東莞粵南試驗(yàn)儀器公司發(fā)布等價振動測試

振動測試多少小時等于運(yùn)輸多少英里？

發(fā)表于ISTA 2000年年度會議，2008年12月進(jìn)行重大修改與升級

摘要：

振動測試多少小時等于運(yùn)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(dāng)。本文試圖探討這個等價關(guān)系所涉及的相關(guān)因素，解釋已被接受和證明的方法背后的方法論，并詳細(xì)討論加速模擬振動的相關(guān)問題。

運(yùn)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(xì)化振動測試方法、以及運(yùn)輸條件和方法。

振動測試：

    在包裝運(yùn)輸領(lǐng)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(fù)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(xiàn)。在這種測試中，被測物放置在設(shè)備的臺面上，臺面以25mm的定位移做線性或圓周運(yùn)動。這種測試經(jīng)常在某一頻率（4.5Hz附近）進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證。技術(shù)上說，這根本不是振動，每當(dāng)包裝件重新接觸臺面時，就引發(fā)了一個小的沖擊或者碰撞。這種測試不是實(shí)況運(yùn)輸?shù)哪M，雖然在運(yùn)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(xiàn)。這兒，臺面以平滑的正弦方式運(yùn)動，并且振動頻率和加速度都是獨(dú)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(guī)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(tǒng)運(yùn)輸包裝領(lǐng)域，掃頻振動用于尋找產(chǎn)品或產(chǎn)品包裝系統(tǒng)的共振點(diǎn)（自然頻率），然后定頻測試就被用于評估共振點(diǎn)的潛在風(fēng)險。這些測試也不是實(shí)況運(yùn)輸?shù)哪M，真正的車輛不以平滑的正弦運(yùn)動振動。

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

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(shù)。

運(yùn)輸方式和運(yùn)輸條件：

下面有四種基本的運(yùn)輸方式：公路、鐵路、水運(yùn)、空運(yùn)。每種運(yùn)輸方式都有一些差異：交通工具的類別及子類別、貨物的數(shù)量、配置方式，運(yùn)輸條件（公路、軌道、水流、海況）等。結(jié)果是無限中可能的組合。認(rèn)為單一的、簡單的測試能滿足所有不同的組合是不實(shí)際的。行駛在崎嶇道路上的汽車可以產(chǎn)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(wěn)氣流中飛行噴氣式飛機(jī)可以產(chǎn)生低水平的振動，并行駛很長的距離。任何與實(shí)驗(yàn)室測試時間相關(guān)的運(yùn)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(yùn)輸多少公里”結(jié)束，必須運(yùn)輸方式和運(yùn)輸條件。

試驗(yàn)室測試和運(yùn)輸?shù)牡葍r關(guān)系

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

重復(fù)性沖擊（“反彈”）測試

過去，有聲稱已經(jīng)完成實(shí)際運(yùn)輸與測試的等價關(guān)系。偶爾聽到一個舊的說法：1小時的測試等于1000英里的實(shí)際運(yùn)輸,這簡直是胡說八道，沒有任何研究證實(shí)這具有一般意義。有實(shí)例顯示，重復(fù)沖擊測試可以產(chǎn)生于實(shí)際運(yùn)輸同樣的損壞。當(dāng)然，這是已發(fā)生在特定的包裝產(chǎn)品，特定的測試時間，和特定的運(yùn)輸方式和距離的實(shí)例。但，狹窄的相關(guān)性不能作為一般的等價解釋。用戶應(yīng)該謹(jǐn)慎的延伸這樣的具體結(jié)果至通用的包裝件和運(yùn)輸形式。

現(xiàn)今理論認(rèn)為，重復(fù)沖擊測試不模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，不能也不應(yīng)該與具體的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離有關(guān)。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(shí)際的運(yùn)輸。

正弦振動測試

正弦振動測試也不是環(huán)境模擬，因此他們不能也不應(yīng)該與具體的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離有關(guān)。ASTM D4199和ASTM D999不認(rèn)為定頻時間與實(shí)際運(yùn)輸有關(guān)。另外，確定是否只有一個共振點(diǎn)（可導(dǎo)致?lián)p壞）是關(guān)鍵。
    如同重復(fù)性沖擊測試，可能的例子是：在具體的產(chǎn)品/包裝系統(tǒng)、具體的運(yùn)輸模式/條件情況下，現(xiàn)場性能是已知的。如果正弦停留振動Xmin可以產(chǎn)生運(yùn)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(yīng)謹(jǐn)慎的延伸這個結(jié)論到其他包裝產(chǎn)品和運(yùn)輸形式。

隨機(jī)振動

隨機(jī)振動的目的是環(huán)境模擬。這是*通用，并與實(shí)況運(yùn)輸?shù)恼駝訙y試相關(guān)的測試種類。假設(shè)使用的PSD頻譜和強(qiáng)度能合理的反映運(yùn)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(yùn)輸運(yùn)動。注意這不是時間VS英里的關(guān)系，而是時間VS時間的關(guān)系。但由于運(yùn)輸時間是實(shí)際的運(yùn)動持續(xù)時間（不是經(jīng)過總行程的時間），因此，一個與距離的等價關(guān)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(chǎn)生相應(yīng)的用于實(shí)驗(yàn)室的PSD頻譜和強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室，隨機(jī)振動測試可以相關(guān)于實(shí)況運(yùn)輸。但測試1h模擬60公里的想法是不現(xiàn)實(shí)的。這是加速振動測試概念的可用之處。

在一個1971年的文獻(xiàn)中，柯蒂斯，廷林，以及休斯阿斯坦飛機(jī)公司假設(shè)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(yīng)測試時間的減少。這個公式是：

        IT=測試強(qiáng)度（PSD譜的整體強(qiáng)度）

        I0=初始強(qiáng)度（初始譜的整體強(qiáng)度）
            T0=初始譜的持續(xù)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(qiáng)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(qiáng)度。

因此在上面“1h=60”例子中，如果將測試強(qiáng)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(jī)頻譜是世界上zui廣泛使用的通用模擬振動測試。它出現(xiàn)在書里已經(jīng)好幾年了，曾經(jīng)被成百上千個組織應(yīng)用于上萬個測試，致力于解決和避免無限個運(yùn)輸問題?，F(xiàn)在，它已經(jīng)過時了，應(yīng)該有更的頻譜可用。雖然如此，它仍然在多種情況下充分發(fā)揮作用。它有0.52G的加速度均方根，并被運(yùn)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(guān)系，下面的一些東西是嚴(yán)格遵循的作者的經(jīng)驗(yàn)和意見。但，那好像有合理的價值，基于下面兩則關(guān)鍵信息：
    1、過去的六年，我們參與相當(dāng)多的車輛實(shí)況振動測量，并從中取得了一些數(shù)據(jù)。當(dāng)然任何兩個頻譜的形狀和強(qiáng)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(yùn)輸協(xié)會的Donald Bowman。在他演講間，提及美國汽車平均運(yùn)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(yùn)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(jié)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(dāng)然這基于多項(xiàng)假設(shè)，這個數(shù)據(jù)是合理的并且達(dá)到了他們想要的目的。
    一些注意事項(xiàng)：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(qū)的大陸和車輛存在著差異，這對任何等價關(guān)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(jié)果有很大影響。D 4169中的頻譜需要升級，并且，更現(xiàn)實(shí)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(xiàn)代的頻譜的使用可以提升模擬水平。但，在這點(diǎn)上，我們沒有類似的支持的理由形成關(guān)于D4169的頻譜或水平的意見。

怎么實(shí)現(xiàn)振動測試等價

上面的討論說明了一個反向計(jì)算方法：我們以測試開始，然后計(jì)算與運(yùn)輸距離的等價關(guān)系。通常，根據(jù)已知的運(yùn)輸狀況和距離，創(chuàng)建一個實(shí)際可行的實(shí)驗(yàn)室測試方案。這種情況應(yīng)遵循以下步驟：

1、選擇或確定的PSD頻譜和強(qiáng)度，是被模擬運(yùn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)建議代表性加速測試，但不給出加速因素。甚至當(dāng)運(yùn)行基本數(shù)據(jù)時，也應(yīng)該詳細(xì)檢查數(shù)據(jù)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(yùn)輸（可使用運(yùn)輸環(huán)境測量記錄儀），然后匯編這些數(shù)據(jù)成PSD配置文件。意識到運(yùn)輸可能包括不同的路況和其他的參數(shù)。若有，為了維持適當(dāng)?shù)年P(guān)系，PSD和頻譜應(yīng)當(dāng)改變。很顯然，對于zui高的準(zhǔn)確性和等價性，整體測試應(yīng)該匹配實(shí)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(yùn)輸時間（或運(yùn)輸區(qū)間/條件的時間）。如果實(shí)際測量已完成，這個信息可以來自實(shí)際測量數(shù)據(jù)，并把他作為整體運(yùn)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(jì)算增加的測試強(qiáng)度。建議時間壓縮不超過5：1。如果多個不同參數(shù)的運(yùn)輸區(qū)域和狀況被模擬，必須為每個區(qū)域和狀況配置獨(dú)立的測試。

4、在已增加的測試強(qiáng)度和壓縮時間情況下，由此產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)等價于步驟2的距離。

例如：假設(shè)我們有一個0.15G（加速度均方根）的PSD頻譜，那是一個特殊運(yùn)輸行程的準(zhǔn)確表現(xiàn)。我們愿意在試驗(yàn)室中模擬這種狀況5個小時（我們認(rèn)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(qiáng)度。因此0.336G測試等價于給出運(yùn)輸狀況的250英里。

  盡管前面已經(jīng)講述，但確保更清晰的解釋：等價于一些運(yùn)輸狀況的實(shí)驗(yàn)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(fù)產(chǎn)生相似于實(shí)際運(yùn)輸?shù)膿p壞或結(jié)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(shí)驗(yàn)室測試，但在我們?nèi)匀挥鞋F(xiàn)場一些問題”。那么，這測試是錯誤的！相反，這種情況也能發(fā)生，“我們在運(yùn)輸中沒有任何損壞，但我們不能通過實(shí)驗(yàn)室測試”。那么這測試也是錯誤的！

運(yùn)輸包裝工程師的工作沒這樣做，只是因?yàn)楫a(chǎn)品和包裝已設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室測試已完成。現(xiàn)場性能數(shù)據(jù)應(yīng)該被收集并為適當(dāng)?shù)男拚M(jìn)行仔細(xì)的研究，需要的情況下，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整。

總結(jié)、結(jié)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(yùn)輸環(huán)境的模擬；因此，他們不能被認(rèn)為等價于實(shí)際運(yùn)輸時間或距離。僅一個真正的、合理配置的“代表性”的隨機(jī)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(qiáng)度壓縮測試時間。