用運輸試驗測定木箱生命周期的方法探討

王偉

（中國包裝科研測試中心，天津 300457）

用運輸試驗測定木箱生命周期的方法探討

王偉

（中國包裝科研測試中心，天津 300457）

本文對可循環(huán)使用的木箱采取加速壽命試驗方法，分析木箱在實際運輸中受到的環(huán)境、機械振動、沖擊等應(yīng)力，模擬木箱的實際運輸環(huán)境，對木箱進(jìn)行運輸性能試驗，評估驗證木箱的使用壽命，從而獲得木箱的生命周期。

壽命剖面；PSD功率譜密度；置信度；使用方風(fēng)險

Abstract: This paper describes an accelerated life test method for reusable wooden boxes, analyzes stresses such as environment, mechanical vibration and shock, etc. to the boxed during the real transport,stimulating the real transport environment, performing transport performance tests to the boxes, to evaluate the life of the boxes, so as to get the life cycle of the wooden boxes.

Key words: life profile; power spectral density; confidence level; consumer’s risk

可循環(huán)木箱可以多次復(fù)用，提高物流效率，是生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)物流現(xiàn)代化的重要包裝器具，并且符合綠色包裝的要求；對減少國家森林資源的消耗，對社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的現(xiàn)實意義。但它真實的循環(huán)次數(shù)即壽命評估還需要進(jìn)一步研究和探討。在可靠性領(lǐng)域，將產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生故障前的使用時間稱為壽命期。為此需要驗證木箱能否滿足預(yù)期使用壽命的要求。

試驗樣品選用框架木箱，用物流監(jiān)控儀記錄產(chǎn)品的壽命剖面。通過運輸包裝試驗，如隨機振動試驗、叉運試驗、沖擊試驗、跌落試驗等，模擬完整的物流過程，記錄當(dāng)樣品在某一環(huán)節(jié)發(fā)生損壞時，記錄試驗結(jié)果。然后用概率的方法確定置信度，最終算出木箱的壽命區(qū)間。

壽命剖面：產(chǎn)品從交付到壽命終結(jié)或退出使用這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的全部事件或環(huán)境的時序分析。

置信度：設(shè)總體的分布族為{Pθ，θ＜θ}，其中θ為一維參數(shù)；若存在兩個量T1（χ1，χ2，……，χn）及T2（χ1，χ2，……，χn），對給定的α（1＜α＜1）有P{ T1（χ1，χ2，……，χn）≤θ≤T2（χ1，χ2，……，χn）}≥1-α，則稱隨機區(qū)間[T1，T2]為參數(shù)θ的置信水平1-α的置信區(qū)間，T1為置信下限，T2為置信上限，1-α為置信水平或置信度。置信度為所測數(shù)據(jù)的可信程度，表示真值出現(xiàn)在該范圍內(nèi)的幾率。

使用方風(fēng)險：壽命真值小于置信下限的概率，用β表示，置信度=（1-2β）×100%。

1 選取研究對象

本文為了具有更廣泛的適用性，特意選用海運、空運中用量大，具有代表性的木箱；不同箱型中通用或常用配合部件；木箱通用材料、常用零部件、連接件，如圖1所示。

圖1 可循環(huán)使用框架木箱

2 失效原因分析

失效分析是加速壽命試驗確定應(yīng)力類型的基礎(chǔ)，通過失效分析可確定壽命期內(nèi)的敏感應(yīng)力，進(jìn)而作為加速壽命試驗的應(yīng)力。

木箱壽命期使用過程中受到多重環(huán)境應(yīng)力的作用而導(dǎo)致故障，主要包括自然環(huán)境應(yīng)力和誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力。根據(jù)木箱潛在故障模式及機理分析結(jié)果，自然環(huán)境應(yīng)力中敏感應(yīng)力主要是濕熱環(huán)境；誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力中敏感應(yīng)力主要是陸運、空運、裝卸過程中的隨機振動、沖擊、跌落。因此，加速壽命試驗選取的應(yīng)力類型為濕熱環(huán)境、隨機振動、叉運、沖擊和跌落等。

3 選擇加速應(yīng)力和加載方法

依據(jù)IEC 62506-2013中的加速方法，木箱加速壽命試驗主要通過三種手段實現(xiàn)加速：

（1）時間壓縮方法

時間壓縮方法是一種只考慮產(chǎn)品能產(chǎn)生明顯損傷狀態(tài)下的持續(xù)時間的加速試驗方法。木箱只考慮壽命期內(nèi)裝卸和運輸?shù)葘Ξa(chǎn)品有明顯損傷的時間段，而忽略其儲存等對產(chǎn)品基本無損傷的時間段。

（2）事件壓縮方法

當(dāng)一種應(yīng)力是不斷循環(huán)的，可以通過增加應(yīng)力重復(fù)頻次來實現(xiàn)加速。

（3）加大應(yīng)力方法

加大應(yīng)力方法主要是通過加大環(huán)境應(yīng)力來實現(xiàn)加速目的的，加速壽命試驗加大應(yīng)力的范圍如圖2所示。木箱工作極限是其正常使用所能承受的應(yīng)力極限，超過這一極限就不能正常使用。對于木箱這種特殊產(chǎn)品，其不能正常使用即是破壞，故其工作極限和破壞極限相同。

圖2 加大應(yīng)力的范圍

3.1 環(huán)境老化試驗

根據(jù)實際運輸中在集裝箱內(nèi)外監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)，溫度變化范圍-5℃～45℃，濕度變化范圍25%～65%。

環(huán)境老化試驗采用加大應(yīng)力的方法，試驗條件應(yīng)高于海運實測濕熱條件。選用GJB150.9A-2009中的加嚴(yán)試驗方法[1-2]，試驗條件見圖3，量級小于木箱的工作極限。根據(jù)實際監(jiān)測情況，10個周期模擬使用16年中濕熱環(huán)境對木箱的影響。

圖3環(huán)境試驗濕熱交變條件

3.2 隨機振動

根據(jù)實際運輸監(jiān)測的數(shù)據(jù)，木箱一年中陸運距離2325km，陸運隨機振動試驗條件按照標(biāo)準(zhǔn)ISTA 3E-2009中的規(guī)定進(jìn)行[5]，試驗時間（分鐘）=運輸距離（公里）÷8，最長試驗時間240分鐘，因此振動時間為240min。振動路譜按圖4所示。

圖4 公路運輸隨機振動路譜

3.3 叉運試驗

在陸運、海運過程，到達(dá)后，由叉車從集裝箱內(nèi)掏出，木箱的裝卸與移動都依靠叉車進(jìn)行叉運。

依據(jù)IEC 62506-2013和ASTM D6055-96[3]，叉運試驗采用事件壓縮的方法，模擬實際裝卸中的叉車裝載過程及叉運過程中經(jīng)歷倉庫門口、港口或其他不平坦之處受到的顛簸。實際一個循環(huán)中叉運12次，加速試驗1循環(huán)模擬實際運輸1年，因此加速試驗1循環(huán)叉運12次。

在常規(guī)工作條件下，叉車可以從木箱四個方向叉運，叉運方向具有隨機性，因此試驗時叉運次數(shù)均分到四個面，即試驗1個循環(huán)中木箱4個面各叉運3次。

3.4 斜面沖擊試驗

依據(jù)IEC 62506-2013，斜面沖擊試驗采用事件壓縮和加大應(yīng)力的方法，模擬實際裝卸和運輸中受到的沖擊，如陸運緊急剎車、叉車卸貨時都會受到?jīng)_擊。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISTA 3E-2009[5]，對研究對象進(jìn)行斜面沖擊試驗，以1.1m/s的速度，對4個側(cè)面依次按順序沖擊。依據(jù)可靠性試驗經(jīng)驗和實際運輸過程中的沖擊情況，1次斜面沖擊試驗?zāi)M1年實際使用中對木箱的沖擊影響。

3.5 旋轉(zhuǎn)棱跌落試驗

在木箱流通中，跌落為不可控因素，旋轉(zhuǎn)棱跌落試驗采用事件壓縮和加大應(yīng)力的方法，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 62506-2013和ISTA 3E-2009[5]，模擬實際裝卸和運輸中受到的跌落，旋轉(zhuǎn)棱跌落試驗量級小于木箱的工作極限。依據(jù)軍工行業(yè)可靠性鑒定試驗工程經(jīng)驗和實際裝卸中跌落情況，1個循環(huán)的旋轉(zhuǎn)棱跌落試驗?zāi)M2年使用過程中跌落對木箱的影響。

4 加速試驗

運輸性能加速試驗中，試驗1個循環(huán)相當(dāng)于實際周轉(zhuǎn)1年。

5 數(shù)據(jù)處理與壽命評估

5.1 故障分析

加速壽命試驗中木箱發(fā)生側(cè)板分離、原因為圍板間結(jié)合強度降低，強度不足以抗拒外力沖擊時故障發(fā)生。在使用中必須定期維護(hù)，檢查螺釘是否能牢固結(jié)合。

5.2 壽命評估分析

依據(jù)試驗結(jié)果，對參試木箱進(jìn)行壽命界定，定義安全期、預(yù)警期、風(fēng)險期三個階段。在安全期和預(yù)警期內(nèi)可能需要簡單維修，如更換金屬部件；風(fēng)險期需要勤檢查與維護(hù)，發(fā)生大故障時根據(jù)實際情況更換新箱。

加速壽命試驗與實際使用存在差異，實際使用中不同木箱也存在差異，實際使用中木箱的壽命可能是加速壽命試驗驗證的壽命結(jié)果附近的某值，因此對木箱進(jìn)行統(tǒng)計意義上的壽命評估。統(tǒng)計方案選用GJB 899A-2009可靠性驗證試驗中的標(biāo)準(zhǔn)型定時試驗統(tǒng)計方案[4]，置信度為80%。

在置信度為80%情況下，依據(jù)公式（1）計算木箱使用壽命的置信下限：

式中，θL為置信下限，為總試驗時間，為責(zé)任故障數(shù)量，此處為加速壽命試驗中導(dǎo)致壽命終結(jié)的故障；γ為置信度，γ=0.8；χ2為的分位點值。

加速壽命試驗第8循環(huán)時，受到?jīng)_擊、跌落的影響，導(dǎo)致側(cè)板分離，不能正常工作，對木箱進(jìn)行維修。對側(cè)板重新固定按安裝，維修后木箱強度較故障前提高，試驗結(jié)束后，外觀無異常發(fā)生，木箱使用壽命可以滿足16年的使用要求。

依據(jù)試驗結(jié)果，第8循環(huán)后木箱側(cè)板分離，以此作為木箱安全期和預(yù)警期的分界線。

在綜合運輸、儲存環(huán)境條件下，置信度為80%時，依據(jù)公式（1），16個循環(huán)模擬16年使用壽命，T=16，Z=0，計算得θL=9.94。

因此，在置信度為80%情況下，木箱的使用壽命置信下限為9.94年。

此時使用方風(fēng)險為10%，即壽命真值小于置信下限9.94年的概率為10%。

6 結(jié)束語

經(jīng)加速壽命試驗，得出以下結(jié)論：

對于所選取的木箱，在常規(guī)物流環(huán)境和可維修的情況下，90%以上壽命不低于9.94年。

[1] GJB 150．9A-2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第9部分：濕熱試驗[S]．

[2] GJB 150．16A-2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第16部分：振動試驗[S]．

[3] ASTM D6055-96, 大型包裝件的機械搬運[S]．

[4] GJB899A-2009, 可靠性鑒定與驗收試驗[S]．

[5] ISTA 3E-2009, 同種產(chǎn)品的包裝單元試驗[S]．

The Method Probe to Measure the Life Cycle of Wooden Boxes by Transport Tests

WANG Wei

TB485.3

A

1400 (2017) 09-0044-04

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.09.002

王偉(1980- )，男(漢族)，天津人，中國包裝科研測試中心，工程師 ，學(xué)士學(xué)位 ，2005年至今從事運輸包裝檢測工作。