32個國家和地區發表了與包裝隨機振動相關的論文，在全球范圍內非高斯振動應用于運輸包裝領域的研究正在形成緊密廣泛的合作網絡。中國和美國的發文量較大，分別以105、61篇位居全球第一、第二，中國與美國、日本、澳大利亞的合作較密切[3]。包裝隨機振動研究關鍵詞聚類分析結果顯示，近年來非高斯隨機振動相關研究主要集中在運輸包裝系統和振動水平相關領域。

圖1 隨機振動技術研究論文產出態勢

國內將非高斯隨機振動應用于包裝的研究集中在峭度、偏斜度等參數對堆碼包裝件振動疲勞損傷的累積影響上[4]，應用于單個運輸包裝件的研究還鮮有報道。在經受環境載荷引起的振動激勵作用時，運輸包裝件實際的振動載荷呈現明顯的非高斯特性，因此使用非高斯振動數值模擬技術評估安全性和可靠性能夠減小傳統高斯振動的近似處理所產生的較大分析誤差[4-5]。在運輸包裝測試中使用非高斯隨機振動測試能在加強模擬試驗條件下實現安全配送商品的功能，對于加快推進降低物流成本及快遞包裝綠色轉型具有重要意義。

綜上所述，隨機振動技術已在各個領域形成了一定的研究規模，非高斯振動應用于包裝領域的研究正在全球范圍內形成緊密的合作網絡。隨機振動設備的非高斯激振器在國內的應用還不普及，將其應用于我國運輸包裝領域解決實際包裝件的可靠性問題將是該技術發展的重要方向之一。

2 運輸包裝件隨機振動試驗方法

2.1 研究意義

隨機振動對包裝商品運輸的影響是一項重要課題，針對公路運輸包裝貨物的防護和商品運輸包裝設計具有重要的實際意義。實驗室中的隨機振動模擬方法采用高斯分布激振力是目前我國普遍應用于包裝和輕工產品的隨機振動試驗方法。在現實情況下獲得的振動信號多為非高斯信號分布，因此應用現有試驗方法的用戶在長期實踐中仍然面臨實際運輸破損與實驗室結果存在差異的難題。針對隨機振動模擬試驗方法，國際學者正在探索更接近真實環境的模擬技術，其中將非高斯激振力用于運輸包裝件振動試驗是方法之一。

從模擬非高斯振動的角度來看，峭度相較于偏度是更重要的參數，它能夠表征時域信號峰值的概率，利用該值可以使實驗室模擬數據的概率密度函數更接近實測數據。峭度描述了概率密度函數中間部分的尖銳度或平滑度，以及概率密度函數尾部的窄度或寬度[6]。任何偏度不為0或峭度不為3的隨機過程稱為非高斯過程，實測振動的峭度常常大于3。文中使用峭度的非高斯激振隨機振動方法是一種更接近現實情況的模擬方法，是可靠性驗證、包裝減量、包裝設計的重要手段。現有用于包裝件隨機振動的測試方法以高斯分布（峭度為3）的條件進行測試，通過PSD和RMS控制試驗條件。真實的振動是非高斯分布，采用實際采集到的振動數據和在實驗室環境下的數據進行峭度控制，可模擬實際振動環境。高斯分布難以達到7峰值，而7峰值在實際振動環境中真實存在。對隨機振動試驗加載較高的峭度是一種更具破壞性的環境條件，被測樣品將暴露在更惡劣的環境中。更高的峭度意味著更高的加速度峰值和峰值停留時間。在實驗室復現實際振動環境的RMS值和最大加速度峰值，通過第3種控制參數——峭度，可以控制均方根值較高的隨機振動試驗時間。文中研究應用了VR公司的Kurtosion?技術，每秒鐘都可復現7峰值。Kurtosion?技術通過增加峭度來減少測試時間[7]。峭度控制技術是一種重要的控制技術，使得產品的響應能夠達到預計峭度，實現真正的峭度控制，并能與振動臺測試設備匹配使用。該方法可為研究隨機振動試驗提供參考，為隨機振動設備的開發和改進提供數據和應用范疇評估，推廣國內國際相關設備與技術的市場，推動我國隨機振動試驗方法的研究發展，加快我國隨機振動試驗方法標準的修訂，還可為商品運輸前包裝驗證提供具有重要意義的參考。

在全渠道供應鏈配送模式下，包裝快消品的一級包裝設計和三級運輸包裝設計都面臨著嚴峻挑戰。在公路長途運輸中，振動危害對商品一級包裝的可靠性和三級運輸包裝的強度可產生顯著影響，可導致一級包裝和三級運輸包裝的外觀、密封性、強度等方面損壞或失效。日化品牌商對商品貨損和品牌信譽均有明確要求，其中包裝被視為商品的組成部分，在產品研發和包裝設計階段對商品的銷售包裝和運輸包裝均提出了相應要求。目前，實驗室模擬運輸測試結果與實際運輸情況存在差異，對貨損的緣由無法判斷，需要進一步完善實驗室模擬測試的參數和標準。洗護產品的旋蓋和泵頭在物流中會出現旋蓋返松、泵頭彈起等現象，導致產品漏液。

2.2 研究內容

以包裝洗潔精商品為研究對象，在高斯激振力和非高斯激振力下進行隨機振動試驗對比分析，研究隨機振動對商品的影響，探究商品在實際運輸中的破損原因，具體研究內容如下[8]。

1）對樣品加載相同的PSD功率譜密度振動，對比高斯激振與增加峭度的非高斯激振的強度、能量分布和疲勞損傷，同時觀察樣品包裝件的損傷程度。

2）考察加載相同峭度的2組PSD功率譜密度振動。

3）考察在包裝件多個承載面上加載相同峭度和PSD功率譜密度振動。

4）識別與現實環境最相似的加載條件，確定實驗室復現需要的峭度、試驗時間、包裝件試驗承載面等設置。

3 實驗

3.1 樣品和包裝件標識

試驗樣品為某品牌洗潔精商品運輸包裝件（包含泵頭瓶），如圖2所示。包裝箱外尺寸為220 mm× 165 mm×274 mm，包裝件的毛質量為4.70 kg。

根據實際情況調整包裝件的標識，包裝件面、棱、角按照實際運輸擺放位置進行標識，2#和4#面的面積最大，標識方式如圖3所示。

圖2 洗潔精商品運輸包裝件

圖3 樣品的擺放與標識

3.2 設備

主要設備：FT-36液壓振動臺，載質量為3 t，美國L.A.B；VR9500振動控制器和Vibration VIEW控制器軟件，Vibration Research公司；LW181072輸出傳感器，PCB公司；114015振動臺信號控制傳感器，PCB公司。

3.3 方法

3.3.1 樣品要求

在測試前，檢查樣品及外包裝。樣品外觀應完好，外包裝箱、產品、內部襯墊、一級包裝也應完好。為了確保測試結果的有效性，在測試過程中不宜使用模擬物替代實際產品。[9]

3.3.2 高斯隨機振動試驗

采用ISTA 3A Over-The-Road Trailer圖譜，對洗潔精商品運輸包裝件的3#面、4#面進行頂部加載的隨機振動測試，見表1[10]。根據實際運輸情況，參考運輸包裝測試標準（ISTA 3A），設備試驗條件：40 kg載荷或不加載荷，載荷量向上取整到2 kg的整倍數。對6#面進行頂部不加載的隨機振動測試，測試時間根據ISTA 3A，在測試完成后暫不開箱檢查。

表1 ISTA 3A Over-The-Road Trailer隨機振動試驗的PSD

Tab.1 PSD of ISTA 3A Over-The-Road Trailer random vibration test

ISTA 3A Over-The-Road Trailer振動圖譜如圖4所示。加載的盛裝容器要求：至少比試樣的加載面超出2.5 cm，且不超出7.5 cm，剛性底面的容器，如圖5所示。在振動過程中，使用纏繞膜將加載容器和樣品箱固定，防止在振動過程中加載部分跳起，造成對樣品的錘擊。

繼續進行ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle 隨機振動試驗，如表2所示。對洗潔精商品運輸包裝件的4#面做頂部加載隨機振動測試，振動圖譜如圖6所示。在測試完成后開箱檢查。將洗潔精商品運輸包裝件的4#面朝下擺放，加載18 kg的頂部載荷，進行30 min隨機振動測試。根據實際運輸情況，設定18 kg為此次試驗的載荷。

圖4 ISTA 3A Over-the-Road Trailer的振動圖譜

圖5 隨機振動加載載荷示意圖

表2 ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle隨機振動試驗的PSD

Tab.2 PSD of ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle random vibration test

3.3.3 非高斯隨機振動試驗

先進行ISTA 3A Over-The-Road Trailer Spectrum隨機振動試驗，對洗潔精商品運輸包裝件的3#面、4#面進行頂部加載隨機振動測試，對6#面進行頂部不加載的隨機振動測試，在測試完成后暫不開箱檢查。根據實際運輸情況，將40 kg載荷設定為此次試驗的參數，加載質量參考ISTA 3A，向上取整到2 kg的整倍數。使用相同的高斯隨機振動測試PSD圖譜，其加速度均方根值（Grms）為0.530 1，依次增加峭度（5、7、9），峭度為5時的加速度功率譜密度試驗控制數據如圖7所示。[11]

圖6 ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle的振動圖譜

繼續進行ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle 測試，并加載峭度，對洗潔精商品運輸包裝件4#面進行頂部加載的隨機振動測試，在測試完成后開箱檢查。根據實際運輸情況，將18 kg載荷設定為此次試驗的參數。使用相同高斯分布激振力的隨機振動測試PSD圖譜，Grms值為0.462 6，依次增加峭度（5、7、9），峭度為7時的加速度功率譜密度試驗控制數據如圖8所示。

振動時間和加載量與高斯隨機振動相同，按照ISTA 3A的要求確定振動時間和測試方向，測試步驟如表3所示。

3.3.4 開箱檢查

1）檢查外包裝箱狀態，確認是否存在壓潰情況。如有必要，測量4種類型振動測試前后試樣包裝的外尺寸差（分別測量長、寬、高）進行對比。

2）如適用，檢查各類型振動測試后產品包裝內部材料的破損、壓潰情況，拍照并結合文字描述進行對比。

3） 在振動試驗后，對泵頭和瓶身進行檢查，對比多次試驗對商品造成的損壞或磨損。[12]

4）檢查產品包裝瓶身標簽或相關文字信息的磨損情況，確認經各類型振動測試后是否出現文字磨損情況，避免信息傳遞時出現問題。

5）在檢查以上外觀后，對瓶身及泵頭未出現明顯破損的樣品進行8 h的傾翻瓶身漏液測試，進一步確認產品包裝瓶的密封性。

4 結果與分析

高斯信號和非高斯信號峭度條件振動試驗記錄結果如圖9所示。[13-14]

圖7 ISTA 3A Over-the-Road Trailer隨機振動峭度K=5

圖8 ISTA 3A Pick-up and Delivery Vehicle隨機振動峭度K=7

表3 振動時間和加載質量

Tab.3 Vibration time and loading weight

注：*表示Over-The-Road (OTR), Pick-up and Delivery Vehicle (P&DV)。

圖9 包裝件高斯與非高斯隨機振動對比結果

通過對比高斯分布激振和增加峭度的非高斯分布激振對洗潔精商品運輸包裝件的響應加速度和商品損傷程度的影響可知，增加峭度的非高斯分布激振更真實地還原了運輸包裝件在實際運輸中的貨損現象。貨損及試驗結果如表4所示。

5 改進方案

5.1 方案1

對洗潔精商品的一級包裝進行改進，即取消洗潔精產品密封蓋，直接使用泵頭進行產品密封，如圖10所示。該方案的優勢在于減少了無用零部件的使用，降低了泵頭在生產裝箱環節發生漏放的概率，降低了因運輸導致的損壞概率。該方案能夠有效提升用戶體驗。[15]

5.2 方案2

對商品的三級運輸包裝進行修改，通過增加EPE緩沖材料、減小紙箱尺寸來提升運輸包裝件的緩沖性能，降低貨損率，如表5所示。

表4 樣品貨損情況及試驗結果

Tab.4 Sample damage and test results

圖10 一級包裝改進前后樣品對比

表5 三級運輸包裝改進方案

6 結論

非高斯隨機振動可以在實驗室模擬再現更接近于實際環境的隨機振動帶給運輸包裝件的疲勞損傷，同時縮短隨機振動試驗時間。文中選擇ISTA測試標準中適用于快遞包裝件的隨機振動試驗功率譜，通過增加峭度再現貨損現象，重新評估包裝設計方案，并提出包裝優化方案建議，為加快推動物流降本增效及快遞包裝綠色轉型提供了理論和數據支撐，對推動我國隨機振動試驗方法的研究發展具有重要的實際意義。

為了降低商品運輸包裝件在全渠道供應鏈體系中的貨損，需進一步考察隨機振動產生的疲勞失效與跌落、沖擊進行疊加時的危害強度。同時，還應關注在實際運輸過程中產生的Grms水平及來源，以確定更恰當的加載峭度，制定出更科學的試驗方案。

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Influence of Gaussian and Non-Gaussian Random Vibration on Packaging of Washing and Care Products

LU Bing-lin1, SUN Yi-heng2,PAN Yu-jun3,ZHANG Xiao-long4,ZENG Liang5

(1. China Packaging Research & Test Center, Tianjin 300457, China; 2. Guangzhou Libai Enterprise Group Co., Ltd., Guangzhou 510000, China; 3. Dayna Packing (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300000, China; 4. VR Vibration, Shanghai 200000, China; 5. HQTS QA International Services Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

The work aims to study the difference of random vibration of Gaussian excitation force and non-Gaussian excitation force on packaged goods, to provide random vibration test methods and parameters, and to provide optimization suggestions for the design of commodity transport packaging. The development trend of random vibration technology was studied by means of scientific metrology. By increasing kurtosis, non-Gaussian vibration simulation random vibration test was carried out. The relationship between random vibration intensity and fatigue damage expression by power spectrum density and random vibration test time was studied. ISTA 3A-2018 Packaged-Products for Parcel Delivery System Shipment 70 kg (150 lb) or less was preferred for the detergent products sold by e-commerce channels through express delivery. Random vibration test was carried out by the Over-The-Road Trailer spectral and the Pick-up and Delivery Vehicle spectral. Accelerated simulation test and enhanced simulation test were carried out by kurtosis loading. Under the condition of kurtosis of 5, 7 and 9, the cargo damage of the goods in actual distribution can be reproduced. The modified package design scheme based on the test results can protect goods under the condition of strengthening the simulation test. The omni-channel supply chain should adopt efficient and scientific laboratory testing methods to provide methods and data for transportation package design and verification.

non-Gaussian random vibration; detergent; transport packaging; random vibration; fatigue damage; Gaussian random vibration; power spectral density

TB48

A

1001-3563(2023)23-0255-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.031

2023-03-28

責任編輯：彭颋