衛(wèi)生列車上的APD 模塊沖擊及隨機振動分析

羅紀聰，趙景宏*，張 昀，王 煒，李敬東

（1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院腎內(nèi)科，重慶 400037；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院衛(wèi)勤辦，重慶 400037；3.中國船舶集團有限公司第七一六研究所，江蘇連云港 222061）

0 引言

衛(wèi)生列車是配置有醫(yī)療設(shè)施和醫(yī)務(wù)人員、提供醫(yī)療服務(wù)的專用列車，作為戰(zhàn)術(shù)后送的重要工具之一，無論是戰(zhàn)時醫(yī)療后送，還是和平年代發(fā)生重大災(zāi)難時的傷病員轉(zhuǎn)運，衛(wèi)生列車在提高傷病員救治效果、挽救生命方面均發(fā)揮了重要作用。若傷員在轉(zhuǎn)運階段缺乏醫(yī)療救護，極易造成嚴重急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）。目前，自動化腹膜透析（automatic peritoneal dialysis，APD）已廣泛應(yīng)用于AKI 治療，與連續(xù)性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy，CRRT）和間歇性血液透析（intermittent hemodialysis，IHD）相比，APD 血液動力學(xué)穩(wěn)定，無需抗凝等處理，對于有出血傾向及術(shù)后傷員更具優(yōu)勢。擠壓傷所致急性腎損傷傷員早期進行APD 治療能顯著改善傷員預(yù)后，最大限度地保護傷員受擠壓的肢體，降低截肢率[1-5]。

衛(wèi)生列車具有運送量大、運輸速度較快、轉(zhuǎn)運能力強等特點，是搶險救災(zāi)的重要手段。我國于2012年研制出首列衛(wèi)生列車[6]，目前研究人員主要采用人機工程學(xué)對手術(shù)車廂布局和設(shè)計開展研究，對于設(shè)備振動與沖擊相關(guān)的研究較為缺乏。然而衛(wèi)生列車運行速度較快，在行駛過程中受到連續(xù)不斷的沖擊和振動會對醫(yī)療儀器造成一定的損壞，并且高速運行的狀態(tài)也會對醫(yī)護操作帶來嚴重影響[7-9]。APD模塊作為生命支持系統(tǒng)，首次安裝于衛(wèi)生列車，在顛簸、搖晃等不穩(wěn)定狀態(tài)下，其超濾效率和使用壽命能否達到常規(guī)使用水平，缺乏相關(guān)研究及經(jīng)驗。

為解決衛(wèi)生列車在運行途中搖晃和振動對醫(yī)療設(shè)備的影響，本文以衛(wèi)生列車ICU 車廂的APD 模塊為研究對象，根據(jù)IEC 61373：2010《鐵路應(yīng)用 鐵道車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》等標準開展相關(guān)驗證測試。

1 APD 模塊組成

APD 模塊由APD 設(shè)備和固定支架2 個部分組成，如圖1 所示。固定支架主要由底座、支撐架、減振平臺、外殼等組成，如圖2 所示。外殼材質(zhì)為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）塑料，其余結(jié)構(gòu)材質(zhì)主要采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼材。為了便于固定APD 設(shè)備及減輕衛(wèi)生列車振動對其的影響，在減振平臺表面安裝APD 設(shè)備限位機構(gòu)，并在減振平臺與支撐架之間用橡膠減振柱連接。

圖1 APD 模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 固定支架內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 模態(tài)分析

依據(jù)彈性力學(xué)的有限元理論，振動微分方程為

假設(shè)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣不變，忽略阻尼效應(yīng)，則簡化后的振動方程為

由于沖擊及隨機振動基本來自于列車，產(chǎn)生的振動既滿足疊加原理又具有時不變性，可將整個模塊簡化成線性定常系統(tǒng)，則自由振動存在以下規(guī)律：

式中，φi為第i階模態(tài)形狀特征向量；ωi為第i階自然振動頻率；t為時間?？傻?/p>

其中第i階模態(tài)形狀特征向量φi不為0，則可計算得到結(jié)構(gòu)的振動特征方程為

求解公式（5）可得ωi，進而求出{ωi}，即振型。

通過模態(tài)分析可以得到固定支架的振動特性，避開其固有頻率可以避免共振[10]。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型簡化及條件約束

由于固定支架外殼材質(zhì)為ABS 塑料，質(zhì)量較小且與減振平臺相互不接觸，因此，為方便數(shù)值模擬分析APD 設(shè)備在列車運行條件下的安裝穩(wěn)定性及功能性能，去除外殼結(jié)構(gòu)。APD 設(shè)備質(zhì)量約15 kg，在后續(xù)分析過程中簡化成對減振平臺垂直方向的約束力。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

通過建立固定支架簡化模型，按照模型的實際工作環(huán)境施加約束，模擬分析求解前6 階模態(tài)，得到固定支架簡化模型的固有頻率如圖3 所示。

圖3 固定支架簡化模型固有頻率分析圖

前6 階模態(tài)變形圖如圖4 所示。由圖4 可知，前6 階變形圖中最大位移量發(fā)生在第5 階，偏移量為35.671 mm。固定支架主要發(fā)生彎曲變形以及彎扭組合變形，其變形主要發(fā)生在減振平臺。IEC61373：2010中針對質(zhì)量小于500 kg 的車身固定設(shè)備要求關(guān)注5～150 Hz 頻率范圍內(nèi)設(shè)備的固有頻率，固定支架的第1階、第2 階、第3 階、第4 階的固有頻率分別為58.633、81.819、81.958 和113.33 Hz。目前設(shè)備的前4 階固有頻率均處于5～150 Hz 范圍，在工作環(huán)境中需要避開此頻率范圍，避免共振的發(fā)生。從前4 階變形圖可知，固定支架設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)在減振平臺，在下一步優(yōu)化過程中需要通過增加邊緣部分厚度、倒角等方式來強化減振平臺兩側(cè)支撐的剛度和強度，減小最大變形量。

圖4 前6 階模態(tài)變形圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后固定支架簡化模型的固有頻率如圖5 所示。由圖5 可知，優(yōu)化后的固定支架固有頻率整體有所提高，第3 階、第4 階、第5 階、第6 階的固有頻率分別為156.45、166.35、268.85、285.45 Hz，僅前2 階固有頻率處于5～150 Hz 范圍之內(nèi)，有效降低了共振現(xiàn)象的發(fā)生概率。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后固定支架簡化模型固有頻率分析圖

3.3 諧響應(yīng)分析結(jié)果

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，參考試驗標準，加載頻率設(shè)置范圍為5～150 Hz，將APD 設(shè)備重力簡化成對減振平臺垂直方向的約束力，X、Y、Z方向下最大位移量與頻率關(guān)系圖如圖6 所示。從前6 階模態(tài)變形圖指標觀察，減振平臺的X方向和Y方向振幅最大不足1 mm，Z方向（垂向）振幅最大2.2 mm，振幅較低，滿足可靠性要求，不會對設(shè)備的正常運行造成影響。

圖6 X、Y、Z 方向下最大位移量與頻率關(guān)系圖

4 沖擊及隨機振動試驗

4.1 隨機振動試驗

根據(jù)IEC 61373：2010，隨機振動測試條件如表1和圖7 所示，在X、Y、Z3 個方向分別測試5 h。通過幅值增強法實現(xiàn)在較短時間內(nèi)揭示設(shè)備內(nèi)在缺陷，達到驗證在正常工作環(huán)境下的可靠性水平的目的。

表1 1 類A 級車體安裝設(shè)備測試條件

圖7 標準規(guī)定的1 類A 級車體安裝設(shè)備功率譜密度曲線

按表1 的試驗條件開展振動試驗，試驗結(jié)束后檢查設(shè)備外觀和功能。根據(jù)諧響應(yīng)分析結(jié)果，Z方向振幅最大。按表1 的試驗條件針對Z方向開展振動試驗，試驗結(jié)束后檢查設(shè)備外觀和功能，測試結(jié)果如圖8 所示，曲線在上限和下限之間圍繞標準線上下波動，在合格的區(qū)間范圍內(nèi)，通過了試驗測試。試驗后的APD 設(shè)備未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)變形和開裂現(xiàn)象，APD 設(shè)備在測試過程中能夠正常工作，由此判定此APD 模塊設(shè)計符合使用要求。

圖8 Z 方向振動測試結(jié)果

4.2 設(shè)備沖擊試驗

根據(jù)IEC 61373：2010，沖擊試驗測試具體條件見表2。

表2 1 類A 級車體安裝設(shè)備沖擊工況

衛(wèi)生列車運行的過程受軌道變化、啟動和制動等情況影響，X方向和Y方向存在較大沖擊，Z方向并無較大沖擊，因此在沖擊試驗中不進行Z方向測試。X方向、Y方向測試結(jié)果如圖9、10 所示。從沖擊測試圖可以看出，X+方向減振平臺最大位移量為21.46 mm，Y+方向減振平臺最大位移量為35.76 mm。試驗測試過程中設(shè)備機械性能、外觀正常，且在承受沖擊后能夠正常使用。

圖9 X+方向沖擊測試結(jié)果

圖10 Y+方向沖擊測試結(jié)果

5 結(jié)語

本研究利用ANSYS 軟件對ICU 車廂上的APD模塊進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，可以校核整個系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性，并對其薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化處理；通過試驗驗證模塊的隨機振動試驗和設(shè)備沖擊試驗檢驗APD 模塊設(shè)計的有效性和可靠性，模塊測試結(jié)果符合測試標準要求。本研究APD 模塊在衛(wèi)生列車上實車的加裝提供了依據(jù)。但本文僅重點考慮如何提高模塊的強度，對模塊的輕量化沒有進行深入的研究，后續(xù)將針對輕量化進行進一步研究。