楊 猛，張孝強(qiáng)，王 猛，駱星九

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

血液在運(yùn)輸過程中較易發(fā)生由振動引起的振蕩性溶血[細(xì)胞膜破裂造成K+、血漿游離血紅蛋白（FHb）水平上升]，進(jìn)而引起血液失效[1]，造成很大的浪費(fèi)。為了解決這一問題，需要采用合理的減振措施，設(shè)計(jì)帶有減振功能的血液儲運(yùn)裝置，以降低血液在運(yùn)輸過程中所承受的振動能量。

目前，在海上環(huán)境下對血液進(jìn)行減振的研究比較少見，已有研究主要是在陸地環(huán)境下對血液進(jìn)行減振。例如，段德光等[2]、蘇琛等[3]在雙溫控運(yùn)血車的研制中，在血架與車廂地板相連的4個(gè)對角位置分別安裝全金屬復(fù)合阻尼無諧峰隔振器，實(shí)現(xiàn)對血架進(jìn)行整體隔振，取得了良好的效果。江小工等[4]通過在簡易運(yùn)血箱中加裝懸掛支架的方式來對血液進(jìn)行減振，同樣取得了良好的效果。張艷春等[5]探討了加裝減振裝置對血液保存質(zhì)量的影響，結(jié)果表明加裝減振裝置組的懸浮紅細(xì)胞振動后FHb、乳酸脫氫酶（LDH）水平及溶血率均明顯低于未加裝組。這表明研制帶有減振功能的血液儲運(yùn)裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以上研究多采用在垂直方向安裝減振器的方式對血液進(jìn)行減振，可以在一定程度上減少振動對血液保存質(zhì)量的影響，但這種安裝方式并未體現(xiàn)減振結(jié)構(gòu)上的非線性，而非線性減振結(jié)構(gòu)往往具有比線性減振結(jié)構(gòu)更加優(yōu)異的減振性能。因此，有必要將非線性減振結(jié)構(gòu)引入到血液減振之中，以期能夠更好地保護(hù)血液。

懸掛式減振系統(tǒng)以彈簧作為減振緩沖元件，將被隔振物懸吊于減振系統(tǒng)內(nèi)部，這種減振系統(tǒng)具有明顯的幾何非線性，特別適用于脆值較低的精密儀器設(shè)備的隔振，如大型電子管、制導(dǎo)裝置等，可以使被隔振物在多個(gè)方向上都能得到緩沖保護(hù)，而且比較容易實(shí)現(xiàn)，因此在運(yùn)輸過程中應(yīng)用較多，尤其是在空投和軍事領(lǐng)域[6-15]。

由于懸掛式減振系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，本文參考該減振系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置，并試制樣機(jī)，然后通過隨機(jī)振動試驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)的隔振性能，通過鹽霧試驗(yàn)檢驗(yàn)樣機(jī)的抗鹽霧能力。本裝置可應(yīng)用于大型艦船的血庫（儲存血液的冷庫）之中，能夠降低運(yùn)輸過程中的振動對血液保存質(zhì)量的影響，并能抵抗海上環(huán)境條件下鹽霧腐蝕的有害影響。

1 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置設(shè)計(jì)

新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置是根據(jù)大型艦船血庫的實(shí)際工況設(shè)計(jì)。大型艦船的血庫主要由壓機(jī)室和血液冷藏室組成，血液冷藏室緊鄰壓機(jī)室，環(huán)境較為惡劣。為了能夠有效降低振動對血液保存質(zhì)量的影響，結(jié)合懸掛式減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)本裝置。本裝置采用抽屜式結(jié)構(gòu)，方便取血，與船體固定連接，在各種工作狀態(tài)下都具有鎖緊功能，以避免艦船搖擺對裝置的影響。

1.1 懸掛式減振系統(tǒng)動力學(xué)分析

懸掛式減振系統(tǒng)的理論模型如圖1所示。在該減振系統(tǒng)的上部和下部各有4個(gè)剛度系數(shù)（K）和原長（l0）均相同的彈簧斜支撐被隔振物。圖中所示位置為彈簧未產(chǎn)生變形時(shí)的位置，φ0為彈簧與水平方向之間的夾角，x為被隔振物體M的垂向運(yùn)動位移，垂向阻尼的系數(shù)為C0。彈性恢復(fù)力f的表達(dá)式如下[16]：

圖1 懸掛式減振系統(tǒng)的理論模型

式中，a0=sin2φ0；b0=（1-6sin2φ0+5sin4φ0）/2。由公式（1）可知，懸掛式減振系統(tǒng)可以產(chǎn)生3次恢復(fù)力，具有明顯的幾何非線性。

建立圖1所示模型的運(yùn)動微分方程如下：

式中，m為被隔振物體的質(zhì)量。

考慮基礎(chǔ)位移作用，設(shè)外框架ADGH的位移為q，則被隔振物體M與外框架ADGH之間的無量綱相對位移設(shè)為y=（x-q）/l0，對公式（2）進(jìn)行無量綱化，可得

式中，Y^0=Y0/l0，為無量綱激勵(lì)幅值；Ω=ω/ω0，為無量綱頻率。采用Runge-Kutta法求解公式（4），參數(shù)設(shè)置如下：ξ0=0.075、Y^0=0.2、Ω=1、φ0=[0.2，0.6，0.8，1]、τ=0～50，經(jīng)過計(jì)算可得懸掛式減振系統(tǒng)無量綱位移的時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 懸掛式減振系統(tǒng)無量綱位移的時(shí)域波形

由圖2可知，隨著φ0的不斷增大，無量綱位移時(shí)域響應(yīng)的幅值變大，這表明懸掛式減振系統(tǒng)的減振效果優(yōu)于減振元件垂向布置的減振系統(tǒng)，根據(jù)懸掛式減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)血液防振蕩儲運(yùn)裝置將更好地保護(hù)血液免受振動的影響。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考懸掛式減振系統(tǒng)的理論模型，設(shè)計(jì)新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置三維模型如圖3所示。本裝置由橡膠隔振器、外框架、鋼絲繩隔振器、內(nèi)框架、滑軌和儲血框組成。本裝置的減振系統(tǒng)由底層橡膠隔振器和由鋼絲繩隔振器組成的懸掛式減振系統(tǒng)串聯(lián)組成。底層橡膠隔振器共有6個(gè)，安裝在本裝置下部，采用緊固件與外框架和地面固連；鋼絲繩隔振器共有8個(gè)，安裝在內(nèi)外框架之間，采用緊固件與內(nèi)外框架固連。隔振器實(shí)物以及具體安裝方式如圖4（a）～（d）所示。

圖3 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置三維模型

本裝置共有4個(gè)儲血框。儲血框前部裝有把手，可以通過滑軌向外拉出，方便取血。其中滑軌具有限位裝置和鎖緊裝置，當(dāng)儲血框向外拉出最大位置和向內(nèi)推入最大位置時(shí)可形成自鎖，其三維模型如圖4（e）所示。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)三向隔振，在使用時(shí)血液放于儲血框內(nèi)部，兩級減振系統(tǒng)可以衰減地板傳遞至血液的振動能量。

圖4 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置部分零部件

根據(jù)以上三維模型，加工試制本裝置樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)及零部件選型如下：外形尺寸（l1×l2×l3）為1 230 mm×600 mm×1 358 mm，凈重為124 kg，內(nèi)外框架材質(zhì)為316不銹鋼；鋼絲繩隔振器垂向尺寸為54 mm，垂向最大靜態(tài)載荷為68 kg，鋼絲繩的直徑為6 mm，捻距為39 mm，材質(zhì)為304不銹鋼；橡膠隔振器垂向尺寸為25 mm，垂向最佳載荷為110 kg，橡膠硬度為60度；滑軌采用三節(jié)自鎖重型鋼珠滑軌，最小收縮長度為400 mm，最大伸展長度為800 mm，材質(zhì)為304不銹鋼。

2 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置隨機(jī)振動試驗(yàn)

采用隨機(jī)振動試驗(yàn)驗(yàn)證新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置樣機(jī)的有效性，以加速度均方根值為評價(jià)指標(biāo)來計(jì)算隔振效率，要求隔振效率大于30%。隨機(jī)振動的輸入?yún)⒖糋JB 150.16A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動試驗(yàn)》中的“C.15艦船隨機(jī)振動環(huán)境”，激勵(lì)頻率范圍為1～100 Hz，具體環(huán)境如圖5所示。

圖5 艦船隨機(jī)振動環(huán)境

隔振效率η的計(jì)算方法如下：

式中，RMSsr代表控制點(diǎn)的加速度均方根值；RMSsc代表測點(diǎn)的加速度均方根值?？刂泣c(diǎn)位于振動臺面上，其加速度代表振動臺面的加速度；測點(diǎn)位于內(nèi)框架上，其加速度代表負(fù)載的加速度。

試驗(yàn)時(shí)，在樣機(jī)儲血框內(nèi)部放入沙袋模擬負(fù)載，共放入約100 kg，樣機(jī)及負(fù)載總質(zhì)量約為224 kg。將樣機(jī)通過減振器（底層6個(gè)橡膠隔振器）及安裝架固定在振動臺上，進(jìn)行垂向振動試驗(yàn)。其中振動臺采用ES-30D25液壓振動臺，傳感器采用PCB加速度傳感器。試驗(yàn)場景如圖6所示。控制點(diǎn)和測點(diǎn)實(shí)際隨機(jī)振動曲線如圖7所示。

圖6 隨機(jī)振動試驗(yàn)場景

圖7 隨機(jī)振動曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知，控制點(diǎn)目標(biāo)加速度均方根值為0.315g（振動臺控制系統(tǒng)設(shè)定的加速度均方根值），實(shí)際加速度均方根值為0.329g，測點(diǎn)加速度均方根值為0.213g，經(jīng)計(jì)算可得隔振效率為35.3%。根據(jù)控制點(diǎn)和測點(diǎn)隨機(jī)振動曲線，經(jīng)換算可得傳遞函數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 傳遞函數(shù)曲線

由傳遞函數(shù)曲線可知，本裝置樣機(jī)的固有頻率為6.25 Hz。根據(jù)隔振理論可知，隔振頻帶為大于倍固有頻率的頻率范圍[17]，由此可以得到本裝置的理論隔振頻帶為大于8.84 Hz，而實(shí)際隔振頻帶為大于7.5 Hz，即本裝置在大于7.5 Hz的頻率范圍內(nèi)傳遞函數(shù)小于1，隔振頻帶理論值與試驗(yàn)值之間存在一定誤差。由于血液對高頻振動敏感，對低頻振動的耐受力相對好一些[18]，所以本裝置的減振對血液保存具有明顯益處。

3 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)按照GJB 150.11A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行。GJB 150.11A—2009規(guī)定鹽霧試驗(yàn)主要從物理、電氣、腐蝕3個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)，物理方面主要檢查鹽霧試驗(yàn)是否引起機(jī)械組件的阻塞或粘接，電氣方面主要檢查鹽霧試驗(yàn)是否導(dǎo)致電性能故障，腐蝕方面主要檢查鹽霧試驗(yàn)是否影響試件正常功能和結(jié)構(gòu)完整性。本試驗(yàn)主要從物理和腐蝕2個(gè)方面對樣機(jī)進(jìn)行評價(jià)，要求試驗(yàn)后的樣機(jī)不能有明顯腐蝕、儲血框能夠正?；顒?、儲運(yùn)功能正常。試驗(yàn)條件設(shè)置如下：鹽溶液體積分?jǐn)?shù)為5%，pH值為7.0；平均鹽霧沉降率為1.7 mL/h·80 cm3；試驗(yàn)溫度為34.9～35.1℃；試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為24 h連續(xù)噴霧后暴露24 h為一周期，共2個(gè)周期。試驗(yàn)儀器采用S4'鹽霧箱和GDJS-10C步入式高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱。試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)先放入鹽霧箱內(nèi)，再整體放入高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱。經(jīng)過96 h鹽霧試驗(yàn)后，樣機(jī)如圖9所示。

由圖9可知，試驗(yàn)后樣機(jī)表面未見明顯腐蝕，儲血框可以正?；顒?，儲運(yùn)功能正常。這表明用316不銹鋼材料加工制造的新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置能夠抵抗鹽霧腐蝕環(huán)境的有害影響，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

圖9 新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置樣機(jī)鹽霧試驗(yàn)后圖片

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型血液防振蕩儲運(yùn)裝置，并通過隨機(jī)振動試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)的隔振能力和抗鹽霧能力。通過本文的試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

（1）本裝置垂向隨機(jī)振動隔振效率可達(dá)35.3%，可以明顯降低儲運(yùn)血液所承受的振動能量；（2）本裝置能夠抵抗鹽霧腐蝕環(huán)境的有害影響，可以在惡劣環(huán)境下使用，適用范圍廣泛。

但本裝置在實(shí)際工況下的使用效果尚沒有進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)工作中，將重點(diǎn)研究本裝置在空載和滿載情況下隔振效果的區(qū)別以及在實(shí)際工況下對血液的儲存效果，以進(jìn)一步驗(yàn)證本裝置的有效性。