基于减震设计的药品运输冷藏箱研究

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 药品冷藏箱的发展现状

冷藏箱是具有优越隔热性能的特种集装箱，它能保持一定温度和湿度，抑制细菌和微生物繁殖，适用于易腐货物运输。随着温控技术的发展，冷藏箱的适货范围不断拓展，从原来以食品为主迅速扩展到对温度要求较高的化工产品、生化产品、医药产品、电子产品和农产品等领域[1]。自20世纪90年代以来，经济全球化步伐明显加快，发达国家对于冷藏技术在物流中的应用研究比较多，研究内容非常细致[2]。例如，在制冷系统方面：使用超静音设计使其电量消耗相对减少；利用多层搁架设计，可以根据林木药剂的规格合理调整间隙，使空间得到充分利用；其内设照明灯，保证视野明亮。在温度控制设计方面：使用微电脑控制，数字温度显示，调整增量为1℃。在安全系统方面：设计报警系统，有声音报警及灯光闪烁报警的功能，可以实现超温度报警，传感器故障报警，开门报警；使用直流内风机，风冷式结构，合理设计风道及风量，箱内温度稳定均匀[3]。除此之外，许多边缘冷藏货和特种冷藏货需要特殊的温度,而冷藏箱能提供很大的优越性;运输冷藏箱为及时运输提供了可能性[4]。但是现有的林业药剂运输冷藏箱在减震方面涉及较少。这预示着我国在相关方面的冷链物流有着广阔的发展潜力[5],对药品冷藏运输箱的研究也是非常有价值的。

通过对当前的冷藏运输技术常见的实现方式进行分析，从技术手段方面分析各种技术在不同条件下的可行性与稳定性，探究药品在各种环境下的冷藏特性，旨在设计出一种减震效果更好的药品冷藏箱，保障其在物流运输中的安全性与可靠性。

2 药品冷藏箱减震系统的设计

药品减震运输冷藏箱最根本的目的是保证运输过程的有效性，本产品在减震系统的处理上经过了精心的处理和改进。目前最常用的减震系统主要有3类：一类是起缓和冲击作用的弹簧装置，在使用过程中，如果药品冷藏箱受到了外界环境较大的冲击，内部的弹簧装置能够将冲击力释放在预设的缓冲弹簧装置上，从而有效的减少了冲击对于冷藏药品的影响。第二类是起衰减作用的减震器，用弹簧装置充当减震器，用来缓解振动，可以利用阻尼装置来实现，利用阻尼的消音性、减震性来减少振动的影响[6]。第三类是起弹性约束作用的定位装置。本产品考虑将这几种减震系统综合应用，即采用具有上述效果的阻尼减震胶垫来设计减震效果更好更能适应市场要求的药品冷藏箱。

2.1 阻尼减震胶垫

阻尼减震胶垫具有良好的阻尼、消音、减震、隔热效果，同时具有无毒、无味、无烟、不易燃等优良特性。研究使用现有阻尼减震胶垫（如图1）来达到预期的减震效果，其荷载范围为30kg～45kg，竖向刚度为16N/mm，设冷藏箱的容积为50L，所能装载药品重量为10kg～15kg。而单只阻尼减震器的承重范围为30kg～45kg，所以对于一般尺寸的冷藏箱一个阻尼减震器既可保证承重，也可保证减震效果。箱体的振动具有前后、左右、上下、横摆、俯仰和侧倾（沿X、Y、Z方向位移及绕三轴的旋转）的6个自由度，弹性支撑布局应考虑这六个自由度的限制。在减震器布置时，应主要考虑干扰力的方向、设备的重心及减震垫的几何尺寸。若要使放置其上的物品保持平衡就要保证整个箱体处于平衡状态，否则物体一旦偏离平衡位置，重心就会升高出现失衡现象。当干扰力通过设备的重心且方向为垂直时，只要将弹性支承（减振垫）布置按重心对称布置，使弹性支承布置受力相等即可。因此减震垫应放置在箱体重心投影在箱底的点，即箱底的中心。减震垫布置的另一个考虑因素是几何尺寸，其对减震垫的有效模量和性能具有显著的影响。减震垫的有效压缩模量Ec与其形状因素（减震垫的受载面积与不受载面积之比）的关系式为[7]：

式中：

E0—橡胶材料的杨氏模型,MPa；

C—减震垫的形状因素；

k—材料特性校正因素,一般取0.5。

图1 阻尼减震器（ZD-1）型立体图

对于低阻尼橡胶材料,可假设其减震垫的极限静态应力σ为0.069MPa,这时可求出减震垫的最小受载面积[7]:

基于区块链的新型IoT技术还处在“萌芽”阶段，对学术界与工业界来说既是机遇又是挑战。区块链与IoT两种技术的融合势必会推动IoT安全的迅猛发展，并由此带来技术的巨大升级。研究适合IoT特征的区块链安全防护技术是未来的一种趋势，但也存在各种挑战而任重道远。

式中:

S′—减震垫的最小受载面积；

Q—减震垫的静载荷,N。

应用以上公式可得到：采用有效压缩模量为2MPa、最小受载面积为415mm2减震垫才能保证箱体在运输过程中的稳定性[8]，ZD-1型阻尼减震垫底面直径为135mm,受载面积远大于415mm2，满足上述要求。在减震系统上，采用阻尼隔震胶垫对冷藏箱进行改进处理，但需要保证装配之前所在平面的平整性且不能添加任何杂物，因为只有在平整的平台安装中空的夹板，使产生震动时触发隔板变形，经过空气的过渡才能保证将冷藏箱的震动减小，这样才能有效的减小轻微震动对药品冷藏箱产生的影响[9]。通过此设计，阻尼减震胶垫能够发挥出其减震的特性。

2.2 卡扣固定装置

卡扣是简单、快速和经济的连接结构，主要通过卡与扣在装配时的弹性变形和到位后的复原变形实现两个部件的连接。卡扣连接可以实现其连带部件的多次分离和连接而不对产品结构产生影响[10]。卡勾固定装置采用固定结构来稳固药品冷藏箱的位置，进而保障装置的稳定性。对于大多数的药品产品而言，运输过程中都需要防止剧烈摇晃或者磕碰，产生的震动效果越大对其质量和效果影响越大。另一方面，物品运输最大的特点是数量大，大批量运输的减震效果更不尽如人意，因此本设计使用卡扣将每个冷藏箱连接到一起加以固定，形成一个相对比较稳定的运输条件，两个或多个冷藏箱能够通过卡扣进行组合固定，使其在装卸及运输过程中尽量减小震动以保证药品产品的效用，从而经过简单的处理解决不稳定的问题，同时也不会带来较高的成本。

在卡扣固定装置中，有凹槽的扣为母扣，与之进行配合的扣是配合扣，图2中需要进行下压动作的即是配合扣，下面与之配合的是母扣，每个箱体都必须安装母扣和配合扣，保证既能与其他箱体连接也能让其他箱体与其连接。不仅如此，箱体上安装的母扣和配合扣数量应该是相同的，由于设计的箱体是长方体，需要在四个面都进行安装，每个面至少需要一个，如果每个面只安装一个就需要两个母扣和两个配合扣，即两组卡扣，因此需要安装卡扣的数量为偶数。同时参考力学结构设计中的一些优化方案，采取了最优化、最简便的卡扣配合方式，操作者只需要对冷藏箱上的固定卡扣下压使其与另一个箱体的卡扣相互扣紧，以此类推，让每个冷藏箱体彼此之间能够紧密的扣紧，从而保证整体的稳定性能[11]。这种覆盖了常见的各种运输环境的卡扣固定模式，能够较好的起到减震作用，有利于促进药品减震运输冷藏箱的大规模应用。

图2 卡扣工作过程

3 新型减震冷藏箱的冷藏特性

3.1 制冷条件

药品冷藏箱主要用于药品、生物制剂等对运输条件要求较高的药剂的冷藏保存和运输，方便对温度的实时监控。现有的冷藏箱主体一般分为4部分：电气控制系统、制冷系统、制热系统和显示系统[12]。而在此次新型减震冷藏箱设计的过程中，制冷保温系统的设计改进也是研究的设计重要部分。

制冷剂的选用。因为制冷剂会直接影响到最终的制冷效果，一方面选用符合国家规定的环保可重复利用的制冷剂，另一方面要考虑到制冷的温度要求以及冷却条件，进而满足在不同温度下的制冷或制热能力。正常情况下，制冷剂的蒸发温度要低于制冷温度10℃[13]。在选用制冷剂过程中，考虑到冷藏箱制冷环境的影响，保证制冷剂能够满足运输过程中的稳定使用，同时制冷剂的化学性质必须稳定，不能与常见的药品化合物发生反应，更不能具有腐蚀性，避免对其造成破坏[14]。

表1 几种常见制冷剂的相关参数

3.2 冷藏效果

在保证药品箱制冷系统完备的前提下，对箱体的保护也是提高制冷效果的重要因素之一。在设计的过程中，必须保证产品的冷藏效果，同时能够以直观的方式去观测制冷系统的运行效果以及药品运输过程中的冷藏效果，具体考虑的内容就是药品冷藏箱的结构设计。为了使箱体冷藏效果好，透明度高，便于随时观察箱体内部存放的物品，在箱体设计上采用数字监控装置，能够直观的观察药品冷藏箱内制冷结果，从而更好的对药品冷藏箱内部的冷藏环境进行控制和调节。在外层结构上，采取三层高性能中空玻璃，原理如图3所示。

三层高性能中空玻璃的两边为保质层，中间层为真空处理，这种结构能够保持保温层的温度恒定。由于玻璃的热传导率是空气的27倍，当室外温度为13℃时，室内单层玻璃箱内的温度为-2℃，中空玻璃箱内的温度可以保持在-10℃左右。由此可见，高性能中空玻璃隔热性能好，玻璃两侧的温度差较大，可使冷藏箱内冷藏负载减轻。而化学密封胶和铝合金隔离片能够保证冷藏箱的密封性能，使冷藏箱的冷藏效果整体趋于稳定，基本能够保障在不同的环境条件下实现冷藏林业药品的稳定性[15]。

图3 三层高性能中空玻璃工作原理图

4 运输有效性

药品减震冷藏箱最根本的目的是保证运输过程的有效性。卡扣结构不仅能够较好的减小震动，还能将批量药品冷藏箱进行固定。除此之外，对箱门的密闭处理采用磁条与胶体配合，胶体更好的进行密封，磁条的作用就是对胶体进行加固，两者相互作用，共同保证冷藏箱运输过程中的安全可靠性，加强减震冷藏箱的密闭性，使得冷藏效果更佳。因此，实现运输和配送的安全合理及快速化对降低物流能源成本和提高物流服务水平有着十分重要的作用[16]。

根据上述对运输效果产生影响的两个因素（即以卡扣数量和磁条胶体配合等级为实验对象）设计实验。实验目的是找出满足经济、有效、满意度最高的运输效果，并得出具体的因素数值，最终还应该考虑经济性原则。

在上文中提到卡扣的数量，即母扣和配合扣形成的组合数量为2的倍数，在实验中选择3种卡扣数量：2、4、6，磁条胶体的配合等级分A、B、C 三等；实验步骤如下：

①将实验箱体按照表2的9组方式进行组装，箱体数量为N（N≥10）；

②将N个箱体放到小车上，对小车进行同等程度的晃动；

③应用稳定度分析仪对箱体进行稳定性测量；

④最终得到9组实验方式的稳定性和满意度，即得到最令人满意的方式是卡扣数量为4组、胶体磁条配合等级为A。

卡扣数量的增加势必会导致经济成本的增加，因此在实验结果的最后分析过程中，对箱体的稳定性和经济性进行分析。除了考虑站在经济资源最佳配置立场上的边际成本价格原理，实际价格的制定还受运输供求关系、运输成本、交通运输市场的结构、政府管理等各项因素的影响，所以有效的运输价格应能较全面地兼顾企业通过运费收入维持和扩大生产活动，兼顾各种运输方式的竞争以及整个经济社会的利益，从而得到最终的满意度(%)[17]。

表2为3种卡扣数量和3种配合等级相互组合的9组实验结果。

表2 实验方式组合及结果

对卡扣数量为4组、胶体磁条配合等级为A的结果采用六西格玛原则进行冷藏箱有效性分析，实验结果如图4所示，如果结果在LSL/USL之间，也就是落在六西格玛范围之内，说明该方式的DPMO值为3.4，不会出现错误的几率为99.999 66%，小概率事件不会发生，所以可以认为该方式不会出现错误，说明方式可行。对实验组合4进行测量分析可知系统是可靠的，对减震运输效果进行正态检验，得到效果服从正态分布。对减震运输数据能力分析得到Cp=2.4，说明该减震冷藏箱运输具有有效性[18]。

图4 六西格玛能力图

5 结论

通过分析目前药品冷藏箱的构造及性能，对冷藏箱的冷藏性和减震效果进行了改进，提高了冷藏箱在运输过程中的冷藏效果和减震效果，保证药品运输的有效性。通过六西格玛原则有效性分析实验，使得新型的药品减震运输冷藏箱在运输生物药剂方面能够适应多变化的运输环境，减少药品运输时因外界环境产生的不必要损失，提高其在物流运输中的稳定性和可靠性、提高物流服务水平，并且更适合市场需求。