解析运输包装随机振动试验

解析运输包装随机振动试验

商品在从生产出来直到到达用户手中的不同环节里，将有不同程度的振动产生，可能会对商品造成不同程度的损坏，因此需要采用包装来保护商品。然而，包装保护效果的提升一般是以提升成本为代价的，如果一味地提高包装保护效果，必将带来许多不必要的浪费；而如果包装效果不好，造成商品破损，则会带来经济因素及商品形象的损失。因此，在包装设计过程中进行振动测试，可预先衡量包装对商品的保护效果，对防止商品因振动而破损具有十分重要的意义。

振动试验发展过程

运输包装振动试验的类型是从正弦定频→正弦扫频→随机振动发展而来的。正弦定频振动试验可以在选定的一个或数个频率（通常选试件的共振频率）下对试件进行振动试验，由于不可能测出试件所有的共振频率、非线性因素和结构损伤对商品的影响，同时，共振频率本身在试验过程中也是变化的，于是就发展了正弦扫频振动试验，该试验过程中对试件所能碰到的所有共振频率都能进行衡量。那为什么又要进行随机振动试验呢？这是因为在进行正弦扫频振动试验时，试件在各共振频率下依次发生共振，而随机振动试验时，试件各共振频率同时发生共振。若有一继电器常开触点的两弹簧片有不同的共振频率，可能它们依次共振时不相碰，但同时共振时就会相碰，从而造成继电器不正常工作。这个例子可以形象地说明正弦扫频与随机振动试验的差别。而在各种运输情况（飞机、火箭、船舶、车辆）下，商品的振动环境更接近于随机振动情况，同时，由于计算机技术的飞速发展，以及快速傅里叶分析算法（FFT）的出现，使得随机振动测试技术有了实现的可能。因此，由于随机振动试验更接近于实际振动环境，对试件的考核更为严格，从而更容易保证包装件的质量，被更广泛地应用到运输包装试验中。

随机振动试验的参数

随机振动试验主要的试验参数包括：功率谱密度（Power Spectrum Density，简称PSD）、加速度均方根（Gravity root mean square，简称Grms）和振动时间。其中，功率谱密度是在某个频率点上的能量值，是一个统计量；加速度均方根表示随机振动谱中在某个频率范围内整体的强度值。
目前，各测试标准中都提供了各种运输工具随机振动的部分参数，例如在ASTM D4728-06《运输包装箱随机振动测试》中给出了大量的随机振动谱，但是没有说明试验的等级；在ASTM D 4169-08《运输包装箱和系统性能测试标准规范》中规定了卡车、火车和飞机等不同交通工具对应的随机振动谱，同时也详细给出了三种测试强度等级以及振动时间；在我国，GB/T 4857.23-2003《包装 运输包装件 随机振动试验方法》给出了美国随机振动谱的曲线和中国天津外环线随机振动功率谱密度曲线实例，但在试验的强度等级和测试时间方面，并没有给出确切的参考信息。

随机振动试验中各参数的确定

1.选择图谱

进行试验首先应了解客户要求和商品流通过程，然后选择合适的参考标准，并根据标准选择相应的图谱；再通过计算机技术和自动控制技术，将图谱输入振动台的控制系统中，通过振动台模拟商品的实际振动环境。下面详细介绍一下标准中图谱涉及到的各个参数和等级之间的关系。
图1为ASTM D 4169-08《运输包装箱和系统性能测试标准规范》中卡车随机振动第II等级路谱，从图中可直接获得各频率下的PSD值，G_rms值则为功率谱密度谱线下的面积值开平方。假设G_rms值变化n倍，PSD变化了m倍，则n与m之间的关系可通过如下过程推导出。

图1 ASTM D4169-08 《运输包装箱和系统性能测试标准规范》中卡车随机振动第Ⅱ等级路谱

假设图谱中各个拐点的坐标为（f_i，a_i）（i=1，2……6），加速度均方根为G_rms；变化后各拐点的坐标值为（f_i‘，a_i’）（i=1，2，3……6），整体的加速度均方根为G_rms‘。则：

a_i’=ma_i （i=1， 2， 3……6） （1）

f_i‘=f_i （i=1，2，3……6） （2）

G_rms’=nG_rms  （3）

由于PSD谱是对数坐标系，所以：

因此结论为：如果整体的加速度均方根变化n倍，那么只需要将每个节点的功率谱密度变化n²倍。当n>1时，图形将向上平移；当n<1时，图形将向下平移。

在ASTM D 4169-08卡车随机振动中，第I等级的G_rms值为0.73g，第II等级的G_rms值为0.52g，第III等级的G_rms值为0.37g。通过比较，第I等级和第III等级的加速度均方根分别是第II等级加速度均方根的1.414倍和0.707倍。相对应各拐点的功率谱密度值也就变化了2倍和0.5倍。实际的值如表1所示。

表1 卡车各等级的随机振动谱

2.确定图谱等级

试验等级一般分为3类：第I等级（G_rms=0.73g）、第II等级（G_rms=0.52g）和第III等级（G_rms=0.37g）。一般根据产品流通环境的情况选择不同的试验等级，如果运输环境比较恶劣或客户对产品包装防护等级要求较高，选择第I等级，相反，认为运输环境较好或者对产品包装防护等级要求不高时，就选择第III等级。大多数情况下，第II等级作为试验的常用试验等级。

3.确定试验时间

各种标准对试验时间有着不同的要求，ASTM D 4169-08规定振动时间的范围是0.5～6小时，推荐值为3小时。

在ISTA RESOURSCE BOOK 2010的PROCEDURE 3E和3H标准中，可以根据实际的运输距离计算试验的时间，按照Tt=L/8（其中Tt为试验时间，单位为min；L为运输距离，单位为km）进行计算。标准中规定试验时间Tt最大为6小时。

虽然随着计算机技术飞速发展，许多专业软件中已经将随机振动试验的参数进行了自动计算，不需要技术人员进行复杂的计算，但是，作为一个合格的试验人员和专业的技术人员，应该熟悉各参数设置的原理。随机振动的试验等级和时间，是检验产品运输包装振动性能的重要因素，合理的选择试验等级和准确地确定试验时间，也会成为控制运输包装成本的重要因素。