振动试验在包装测试中的应用

宋恩鹏，马致旸

（辽宁省电子信息产品监督检验院，沈阳 110001）

1 包装

包装是在流通过程中保护产品，方便储运，促进销售，按一定的技术方法所用的容器、材料和辅助物等的总体名称；也可以泛指为达到上述目的在采用容器，材料和辅助物的过程中施加的技术方法等操作活动。

包装的主要作用包括下面四种:

1）保护被包装的商品，防止风险和损坏。一件商品，要经多次流通，才能走进商场或其它场所，最终到消费者手中。这期间，需要经过装卸、运输、库存、陈列、销售等环节。在储运过程中，很多外因，如撞击、潮湿、光线、气体、细菌等因素，都会威胁到商品的安全。产品从生产出来到使用之前这段时间，保护措施是很重要的，包装如不能保护好里面的物品，则是一种失败的包装。

2）提供方便。商品的包装是否便于使用、携带、存放等。

3）传递信息。包装上必须注明产品型号、数量、品牌以及制造厂家或零售商的名称。包装能帮助库房管理人员准确地找到产品，也可帮助消费者找到他想要的东西。

4）促进销售。

2 包装测试

在产品检测领域主要关心的是包装的保护效果。这要求我们制定测试方案来评价包装的效果，并根据结果不断改进设计，使其达到最优——在满足产品保护的前提下，尽可能减少产品包装的总成本。

最常见的包装测试是“包装运输测试（ISTA）”。包装运输、配送和包装处理是一个庞大而复杂的过程，而且数量巨大，形式各异。在实验室中进行模拟测试，是评估包装保护设计在实际使用条件中表现的一个简单、快捷、有效且费用低廉的方法。经过测试的包装，能保证达到相关各方对其使用稳定性、环保性、循环利用性等各个方面的指标。

包装运输测试是指对运输包装件进行测量和试验，使产品包装达到合理要求。这种技术根据产品的特性和实际的流通环境，通过实验室的模拟测试，不断改进产品的包装特性，结构设计和包装方式以及使用材料，直到科学且经济。运输包装测试是进行包装设计、提高包装质量、减少货物在流通过程中的损失、实现包装合理化的主要手段。新产品、新材料或新的包装方式，以及运输条件发生重大变化时都需要做运输包装测试。

运输包装测试中机械试验处于核心地位，主要分为振动试验和冲击试验两大部分。详细了解运输过程中包装件的振动特性，对包装设计和评价，就显得尤为重要。

3 振动危害与振动试验

物体在外力作用下沿直线或弧线以中心位置（平衡位置）为基准的往复机械运动，称为振动。物体离中心位置的最大距离为振幅。单位时间内振动的次数称为频率。振动对产品的主要影响是：①使结构损坏，引起变形、弯曲、产生裂纹、断裂，造成部件间的相互撞击等，从而使产品疲劳损坏；②使工作性能失灵、功能失效或性能超差，造成接触部件的接触不良，继电器误动作，电子管噪声增加，指示灯闪烁等，从而导致工作不正常、不稳定，甚至完全不能工作；③使工艺性能破坏，如螺钉或连接件松动、脱焊等。

运输包装件所受的振动危害主要来自运输过程中的环境危害和承载工具。汽车运输时，路面的起伏、发动机的固有振动、减震弹簧的特性和轮胎的充气程度等因素都可能会使运输包装件发生不同方向的振动；火车运输时，振动则来源于牵引机车和铁轨接缝；海运时，运输包装件就要承受发动机和水面风浪的颠簸带来的振动；在航空运输中，包装件不但受到发动机高频激振的影响，还要承受气流作用产生的低频振动以及周期性的摇摆。

振动试验是环境试验中的一种。它是在实验室模拟各种恶劣的振动条件，以检验振动对产品的影响，例如：经振动试验后样品是否有结构的损坏，工作时是否出现了异常的噪声，引线及元器件是否有开焊、断裂或其它形式的失效等等。振动试验一般放在振动试验装置上进行，其振动频率、振动强度及试验时间要根据振动试验标准来确定。

振动试验的目的是确定产品从制成开始，在运输、使用及工作过程中所承受的外来振动或自身产生的振动，而不致破坏并能保持其原有性能，达到预定的寿命和可靠性的能力。振动试验通常有下列几种类型：

1）疲劳环境试验：通过这种试验了解各种机械、构件、设备、材料以及元器件，承受往复振动环境而引起的性能参数变化或疲劳破坏的有关数据。

2）研究性试验：为了研究、开发新产品或改进、提高产品的质量，通过振动试验提供必要的力学性能参数。

3）产品质量监控试验：为确保制造的产品质量，严格控制生产工艺，采用振动试验对其实行质量监控。

4）新产品质量验证试验：对新设计制造的产品，通过振动试验来验证其是否能承受预期的振动环境条件，并保持其应有的性能。

5）包装运输试验：为了解产品出厂时包装是否安全、牢固和合理，运输中是否安全和可靠，通过振动试验提供必要的参数。

6）适应性试验：通过试验确定人体对交通工具的振动、公害振动等是否适应，能否满足人们在各种振动环境下正常生活或工作。

4 振动试验的典型应用

振动试验可以检验运输包装件的强度及对内装物的保护能力。在测试过程中选择合适的试验方案让试验结果更接近现实，可以帮助企业更好地选择包装材料和包装结构，控制包装成本，预判可能造成的损失，并加以避免。

振动试验方法中规定了“正弦振动试验”和“随机振动试验”两种型式的试验方法。详见表1所示。

4.1 正弦振动试验

正弦振动试验控制的参数主要是频率和幅值。按照频率特点分为定频和扫频两种。

4.1.1 定频试验分为定加速法和定位移法两种，主要用于：

1）耐共振频率测试：对产品进行扫频振动响应检查时在发现的明显共振频率点上，施加规定振幅的振动，来测试产品耐受能力。

2）定频耐久测试：在已知产品使用环境或运输条件振动频率时，可采用定频耐久的振动试验，以测试产品在预定危险频率下承受振动的能力。

4.1.2 扫频试验主要用于：

1）产品扫频振动响应检查（即最初共振检查）：确定共振点及工作的稳定性，找出产品共振频率，以做耐共振频率测试。

2）扫频耐久测试：当产品在使用频率范围内无共振点时，或有数个不明显的谐振点，则应进行扫频耐久测试，扫频处理方式在低频段采用定位移幅值，高频段采用定加速度幅值的对数连续扫描，其交越频率一般在55Hz～72Hz，扫频速率一般为每分钟一个倍频程。

3）最后共振检查：以产品扫频振动响应检查相同的方法测试产品经扫频耐久测试后，各共振点有无改变，以确定产品通过耐振处理后的可靠程度。

4.2 随机振动试验

在评价包装件在振动条件下的力学性能时，最好的振动试验方法是对包装件进行随机振动试验。随机振动是一种非确定性振动。当物体作随机振动时，无论振动系统的位移、速度、加速度还是激励荷载，都是一个随机过程，随机振动试验能够比较真实地反映运输过程中运输包装件所遭受的危害。随机振动相对传统的正弦振动有着无法比拟的优点，它能模拟各种实际运输条件下可能遇到的振动情况，如公路、铁路、海运等等，能够完全模拟实际过程中运输包装件所受到的振动能量。对于各种类型的运输包装件而言，随机振动试验都是适用的。

随机振动的核心参数包括：方根加速度、频率、试验时间：

1）均方根加速度:均方根加速度是通过计算频谱曲线下面的面积后再开根号求出。如PSD 是平线，则其值即为wf的平方根 ，其中W是PSD 值，f是频率值，其值等于最高频率-最低频率，是斜线时则要运用微积分的方法计算。一般试验标准中会给出相关值，给试验人员参考。均方根加速度值与正弦振动的g值作用类似，它与设备的最大推力有关，是选择设备的重要参数，也是设计试验的关键之一。

2）频率：频率是随机振动的另一个重要参数，其单位是Hz，频率的选择一般与实践使用范围有关。例如：模拟海面运输的试验频率较低，一般从1～100Hz，低频的PSD值大，试验时给人的感觉像乘海轮，振幅大，频率低。模拟铁路运输的试验，频率是5～150Hz，也是低频的PSD 值大，如果人经受这个试验就会如同乘坐火车旅行，振动时试验台发出的声音也类似。高频随机振动则用来模拟飞机运输或者其它有高频场合的地方，一般高频至2000Hz时，振动时噪声非常刺耳。设计试验时必须注意最高频率和最低频率值。高频时，有些试验附加台面有可能不符合要求，不能使用；最低频率时，则要了解其振幅是否要超过振动台的最大允许值，不注意的话有可能损伤台面，使试验无法进行。

表1 几种振动试验方法的比较

3）试验时间：在设计一个随机振动时，选择试验时间，就是选择模拟整个试验施加给样品的模拟运输里程数，是试验强度的关键指标，直接影响试验的结果。在国军标GJB 150.16的标准中，就给出了1小时的随机振动相当于运输多少公里的数值。随机振动的试验时间，一般在垂直方向最长，试验条件也严酷，三个轴向的条件和实际差异很大，这与正弦振动中一般三个方向的试验条件和试验时间都是相同的极为不同。

有了均方根加速度、频率范围和试验时间，这三个条件就可以进行随机振动试验了。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。随机振动的加速度谱密度、频率范围和试验时间，是检验产品运输包装振动性能的重要因素。合理地选择试验条件，既可以使产品包装和结构设计满足运输中振动环境的考验，也可以将结构设计和运输包装成本控制到最低。

5 结束语

包装运输测试是一门综合学科，是对包装、产品结构设计、动力学、电工学等专业方向的融会贯通。只有设计合理的测试条件、模拟边界、控制参数，并作出科学的数据分析，才能够将试验得到数据转换成正确的包装改进指导建议。因此作为试验人员必须不断的探索试验技术的演变，学习包装运输方法理论体系的相关知识，不断完善技术能力，才能满足为产品包装的科学性把关的要求。

[1]GB/T 2423.56-2006,电工电子产品环境试验 第2 部分：试验方法试验Fh：宽带随机振动（数字控制）和导则[S].

[2]GB/T 2423.10-2008,电工电子产品环境试验 第2 部分: 试验方法试验Fc: 振动(正弦)[S].

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