等价振动测试 振动测试多少小时等于运输多少英里

等价振动测试

振动测试多少小时等于运输多少英里？

首次发表于ISTA 2000年年度会议，2008年12月进行重大修改与升级

摘要：

振动测试多少小时等于运输多少英里？简单的问题，但不幸的是：答案既不简单也不直截了当。本文试图探讨这个等价关系所涉及的相关因素，解释已被接受和证明的方法背后的方法论，并详细讨论加速模拟振动的相关问题。

运输和测试：

为了开始充分解决振动测试等价问题，我们需要细化振动测试方法、以及运输条件和方法。

振动测试：

在包装运输领域有三种常用的振动测试方法。第一种是定位移测试，也称作为重复性冲击或者碰撞测试，可参照ASTM D999 方法A1 或者A2或类似文献。在这种测试中，被测物放置在设备的台面上，台面以25mm的定位移做线性或圆周运动。这种测试经常在某一频率（4.5Hz附近）进行，在此频率下，被测物可以间歇性离开振动台，可通过在被测物下面插入铁片进行验证。技术上说，这根本不是振动，每当包装件重新接触台面时，就引发了一个小的冲击或者碰撞。这种测试不是实况运输的模拟，虽然在运输车辆中可能是包装件的反弹，但根本不是定位移和定振幅。

第二种是正弦测试，参照ASTM D999方法B和C或类似文献。这儿，台面以平滑的正弦方式运动，并且振动频率和加速度都是独立可变的和可控的。这种测试包括扫频（频率缓慢变化）和定频（定振幅、定加速度）测试。在一些规范中，整个振动需求可以被一个或几个正弦扫频满足。但，在传统运输包装领域，扫频振动用于寻找产品或产品包装系统的共振点（自然频率），然后定频测试就被用于评估共振点的潜在风险。这些测试也不是实况运输的模拟，真正的车辆不以平滑的正弦运动振动。

第三种振动测试方法是随机振动，参照ASTM D4728 或类似文献。这时，

振动平台以一种持续变化的频率和加速度的复杂组合运动，与运输车辆运动方式相似。结果，这些测试能更接近的模拟实际运输条件。通常，在频率范围内，随机振动由平均加速度强度的功率谱密度图表表示（PSD是频率的函数），不同的运输车辆和运输条件与不同的PSD形状和幅值有关。

通过给出的三种基本的测试方法可知，这个问题不能简单的以“多长时间的测试……”开始，必须知道哪种测试的测试时间，以及测试参数。

运输方式和运输条件：

下面有四种基本的运输方式：公路、铁路、水运、空运。每种运输方式都有一些差异：交通工具的类别及子类别、货物的数量、配置方式，运输条件（公路、轨道、水流、海况）等。结果是无限中可能的组合。认为单一的、简单的测试能满足所有不同的组合是不实际的。行驶在崎岖道路上的汽车可以产生高水平的振动，但这只覆盖一段时间里的几英里路段。相同的时间，平稳气流中飞行喷气式飞机可以产生低水平的振动，并行驶很长的距离。任何与实验室测试时间相关的运输距离，必须考虑这些变量以及他们之间的组合。

因此这个问题不能简单的以“运输多少公里”结束，必须指定运输方式和运输条件。

试验室测试和运输的等价关系

一旦我们能充分的描述被进行的测试和运输模拟振动方式，我们就可以开始解决等价问题。

重复性冲击（“反弹”）测试

过去，有声称已经完成实际运输与测试的等价关系。偶尔听到一个旧的说法：1小时的测试等于1000英里的实际运输,这简直是胡说八道，没有任何研究证实这具有一般意义。有实例显示，重复冲击测试可以产生于实际运输同样的损坏。当然，这是已发生在特定的包装产品，特定的测试时间，和特定的运输方式和距离的实例。但，狭窄的相关性不能作为一般的等价解释。用户应该谨慎的延伸这样的具体结果至通用的包装件和运输形式。

现今理论认为，重复冲击测试不模拟现实环境，不能也不应该与具体的运输方式和运输距离有关。这并不是说测试是无用的，只是不打算作为模拟，因此不能充分代表实际的运输。

正弦振动测试

正弦振动测试也不是环境模拟，因此他们不能也不应该与具体的运输方式和运输距离有关。ASTM D4199和ASTM D999不认为定频时间与实际运输有关。另外，确定是否只有一个共振点（可导致损坏）是关键。

如同重复性冲击测试，可能的例子是：在具体的产品/包装系统、具体的运输模式/条件情况下，现场性能是已知的。如果正弦停留振动Xmin可以产生运输y公里的损坏，可以被视为这种情况下等价。但，像前面所说，使用者应谨慎的延伸这个结论到其他包装产品和运输形式。

随机振动

随机振动的目的是环境模拟。这是唯一通用，并与实况运输的振动测试相关的测试种类。假设使用的PSD频谱和强度能合理精确的反映运输模式和条件，那么一小时的测试将等价于一小时的典型的运输运动。注意这不是时间VS英里的关系，而是时间VS时间的关系。但由于运输时间是实际的运动持续时间（不是经过总行程的时间），因此，一个与距离的等价关系可以被建立。例如，如果车辆以60英里/小时的速度移动，并且产生相应的用于实验室的PSD频谱和强度，1小时的测试可以等价于60英里。

加速振动测试

因此一个合理配置的实验室，随机振动测试可以相关于实况运输。但测试1h模拟60公里的想法是不现实的。这是加速振动测试概念的可用之处。

在一个1971年的文献中，柯蒂斯，廷林，以及休斯阿斯坦飞机公司假设了一个振动测试时间压缩方法。1993年，丹尼斯在他的著作中引用“聚焦模拟”，在这个著作中，他提出一个公式：加速度的增加对应测试时间的减少。这个公式是：

IT=测试强度（PSD谱的整体强度）

I0=初始强度（初始谱的整体强度）

T0=初始谱的持续时间

TT=测试时间

不大于5：1的时间压缩比率可以保持其有效性。基于T0/Tt比率的选择，

一个新的测试强度可以由公式得出。频谱的形状仍然未改变，只是向上平移了PSD曲线，以增加它的强度。

因此在上面“1h=60”例子中，如果将测试强度乘以√ 5 ，我们使测试（压缩时间）时间压缩5倍，使“1h=300公里”。

ASTM D4169 卡车，二级保证水平

ASTM D4169卡车，二级保证随机频谱是世界上最广泛使用的通用模拟振动测试。它出现在书里已经好几年了，曾经被成百上千个组织应用于上万个测试，致力于解决和避免无限个运输问题。现在，它已经过时了，应该有更高级的频谱可用。虽然如此，它仍然在多种情况下充分发挥作用。它有0.52G的加速度均方根，并被指定运行3小时。难道使用一个理由等价于几英里是有道理的、并能解释它的有效性？ASTM 没有提及任何形式的等价关系，下面的一些东西是严格遵循的作者的经验和意见。但，那好像有合理的价值，基于下面两则关键信息：

1、过去的六年，我们参与相当多的车辆实况振动测量，并从中取得了一些数据。当然任何两个频谱的形状和强度是不同的，但对于螺旋弹簧悬架拖车，整体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 年会议，主题演讲人是美国运输协会的Donald Bowman。在他演讲间，提及美国汽车平均运输里程为750英里。他没有提及平均速度，但如果平均速度是60英里/小时，那么运输时长为12.5小时。

如果我们将这个信息纳入上述“加速振动测试”公式，I0为0.25G。12.5h 为T0，3h为Tt（取自D 4169），可以得到：

与ASTM D4199 汽车频谱、二级保证水平精确相似！这能得出这样的结论：这是模拟平均12.5h的汽车行程，或者说750英里的汽车行程。当然这基于多项假设，这个数据是合理的并且达到了他们想要的目的。

一些注意事项：首先，如果这是有效的，它可能只适用于美国、西欧，以及类似的公路和车辆。大家知道世界上很多地区的大陆和车辆存在着差异，这对任何等价关系有很大影响。其次，那仅聚焦于G（加速度均方根值）水平，忽略了频谱形状，频谱形状对测试结果有很大影响。D 4169中的频谱需要升级，并且，

更现实的频谱可以使用。

我们觉得ASTM D4169卡车、二级保证水平合理模拟一750英里钢板弹簧悬架卡车行驶在美国的道路上。更现代的频谱的使用可以提升模拟水平。但，在这点上，我们没有类似的支持的理由形成关于D4169的频谱或水平的意见。

怎么实现振动测试等价

上面的讨论说明了一个反向计算方法：我们以测试开始，然后计算与运输距离的等价关系。通常，根据已知的运输状况和距离，创建一个实际可行的实验室测试方案。这种情况应遵循以下步骤：

1、选择或确定的PSD频谱和强度，是被模拟运输模式和条件的合理、确定的代表。这是一个琐碎的事情，行业标准建议代表性加速测试，但不给出加速因素。甚至当运行基本数据时，也应该详细检查数据来源，以及任何给出的模拟测试/形式的适用性。常用的最好方法是测量一些适用于你特殊情况的运输（可使用运输环境测量记录仪），然后汇编这些数据成PSD配置文件。意识到运输可能包括不同的路况和其他的参数。若有，为了维持适当的关系，PSD和频谱应当改变。很显然，对于最高的准确性和等价性，整体测试应该匹配实际野外条件。如果降低一致性，那将是等价的。

2、评估或确定模拟运输时间（或运输区间/条件的时间）。如果实际测量已完成，这个信息可以来自实际测量数据，并把他作为整体运动时间。评估或等价时间为距离。

3、使用“加速振动测试公式”压缩时间并计算增加的测试强度。建议时间压缩不超过5：1。如果多个不同参数的运输区域和状况被模拟，必须为每个区域和状况配置独立的测试。

4、在已增加的测试强度和压缩时间情况下，由此产生的实验等价于步骤2的距离。

例如：假设我们有一个0.15G（加速度均方根）的PSD频谱，那是一个特殊运输行程的准确表现。我们愿意在试验室中模拟这种状况5个小时（我们认为那

代表250英里）。使用最大建议压缩时间5:1, ,0.15G 乘以2.24给出一个0.336G的测试强度。因此0.336G测试等价于给出运输状况