楊 猛，張孝強，王 猛，駱星九

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

血液在運輸過程中較易發(fā)生由振動引起的振蕩性溶血[細胞膜破裂造成K+、血漿游離血紅蛋白（FHb）水平上升]，進而引起血液失效[1]，造成很大的浪費。為了解決這一問題，需要采用合理的減振措施，設(shè)計帶有減振功能的血液儲運裝置，以降低血液在運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)境下對血液進行減振。例如，段德光等[2]、蘇琛等[3]在雙溫控運血車的研制中，在血架與車廂地板相連的4個對角位置分別安裝全金屬復(fù)合阻尼無諧峰隔振器，實現(xiàn)對血架進行整體隔振，取得了良好的效果。江小工等[4]通過在簡易運血箱中加裝懸掛支架的方式來對血液進行減振，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裝置具有重要的現(xiàn)實意義。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方向上都能得到緩沖保護，而且比較容易實現(xiàn)，因此在運輸過程中應(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，本文參考該減振系統(tǒng)，設(shè)計一種新型血液防振蕩儲運裝置，并試制樣機，然后通過隨機振動試驗驗證樣機的隔振性能，通過鹽霧試驗檢驗樣機的抗鹽霧能力。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裝置設(shè)計

新型血液防振蕩儲運裝置是根據(jù)大型艦船血庫的實際工況設(shè)計。大型艦船的血庫主要由壓機室和血液冷藏室組成，血液冷藏室緊鄰壓機室，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的垂向運動位移，垂向阻尼的系數(shù)為C0。彈性恢復(fù)力f的表達式如下[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）進行無量綱化，可得

式中，Y^0=Y0/l0，為無量綱激勵幅值；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)過計算可得懸掛式減振系統(tǒng)無量綱位移的時域波形如圖2所示。

圖2 懸掛式減振系統(tǒng)無量綱位移的時域波形

由圖2可知，隨著φ0的不斷增大，無量綱位移時域響應(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)計血液防振蕩儲運裝置將更好地保護血液免受振動的影響。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考懸掛式減振系統(tǒng)的理論模型，設(shè)計新型血液防振蕩儲運裝置三維模型如圖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，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，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裝置三維模型

本裝置共有4個儲血框。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，當儲血框向外拉出最大位置和向內(nèi)推入最大位置時可形成自鎖，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，樣機參數(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裝置隨機振動試驗

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

圖5 艦船隨機振動環(huán)境

隔振效率η的計算方法如下：

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

試驗時，在樣機儲血框內(nèi)部放入沙袋模擬負載，共放入約100 kg，樣機及負載總質(zhì)量約為224 kg。將樣機通過減振器（底層6個橡膠隔振器）及安裝架固定在振動臺上，進行垂向振動試驗。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。試驗場景如圖6所示?？刂泣c和測點實際隨機振動曲線如圖7所示。

圖6 隨機振動試驗場景

圖7 隨機振動曲線

由試驗結(jié)果可知，控制點目標加速度均方根值為0.315g（振動臺控制系統(tǒng)設(shè)定的加速度均方根值），實際加速度均方根值為0.329g，測點加速度均方根值為0.213g，經(jīng)計算可得隔振效率為35.3%。根據(jù)控制點和測點隨機振動曲線，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裝置鹽霧試驗

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

由圖9可知，試驗后樣機表面未見明顯腐蝕，儲血框可以正?；顒?，儲運功能正常。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。

圖9 新型血液防振蕩儲運裝置樣機鹽霧試驗后圖片

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型血液防振蕩儲運裝置，并通過隨機振動試驗和鹽霧試驗驗證了樣機的隔振能力和抗鹽霧能力。通過本文的試驗可以得到以下結(jié)論：

（1）本裝置垂向隨機振動隔振效率可達35.3%，可以明顯降低儲運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。

但本裝置在實際工況下的使用效果尚沒有進行驗證，后續(xù)工作中，將重點研究本裝置在空載和滿載情況下隔振效果的區(qū)別以及在實際工況下對血液的儲存效果，以進一步驗證本裝置的有效性。