I 20.08.2020 I Tärinätestaus. Tuotteet ja tuotteiden rakenteet altistuvat tärinälle eli toistuville shokeille elinkaarensa aikana. Useasti jo heti elinkaarensa ensi metreillä, kun tuote kuljetetaan esimerkiksi loppuasiakkaalle tehtaalta.

Osa tuotteista taas altistuu tärinälle koko elinkaarensa ajan, varsinkin tuotteet, joita käytetään maa-, meri- tai ilmalogistiikan ajoneuvoissa, erilaisissa työkoneissa ja laitteissa.

Onkin siis elintärkeää tuotteen toimintakyvyn säilyvyyden kannalta, että tuote on suunniteltu ja testattu kestämään siihen elinkaarensa aikana kohdistuvat rasitukset. Tuotteen toimintakyvyn säilyvyys on toki tärkeää loppusijoituskohteessa toiminnallisesti kriittistä roolia suorittavissa tuotteissa, mutta esimerkiksi kuljetuksen aikaiset iskut ja tärinä voivat aiheuttaa laadullisia virheitä myös ei-kriittistä roolia toteuttavien tuotteiden pakkausten ulkonäköön. Tällä voi olla esimerkiksi vaikutusta elintarvikkeiden säilyvyyteen tai myytävyyteen kuluttajalle. Harva valitsee kaupanhyllyltä tuotepakkausta, jonka kulma on rutussa, varsinkin, jos vieressä on sama tuote, jonka pakkaus on ehjä.

Lyhyesti: mitä tärinä on?

Tärinä on toistuvia yksittäisiä shokkeja. Nopeuden muutos, eli kiihtyvyys, taas määrittelee yksittäisen shokin. Matemaattisessa mallissa shokkipulssi olisi siniaallon puolikas, eli joko negatiivinen tai positiivinen osa siniaallon yhdestä jaksosta. Itse tärinätestaamisessa on kuitenkin mahdotonta luoda identtisesti sinikäyrän muotoa mukaileva shokki, eikä ole tarvekaan, sillä testauslaitteet pystyvät mittaamaan sekä laskemaan poikkeaman tuotetun ja ideaali pulssin välillä. Tuota muutosta korjataan säätämällä shokin kestoa ja/tai kiihtyvyystasoa. Testausstandardit määrittelevät sallitun poikkeaman.

Yksittäisen shokin määrittely:

• Huippukiihtyvyys: suurin kiihtyvyyden arvo shokkipulssin aikana
• Kesto: aikajakso, jonka yksittäinen shokkipulssi kestää

Kuten mainittua, tuotteet altistuvat erilaisille shokeille sekä tärinälle, joka on erilaisia shokkeja peräkkäin. Yksittäinen shokki syntyy esimerkiksi tuotteen pudotessa, ja pidempi tärinä taas esimerkisi tieprofiilista, aallokosta tai pyörivästä moottorista.

Erilaisia vaurioita

Mekaaniset vauriot: Tärinä ja erilaiset shokkimaiset iskut aiheuttavat mekaanisia voimia tuotteen pakkaukseen tai tuotteen rakenteisiin, jotka taas aiheuttavat pysyviä muodonmuutoksia tai jopa murtumia tuotteen rakenteisiin. Rakenteen väsyminen tärinän johdosta voi aiheuttaa murtumia myöhemmässä vaiheessa matalissakin voimatasoissa, jotka rakenteen ja materiaalin osalta tulisi kestää normaaleissa olosuhteissa.

Elektroniset vauriot: Piirilevyihin kiinnitetyt komponentit voivat irrota tai löystyä tärinän ja shokkimaisten iskujen myötä. Pidempiaikainen tärinä voi aiheuttaa muodonmuutoksia piirilevyjen rakenteisiin saattaen vääriä komponentteja kontaktiin toistensa kanssa. Tärinä ja siitä aiheutuvat muutokset voivat luoda haitallisia elektromagneettisia kenttiä laitteisiin. Myös kaapelit ja liittimet voivat rasittua kriittisesti. Shokeilla voi olla vaikutusta releisiin.

Muita mahdollisia vaurioita: Shokit voivat aiheuttaa myös komponenttien ja pintojen törmäyksiä, ja siitä johtuen jatkuvat shokit, eli tärinä, merkityksellistä kulumista pintoihin. Hyvänä esimerkkinä tästä ovat kuulalaakerit.

Kuinka tuotteen elinkaarensa aikana kohtaama tärinä tai shokit sitten määritellään?

Tuotteeseen kohdistuva todellinen rasitus voidaan mitata esimerkiksi kiihtyvyysanturilla tuotteesta kuljetuksen tai käytön aikana loppusijoituskohteessa. Valmiiksi mitattua ja määriteltyä dataa on myös saatavilla paljon, mutta tuon datan käytön kanssa tulee tietää tarkasti käytetty mittausmenetelmä sekä käytetyt mittausasetukset.

Tarkastelun alla oleva tuote voi altistua samantyyppiselle tärinälle, mutta todellisuudessa tärinä ja/tai yksittäiset shokit voivat ilmetä eri tasoisena ja suuntaisena kuin käytetyssä referenssidatassa.

Monet eri aloille luodut yleiset standardit toki selkeyttävät ja helpottavat määrittelemään shokki- ja tärinäprofiilit puolestamme. Tämä myös selkeyttää toistettavuutta ja vertailua tuotteiden hyväksynnässä soveltuvaksi tiettyyn loppusijoituskohteeseen. Yleisimmin tuotteiden testaamisessa tukeudutaankin standardien tai yleisten ohjeiden mukaisiin testausprofiileihin.

Alla lista yleisimmistä shokki- ja tärinätestausstandardeista:

– ASTM D 999, D 3580, D 4169, D 4332, D 4728, D 7386
– EIA- 364-27, -364-28
– IEC 60068-2-6, 60068-2-7, 60068-2-27, 60068-2-29, 60068-2-31, 60068-2-55, 60068-2-57, 60068-2-64, 60068-2-80, 60068-2-81
– ISTA Series 1,2,3,4,5,6 (Amazon, FedEx yms.),7
– JESD22 – B103, B104, B110, B111
– MIL-STD-202, Test Method 201, 203, 204, 212, 213, 214
– MIL-STD-331 B1.1, B3
– MIL-STD-810 Test Method 514, 516
– MIL-STD-883 Test Method 2002.5, 2005.2, 2007.3, 2026
– RTCA/DO-160 Section 8.0
– SAE J1455 Mechanical Vibration & Shock

On kuitenkin hyvä huomioida, että varsinkin tuotekehityksessä ja esimerkiksi tuotteiden vaurioselvityksissä todellisen rasituksen identifiointi voi olla erittäin arvokasta ja merkityksellistä. Tällöin kyseeseen tulee tuotteen kohtaamien todellisten rasitusten selvittäminen ja tuotteen testaaminen näissä olosuhteissa.

Kun halutaan tehdä yllä mainittu toistettavasti ja kustannustehokkaasti on järkevin tapa tallentaa todellinen rasitus esimerkiksi kiihtyvyysantureilla tuotteen kuljetuksen aikana tai tuotteen loppusijoituskohteessa. Sen jälkeen mitattu data voidaan siirtää laboratorio-olosuhteisiin ja toistaa mitattu tärinäprofiili eletromekaanisella tai hydraulisella täristimellä. Näin voidaan toistaa samaa profiilia useita kertoa ja tutkia esimerkiksi, kuinka erilaiset muutokset tuotteen rakenteeseen vaikuttavat sen toimintakykyyn.

Katso alla olevalta videolta, kuinka simuloimme epätasaisen tieprofiilin vaikutusta auton peräkontissa vapaasti kuljetettavaan pakettiin mittaamalla ensin todellisen tärinäprofiilin oikeissa olosuhteissa. Tämän jälkeen tien aiheuttama tärinäprofiili siirrettiin laboratorio-olosuhteisiin, jossa täysin sama tärinä aiheutettiin tuotteelle Test Centerimme elektromekaanisella täristimellä.

Miten shokkeja ja tärinää simuloidaan?

Kun on selvillä tuotteeseen kohdistuvien shokkien ja tärinän profiilit, tai kun on määritelty, minkä standardin mukaisia testausprofiileita käytetään, voidaan aloittaa tuotteen testaaminen jäljitettävästi sekä toistettavasti hallituissa olosuhteissa.

Yksittäisiä shokkeja voidaan simuloida käyttämällä esimerkiksi pudotustesteriä, jolla tuote voidaan pudottaa hallitusti halutulta korkeudelta sekä halutussa asennossa. Alustaa, jolle tuote putoaa, voidaan myös vaihdella. Simuloitaessa yksittäisiä shokkeja, joiden kiihtyvyys on suurempi kuin vapaapudotuksella, voidaan toteuttaa; tällöin käytetään shokkitestereitä, joilla tuotteen putoamisnopeutta voidaan kasvattaa.

Tutustu edustamamme LAB Equipmentin pudotus- ja shokkitestereihin täällä »

Tärinää taas simuloidaan täristimellä. Täristimiä on saatavilla yksi- tai useampiakselisina. Riippuen tärinäprofiileista sekä testattavien tuotteiden koosta ja painosta, käytetään hydraulisia tai elektromekaanisesti toimivia täristimiä. Täristimeltä vaaditut ominaisuudet tuleekin aina määritellä testausprofiilien ja testattavien tuotteiden mukaisesti. Kärjistettynä siis kuinka painavaa massaa tulee pystyä liikuttamaan tietyllä kiihtyvyydellä sekä taajuusalueella.

Tutustu elektromekaanisiin täristimiin täällä »

Tutustu hydraulisiin täristimiin täällä »

Lisäksi tärinätestaamisesta puhutaan, kun simuloidaan maanjäristyksien vaikutuksia tuotteille ja rakenteille tai kun isompaa kokonaisuutta rasitetaan yksittäisellä isolla tärinäpöydällä tai yksittäisillä tärinälähteillä useammasta eri pisteestä mahdollisesti useaan suuntaan. Hyvänä esimerkkinä ajoneuvon 4-pistetestaus renkaiden alta. Kvalitestin edustama Servotest on markkinoiden johtava maanjäristyssimuloinnin ja ajoneuvojen sekä työkoneiden liikesimulointijärjestelmien toimittaja. Voit tutustua Servotestin tarjontaan täällä »

Onko yritykselläsi testaustarpeita?

Me autamme teitä löytämään sopivat laitteet tuotteenne testaamiseen. Kvalitest edustaa maailman johtavia pudotus-, shokki- ja tärinätestauslaitevalmistajia ja tarjoamme täyden portfolion tuotteiden shokki- ja tärinätestaamiseen.

Lisäksi omasta Test Centeristämme löytyy laitteistoa tärinä- ja pudotustestaamiseen, jossa asiakkaat pääsevät tutustumaan laitteisiin tarkemmin, tai jos oman laitteiston hankinta ei ole juuri nyt ajankohtaista, pystymme tarjoamaan pudotus- ja tärinätestausta palveluna.

Haluatko lisätietoja? Ota yhteyttä kätevästi tämän lomakkeen avulla:

Tekstin lähde: SEES (Swedish Environmental Engineering Society), Environmental Engineering Handbook, STIBO 2020.