基于減震設(shè)計(jì)的藥品運(yùn)輸冷藏箱研究

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 藥品冷藏箱的發(fā)展現(xiàn)狀

冷藏箱是具有優(yōu)越隔熱性能的特種集裝箱，它能保持一定溫度和濕度，抑制細(xì)菌和微生物繁殖，適用于易腐貨物運(yùn)輸。隨著溫控技術(shù)的發(fā)展，冷藏箱的適貨范圍不斷拓展，從原來以食品為主迅速擴(kuò)展到對(duì)溫度要求較高的化工產(chǎn)品、生化產(chǎn)品、醫(yī)藥產(chǎn)品、電子產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品等領(lǐng)域[1]。自20世紀(jì)90年代以來，經(jīng)濟(jì)全球化步伐明顯加快，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于冷藏技術(shù)在物流中的應(yīng)用研究比較多，研究?jī)?nèi)容非常細(xì)致[2]。例如，在制冷系統(tǒng)方面：使用超靜音設(shè)計(jì)使其電量消耗相對(duì)減少；利用多層擱架設(shè)計(jì)，可以根據(jù)林木藥劑的規(guī)格合理調(diào)整間隙，使空間得到充分利用；其內(nèi)設(shè)照明燈，保證視野明亮。在溫度控制設(shè)計(jì)方面：使用微電腦控制，數(shù)字溫度顯示，調(diào)整增量為1℃。在安全系統(tǒng)方面：設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng)，有聲音報(bào)警及燈光閃爍報(bào)警的功能，可以實(shí)現(xiàn)超溫度報(bào)警，傳感器故障報(bào)警，開門報(bào)警；使用直流內(nèi)風(fēng)機(jī)，風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)風(fēng)道及風(fēng)量，箱內(nèi)溫度穩(wěn)定均勻[3]。除此之外，許多邊緣冷藏貨和特種冷藏貨需要特殊的溫度,而冷藏箱能提供很大的優(yōu)越性;運(yùn)輸冷藏箱為及時(shí)運(yùn)輸提供了可能性[4]。但是現(xiàn)有的林業(yè)藥劑運(yùn)輸冷藏箱在減震方面涉及較少。這預(yù)示著我國(guó)在相關(guān)方面的冷鏈物流有著廣闊的發(fā)展?jié)摿5],對(duì)藥品冷藏運(yùn)輸箱的研究也是非常有價(jià)值的。

通過對(duì)當(dāng)前的冷藏運(yùn)輸技術(shù)常見的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析，從技術(shù)手段方面分析各種技術(shù)在不同條件下的可行性與穩(wěn)定性，探究藥品在各種環(huán)境下的冷藏特性，旨在設(shè)計(jì)出一種減震效果更好的藥品冷藏箱，保障其在物流運(yùn)輸中的安全性與可靠性。

2 藥品冷藏箱減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

藥品減震運(yùn)輸冷藏箱最根本的目的是保證運(yùn)輸過程的有效性，本產(chǎn)品在減震系統(tǒng)的處理上經(jīng)過了精心的處理和改進(jìn)。目前最常用的減震系統(tǒng)主要有3類：一類是起緩和沖擊作用的彈簧裝置，在使用過程中，如果藥品冷藏箱受到了外界環(huán)境較大的沖擊，內(nèi)部的彈簧裝置能夠?qū)_擊力釋放在預(yù)設(shè)的緩沖彈簧裝置上，從而有效的減少了沖擊對(duì)于冷藏藥品的影響。第二類是起衰減作用的減震器，用彈簧裝置充當(dāng)減震器，用來緩解振動(dòng)，可以利用阻尼裝置來實(shí)現(xiàn)，利用阻尼的消音性、減震性來減少振動(dòng)的影響[6]。第三類是起彈性約束作用的定位裝置。本產(chǎn)品考慮將這幾種減震系統(tǒng)綜合應(yīng)用，即采用具有上述效果的阻尼減震膠墊來設(shè)計(jì)減震效果更好更能適應(yīng)市場(chǎng)要求的藥品冷藏箱。

2.1 阻尼減震膠墊

阻尼減震膠墊具有良好的阻尼、消音、減震、隔熱效果，同時(shí)具有無毒、無味、無煙、不易燃等優(yōu)良特性。研究使用現(xiàn)有阻尼減震膠墊（如圖1）來達(dá)到預(yù)期的減震效果，其荷載范圍為30kg～45kg，豎向剛度為16N/mm，設(shè)冷藏箱的容積為50L，所能裝載藥品重量為10kg～15kg。而單只阻尼減震器的承重范圍為30kg～45kg，所以對(duì)于一般尺寸的冷藏箱一個(gè)阻尼減震器既可保證承重，也可保證減震效果。箱體的振動(dòng)具有前后、左右、上下、橫擺、俯仰和側(cè)傾（沿X、Y、Z方向位移及繞三軸的旋轉(zhuǎn)）的6個(gè)自由度，彈性支撐布局應(yīng)考慮這六個(gè)自由度的限制。在減震器布置時(shí)，應(yīng)主要考慮干擾力的方向、設(shè)備的重心及減震墊的幾何尺寸。若要使放置其上的物品保持平衡就要保證整個(gè)箱體處于平衡狀態(tài)，否則物體一旦偏離平衡位置，重心就會(huì)升高出現(xiàn)失衡現(xiàn)象。當(dāng)干擾力通過設(shè)備的重心且方向?yàn)榇怪睍r(shí)，只要將彈性支承（減振墊）布置按重心對(duì)稱布置，使彈性支承布置受力相等即可。因此減震墊應(yīng)放置在箱體重心投影在箱底的點(diǎn)，即箱底的中心。減震墊布置的另一個(gè)考慮因素是幾何尺寸，其對(duì)減震墊的有效模量和性能具有顯著的影響。減震墊的有效壓縮模量Ec與其形狀因素（減震墊的受載面積與不受載面積之比）的關(guān)系式為[7]：

式中：

E0—橡膠材料的楊氏模型,MPa；

C—減震墊的形狀因素；

k—材料特性校正因素,一般取0.5。

圖1 阻尼減震器（ZD-1）型立體圖

對(duì)于低阻尼橡膠材料,可假設(shè)其減震墊的極限靜態(tài)應(yīng)力σ為0.069MPa,這時(shí)可求出減震墊的最小受載面積[7]:

基于區(qū)塊鏈的新型IoT技術(shù)還處在“萌芽”階段，對(duì)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界來說既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈與IoT兩種技術(shù)的融合勢(shì)必會(huì)推動(dòng)IoT安全的迅猛發(fā)展，并由此帶來技術(shù)的巨大升級(jí)。研究適合IoT特征的區(qū)塊鏈安全防護(hù)技術(shù)是未來的一種趨勢(shì)，但也存在各種挑戰(zhàn)而任重道遠(yuǎn)。

式中:

S′—減震墊的最小受載面積；

Q—減震墊的靜載荷,N。

應(yīng)用以上公式可得到：采用有效壓縮模量為2MPa、最小受載面積為415mm2減震墊才能保證箱體在運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定性[8]，ZD-1型阻尼減震墊底面直徑為135mm,受載面積遠(yuǎn)大于415mm2，滿足上述要求。在減震系統(tǒng)上，采用阻尼隔震膠墊對(duì)冷藏箱進(jìn)行改進(jìn)處理，但需要保證裝配之前所在平面的平整性且不能添加任何雜物，因?yàn)橹挥性谄秸钠脚_(tái)安裝中空的夾板，使產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)觸發(fā)隔板變形，經(jīng)過空氣的過渡才能保證將冷藏箱的震動(dòng)減小，這樣才能有效的減小輕微震動(dòng)對(duì)藥品冷藏箱產(chǎn)生的影響[9]。通過此設(shè)計(jì)，阻尼減震膠墊能夠發(fā)揮出其減震的特性。

2.2 卡扣固定裝置

卡扣是簡(jiǎn)單、快速和經(jīng)濟(jì)的連接結(jié)構(gòu)，主要通過卡與扣在裝配時(shí)的彈性變形和到位后的復(fù)原變形實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件的連接?？圻B接可以實(shí)現(xiàn)其連帶部件的多次分離和連接而不對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[10]?？ü垂潭ㄑb置采用固定結(jié)構(gòu)來穩(wěn)固藥品冷藏箱的位置，進(jìn)而保障裝置的穩(wěn)定性。對(duì)于大多數(shù)的藥品產(chǎn)品而言，運(yùn)輸過程中都需要防止劇烈搖晃或者磕碰，產(chǎn)生的震動(dòng)效果越大對(duì)其質(zhì)量和效果影響越大。另一方面，物品運(yùn)輸最大的特點(diǎn)是數(shù)量大，大批量運(yùn)輸?shù)臏p震效果更不盡如人意，因此本設(shè)計(jì)使用卡扣將每個(gè)冷藏箱連接到一起加以固定，形成一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的運(yùn)輸條件，兩個(gè)或多個(gè)冷藏箱能夠通過卡扣進(jìn)行組合固定，使其在裝卸及運(yùn)輸過程中盡量減小震動(dòng)以保證藥品產(chǎn)品的效用，從而經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理解決不穩(wěn)定的問題，同時(shí)也不會(huì)帶來較高的成本。

在卡扣固定裝置中，有凹槽的扣為母扣，與之進(jìn)行配合的扣是配合扣，圖2中需要進(jìn)行下壓動(dòng)作的即是配合扣，下面與之配合的是母扣，每個(gè)箱體都必須安裝母扣和配合扣，保證既能與其他箱體連接也能讓其他箱體與其連接。不僅如此，箱體上安裝的母扣和配合扣數(shù)量應(yīng)該是相同的，由于設(shè)計(jì)的箱體是長(zhǎng)方體，需要在四個(gè)面都進(jìn)行安裝，每個(gè)面至少需要一個(gè)，如果每個(gè)面只安裝一個(gè)就需要兩個(gè)母扣和兩個(gè)配合扣，即兩組卡扣，因此需要安裝卡扣的數(shù)量為偶數(shù)。同時(shí)參考力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些優(yōu)化方案，采取了最優(yōu)化、最簡(jiǎn)便的卡扣配合方式，操作者只需要對(duì)冷藏箱上的固定卡扣下壓使其與另一個(gè)箱體的卡扣相互扣緊，以此類推，讓每個(gè)冷藏箱體彼此之間能夠緊密的扣緊，從而保證整體的穩(wěn)定性能[11]。這種覆蓋了常見的各種運(yùn)輸環(huán)境的卡扣固定模式，能夠較好的起到減震作用，有利于促進(jìn)藥品減震運(yùn)輸冷藏箱的大規(guī)模應(yīng)用。

圖2 卡扣工作過程

3 新型減震冷藏箱的冷藏特性

3.1 制冷條件

藥品冷藏箱主要用于藥品、生物制劑等對(duì)運(yùn)輸條件要求較高的藥劑的冷藏保存和運(yùn)輸，方便對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控?，F(xiàn)有的冷藏箱主體一般分為4部分：電氣控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)[12]。而在此次新型減震冷藏箱設(shè)計(jì)的過程中，制冷保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)也是研究的設(shè)計(jì)重要部分。

制冷劑的選用。因?yàn)橹评鋭?huì)直接影響到最終的制冷效果，一方面選用符合國(guó)家規(guī)定的環(huán)?？芍貜?fù)利用的制冷劑，另一方面要考慮到制冷的溫度要求以及冷卻條件，進(jìn)而滿足在不同溫度下的制冷或制熱能力。正常情況下，制冷劑的蒸發(fā)溫度要低于制冷溫度10℃[13]。在選用制冷劑過程中，考慮到冷藏箱制冷環(huán)境的影響，保證制冷劑能夠滿足運(yùn)輸過程中的穩(wěn)定使用，同時(shí)制冷劑的化學(xué)性質(zhì)必須穩(wěn)定，不能與常見的藥品化合物發(fā)生反應(yīng)，更不能具有腐蝕性，避免對(duì)其造成破壞[14]。

表1 幾種常見制冷劑的相關(guān)參數(shù)

3.2 冷藏效果

在保證藥品箱制冷系統(tǒng)完備的前提下，對(duì)箱體的保護(hù)也是提高制冷效果的重要因素之一。在設(shè)計(jì)的過程中，必須保證產(chǎn)品的冷藏效果，同時(shí)能夠以直觀的方式去觀測(cè)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效果以及藥品運(yùn)輸過程中的冷藏效果，具體考慮的內(nèi)容就是藥品冷藏箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了使箱體冷藏效果好，透明度高，便于隨時(shí)觀察箱體內(nèi)部存放的物品，在箱體設(shè)計(jì)上采用數(shù)字監(jiān)控裝置，能夠直觀的觀察藥品冷藏箱內(nèi)制冷結(jié)果，從而更好的對(duì)藥品冷藏箱內(nèi)部的冷藏環(huán)境進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。在外層結(jié)構(gòu)上，采取三層高性能中空玻璃，原理如圖3所示。

三層高性能中空玻璃的兩邊為保質(zhì)層，中間層為真空處理，這種結(jié)構(gòu)能夠保持保溫層的溫度恒定。由于玻璃的熱傳導(dǎo)率是空氣的27倍，當(dāng)室外溫度為13℃時(shí)，室內(nèi)單層玻璃箱內(nèi)的溫度為-2℃，中空玻璃箱內(nèi)的溫度可以保持在-10℃左右。由此可見，高性能中空玻璃隔熱性能好，玻璃兩側(cè)的溫度差較大，可使冷藏箱內(nèi)冷藏負(fù)載減輕。而化學(xué)密封膠和鋁合金隔離片能夠保證冷藏箱的密封性能，使冷藏箱的冷藏效果整體趨于穩(wěn)定，基本能夠保障在不同的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)冷藏林業(yè)藥品的穩(wěn)定性[15]。

圖3 三層高性能中空玻璃工作原理圖

4 運(yùn)輸有效性

藥品減震冷藏箱最根本的目的是保證運(yùn)輸過程的有效性。卡扣結(jié)構(gòu)不僅能夠較好的減小震動(dòng)，還能將批量藥品冷藏箱進(jìn)行固定。除此之外，對(duì)箱門的密閉處理采用磁條與膠體配合，膠體更好的進(jìn)行密封，磁條的作用就是對(duì)膠體進(jìn)行加固，兩者相互作用，共同保證冷藏箱運(yùn)輸過程中的安全可靠性，加強(qiáng)減震冷藏箱的密閉性，使得冷藏效果更佳。因此，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和配送的安全合理及快速化對(duì)降低物流能源成本和提高物流服務(wù)水平有著十分重要的作用[16]。

根據(jù)上述對(duì)運(yùn)輸效果產(chǎn)生影響的兩個(gè)因素（即以卡扣數(shù)量和磁條膠體配合等級(jí)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦页鰸M足經(jīng)濟(jì)、有效、滿意度最高的運(yùn)輸效果，并得出具體的因素?cái)?shù)值，最終還應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)性原則。

在上文中提到卡扣的數(shù)量，即母扣和配合扣形成的組合數(shù)量為2的倍數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中選擇3種卡扣數(shù)量：2、4、6，磁條膠體的配合等級(jí)分A、B、C 三等；實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①將實(shí)驗(yàn)箱體按照表2的9組方式進(jìn)行組裝，箱體數(shù)量為N（N≥10）；

②將N個(gè)箱體放到小車上，對(duì)小車進(jìn)行同等程度的晃動(dòng)；

③應(yīng)用穩(wěn)定度分析儀對(duì)箱體進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量；

④最終得到9組實(shí)驗(yàn)方式的穩(wěn)定性和滿意度，即得到最令人滿意的方式是卡扣數(shù)量為4組、膠體磁條配合等級(jí)為A。

卡扣數(shù)量的增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本的增加，因此在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最后分析過程中，對(duì)箱體的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。除了考慮站在經(jīng)濟(jì)資源最佳配置立場(chǎng)上的邊際成本價(jià)格原理，實(shí)際價(jià)格的制定還受運(yùn)輸供求關(guān)系、運(yùn)輸成本、交通運(yùn)輸市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、政府管理等各項(xiàng)因素的影響，所以有效的運(yùn)輸價(jià)格應(yīng)能較全面地兼顧企業(yè)通過運(yùn)費(fèi)收入維持和擴(kuò)大生產(chǎn)活動(dòng)，兼顧各種運(yùn)輸方式的競(jìng)爭(zhēng)以及整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的利益，從而得到最終的滿意度(%)[17]。

表2為3種卡扣數(shù)量和3種配合等級(jí)相互組合的9組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)方式組合及結(jié)果

對(duì)卡扣數(shù)量為4組、膠體磁條配合等級(jí)為A的結(jié)果采用六西格瑪原則進(jìn)行冷藏箱有效性分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，如果結(jié)果在LSL/USL之間，也就是落在六西格瑪范圍之內(nèi)，說明該方式的DPMO值為3.4，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的幾率為99.999 66%，小概率事件不會(huì)發(fā)生，所以可以認(rèn)為該方式不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，說明方式可行。對(duì)實(shí)驗(yàn)組合4進(jìn)行測(cè)量分析可知系統(tǒng)是可靠的，對(duì)減震運(yùn)輸效果進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，得到效果服從正態(tài)分布。對(duì)減震運(yùn)輸數(shù)據(jù)能力分析得到Cp=2.4，說明該減震冷藏箱運(yùn)輸具有有效性[18]。

圖4 六西格瑪能力圖

5 結(jié)論

通過分析目前藥品冷藏箱的構(gòu)造及性能，對(duì)冷藏箱的冷藏性和減震效果進(jìn)行了改進(jìn)，提高了冷藏箱在運(yùn)輸過程中的冷藏效果和減震效果，保證藥品運(yùn)輸?shù)挠行浴Ｍㄟ^六西格瑪原則有效性分析實(shí)驗(yàn)，使得新型的藥品減震運(yùn)輸冷藏箱在運(yùn)輸生物藥劑方面能夠適應(yīng)多變化的運(yùn)輸環(huán)境，減少藥品運(yùn)輸時(shí)因外界環(huán)境產(chǎn)生的不必要損失，提高其在物流運(yùn)輸中的穩(wěn)定性和可靠性、提高物流服務(wù)水平，并且更適合市場(chǎng)需求。