王志偉, 房樹(shù)蓋
(1. 暨南大學(xué) 包裝工程研究所,廣東 珠海 519070;2. 暨南大學(xué) 產(chǎn)品包裝與物流廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 珠海 519070;3. 暨南大學(xué) 珠海市產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 珠海 519070)
產(chǎn)品在運(yùn)輸過(guò)程中受隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)的作用容易破損失效,運(yùn)輸包裝具有減振吸能的作用,從而達(dá)到保護(hù)產(chǎn)品的目的。
由于運(yùn)輸車輛和運(yùn)輸狀況的不同,包裝件受到的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)譜型也不同,與之對(duì)應(yīng)的響應(yīng)也不同。包裝件所受激勵(lì)譜是實(shí)驗(yàn)室仿真模擬和包裝合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)特性做了大量的研究。Jarimopas等[1]通過(guò)控制卡車速度、卡車類型和路面狀況等條件,得到了柑橘在不同條件下的振動(dòng)激勵(lì)譜;Singh等[2]測(cè)取了印度公路和鐵路運(yùn)輸時(shí)的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD);Garcia-Romeu-Martinez等[3]對(duì)空氣懸架車和彈簧懸架車在空載和裝載時(shí)的道路運(yùn)輸情況進(jìn)行了研究;Zhou等[4]比較了正常載荷和超載時(shí)兩種類型的卡車在中國(guó)公路運(yùn)輸時(shí)的振動(dòng)水平。獲得包裝件真實(shí)激勵(lì)信號(hào)后,如何在實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)和仿真模擬以評(píng)價(jià)運(yùn)輸包裝的合理性,也是激勵(lì)譜研究的重要方面。Rouillard[5]提出了調(diào)制RMS(Root Mean Square)分布法,將一系列持續(xù)時(shí)間很短的高斯信號(hào)疊加,模擬得到非平穩(wěn)非高斯振動(dòng)信號(hào);Zhou等[6]采用移動(dòng)波峰因子和十分之一峰值法分離沖擊信號(hào),將非高斯振動(dòng)信號(hào)分解為一系列不同水平的近似高斯信號(hào)和一段高峰度的沖擊信號(hào)。馬穎等[7-8]提出了一種典型道路譜生成方法,得到了能夠表征某類路面的典型譜,并建立了中國(guó)典型道路譜數(shù)據(jù)庫(kù)。為更好地反映卡車道路運(yùn)輸?shù)恼駝?dòng)特性,美國(guó)ASTM D4169卡車運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也于2016年給出了新的PSD激勵(lì)譜型[9-10]。
產(chǎn)品包裝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究得到了普遍關(guān)注。劉林林等[11]研究了梨在不同加速度下的加速度傳遞率和損傷體積;張連文等[12]對(duì)圣女果進(jìn)行了振動(dòng)與沖擊試驗(yàn),探討了包裝件損壞的主要原因;劉遠(yuǎn)珍等[13-14]研究了包裝件的跳動(dòng)和緩沖材料的非線性對(duì)產(chǎn)品加速度響應(yīng)的非高斯特性的影響;王志偉等[15-17]采用實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)合的方法研究了隨機(jī)振動(dòng)下產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng),堆碼啤酒瓶周轉(zhuǎn)箱中不同位置啤酒瓶的振動(dòng)特性,并探討了加速度響應(yīng)峰值分布規(guī)律。
底層包裝件受到動(dòng)壓力的作用容易破損[18],研究包裝件的動(dòng)壓力規(guī)律對(duì)合理設(shè)計(jì)包裝具有重要指導(dǎo)意義。Urbanik[19]首次利用測(cè)力板得到了堆碼包裝底部的動(dòng)壓力。但由于測(cè)力板質(zhì)量較大,會(huì)增加系統(tǒng)自由度,對(duì)真實(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)造成影響,因此Jamialahmadi等[20]使用了質(zhì)量和厚度可忽略不計(jì)的I-Scan系統(tǒng)的感測(cè)薄片,研究了兩層堆碼包裝系統(tǒng)中水平和垂直方向的動(dòng)壓力分布以及力的水平穿越分布規(guī)律。王志偉等[21-23]研究了兩層和三層堆碼包裝系統(tǒng)的動(dòng)壓力分布及動(dòng)壓力功率譜,指出動(dòng)壓力的力水平穿越分布接近Weibull分布。Fang等[24]給出了線性系統(tǒng)中非零均值、非單位方差的峰值概率密度函數(shù),研究了堆碼包裝系統(tǒng)的動(dòng)壓力峰值分布規(guī)律。Wang等[25-26]近期提出了基于元件加速度RMS-壽命曲線的產(chǎn)品包裝系統(tǒng)加速振動(dòng)試驗(yàn)的理論與方法。
以上研究側(cè)重于實(shí)際運(yùn)輸?shù)缆废碌募?lì)譜型測(cè)量、仿真模擬和產(chǎn)品的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng),但關(guān)于不同譜型激勵(lì)對(duì)包裝系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響研究較少。包裝系統(tǒng)通常是非線性系統(tǒng),并且在運(yùn)輸過(guò)程中存在包裝件跳動(dòng)等現(xiàn)象,共振區(qū)域的激勵(lì)對(duì)非線性包裝系統(tǒng)響應(yīng)的影響程度還需進(jìn)一步探究。通過(guò)掃頻實(shí)驗(yàn)獲取包裝件的共振頻率,之后設(shè)置兩種激勵(lì)譜,其頻率范圍均涵蓋共振頻率,且共振區(qū)域附近的譜型相同、非共振區(qū)域譜型不同。本文研究不同譜型激勵(lì)對(duì)包裝系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)的影響。
用質(zhì)量為17.40 kg的水泥塊模擬產(chǎn)品,水泥塊的尺寸為300 mm×140 mm×180 mm。對(duì)產(chǎn)品各個(gè)角用乙烯-醋酸乙烯共聚物(Ethylene-Vinyl Acetate copolymer,EVA)進(jìn)行緩沖包裝,緩沖材料厚度為20 mm、密度為84 kg/m3,三方向緩沖尺寸為120 mm×60 mm×50 mm。將緩沖包裝后的產(chǎn)品放置在內(nèi)尺寸為320 mm×160 mm×200 mm的C楞瓦楞紙箱中,進(jìn)行封裝。
實(shí)驗(yàn)振動(dòng)設(shè)備采用美國(guó)Lansmont公司的M7000-10液壓振動(dòng)臺(tái),其頻率范圍為3~300 Hz,最大承載重量為998 kg,輸出信號(hào)為頻域信號(hào)。由于振動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法獲取加速度響應(yīng)的時(shí)域信號(hào),因此采用美國(guó)National Instruction公司的數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量加速度時(shí)域信號(hào),最大采樣頻率1 000 Hz。動(dòng)壓力測(cè)量采用美國(guó)Tekscan有限公司的I-Scan系統(tǒng),采用型號(hào)為Model 3150的感測(cè)片測(cè)量包裝件動(dòng)壓力響應(yīng)。感測(cè)片的壓敏單元共2 288(52×44)個(gè),最大采樣頻率為100 Hz,最大壓力為0.862 MPa。加速度測(cè)量元件產(chǎn)自美國(guó)壓電有限公司,在水泥塊中間位置安裝兩個(gè)加速度傳感器,分別連接振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),測(cè)量水泥塊加速度響應(yīng)的頻域信號(hào)和時(shí)域信號(hào)。實(shí)驗(yàn)所用加速度傳感器共兩個(gè),型號(hào)分別為333B30-56782和333B30-56783,靈敏度為101.6 mv/g,98.9 mv/g,量程均為50g。水泥塊緩沖包裝和加速度傳感器安裝位置如圖1所示。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用MATLAB軟件處理。
圖1 產(chǎn)品包裝Fig.1 Packaged product
將包裝件置于振動(dòng)臺(tái)中間位置,感測(cè)片放置在包裝件與振動(dòng)臺(tái)接觸面,用來(lái)測(cè)量包裝件的動(dòng)壓力。為更好地模擬實(shí)際情況,防止產(chǎn)品振動(dòng)時(shí)橫向移動(dòng),在包裝件四周安裝固定支架,支架與包裝件接觸部位安裝上滾輪,減少摩擦力對(duì)包裝件垂直方向運(yùn)動(dòng)的影響。實(shí)際運(yùn)輸中為防止包裝件跳動(dòng),常常對(duì)包裝件施加一定約束,約束的施加對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)存在影響。因此實(shí)驗(yàn)采用無(wú)約束、彈性約束和固定約束三種方式來(lái)探究約束方式對(duì)包裝件振動(dòng)響應(yīng)的影響。其中:彈性約束下彈性繩對(duì)包裝件施加約100 N垂直向下的預(yù)壓力;固定約束下為使木板與包裝件緊密接觸,木板對(duì)包裝件施加約50 N(用感測(cè)片測(cè)量)垂直向下的預(yù)壓力。圖2為包裝件在三種約束下的試驗(yàn)設(shè)置。實(shí)驗(yàn)時(shí),使用抽濕機(jī)和空調(diào)控制實(shí)驗(yàn)溫度為(23±1) ℃,相對(duì)濕度為(50±2)%。
圖2 三種約束方式下的包裝件Fig.2 Packaged product with three types of constraints
1.3.1包裝件掃頻實(shí)驗(yàn)
對(duì)三種約束下的包裝件進(jìn)行正弦掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn),掃頻范圍為3~120 Hz,加速度幅值為0.5g,掃頻速度為12 Hz/min。圖3為不同約束下產(chǎn)品的掃頻加速度-頻率曲線。表1列出了包裝件共振頻率及相應(yīng)的加速度值。
1.3.2 隨機(jī)激勵(lì)譜確定
根據(jù)掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的加速度PSD激勵(lì)譜。由于感測(cè)片最大采樣頻率為100 Hz,由采樣定理可知實(shí)驗(yàn)激勵(lì)譜最大頻率為50 Hz。通過(guò)掃頻實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同約束下包裝件的共振頻率均小于50 Hz,所以激勵(lì)譜的范圍選擇在50 Hz以內(nèi)。譜型1為共振頻率區(qū)域左右25 Hz頻帶范圍內(nèi)的限帶白噪聲,譜型2為3~50 Hz內(nèi)的限帶白噪聲。每種譜型激勵(lì)設(shè)置三個(gè)振動(dòng)等級(jí),PSD值分別為0.006 g2/Hz,0.003 g2/Hz和0.001 5 g2/Hz。表2列出了譜型1和譜型2的參數(shù)。按隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)振動(dòng)時(shí)間為7 min,加速度采樣頻率為800 Hz,采樣時(shí)間5 min。感測(cè)片采樣頻率為100 Hz,采樣時(shí)間5 min。
圖3 掃頻實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的加速度Fig.3 Accelerations of packaged product in sine sweep vibration experiments
表1 掃頻實(shí)驗(yàn)包裝件的共振頻率和相應(yīng)的加速度Tab.1 Resonance frequencies and correspondingaccelerations values in sine sweep vibration experimentsfor packaged product
表2 限帶白噪聲譜型1和譜型2激勵(lì)PSD數(shù)據(jù)Tab.2 Band limited white noise PSDs of spectrum 1 and spectrum 2
兩種激勵(lì)譜、三種約束下產(chǎn)品的加速度響應(yīng)PSD和包裝件的動(dòng)壓力響應(yīng)PSD,如圖4所示??傮w來(lái)看,相同約束和激勵(lì)等級(jí)條件下,兩種激勵(lì)譜在激勵(lì)大小相同的頻帶內(nèi),加速度響應(yīng)PSD大小基本一致,動(dòng)壓力響應(yīng)PSD大小也基本相同。當(dāng)振動(dòng)等級(jí)增強(qiáng)時(shí),在峰值附近譜型1和譜型2的加速度響應(yīng)PSD、動(dòng)壓力響應(yīng)PSD均存在一定的差異,且振動(dòng)等級(jí)越大,兩種譜型激勵(lì)的響應(yīng)PSD相差越大,譜型1的響應(yīng)略大于譜型2的響應(yīng)。這種差異的產(chǎn)生是由于在兩種譜型激勵(lì)下,系統(tǒng)的阻尼存在微小的差異,導(dǎo)致兩種譜型激勵(lì)下的共振響應(yīng)存在一定的差異。與彈性約束和固定約束相比,無(wú)約束時(shí)由于包裝件跳動(dòng)的影響,阻尼的影響不太明顯,無(wú)約束振動(dòng)下兩種譜型激勵(lì)的加速度響應(yīng)PSD、動(dòng)壓力響應(yīng)PSD吻合較好。在彈性約束和固定約束的高振動(dòng)等級(jí)下,包裝件的跳動(dòng)受到抑制,兩種譜型激勵(lì)下的產(chǎn)品加速度響應(yīng)和包裝件動(dòng)壓力響應(yīng)均存在明顯差異,阻尼的作用效果顯現(xiàn)出來(lái)。產(chǎn)品的振動(dòng)主要受一階共振頻率控制。
此外,隨著振動(dòng)等級(jí)的增大,加速度響應(yīng)峰值和動(dòng)壓力響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率逐漸向左偏移,這是由于材料非線性造成的。
圖4 兩種譜型激勵(lì)下產(chǎn)品的加速度響應(yīng)PSD和包裝件的動(dòng)壓力響應(yīng)PSDFig.4 Acceleration responses PSDs of product and dynamic contact force responses PSDs of packaged product with two types of spectrums
相同約束和振動(dòng)等級(jí)條件下,譜型1和譜型2激勵(lì)下的加速度響應(yīng)時(shí)域分布大致相同,所以圖5只給出了在振動(dòng)等級(jí)II下產(chǎn)品加速度響應(yīng)在10 s內(nèi)的時(shí)間歷程。無(wú)約束時(shí),包裝件存在跳動(dòng)現(xiàn)象,所以加速度在-g附近比較集中。而彈性約束和固定約束的施加,負(fù)向加速度開(kāi)始增多,約束的增強(qiáng)使加速度分布逐漸向?qū)ΨQ分布靠近。此外,實(shí)驗(yàn)所用振動(dòng)臺(tái)輸入的信號(hào)為高斯信號(hào),線性系統(tǒng)的響應(yīng)也應(yīng)該為高斯信號(hào),而加速度分布表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性,正向加速度大于負(fù)向加速度。高斯信號(hào)經(jīng)過(guò)包裝系統(tǒng)產(chǎn)生非高斯信號(hào),說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用包裝系統(tǒng)具有明顯的非線性特征。
圖5 產(chǎn)品加速度響應(yīng)的時(shí)間歷程Fig.5 Time series of acceleration response of product
產(chǎn)品加速度響應(yīng)的概率密度分布如圖6所示。由于振動(dòng)臺(tái)輸入的激勵(lì)信號(hào)為高斯信號(hào),因此圖6也給出了產(chǎn)品加速度響應(yīng)概率密度分布的高斯擬合曲線和相應(yīng)的參數(shù)。相同約束和激勵(lì)等級(jí)條件下,譜型1和譜型2激勵(lì)下的加速度響應(yīng)概率密度分布大致相同,概率密度分布均隨著振動(dòng)強(qiáng)度的降低和約束的增強(qiáng)而逐漸趨向于高斯分布。從譜型1和譜型2的加速度響應(yīng)概率密度分布的高斯擬合曲線的參數(shù)來(lái)看,二者的均值、均方差都比較接近,差異較小。
無(wú)約束振動(dòng)等級(jí)I下,加速度概率密度分布的峰值接近1.6(譜型2),且集中在-g附近,這與加速度時(shí)域分布相同,都是由于產(chǎn)品跳動(dòng)造成的。施加彈性約束時(shí),產(chǎn)品的跳動(dòng)受到了一定的抑制,概率密度分布的峰值降低,但仍存在跳動(dòng)現(xiàn)象。固定約束下,產(chǎn)品不存在跳動(dòng)現(xiàn)象,但在振動(dòng)等級(jí)較高時(shí),由于材料非線性的影響,概率密度分布仍為非高斯分布。相對(duì)來(lái)說(shuō),固定約束、振動(dòng)等級(jí)III下的概率密度分布更接近于高斯分布。
偏度S和峭度K是表征非高斯分布的兩個(gè)參數(shù),當(dāng)偏度為0、峭度為3時(shí),信號(hào)為高斯信號(hào)。表3給出了譜型1和譜型2激勵(lì)下產(chǎn)品加速度響應(yīng)的均值μ、均方差σ、偏度值S和峭度值K。觀察發(fā)現(xiàn),兩種譜型激勵(lì)下加速度響應(yīng)的均值、均方差、偏度值和峭度值相同或相差較小。在材料非線性和存在跳動(dòng)現(xiàn)象的包裝系統(tǒng)中,兩種譜型在非共振區(qū)域激勵(lì)的能量不同,但對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)影響很小,共振區(qū)域的激勵(lì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)起決定性作用。
表3 產(chǎn)品加速度響應(yīng)的均值、均方差、偏度和峭度Tab.3 Mean, standard deviation,skewness and kurtosis ofproduct response acceleration
圖6 產(chǎn)品加速度響應(yīng)概率密度分布Fig.6 Probability density distribution of product responses acceleration
包裝件的動(dòng)壓力峰值響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)概率密度分布如圖7所示。Fang等給出了線性包裝系統(tǒng)非零均值、非單位方差下的峰值分布概率密度函數(shù),分布式見(jiàn)式(1)。
(1)
式中:μ為動(dòng)壓力均值;σ為動(dòng)壓力均方差;xm為動(dòng)壓力峰值;ε為帶寬系數(shù)。因此圖7也給出了在式(1)下的動(dòng)壓力峰值分布曲線,其中動(dòng)壓力均值、均方差和帶寬系數(shù)均由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。從圖7可知,式(1)可以較好地描述包裝件動(dòng)壓力峰值響應(yīng)的分布狀況。但由于包裝件跳動(dòng)和包裝材料非線性的影響,理論(曲線)與實(shí)驗(yàn)(直方圖)之間存在一定差異。
在相同約束和激勵(lì)等級(jí)條件下,譜型1的動(dòng)壓力峰值概率密度分布比譜型2更窄、更高,表明動(dòng)壓力峰值變化范圍更小。造成這種現(xiàn)象的原因是:譜型1激勵(lì)的頻帶窄,動(dòng)壓力的頻率變化區(qū)間較小,動(dòng)壓力的峰值分布相對(duì)集中;譜型2的激勵(lì)頻帶較寬,動(dòng)壓力的頻率變化區(qū)間較大,力的峰值分布相對(duì)譜型1分散。
表4給出了兩種譜型激勵(lì)下動(dòng)壓力響應(yīng)的均值、均方差、均值穿越次數(shù)、峰值數(shù)和帶寬系數(shù)。兩種譜型激勵(lì)下動(dòng)壓力響應(yīng)的均值、均方差差異較小。譜型1動(dòng)壓力響應(yīng)的均值穿越次數(shù)和峰值數(shù)均大于譜型2的,帶寬系數(shù)小于譜型2的,但差異僅占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的約10%。這說(shuō)明了非共振區(qū)域激勵(lì)對(duì)非線性包裝系統(tǒng)的動(dòng)壓力響應(yīng)影響不大,共振區(qū)域的激勵(lì)控制整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)。
表4 包裝件動(dòng)壓力的均值、均方差、均值穿越次數(shù)、峰值數(shù)和帶寬系數(shù)Tab.4 Mean, standard deviation, number of mean valuecrossings, number of maxima of dynamic contact force andbandwidth coefficient of package
同時(shí)注意到,當(dāng)振動(dòng)等級(jí)降低和約束增強(qiáng)時(shí),動(dòng)壓力響應(yīng)帶寬變寬。
圖7 包裝件動(dòng)壓力峰值概率密度分布Fig.7 Probability density distribution of peak dynamic contact forceof package
本文研究了包裝系統(tǒng)在不同譜型激勵(lì)下的振動(dòng)特性。主要得出以下結(jié)論:
(1)兩種激勵(lì)譜在激勵(lì)相同的頻帶內(nèi),產(chǎn)品的加速度響應(yīng)PSD大小基本相同,包裝件的動(dòng)壓力響應(yīng)PSD大小也基本相同。隨著振動(dòng)等級(jí)的增強(qiáng),峰值點(diǎn)附近小范圍的頻帶內(nèi),兩種激勵(lì)譜下的加速度響應(yīng)PSD、動(dòng)壓力響應(yīng)PSD有所偏差,這是因?yàn)樵趦煞N譜型激勵(lì)作用下,系統(tǒng)的阻尼存在一定的差異,導(dǎo)致兩種譜型激勵(lì)下的共振響應(yīng)存在一定差異。
(2)在相同約束和振動(dòng)等級(jí)條件下,兩種譜型激勵(lì)下產(chǎn)品的加速度時(shí)域分布、加速度概率密度分布均比較相似,且加速度響應(yīng)的均值、均方差、偏度和峭度相差不大,非共振區(qū)域作用效果不明顯。
(3)包裝件在兩種譜型激勵(lì)下的動(dòng)壓力峰值分布存在一定的差異,譜型1的分布更窄、更高。兩種譜型激勵(lì)下動(dòng)壓力響應(yīng)的均值、均方差、均值穿越次數(shù)、峰值數(shù)和帶寬系數(shù)均比較接近,差異較小。
(4)受包裝材料非線性和包裝件跳動(dòng)的影響,高斯信號(hào)激勵(lì)下的加速度時(shí)域分布偏離對(duì)稱分布,加速度響應(yīng)概率密度分布偏離高斯分布,動(dòng)壓力響應(yīng)峰值分布偏離線性峰值概率密度函數(shù)分布。
(5)包裝系統(tǒng)雖然存在材料非線性和產(chǎn)品跳動(dòng)等現(xiàn)象,但共振區(qū)域的激勵(lì)仍控制了整個(gè)包裝系統(tǒng)的響應(yīng),產(chǎn)品包裝防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注共振區(qū)域。在設(shè)計(jì)緩沖包裝時(shí),應(yīng)該讓包裝系統(tǒng)共振區(qū)域分布在路譜能量較低的頻帶內(nèi),這對(duì)科學(xué)合理設(shè)計(jì)運(yùn)輸包裝具有一定指導(dǎo)意義。