行业知识:运输冲击与振动的相关概念

2022-12-08 11:59:24 1340

运输是货物流通中的必要环节。长途运输工具有汽车、火车、船舶和飞机。运输过程对货物包装件造成损害的原因如下:

  1. 冲击。运输工具的起动、变速、转向、刹车会使货物改变速度。当货物堆垛松散时,会与车厢或相邻货物发生碰撞,导致货物或包装容器的冲击损坏。
  2. 振动。汽车、火车、船舶和飞机等工具运行时受到路面状况、钢轨接头、发动机振动、车辆抗振性能、水面风浪、空中气流等因素的影响,会产生周期性上下颠簸和左右摇晃。由于各种运输工具结构性能不同,其振动振幅与频率范围也各不相同。
  3. 气候条件。长途运输的货物须经历不同气候区域,会受到寒冷、炎热、干燥、潮湿、风雨等气候因素的影响。若货物包装件结构不当、材料薄弱、封闭不严,则会使内容物发生变质或损坏。
  4. 其他因素。流通过程中,存在各种化学和机械活性物质、有害微生物和啮齿动物的损害等。具体说来,氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等气体,以及盐雾、雨水、热源、放射源、气味源、日光照射等都会使包装件及内容物受污染或受损害,加速其品质下降。电子产品应考虑环境静电场对其性能的影响。贵重物品还应考虑防窃启问题。

    存储是产品在流通链中的重要一环。货物储存方法,堆码重量、高度、储存周期,储存地点,储存环境(如光、风、雨、虫、霉、鼠、尘、有害气体等)直接影响产品包装件的流通安全性。仓库的建筑结构型式对储存环境中温度、湿度、气压等因素影响甚大。

装载及储存时,为节省占地面积,常需将货物堆高,堆码后底部货物包装件将承受上部货物的重压。这种静载压力会导致包装容器变形(蠕变),影响包装外观及其动态保护性能能。

一、流通环境的冲击特性

冲击是一种瞬间的、猛烈的机械运动,即物体在极短的时间内发生很大的速度变化或完成突然的能量转化。包装件的冲击主要发生于装卸作业和运输过程中,可分为垂直冲击和水平冲击。垂直冲击主要由搬运、装卸、起吊时跌落引起;水平冲击主要发生于运输车辆在崎岖不平的路面上行驶中车辆突然启动或制动,火车的编组溜放与转轨,飞机着陆,船舶靠岸时。

冲击时,虽然包装件的速度只发生有限的变化,但由于冲击作用的时间极其短促,因此,仍会产生极大的加速度,导致包装件在瞬间承受极大的冲击力,这种冲击力会导致包装内容物的破损。

  1. 装卸时的冲击

不论人工或机械装卸,都可能因人为或偶发因素使包装件自由跌落。此时冲击碰撞发生于包装件与地面之间,其冲击加速度取决于跌落高度,而冲击力大小除处取决于跌落高度外,还取决于包装件质量、内衬垫缓冲性能和地面的刚性。据测定,人工装卸的跌落冲击加速度通常在10g左右,最高可达100g。装卸作业的冲击加速度值一般用g表示,g=9.8m/s²。

  1. 运输过程的冲击

汽车运输的冲击,主要取决于路面状况,车辆的启动和制动,货车重量及装载稳定性。火车运行时产生的冲击有两种,一种是车轮滚过钢轨接缝时的垂直冲击,在普通有缝线路上为80-120次/min,加速度最高为1g。另一种是车辆在连挂时产生的水平冲击,冲击加速度可达2-4g。若速度为14.5km/h时作溜放连挂,车体撞合的瞬间可能产生18g的冲击加速度。影响火车连挂作业时水平冲击力的主要因素是:车辆连挂速度越大冲击力越大;车辆牵引装置的缓冲性能好可吸收部分冲击能量;货物的质量越大,它与地面的摩擦越大,越不容易滑动;货物堆码松散或间隙过大,倒塌和反复相撞的可能性增加;堆码越高,最上层货物的冲击幅度越大。

  1. 空运与海运

空运冲击主要发生在飞机起降过程中,特别是降落时,因机轮与地面相撞而产生显著的冲击。其冲击加速度大小与机种、驾驶技术、风力、载重有关,最大可达14g。海运中的冲击则与水域、风浪、船型、载重、气象条件有关,其冲击值相对较小。

二、流通环境的振动特性

振动是指质点相对其平衡位置所作的往复运动,描述振动的最基本参数是频率和加速度。影响包装件振动的因素来自运输工具种类、运输环境状况、包装结构形式、装载质量等方面。由于影响因素的多样性和随机性,包装件的振动属于复合随机振动。

  1. 汽车运输振动

汽车运输振动加速度的大小与路面状况、行驶速度、车型和载重质量有关,但主要因素为公路的起伏和不平度。不同路面而引起的汽车振动通过底板传递给货物,若包装结构不当,会使包装箱内产品的振动加速度增大。防震包装的目的即减弱包装件对运输环境振动的响应。汽车运输时包装件的共振频率一般小于25Hz。

交通部公路研究所对汽车运输的振动冲击测试结果如下:汽车运输的随机振动加速度功率谱密度以垂直(上下)为最大,横向(左右)为次,纵向(前后)最小;汽车运输随机振动加速度功率谱密度在2Hz左右和10Hz左右各有一个较大峰值。通常2Hz处的峰值为全频带内最大值。采用汽车运输的包装件其固有频率应避开这两个频率值。

  1. 火车运输振动

火车驶过钢轨接头时车轮受到冲击,这对车辆是一种周期性激励,由此引发运行车辆的周期性强迫振动。在正常行驶、进出站、过道岔、车体摇晃、车体颤动、过钢轨接头、过桥梁等运行中,过钢轨接头引发的振动最为强烈。

  1. 海运与空运振动

空运时飞机的振动主要来自发动机振动,表现出单振动、高频率的特点,其振动加速度较小,比较稳定。航行中的船舶是自由弹性体,当受到外部干扰时,会产生一个或若干个调谐共振,其外部激励来自柴油机的振动,螺旋桨与主传动轴系的不平衡力,其他辅机的不平衡力及振动,波浪的周期冲击,舵力。一般情况下,海运中出现两个不同级别的振动:较平静海面上稳定航行时的振动;大风浪中或紧急操作航行时的高强度振动。海浪引起的低频振动为0.03-0.2Hz,对货物的共振影响不大。

 

---节录于清华大学出版社,北京交通大学出版社《运输与包装》教材(第3版)

 

 

关于振动的一些更为通俗的说明:

振动是货物运输时应考虑的基本环境条件,尤其以精密仪器仪表、半导体材料、芯片、果蔬等对于振动敏感的货物为甚。振动的物理特征是以振幅与频率来描述的。振动强度以振动所产生的加速度大小来分级(达到一个振动加速度为1级,记为1g)。据相关研究,1g以上的振动加速度可直接造成果蔬类物理损伤,1g以下的振动也可能造成间接损伤。

影响运输车辆振动的因素首先与车辆状况相关,国外对卡车的车轮数与车体垂直振动强度关系研究发现,轮数少,即车体小、自重轻的车,振动强度高。摩托车、三轮车的振动加速度可达3-5g。车轮内压力高时,振动大。在同一车厢中,以后部的振动强度高于前部,上方的振动强度高于下方;其次与车速及路面状况相关,一般而言,铁路及高速公路比较平滑,因而运输的振动加速度很少超过1g,而且在铁路及高速公路上,行车速度与振动关系不大。在条件较差的路面上行车时,则车速越快,振动越大。因此,道路状况是运输中振动大小的决定因素;再者与车辆中货物的装载状况相关,空车或装货少的车厢振动强度高。另外,如果货物堆码不合理、不稳固时,包装与包装之间的二次甚至多次碰撞,常会产生更强的振动,记录到的振动加速度可达31g;最后与运输方式有关,以公路运输的振动最大,在路况不好的情况下,常会发生3g左右的振动。铁路运输的振动较小。水运振动最小,虽然轮船的摇摆相当大,要摇摆周期长,因此振动速度很小。

 

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