振動試驗在包裝測試中的應(yīng)用

宋恩鵬，馬致旸

（遼寧省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢驗院，沈陽 110001）

1 包裝

包裝是在流通過程中保護產(chǎn)品，方便儲運，促進銷售，按一定的技術(shù)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(shù)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(fēng)險和損壞。一件商品，要經(jīng)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(jīng)過裝卸、運輸、庫存、陳列、銷售等環(huán)節(jié)。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(chǎn)品從生產(chǎn)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(chǎn)品型號、數(shù)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(zhǔn)確地找到產(chǎn)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(chǎn)品檢測領(lǐng)域主要關(guān)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(jù)結(jié)果不斷改進設(shè)計，使其達到最優(yōu)——在滿足產(chǎn)品保護的前提下，盡可能減少產(chǎn)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(fù)雜的過程，而且數(shù)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(shè)計在實際使用條件中表現(xiàn)的一個簡單、快捷、有效且費用低廉的方法。經(jīng)過測試的包裝，能保證達到相關(guān)各方對其使用穩(wěn)定性、環(huán)保性、循環(huán)利用性等各個方面的指標(biāo)。

包裝運輸測試是指對運輸包裝件進行測量和試驗，使產(chǎn)品包裝達到合理要求。這種技術(shù)根據(jù)產(chǎn)品的特性和實際的流通環(huán)境，通過實驗室的模擬測試，不斷改進產(chǎn)品的包裝特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計和包裝方式以及使用材料，直到科學(xué)且經(jīng)濟。運輸包裝測試是進行包裝設(shè)計、提高包裝質(zhì)量、減少貨物在流通過程中的損失、實現(xiàn)包裝合理化的主要手段。新產(chǎn)品、新材料或新的包裝方式，以及運輸條件發(fā)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(shè)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(zhǔn)的往復(fù)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(nèi)振動的次數(shù)稱為頻率。振動對產(chǎn)品的主要影響是：①使結(jié)構(gòu)損壞，引起變形、彎曲、產(chǎn)生裂紋、斷裂，造成部件間的相互撞擊等，從而使產(chǎn)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(dǎo)致工作不正常、不穩(wěn)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(huán)境危害和承載工具。汽車運輸時，路面的起伏、發(fā)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(fā)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(fā)動機和水面風(fēng)浪的顛簸帶來的振動；在航空運輸中，包裝件不但受到發(fā)動機高頻激振的影響，還要承受氣流作用產(chǎn)生的低頻振動以及周期性的搖擺。

振動試驗是環(huán)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(chǎn)品的影響，例如：經(jīng)振動試驗后樣品是否有結(jié)構(gòu)的損壞，工作時是否出現(xiàn)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(jù)振動試驗標(biāo)準(zhǔn)來確定。

振動試驗的目的是確定產(chǎn)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(chǎn)生的振動，而不致破壞并能保持其原有性能，達到預(yù)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(huán)境試驗：通過這種試驗了解各種機械、構(gòu)件、設(shè)備、材料以及元器件，承受往復(fù)振動環(huán)境而引起的性能參數(shù)變化或疲勞破壞的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2）研究性試驗：為了研究、開發(fā)新產(chǎn)品或改進、提高產(chǎn)品的質(zhì)量，通過振動試驗提供必要的力學(xué)性能參數(shù)。

3）產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控試驗：為確保制造的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，采用振動試驗對其實行質(zhì)量監(jiān)控。

4）新產(chǎn)品質(zhì)量驗證試驗：對新設(shè)計制造的產(chǎn)品，通過振動試驗來驗證其是否能承受預(yù)期的振動環(huán)境條件，并保持其應(yīng)有的性能。

5）包裝運輸試驗：為了解產(chǎn)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(shù)。

6）適應(yīng)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(yīng)，能否滿足人們在各種振動環(huán)境下正常生活或工作。

4 振動試驗的典型應(yīng)用

振動試驗可以檢驗運輸包裝件的強度及對內(nèi)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(jié)果更接近現(xiàn)實，可以幫助企業(yè)更好地選擇包裝材料和包裝結(jié)構(gòu)，控制包裝成本，預(yù)判可能造成的損失，并加以避免。

振動試驗方法中規(guī)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(shù)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(chǎn)品進行掃頻振動響應(yīng)檢查時在發(fā)現(xiàn)的明顯共振頻率點上，施加規(guī)定振幅的振動，來測試產(chǎn)品耐受能力。

2）定頻耐久測試：在已知產(chǎn)品使用環(huán)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(chǎn)品在預(yù)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(chǎn)品掃頻振動響應(yīng)檢查（即最初共振檢查）：確定共振點及工作的穩(wěn)定性，找出產(chǎn)品共振頻率，以做耐共振頻率測試。

2）掃頻耐久測試：當(dāng)產(chǎn)品在使用頻率范圍內(nèi)無共振點時，或有數(shù)個不明顯的諧振點，則應(yīng)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(shù)連續(xù)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(chǎn)品掃頻振動響應(yīng)檢查相同的方法測試產(chǎn)品經(jīng)掃頻耐久測試后，各共振點有無改變，以確定產(chǎn)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(xué)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(dāng)物體作隨機振動時，無論振動系統(tǒng)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?zāi)軌虮容^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(tǒng)的正弦振動有著無法比擬的優(yōu)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)中會給出相關(guān)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(shè)備的最大推力有關(guān)，是選擇設(shè)備的重要參數(shù)，也是設(shè)計試驗的關(guān)鍵之一。

2）頻率：頻率是隨機振動的另一個重要參數(shù)，其單位是Hz，頻率的選擇一般與實踐使用范圍有關(guān)。例如：模擬海面運輸?shù)脑囼烆l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?shù)脑囼?，頻率是5～150Hz，也是低頻的PSD 值大，如果人經(jīng)受這個試驗就會如同乘坐火車旅行，振動時試驗臺發(fā)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(shè)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(shè)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(shù)，是試驗強度的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響試驗的結(jié)果。在國軍標(biāo)GJB 150.16的標(biāo)準(zhǔn)中，就給出了1小時的隨機振動相當(dāng)于運輸多少公里的數(shù)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(yán)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(shù)飛速發(fā)展，許多專業(yè)軟件中已經(jīng)將隨機振動試驗的參數(shù)進行了自動計算，不需要技術(shù)人員進行復(fù)雜的計算。但是，作為一個合格的試驗人員和專業(yè)的技術(shù)人員，應(yīng)該熟悉各參數(shù)設(shè)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(chǎn)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(chǎn)品包裝和結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足運輸中振動環(huán)境的考驗，也可以將結(jié)構(gòu)設(shè)計和運輸包裝成本控制到最低。

5 結(jié)束語

包裝運輸測試是一門綜合學(xué)科，是對包裝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)、電工學(xué)等專業(yè)方向的融會貫通。只有設(shè)計合理的測試條件、模擬邊界、控制參數(shù)，并作出科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，才能夠?qū)⒃囼灥玫綌?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成正確的包裝改進指導(dǎo)建議。因此作為試驗人員必須不斷的探索試驗技術(shù)的演變，學(xué)習(xí)包裝運輸方法理論體系的相關(guān)知識，不斷完善技術(shù)能力，才能滿足為產(chǎn)品包裝的科學(xué)性把關(guān)的要求。

[1]GB/T 2423.56-2006,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2 部分：試驗方法試驗Fh：寬帶隨機振動（數(shù)字控制）和導(dǎo)則[S].

[2]GB/T 2423.10-2008,電工電子產(chǎn)品環(huán)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(yōu)化中的價值[J].印刷技術(shù), 2012,(02) : 25-27.

[4]張海玉. 運輸包裝測試方案制作方法[J].印刷技術(shù), 2009, (16) :51-53.

[5]趙煜, 袁文廣.運輸包裝檢測的目的與應(yīng)用[J].中國包裝工業(yè),2007, (10) : 74-76.

[6]耿濤,國內(nèi)外運輸包裝測試標(biāo)準(zhǔn)簡介[Z].

[7]陳永祥,可靠性測試技術(shù)之一——振動試驗技術(shù)[Z].

[8]韓文成,振動的危害及預(yù)防[J].勞動保護,2000,(3): 38-39.