运输包装缓冲振动设计目的与指导方法

工程包装设计可减轻振动输入

如果您需要将产品从生产地点转移到最终用途目的地，则可以估计在此过程中会受到振动输入的影响程度。根据运输方式，您可以预先确定在频率范围（带宽）内各种振幅输入的振动情况（可以同过Lanmsont的运输振动记录仪Saver 3X90‍记录分析振动环境）。通常，您几乎无能为力避免或改变环境输入，因此您的选择**于处理产品及其保护性包装。实际上，我们经常参考这个简单的公式来指导包装保护性设计，包装和分销环境之间的关系– 产品 + 包装 > 环境

该公式的更具描述性的版本可以表示为“产品耐振性 + 保护性包装 > 分销环境危害”。

为了真正树立信心，能够在不影响产品质量的前提下在整个供应链中安全地转移产品，您需要了解该公式的每个部分。

• 我的产品有多耐振（脆弱性评估）？

• 我的供应链中危害有多严重（运输记录仪）？

• 我需要多少保护性包装以确保没有运输相关的损坏？

在本系列的第3部分中，我们通过振动共振搜索和识别测试，解决了产品共振和易损性评估问题。在第4部分的交流中，我们将提供一个实际示例，说明如何使用产品固有频率信息设计保护性包装系统。

案例分析

一家设计大型，复杂的安检设备以透视航空货物的公司，当其设备到达最终用户地点时常遇到损坏问题。安检过程中涉及硬件，该硬件在执行安检时围绕放置在隧道内的物品旋转（例如MRI系统）。该设备包括一个轴承系统，可确保透视过程中的平衡旋转。不幸的是，该公司抵达后轴承系统有关的振动）损坏经常发生。为了加快这些系统在各个机场的部署速度，这些大型系统最初直接放置在卡车上进行运输，没有任何保护性包装。因此，在运输过程中，所有运输振动都直接从卡车底盘传递到了产品中。

进入实验室后，将整个产品装载到lansmont M1000型振动系统上并牢固地连接到台面面上。随后，在3至200 Hz之间进行正弦扫描振动。扫描的频率范围基于从公路运输中输入的预期频率带宽的范围。将响应加速度计（传感器）放置在设备上的各个关键位置，以识别并记录产品关键的谐振特性。

在完成所有正弦波扫描测试之后，确定轴承组件[ 1 ]具有临界固有频率–大约为60 Hz。放大传递率为6。该传递性水平表示在60Hz时经历的任何运输振动输入，将被放大600％。

识别出这些信息后，该公司便着手开发一种缓冲系统，该系统可以衰减60Hz的振动输入。为此创建一个具有自身共振特性等于或低于临界产品固有频率一半的缓冲系统。缓冲系统发生共振后过渡到衰减区间，此时材料的响应较小。通过使包装/垫子缓冲系统的共振频率至少达到关键产品固有频率的一半，这样可以帮助确保在关键产品的60Hz共振频率处，处于缓冲系统振动衰减区域。考虑到该产品的临界固有频率为60 Hz，这意味着他们需要开发一种固有频率为30 Hz的缓冲系统或以下。下面更清楚地说明了这一点。

缓冲材料制造商通常会发布缓存材料性能规范，设计人员可以使用这些性能规范来促进保护性包装系统的开发。该规格数据通常被策略性地应用于整体系统的设计中，这些缓冲系统会机械过滤或减弱可能有害的振动输入，从而使其永远不会穿过包装材料进入产品。缓冲性能取决于材料的静态负荷-或重量/面积指标。改变材料的静态载荷将改变材料的共振特性以及整个包装系统性能。对于该设备，设计了一个缓冲的托盘平台，目标频率为30 Hz或更小的系统固有频率。然后将完整的系统（带衬垫的托盘甲板和产品）放置在振动测试系统上，与相同的3-200Hz 重复进行正弦扫描。

对于此测试，响应式加速度计既放置在轴承系统[ 1 ]上，又放置在产品本身的基础上–在缓冲垫[ 2 ]上方。通过测量产品基础的响应，他们能够确定缓冲设计本身的性能（固有频率和传递率水平）。经过一系列正弦扫描测试之后，可以确定该缓冲系统的固有频率约为14Hz –远低于60 Hz的一半。关键产品的固有频率（由初始的裸产品正弦扫描确定，并在下面画出（蓝线）以进行比较）。

在60 Hz时，缓冲表明它已将输入振动衰减或减小了十（10）倍。这些都是积极的结果，产品在60Hz受到的振动将大大减小，产品的运输安全性大大提高。

现在我们了解了缓冲系统的响应，我们可以进行最终分析，以帮助预测该缓冲系统在预期的运输模式下的响应方式。由于每种运输方式都具有独特的功率谱密度（PSD）形状（幅度与频率），因此我们可以叠加这些PSD，以查看运输方式是否会对整个缓冲系统带来任何其他风险。以下是标准卡车拖车的两个常见的行业测试PSD（红色：板簧， 绿色：空气缓冲），上面覆盖了正弦波扫描后的缓冲系统固有频率数据（Y比例尺不相等-此覆盖图仅供相对评估）。运输PSD具有所谓的峰和谷，它们对应于幅度更大或更小的强度与频率带宽。**峰与挂车悬架类型（板簧和空气缓冲）相关。第二个峰值通常与车轮和轮胎有关，第三个较高频率的峰值与拖车的刚体结构构件有关。与有峰的地方相比，有谷的地方强度要小得多。考虑到这一点，您肯定希望设计一种缓冲系统，该缓冲系统尽可能避免出现在峰值带宽区域。

缓冲系统14 Hz。自然频率落在两个参考PSD的**个谷之内，但是非常接近12-15 Hz的上升幅度范围。考虑到这一点，产品制造商决定采用具有较软特性的减震系统，这将降低减震系统的固有频率。有趣的是，创建较软系统的方法之一实际是除去或减少承载产品重量的缓冲材料的数量。重新设计了带缓冲垫的托盘甲板后，整个系统最后一次进行了测试，比较结果如下所示（新绿色与原蓝色）。

改进的带缓冲甲板（绿色 轨迹）将系统固有频率从14降低到9 Hz，从而将系统的主要响应更有利地转移到运输输入相对较低的区域。

最后，产品制造商实施了这种缓冲甲板系统的使用，并立即获得了成功的结果–向客户所在地提供无损坏的产品。这是一个真实的案例研究，使用了作者在测试实验室中生成的原始真实数据。振动测试系统不仅仅可以用于通过/失败评估，还可以用于更多领域。实际上，振动系统可用于帮助设计更耐用的产品和优化保护性包装系统-所有这些都可以通过定量指标进行验证。

在 第5部分中， 我们将研究如何正确测量和表征运输振动-这有助于建立产品和包装的设计标准。

运输模拟振动台，实验室振动台，液压振动台

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