東莞粵南試驗儀器公司發布等價振動測試

振動測試多少小時等于運輸多少英里？

發表于ISTA 2000年年度會議，2008年12月進行重大修改與升級

摘要：

振動測試多少小時等于運輸多少英里？簡單的問題，但不幸的是：答案既不簡單也不直截了當。本文試圖探討這個等價關系所涉及的相關因素，解釋已被接受和證明的方法背后的方法論，并詳細討論加速模擬振動的相關問題。

運輸和測試：

為了開始充分解決振動測試等價問題，我們需要細化振動測試方法、以及運輸條件和方法。

振動測試：

    在包裝運輸領域有三種常用的振動測試方法。*種是定位移測試，也稱作為重復性沖擊或者碰撞測試，可參照ASTM D999 方法A1 或者A2或類似文獻。在這種測試中，被測物放置在設備的臺面上，臺面以25mm的定位移做線性或圓周運動。這種測試經常在某一頻率（4.5Hz附近）進行，在此頻率下，被測物可以間歇性離開振動臺，可通過在被測物下面插入鐵片進行驗證。技術上說，這根本不是振動，每當包裝件重新接觸臺面時，就引發了一個小的沖擊或者碰撞。這種測試不是實況運輸的模擬，雖然在運輸車輛中可能是包裝件的反彈，但根本不是定位移和定振幅。

第二種是正弦測試，參照ASTM D999方法B和C或類似文獻。這兒，臺面以平滑的正弦方式運動，并且振動頻率和加速度都是獨立可變的和可控的。這種測試包括掃頻（頻率緩慢變化）和定頻（定振幅、定加速度）測試。在一些規范中，整個振動需求可以被一個或幾個正弦掃頻滿足。但，在傳統運輸包裝領域，掃頻振動用于尋找產品或產品包裝系統的共振點（自然頻率），然后定頻測試就被用于評估共振點的潛在風險。這些測試也不是實況運輸的模擬，真正的車輛不以平滑的正弦運動振動。

第三種振動測試方法是隨機振動，參照 ASTM D4728 或類似文獻。這時，振動平臺以一種持續變化的頻率和加速度的復雜組合運動，與運輸車輛運動方式相似。結果，這些測試能更接近的模擬實際運輸條件。通常，在頻率范圍內，隨機振動由平均加速度強度的功率譜密度圖表表示（PSD是頻率的函數），不同的運輸車輛和運輸條件與不同的PSD形狀和幅值有關。

通過給出的三種基本的測試方法可知，這個問題不能簡單的以“多長時間的測試……”開始，必須知道哪種測試的測試時間，以及測試參數。

運輸方式和運輸條件：

下面有四種基本的運輸方式：公路、鐵路、水運、空運。每種運輸方式都有一些差異：交通工具的類別及子類別、貨物的數量、配置方式，運輸條件（公路、軌道、水流、海況）等。結果是無限中可能的組合。認為單一的、簡單的測試能滿足所有不同的組合是不實際的。行駛在崎嶇道路上的汽車可以產生高水平的振動，但這只覆蓋一段時間里的幾英里路段。相同的時間，平穩氣流中飛行噴氣式飛機可以產生低水平的振動，并行駛很長的距離。任何與實驗室測試時間相關的運輸距離，必須考慮這些變量以及他們之間的組合。

因此這個問題不能簡單的以“運輸多少公里”結束，必須運輸方式和運輸條件。

試驗室測試和運輸的等價關系

一旦我們能充分的描述被進行的測試和運輸模擬振動方式，我們就可以開始解決等價問題。

重復性沖擊（“反彈”）測試

過去，有聲稱已經完成實際運輸與測試的等價關系。偶爾聽到一個舊的說法：1小時的測試等于1000英里的實際運輸,這簡直是胡說八道，沒有任何研究證實這具有一般意義。有實例顯示，重復沖擊測試可以產生于實際運輸同樣的損壞。當然，這是已發生在特定的包裝產品，特定的測試時間，和特定的運輸方式和距離的實例。但，狹窄的相關性不能作為一般的等價解釋。用戶應該謹慎的延伸這樣的具體結果至通用的包裝件和運輸形式。

現今理論認為，重復沖擊測試不模擬現實環境，不能也不應該與具體的運輸方式和運輸距離有關。這并不是說測試是無用的，只是不打算作為模擬，因此不能充分代表實際的運輸。

正弦振動測試

正弦振動測試也不是環境模擬，因此他們不能也不應該與具體的運輸方式和運輸距離有關。ASTM D4199和ASTM D999不認為定頻時間與實際運輸有關。另外，確定是否只有一個共振點（可導致損壞）是關鍵。
    如同重復性沖擊測試，可能的例子是：在具體的產品/包裝系統、具體的運輸模式/條件情況下，現場性能是已知的。如果正弦停留振動Xmin可以產生運輸y公里的損壞，可以被視為這種情況下等價。但，像前面所說，使用者應謹慎的延伸這個結論到其他包裝產品和運輸形式。

隨機振動

隨機振動的目的是環境模擬。這是*通用，并與實況運輸的振動測試相關的測試種類。假設使用的PSD頻譜和強度能合理的反映運輸模式和條件，那么一小時的測試將等價于一小時的典型的運輸運動。注意這不是時間VS英里的關系，而是時間VS時間的關系。但由于運輸時間是實際的運動持續時間（不是經過總行程的時間），因此，一個與距離的等價關系可以被建立。例如，如果車輛以60英里/小時的速度移動，并且產生相應的用于實驗室的PSD頻譜和強度，1小時的測試可以等價于60英里。
加速振動測試

因此一個合理配置的實驗室，隨機振動測試可以相關于實況運輸。但測試1h模擬60公里的想法是不現實的。這是加速振動測試概念的可用之處。

在一個1971年的文獻中，柯蒂斯，廷林，以及休斯阿斯坦飛機公司假設了一個振動測試時間壓縮方法。1993年，丹尼斯在他的著作中引用“聚焦模擬”，在這個著作中，他提出一個公式：加速度的增加對應測試時間的減少。這個公式是：

        IT=測試強度（PSD譜的整體強度）

        I0=初始強度（初始譜的整體強度）
            T0=初始譜的持續時間

        TT=測試時間

不大于5：1的時間壓縮比率可以保持其有效性。基于T0/Tt比率的選擇，一個新的測試強度可以由公式得出。頻譜的形狀仍然未改變，只是向上平移了PSD曲線，以增加它的強度。

因此在上面“1h=60”例子中，如果將測試強度乘以√ 5 ，我們使測試（壓縮時間）時間壓縮5倍，使“1h=300公里”。

ASTM D4169 卡車，二級保證水平

ASTM D4169卡車，二級保證隨機頻譜是世界上zui廣泛使用的通用模擬振動測試。它出現在書里已經好幾年了，曾經被成百上千個組織應用于上萬個測試，致力于解決和避免無限個運輸問題。現在，它已經過時了，應該有更的頻譜可用。雖然如此，它仍然在多種情況下充分發揮作用。它有0.52G的加速度均方根，并被運行3小時。難道使用一個理由等價于幾英里是有道理的、并能解釋它的有效性？ASTM 沒有提及任何形式的等價關系，下面的一些東西是嚴格遵循的作者的經驗和意見。但，那好像有合理的價值，基于下面兩則關鍵信息：
    1、過去的六年，我們參與相當多的車輛實況振動測量，并從中取得了一些數據。當然任何兩個頻譜的形狀和強度是不同的，但對于螺旋彈簧懸架拖車，整體G（加速度均方根值）下降到0.2-0.3G，平均好像在0.25G左右。

2、ISTA 96 年會議，主題演講人是美國運輸協會的Donald Bowman。在他演講間，提及美國汽車平均運輸里程為750英里。他沒有提及平均速度，但如果平均速度是60英里/小時，那么運輸時長為12.5小時。

如果我們將這個信息納入上述“加速振動測試”公式，I0為0.25G。12.5h為T0，3h為Tt（取自 D 4169），可以得到：

與ASTM D4199 汽車頻譜、二級保證水平相似！這能得出這樣的結論：這是模擬平均12.5h的汽車行程，或者說750英里的汽車行程。當然這基于多項假設，這個數據是合理的并且達到了他們想要的目的。
    一些注意事項：首先，如果這是有效的，它可能只適用于美國、西歐，以及類似的公路和車輛。大家知道世界上很多地區的大陸和車輛存在著差異，這對任何等價關系有很大影響。其次，那僅聚焦于G（加速度均方根值）水平，忽略了頻譜形狀，頻譜形狀對測試結果有很大影響。D 4169中的頻譜需要升級，并且，更現實的頻譜可以使用。

我們覺得ASTM D4169卡車、二級保證水平合理模擬一750英里鋼板彈簧懸架卡車行駛在美國的道路上。更現代的頻譜的使用可以提升模擬水平。但，在這點上，我們沒有類似的支持的理由形成關于D4169的頻譜或水平的意見。

怎么實現振動測試等價

上面的討論說明了一個反向計算方法：我們以測試開始，然后計算與運輸距離的等價關系。通常，根據已知的運輸狀況和距離，創建一個實際可行的實驗室測試方案。這種情況應遵循以下步驟：

1、選擇或確定的PSD頻譜和強度，是被模擬運輸模式和條件的合理、確定的代表。這是一個瑣碎的事情，行業標準建議代表性加速測試，但不給出加速因素。甚至當運行基本數據時，也應該詳細檢查數據來源，以及任何給出的模擬測試/形式的適用性。常用的方法是測量一些適用于你特殊情況的運輸（可使用運輸環境測量記錄儀），然后匯編這些數據成PSD配置文件。意識到運輸可能包括不同的路況和其他的參數。若有，為了維持適當的關系，PSD和頻譜應當改變。很顯然，對于zui高的準確性和等價性，整體測試應該匹配實際野外條件。如果降低一致性，那將是等價的。
    2、評估或確定模擬運輸時間（或運輸區間/條件的時間）。如果實際測量已完成，這個信息可以來自實際測量數據，并把他作為整體運動時間。評估或等價時間為距離。

3、使用“加速振動測試公式”壓縮時間并計算增加的測試強度。建議時間壓縮不超過5：1。如果多個不同參數的運輸區域和狀況被模擬，必須為每個區域和狀況配置獨立的測試。

4、在已增加的測試強度和壓縮時間情況下，由此產生的實驗等價于步驟2的距離。

例如：假設我們有一個0.15G（加速度均方根）的PSD頻譜，那是一個特殊運輸行程的準確表現。我們愿意在試驗室中模擬這種狀況5個小時（我們認為那代表250英里）。使用zui大建議壓縮時間5:1, ,0.15G乘以2.24給出一個0.336G的測試強度。因此0.336G測試等價于給出運輸狀況的250英里。

  盡管前面已經講述，但確保更清晰的解釋：等價于一些運輸狀況的實驗室測試或測試系列是損壞或性能的一致性，這是做好的證明。如果一個合理的測試重復產生相似于實際運輸的損壞或結果，那可能是一個好的測試-至少對那些特殊的形式。很多次，我們聽到：“我不明白-我們通過了所有的實驗室測試，但在我們仍然有現場一些問題”。那么，這測試是錯誤的！相反，這種情況也能發生，“我們在運輸中沒有任何損壞，但我們不能通過實驗室測試”。那么這測試也是錯誤的！

運輸包裝工程師的工作沒這樣做，只是因為產品和包裝已設計和實驗室測試已完成。現場性能數據應該被收集并為適當的修正進行仔細的研究，需要的情況下，應該進行調整。

總結、結論：

幾小時等價于幾英里？簡單的回答是：反彈測試和正弦掃頻/定頻測試，盡管為一些目的被廣泛使用，但不是運輸環境的模擬；因此，他們不能被認為等價于實際運輸時間或距離。僅一個真正的、合理配置的“代表性”的隨機振動測試，合，能被考慮為一些形式的等價。一個為加速振動測試建立的方法論能通過增加測試強度壓縮測試時間。