新型血液防振荡储运装置的设计与试验研究

杨 猛，张孝强，王 猛，骆星九

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

血液在运输过程中较易发生由振动引起的振荡性溶血[细胞膜破裂造成K+、血浆游离血红蛋白（FHb）水平上升]，进而引起血液失效[1]，造成很大的浪费。为了解决这一问题，需要采用合理的减振措施，设计带有减振功能的血液储运装置，以降低血液在运输过程中所承受的振动能量。

目前，在海上环境下对血液进行减振的研究比较少见，已有研究主要是在陆地环境下对血液进行减振。例如，段德光等[2]、苏琛等[3]在双温控运血车的研制中，在血架与车厢地板相连的4个对角位置分别安装全金属复合阻尼无谐峰隔振器，实现对血架进行整体隔振，取得了良好的效果。江小工等[4]通过在简易运血箱中加装悬挂支架的方式来对血液进行减振，同样取得了良好的效果。张艳春等[5]探讨了加装减振装置对血液保存质量的影响，结果表明加装减振装置组的悬浮红细胞振动后FHb、乳酸脱氢酶（LDH）水平及溶血率均明显低于未加装组。这表明研制带有减振功能的血液储运装置具有重要的现实意义。以上研究多采用在垂直方向安装减振器的方式对血液进行减振，可以在一定程度上减少振动对血液保存质量的影响，但这种安装方式并未体现减振结构上的非线性，而非线性减振结构往往具有比线性减振结构更加优异的减振性能。因此，有必要将非线性减振结构引入到血液减振之中，以期能够更好地保护血液。

悬挂式减振系统以弹簧作为减振缓冲元件，将被隔振物悬吊于减振系统内部，这种减振系统具有明显的几何非线性，特别适用于脆值较低的精密仪器设备的隔振，如大型电子管、制导装置等，可以使被隔振物在多个方向上都能得到缓冲保护，而且比较容易实现，因此在运输过程中应用较多，尤其是在空投和军事领域[6-15]。

由于悬挂式减振系统具有诸多优点，本文参考该减振系统，设计一种新型血液防振荡储运装置，并试制样机，然后通过随机振动试验验证样机的隔振性能，通过盐雾试验检验样机的抗盐雾能力。本装置可应用于大型舰船的血库（储存血液的冷库）之中，能够降低运输过程中的振动对血液保存质量的影响，并能抵抗海上环境条件下盐雾腐蚀的有害影响。

1 新型血液防振荡储运装置设计

新型血液防振荡储运装置是根据大型舰船血库的实际工况设计。大型舰船的血库主要由压机室和血液冷藏室组成，血液冷藏室紧邻压机室，环境较为恶劣。为了能够有效降低振动对血液保存质量的影响，结合悬挂式减振系统设计本装置。本装置采用抽屉式结构，方便取血，与船体固定连接，在各种工作状态下都具有锁紧功能，以避免舰船摇摆对装置的影响。

1.1 悬挂式减振系统动力学分析

悬挂式减振系统的理论模型如图1所示。在该减振系统的上部和下部各有4个刚度系数（K）和原长（l0）均相同的弹簧斜支撑被隔振物。图中所示位置为弹簧未产生变形时的位置，φ0为弹簧与水平方向之间的夹角，x为被隔振物体M的垂向运动位移，垂向阻尼的系数为C0。弹性恢复力f的表达式如下[16]：

图1 悬挂式减振系统的理论模型

式中，a0=sin2φ0；b0=（1-6sin2φ0+5sin4φ0）/2。由公式（1）可知，悬挂式减振系统可以产生3次恢复力，具有明显的几何非线性。

建立图1所示模型的运动微分方程如下：

式中，m为被隔振物体的质量。

考虑基础位移作用，设外框架ADGH的位移为q，则被隔振物体M与外框架ADGH之间的无量纲相对位移设为y=（x-q）/l0，对公式（2）进行无量纲化，可得

式中，Y^0=Y0/l0，为无量纲激励幅值；Ω=ω/ω0，为无量纲频率。采用Runge-Kutta法求解公式（4），参数设置如下：ξ0=0.075、Y^0=0.2、Ω=1、φ0=[0.2，0.6，0.8，1]、τ=0～50，经过计算可得悬挂式减振系统无量纲位移的时域波形如图2所示。

图2 悬挂式减振系统无量纲位移的时域波形

由图2可知，随着φ0的不断增大，无量纲位移时域响应的幅值变大，这表明悬挂式减振系统的减振效果优于减振元件垂向布置的减振系统，根据悬挂式减振系统设计血液防振荡储运装置将更好地保护血液免受振动的影响。

1.2 结构设计

参考悬挂式减振系统的理论模型，设计新型血液防振荡储运装置三维模型如图3所示。本装置由橡胶隔振器、外框架、钢丝绳隔振器、内框架、滑轨和储血框组成。本装置的减振系统由底层橡胶隔振器和由钢丝绳隔振器组成的悬挂式减振系统串联组成。底层橡胶隔振器共有6个，安装在本装置下部，采用紧固件与外框架和地面固连；钢丝绳隔振器共有8个，安装在内外框架之间，采用紧固件与内外框架固连。隔振器实物以及具体安装方式如图4（a）～（d）所示。

图3 新型血液防振荡储运装置三维模型

本装置共有4个储血框。储血框前部装有把手，可以通过滑轨向外拉出，方便取血。其中滑轨具有限位装置和锁紧装置，当储血框向外拉出最大位置和向内推入最大位置时可形成自锁，其三维模型如图4（e）所示。本装置能够实现三向隔振，在使用时血液放于储血框内部，两级减振系统可以衰减地板传递至血液的振动能量。

图4 新型血液防振荡储运装置部分零部件

根据以上三维模型，加工试制本装置样机，样机参数及零部件选型如下：外形尺寸（l1×l2×l3）为1 230 mm×600 mm×1 358 mm，净重为124 kg，内外框架材质为316不锈钢；钢丝绳隔振器垂向尺寸为54 mm，垂向最大静态载荷为68 kg，钢丝绳的直径为6 mm，捻距为39 mm，材质为304不锈钢；橡胶隔振器垂向尺寸为25 mm，垂向最佳载荷为110 kg，橡胶硬度为60度；滑轨采用三节自锁重型钢珠滑轨，最小收缩长度为400 mm，最大伸展长度为800 mm，材质为304不锈钢。

2 新型血液防振荡储运装置随机振动试验

采用随机振动试验验证新型血液防振荡储运装置样机的有效性，以加速度均方根值为评价指标来计算隔振效率，要求隔振效率大于30%。随机振动的输入参考GJB 150.16A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》中的“C.15舰船随机振动环境”，激励频率范围为1～100 Hz，具体环境如图5所示。

图5 舰船随机振动环境

隔振效率η的计算方法如下：

式中，RMSsr代表控制点的加速度均方根值；RMSsc代表测点的加速度均方根值。控制点位于振动台面上，其加速度代表振动台面的加速度；测点位于内框架上，其加速度代表负载的加速度。

试验时，在样机储血框内部放入沙袋模拟负载，共放入约100 kg，样机及负载总质量约为224 kg。将样机通过减振器（底层6个橡胶隔振器）及安装架固定在振动台上，进行垂向振动试验。其中振动台采用ES-30D25液压振动台，传感器采用PCB加速度传感器。试验场景如图6所示。控制点和测点实际随机振动曲线如图7所示。

图6 随机振动试验场景

图7 随机振动曲线

由试验结果可知，控制点目标加速度均方根值为0.315g（振动台控制系统设定的加速度均方根值），实际加速度均方根值为0.329g，测点加速度均方根值为0.213g，经计算可得隔振效率为35.3%。根据控制点和测点随机振动曲线，经换算可得传递函数曲线如图8所示。

图8 传递函数曲线

由传递函数曲线可知，本装置样机的固有频率为6.25 Hz。根据隔振理论可知，隔振频带为大于倍固有频率的频率范围[17]，由此可以得到本装置的理论隔振频带为大于8.84 Hz，而实际隔振频带为大于7.5 Hz，即本装置在大于7.5 Hz的频率范围内传递函数小于1，隔振频带理论值与试验值之间存在一定误差。由于血液对高频振动敏感，对低频振动的耐受力相对好一些[18]，所以本装置的减振对血液保存具有明显益处。

3 新型血液防振荡储运装置盐雾试验

盐雾试验按照GJB 150.11A—2009《军用装备实验室环境试验方法 第11部分：盐雾试验》进行。GJB 150.11A—2009规定盐雾试验主要从物理、电气、腐蚀3个方面进行评价，物理方面主要检查盐雾试验是否引起机械组件的阻塞或粘接，电气方面主要检查盐雾试验是否导致电性能故障，腐蚀方面主要检查盐雾试验是否影响试件正常功能和结构完整性。本试验主要从物理和腐蚀2个方面对样机进行评价，要求试验后的样机不能有明显腐蚀、储血框能够正常活动、储运功能正常。试验条件设置如下：盐溶液体积分数为5%，pH值为7.0；平均盐雾沉降率为1.7 mL/h·80 cm3；试验温度为34.9～35.1℃；试验时间设定为24 h连续喷雾后暴露24 h为一周期，共2个周期。试验仪器采用S4'盐雾箱和GDJS-10C步入式高低温交变湿热试验箱。试验时样机先放入盐雾箱内，再整体放入高低温交变湿热试验箱。经过96 h盐雾试验后，样机如图9所示。

由图9可知，试验后样机表面未见明显腐蚀，储血框可以正常活动，储运功能正常。这表明用316不锈钢材料加工制造的新型血液防振荡储运装置能够抵抗盐雾腐蚀环境的有害影响，环境适应性强。

图9 新型血液防振荡储运装置样机盐雾试验后图片

4 结语

本文设计了一种新型血液防振荡储运装置，并通过随机振动试验和盐雾试验验证了样机的隔振能力和抗盐雾能力。通过本文的试验可以得到以下结论：

（1）本装置垂向随机振动隔振效率可达35.3%，可以明显降低储运血液所承受的振动能量；（2）本装置能够抵抗盐雾腐蚀环境的有害影响，可以在恶劣环境下使用，适用范围广泛。

但本装置在实际工况下的使用效果尚没有进行验证，后续工作中，将重点研究本装置在空载和满载情况下隔振效果的区别以及在实际工况下对血液的储存效果，以进一步验证本装置的有效性。