運(yùn)輸環(huán)境數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用

文/中國(guó)包裝科研測(cè)試中心 王偉

本項(xiàng)目的零部件在國(guó)內(nèi)物流運(yùn)輸中采用陸運(yùn)的方式。目前，國(guó)內(nèi)缺乏有效評(píng)估零部件在物流過(guò)程中包裝防護(hù)能力的量化要求，無(wú)法用數(shù)據(jù)衡量實(shí)際物流過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)危害條件。因此迫切希望通過(guò)物流監(jiān)測(cè)量化風(fēng)險(xiǎn)危害，建立以實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)驗(yàn)證包裝可靠性的標(biāo)準(zhǔn)。

本項(xiàng)目對(duì)從天津到上海的一批零部件物流運(yùn)輸進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)，以獲取物流風(fēng)險(xiǎn)的量化數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，使實(shí)驗(yàn)室能夠通過(guò)數(shù)據(jù)和圖表的形式直觀地了解國(guó)內(nèi)陸運(yùn)物流全程中產(chǎn)品受到的環(huán)境危害。

一、監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝

本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)設(shè)備完成監(jiān)測(cè)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、解析，獲得沖擊、振動(dòng)、溫濕度等數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在集裝箱卡車的底板上，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝位置

二、物流過(guò)程

這批零部件從天津工廠運(yùn)至上海工廠，通過(guò)公路運(yùn)輸。

三、數(shù)據(jù)分析

（一）沖擊事件分析

沖擊：在運(yùn)輸過(guò)程中，因跌落、傾倒、汽車剎車、飛機(jī)著陸、輪船靠岸時(shí)的一種加速度較高、作用時(shí)間短（瞬態(tài)）的機(jī)械應(yīng)力對(duì)包裝及產(chǎn)品造成的破壞。

沖擊通常用施加在產(chǎn)品上或產(chǎn)品所受到的加速度響應(yīng)作為試驗(yàn)變量（單位：g）。沖擊是產(chǎn)品或包裝發(fā)生瞬間突變導(dǎo)致失效的直接原因。

零部件在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，沖擊事件強(qiáng)度最大的前10個(gè)事件詳細(xì)情況如圖2、表1所示，主要發(fā)生在倉(cāng)庫(kù)作業(yè)，是由產(chǎn)品搬運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的。

圖2 沖擊事件

表1 沖擊事件加速度

（二）選擇加速應(yīng)力和加載方法

振動(dòng)是產(chǎn)品相對(duì)于其參照位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成整個(gè)包裝件累積性的疲勞或磨損。產(chǎn)品包裝件在運(yùn)輸環(huán)境中所經(jīng)歷的振動(dòng)情況隨運(yùn)輸工具、運(yùn)行工況、載重量、包裝件結(jié)構(gòu)形式等不同而不同。

產(chǎn)品的運(yùn)輸過(guò)程中，因?yàn)槁访骖嶔?、水的波浪、氣流及輪船、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的原因，包裝及產(chǎn)品會(huì)受到振動(dòng)或堆碼振動(dòng)。振動(dòng)會(huì)造產(chǎn)品及包裝的破損。

卡車、輪船、飛機(jī)的振動(dòng)頻率與包裝件的固有頻率相等，會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成更大的損害。如果選用車輛運(yùn)輸產(chǎn)品，將無(wú)法避免各種運(yùn)輸過(guò)程所產(chǎn)生的振動(dòng)影響。發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪所產(chǎn)生的振動(dòng)將傳入車體，車廂，車架等結(jié)構(gòu)中，由此產(chǎn)生了振動(dòng)。由于車體結(jié)構(gòu)的懸掛系統(tǒng)和車架的不協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)和晃動(dòng)。

所有震源的多方匯集形成了對(duì)包裝和產(chǎn)品的綜合影響。

本項(xiàng)目采用汽車運(yùn)輸方式，因此影響運(yùn)輸環(huán)境的基本因素，包括：行駛速度；起動(dòng)、制動(dòng)、加減速等；車型；載重量；汽車運(yùn)輸時(shí)的路面狀況等。以上各因素的不同種組合形成實(shí)際的運(yùn)輸振動(dòng)環(huán)境條件。

物流運(yùn)輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)所獲得的功率譜密度可直接反映運(yùn)輸全程中的隨機(jī)振動(dòng)危害強(qiáng)度。功率譜密度（Power Spectral Density，PSD）是將原來(lái)對(duì)時(shí)間域的振動(dòng)描述轉(zhuǎn)化為頻率域的振動(dòng)描述，其反映了振動(dòng)過(guò)程在各頻率段的能量分布。均方根加速度（Grms）是個(gè)積累的物理量，可以用來(lái)表示完整功率譜密度曲線（PSD）的強(qiáng)度。

在本項(xiàng)目中，根據(jù)振動(dòng)強(qiáng)度記錄，振動(dòng)能量絕大部分在1～200HZ頻帶內(nèi)，在此，我們以1～200HZ內(nèi)的PSD平均值進(jìn)行分析比較，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)PSD圖譜

（三）溫濕度事件分析

溫度：在運(yùn)輸過(guò)程中溫度變化可能產(chǎn)生極端的影響，驟冷或驟熱。產(chǎn)品處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)溫度的變化速度可能較慢，但運(yùn)輸中的溫度變化可能很大。

濕度：相對(duì)濕度可能非常高（凝露）或非常低（干燥）。

溫濕度變化對(duì)木箱影響較小，會(huì)造成木箱翹曲變形、局部膨脹，降低空箱抗壓能力；對(duì)紙箱影響大，使紙箱邊壓強(qiáng)度、耐破性降低，典型的如堆碼能力下降

監(jiān)測(cè)期間，集裝箱內(nèi)部溫濕度最大值和最小值如圖4所示。

溫度范圍：23.03℃～39.86℃。

相對(duì)濕度范圍：45.8%～72.3%。

圖4 溫濕度環(huán)境

四、模擬運(yùn)輸試驗(yàn)方案

因?yàn)檫\(yùn)輸環(huán)境很復(fù)雜、環(huán)境多變，要預(yù)測(cè)包裝設(shè)計(jì)能否抵御外界環(huán)境的危害，所以要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)輸試驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬物流環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果準(zhǔn)確，可對(duì)破損狀況精確再現(xiàn)；定性定量分析不同的響應(yīng)和水平；可對(duì)設(shè)計(jì)原型進(jìn)行試驗(yàn)；控制包裝制品和產(chǎn)品包裝質(zhì)量；獲得包裝改進(jìn)的信息；外界的不可預(yù)見(jiàn)性和不確定性需要增加試驗(yàn)的嚴(yán)酷性。

確定試驗(yàn)方案的流程包括：試驗(yàn)項(xiàng)目的確定、試驗(yàn)方法的選擇、試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)順序、試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定等。

試驗(yàn)項(xiàng)目的確定：查明流通過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，查明每個(gè)環(huán)節(jié)包含的危害、危害程度及發(fā)生危害的可能性來(lái)制定試驗(yàn)項(xiàng)目。

試驗(yàn)方法的選擇：根據(jù)包裝件在裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等流通環(huán)節(jié)中實(shí)際可能遇到的危害因素及典型的包裝損壞情況，設(shè)計(jì)出與實(shí)際流通過(guò)程相一致的包裝件損壞類型的試驗(yàn)方法。

確定試驗(yàn)參數(shù)：恰當(dāng)?shù)卮_定和選用這些量值的大小，主要取決于引起危害的因素、危害產(chǎn)生應(yīng)力的大小、所選試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)模擬或重現(xiàn)這些應(yīng)力的危害程度。

試驗(yàn)順序：?jiǎn)雾?xiàng)試驗(yàn)在試驗(yàn)前進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)預(yù)處理，多項(xiàng)試驗(yàn)首先應(yīng)根據(jù)流通過(guò)程各環(huán)節(jié)所含危害的實(shí)際情況，確定若干個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，并根據(jù)這些危害出現(xiàn)的先后次序，合理安排試驗(yàn)順序。

試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定：外包裝破損情況，是否會(huì)在以后的流通過(guò)程和使用中造成危害或潛在的危害。內(nèi)包裝的破損情況，包括密封包裝是否仍保持密封性，緩沖材料是否破損。定位件是否破損、移位而失去定位作用等。產(chǎn)品的破損情況，一般只作外觀檢查，必要時(shí)應(yīng)作性能試驗(yàn)。

包裝試驗(yàn)的類型包括對(duì)比試驗(yàn)、評(píng)價(jià)試驗(yàn)和探索試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn):把新設(shè)計(jì)的包裝與原包裝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)不僅能測(cè)定新設(shè)計(jì)的包裝是否比原包裝好，還能在一定程度上測(cè)出它們之間的差別程度。

評(píng)價(jià)試驗(yàn):對(duì)包裝件、容器或材料進(jìn)行流通過(guò)程和使用條件的模擬試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)包裝件、容器或材料在流通過(guò)程中及實(shí)際使用中可能發(fā)生的情況。

探索試驗(yàn):收集一些現(xiàn)有的材料和包裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)行某些試驗(yàn)，找出性能最佳者用于包裝設(shè)計(jì)。

（一）試驗(yàn)程序

1.樣品標(biāo)示（如圖5所示）

圖5 樣品標(biāo)示

2.環(huán)境溫濕度試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)溫濕度：38℃，RH85%；ISTA 3E。

試驗(yàn)時(shí)間：72小時(shí)。

3.沖擊試驗(yàn)1（試驗(yàn)參數(shù)）

沖擊方位：5F、6F、2F和4F。

沖擊速度：1.22m/s；ASTM D4169 LevelII。

沖擊次數(shù)：每個(gè)面各沖擊1次。

試驗(yàn)后檢查，包裝件是否有破損，產(chǎn)品是否有損壞或功能失效。

4.跌落試驗(yàn)1（試驗(yàn)參數(shù)）

跌落方位：3-5E、2-3E、3-6E和3-4E。

跌落高度：230mm。

跌落次數(shù)：每條棱各跌落1次。

5.振動(dòng)試驗(yàn)

目的：模擬在運(yùn)輸過(guò)程樣品所受到的振動(dòng)危害。

試驗(yàn)參數(shù)：

加速度均方根（ Grms ）：0.76g。

振動(dòng)時(shí)間：3h（建議振動(dòng)時(shí)間）。

振動(dòng)圖譜（如表2、圖6所示）。

表2 隨機(jī)振動(dòng)圖譜

圖6 隨機(jī)振動(dòng)圖譜

試驗(yàn)后檢查，包裝件是否有破損，產(chǎn)品是否有損壞或功能失效。

6.沖擊試驗(yàn)2（試驗(yàn)參數(shù)）

沖擊方位：5F、6F、2F和4F。

沖擊速度：1.75m/s，ASTM D4169 LevelII。

沖擊次數(shù)：每個(gè)面各沖擊1次。

試驗(yàn)后檢查，包裝件是否有破損，產(chǎn)品是否有損壞或功能失效。

7.跌落試驗(yàn)2（試驗(yàn)參數(shù)）

跌落方位：3-5E、2-3E、3-6E和3-4E。

跌落高度：229mm。

跌落次數(shù)：每條棱各跌落1次。

試驗(yàn)后檢查，包裝件是否有破損，產(chǎn)品是否有損壞或功能失效。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

根據(jù)物流監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再根據(jù)現(xiàn)有的ASTM D4169標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，可以制定出實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬再現(xiàn)在物流環(huán)境中的溫濕度、振動(dòng)、沖擊等危害，可以作為產(chǎn)品的定型試驗(yàn)或是設(shè)計(jì)驗(yàn)收試驗(yàn)。