用运输试验测定木箱生命周期的方法探讨

王伟

（中国包装科研测试中心，天津 300457）

用运输试验测定木箱生命周期的方法探讨

王伟

（中国包装科研测试中心，天津 300457）

本文对可循环使用的木箱采取加速寿命试验方法，分析木箱在实际运输中受到的环境、机械振动、冲击等应力，模拟木箱的实际运输环境，对木箱进行运输性能试验，评估验证木箱的使用寿命，从而获得木箱的生命周期。

寿命剖面；PSD功率谱密度；置信度；使用方风险

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

可循环木箱可以多次复用，提高物流效率，是生产企业实现物流现代化的重要包装器具，并且符合绿色包装的要求；对减少国家森林资源的消耗，对社会经济的可持续发展具有极其重要的现实意义。但它真实的循环次数即寿命评估还需要进一步研究和探讨。在可靠性领域，将产品从开始工作到发生故障前的使用时间称为寿命期。为此需要验证木箱能否满足预期使用寿命的要求。

试验样品选用框架木箱，用物流监控仪记录产品的寿命剖面。通过运输包装试验，如随机振动试验、叉运试验、冲击试验、跌落试验等，模拟完整的物流过程，记录当样品在某一环节发生损坏时，记录试验结果。然后用概率的方法确定置信度，最终算出木箱的寿命区间。

寿命剖面：产品从交付到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件或环境的时序分析。

置信度：设总体的分布族为{Pθ，θ＜θ}，其中θ为一维参数；若存在两个量T1（χ1，χ2，……，χn）及T2（χ1，χ2，……，χn），对给定的α（1＜α＜1）有P{ T1（χ1，χ2，……，χn）≤θ≤T2（χ1，χ2，……，χn）}≥1-α，则称随机区间[T1，T2]为参数θ的置信水平1-α的置信区间，T1为置信下限，T2为置信上限，1-α为置信水平或置信度。置信度为所测数据的可信程度，表示真值出现在该范围内的几率。

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

1 选取研究对象

本文为了具有更广泛的适用性，特意选用海运、空运中用量大，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、连接件，如图1所示。

图1 可循环使用框架木箱

2 失效原因分析

失效分析是加速寿命试验确定应力类型的基础，通过失效分析可确定寿命期内的敏感应力，进而作为加速寿命试验的应力。

木箱寿命期使用过程中受到多重环境应力的作用而导致故障，主要包括自然环境应力和诱发环境应力。根据木箱潜在故障模式及机理分析结果，自然环境应力中敏感应力主要是湿热环境；诱发环境应力中敏感应力主要是陆运、空运、装卸过程中的随机振动、冲击、跌落。因此，加速寿命试验选取的应力类型为湿热环境、随机振动、叉运、冲击和跌落等。

3 选择加速应力和加载方法

依据IEC 62506-2013中的加速方法，木箱加速寿命试验主要通过三种手段实现加速：

（1）时间压缩方法

时间压缩方法是一种只考虑产品能产生明显损伤状态下的持续时间的加速试验方法。木箱只考虑寿命期内装卸和运输等对产品有明显损伤的时间段，而忽略其储存等对产品基本无损伤的时间段。

（2）事件压缩方法

当一种应力是不断循环的，可以通过增加应力重复频次来实现加速。

（3）加大应力方法

加大应力方法主要是通过加大环境应力来实现加速目的的，加速寿命试验加大应力的范围如图2所示。木箱工作极限是其正常使用所能承受的应力极限，超过这一极限就不能正常使用。对于木箱这种特殊产品，其不能正常使用即是破坏，故其工作极限和破坏极限相同。

图2 加大应力的范围

3.1 环境老化试验

根据实际运输中在集装箱内外监测到的温湿度数据，温度变化范围-5℃～45℃，湿度变化范围25%～65%。

环境老化试验采用加大应力的方法，试验条件应高于海运实测湿热条件。选用GJB150.9A-2009中的加严试验方法[1-2]，试验条件见图3，量级小于木箱的工作极限。根据实际监测情况，10个周期模拟使用16年中湿热环境对木箱的影响。

图3环境试验湿热交变条件

3.2 随机振动

根据实际运输监测的数据，木箱一年中陆运距离2325km，陆运随机振动试验条件按照标准ISTA 3E-2009中的规定进行[5]，试验时间（分钟）=运输距离（公里）÷8，最长试验时间240分钟，因此振动时间为240min。振动路谱按图4所示。

图4 公路运输随机振动路谱

3.3 叉运试验

在陆运、海运过程，到达后，由叉车从集装箱内掏出，木箱的装卸与移动都依靠叉车进行叉运。

依据IEC 62506-2013和ASTM D6055-96[3]，叉运试验采用事件压缩的方法，模拟实际装卸中的叉车装载过程及叉运过程中经历仓库门口、港口或其他不平坦之处受到的颠簸。实际一个循环中叉运12次，加速试验1循环模拟实际运输1年，因此加速试验1循环叉运12次。

在常规工作条件下，叉车可以从木箱四个方向叉运，叉运方向具有随机性，因此试验时叉运次数均分到四个面，即试验1个循环中木箱4个面各叉运3次。

3.4 斜面冲击试验

依据IEC 62506-2013，斜面冲击试验采用事件压缩和加大应力的方法，模拟实际装卸和运输中受到的冲击，如陆运紧急刹车、叉车卸货时都会受到冲击。依据标准ISTA 3E-2009[5]，对研究对象进行斜面冲击试验，以1.1m/s的速度，对4个侧面依次按顺序冲击。依据可靠性试验经验和实际运输过程中的冲击情况，1次斜面冲击试验模拟1年实际使用中对木箱的冲击影响。

3.5 旋转棱跌落试验

在木箱流通中，跌落为不可控因素，旋转棱跌落试验采用事件压缩和加大应力的方法，依据标准IEC 62506-2013和ISTA 3E-2009[5]，模拟实际装卸和运输中受到的跌落，旋转棱跌落试验量级小于木箱的工作极限。依据军工行业可靠性鉴定试验工程经验和实际装卸中跌落情况，1个循环的旋转棱跌落试验模拟2年使用过程中跌落对木箱的影响。

4 加速试验

运输性能加速试验中，试验1个循环相当于实际周转1年。

5 数据处理与寿命评估

5.1 故障分析

加速寿命试验中木箱发生侧板分离、原因为围板间结合强度降低，强度不足以抗拒外力冲击时故障发生。在使用中必须定期维护，检查螺钉是否能牢固结合。

5.2 寿命评估分析

依据试验结果，对参试木箱进行寿命界定，定义安全期、预警期、风险期三个阶段。在安全期和预警期内可能需要简单维修，如更换金属部件；风险期需要勤检查与维护，发生大故障时根据实际情况更换新箱。

加速寿命试验与实际使用存在差异，实际使用中不同木箱也存在差异，实际使用中木箱的寿命可能是加速寿命试验验证的寿命结果附近的某值，因此对木箱进行统计意义上的寿命评估。统计方案选用GJB 899A-2009可靠性验证试验中的标准型定时试验统计方案[4]，置信度为80%。

在置信度为80%情况下，依据公式（1）计算木箱使用寿命的置信下限：

式中，θL为置信下限，为总试验时间，为责任故障数量，此处为加速寿命试验中导致寿命终结的故障；γ为置信度，γ=0.8；χ2为的分位点值。

加速寿命试验第8循环时，受到冲击、跌落的影响，导致侧板分离，不能正常工作，对木箱进行维修。对侧板重新固定按安装，维修后木箱强度较故障前提高，试验结束后，外观无异常发生，木箱使用寿命可以满足16年的使用要求。

依据试验结果，第8循环后木箱侧板分离，以此作为木箱安全期和预警期的分界线。

在综合运输、储存环境条件下，置信度为80%时，依据公式（1），16个循环模拟16年使用寿命，T=16，Z=0，计算得θL=9.94。

因此，在置信度为80%情况下，木箱的使用寿命置信下限为9.94年。

此时使用方风险为10%，即寿命真值小于置信下限9.94年的概率为10%。

6 结束语

经加速寿命试验，得出以下结论：

对于所选取的木箱，在常规物流环境和可维修的情况下，90%以上寿命不低于9.94年。

[1] GJB 150．9A-2009, 军用装备实验室环境试验方法第9部分：湿热试验[S]．

[2] GJB 150．16A-2009, 军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验[S]．

[3] ASTM D6055-96, 大型包装件的机械搬运[S]．

[4] GJB899A-2009, 可靠性鉴定与验收试验[S]．

[5] ISTA 3E-2009, 同种产品的包装单元试验[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

王伟(1980- )，男(汉族)，天津人，中国包装科研测试中心，工程师 ，学士学位 ，2005年至今从事运输包装检测工作。