卫生列车上的APD 模块冲击及随机振动分析

罗纪聪，赵景宏*，张 昀，王 炜，李敬东

（1.陆军军医大学第二附属医院肾内科，重庆 400037；2.陆军军医大学第二附属医院卫勤办，重庆 400037；3.中国船舶集团有限公司第七一六研究所，江苏连云港 222061）

0 引言

卫生列车是配置有医疗设施和医务人员、提供医疗服务的专用列车，作为战术后送的重要工具之一，无论是战时医疗后送，还是和平年代发生重大灾难时的伤病员转运，卫生列车在提高伤病员救治效果、挽救生命方面均发挥了重要作用。若伤员在转运阶段缺乏医疗救护，极易造成严重急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）。目前，自动化腹膜透析（automatic peritoneal dialysis，APD）已广泛应用于AKI 治疗，与连续性肾脏替代治疗（continuous renal replacement therapy，CRRT）和间歇性血液透析（intermittent hemodialysis，IHD）相比，APD 血液动力学稳定，无需抗凝等处理，对于有出血倾向及术后伤员更具优势。挤压伤所致急性肾损伤伤员早期进行APD 治疗能显著改善伤员预后，最大限度地保护伤员受挤压的肢体，降低截肢率[1-5]。

卫生列车具有运送量大、运输速度较快、转运能力强等特点，是抢险救灾的重要手段。我国于2012年研制出首列卫生列车[6]，目前研究人员主要采用人机工程学对手术车厢布局和设计开展研究，对于设备振动与冲击相关的研究较为缺乏。然而卫生列车运行速度较快，在行驶过程中受到连续不断的冲击和振动会对医疗仪器造成一定的损坏，并且高速运行的状态也会对医护操作带来严重影响[7-9]。APD模块作为生命支持系统，首次安装于卫生列车，在颠簸、摇晃等不稳定状态下，其超滤效率和使用寿命能否达到常规使用水平，缺乏相关研究及经验。

为解决卫生列车在运行途中摇晃和振动对医疗设备的影响，本文以卫生列车ICU 车厢的APD 模块为研究对象，根据IEC 61373：2010《铁路应用 铁道车辆设备冲击和振动试验》等标准开展相关验证测试。

1 APD 模块组成

APD 模块由APD 设备和固定支架2 个部分组成，如图1 所示。固定支架主要由底座、支撑架、减振平台、外壳等组成，如图2 所示。外壳材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）塑料，其余结构材质主要采用普通碳素结构钢材。为了便于固定APD 设备及减轻卫生列车振动对其的影响，在减振平台表面安装APD 设备限位机构，并在减振平台与支撑架之间用橡胶减振柱连接。

图1 APD 模块结构示意图

图2 固定支架内部结构图

2 模态分析

依据弹性力学的有限元理论，振动微分方程为

假设质量矩阵、刚度矩阵不变，忽略阻尼效应，则简化后的振动方程为

由于冲击及随机振动基本来自于列车，产生的振动既满足叠加原理又具有时不变性，可将整个模块简化成线性定常系统，则自由振动存在以下规律：

式中，φi为第i阶模态形状特征向量；ωi为第i阶自然振动频率；t为时间。可得

其中第i阶模态形状特征向量φi不为0，则可计算得到结构的振动特征方程为

求解公式（5）可得ωi，进而求出{ωi}，即振型。

通过模态分析可以得到固定支架的振动特性，避开其固有频率可以避免共振[10]。

3 数值模拟分析

3.1 模型简化及条件约束

由于固定支架外壳材质为ABS 塑料，质量较小且与减振平台相互不接触，因此，为方便数值模拟分析APD 设备在列车运行条件下的安装稳定性及功能性能，去除外壳结构。APD 设备质量约15 kg，在后续分析过程中简化成对减振平台垂直方向的约束力。

3.2 模态分析结果

通过建立固定支架简化模型，按照模型的实际工作环境施加约束，模拟分析求解前6 阶模态，得到固定支架简化模型的固有频率如图3 所示。

图3 固定支架简化模型固有频率分析图

前6 阶模态变形图如图4 所示。由图4 可知，前6 阶变形图中最大位移量发生在第5 阶，偏移量为35.671 mm。固定支架主要发生弯曲变形以及弯扭组合变形，其变形主要发生在减振平台。IEC61373：2010中针对质量小于500 kg 的车身固定设备要求关注5～150 Hz 频率范围内设备的固有频率，固定支架的第1阶、第2 阶、第3 阶、第4 阶的固有频率分别为58.633、81.819、81.958 和113.33 Hz。目前设备的前4 阶固有频率均处于5～150 Hz 范围，在工作环境中需要避开此频率范围，避免共振的发生。从前4 阶变形图可知，固定支架设计薄弱环节在减振平台，在下一步优化过程中需要通过增加边缘部分厚度、倒角等方式来强化减振平台两侧支撑的刚度和强度，减小最大变形量。

图4 前6 阶模态变形图

结构优化后固定支架简化模型的固有频率如图5 所示。由图5 可知，优化后的固定支架固有频率整体有所提高，第3 阶、第4 阶、第5 阶、第6 阶的固有频率分别为156.45、166.35、268.85、285.45 Hz，仅前2 阶固有频率处于5～150 Hz 范围之内，有效降低了共振现象的发生概率。

图5 结构优化后固定支架简化模型固有频率分析图

3.3 谐响应分析结果

在模态分析的基础上，参考试验标准，加载频率设置范围为5～150 Hz，将APD 设备重力简化成对减振平台垂直方向的约束力，X、Y、Z方向下最大位移量与频率关系图如图6 所示。从前6 阶模态变形图指标观察，减振平台的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，振幅较低，满足可靠性要求，不会对设备的正常运行造成影响。

图6 X、Y、Z 方向下最大位移量与频率关系图

4 冲击及随机振动试验

4.1 随机振动试验

根据IEC 61373：2010，随机振动测试条件如表1和图7 所示，在X、Y、Z3 个方向分别测试5 h。通过幅值增强法实现在较短时间内揭示设备内在缺陷，达到验证在正常工作环境下的可靠性水平的目的。

表1 1 类A 级车体安装设备测试条件

图7 标准规定的1 类A 级车体安装设备功率谱密度曲线

按表1 的试验条件开展振动试验，试验结束后检查设备外观和功能。根据谐响应分析结果，Z方向振幅最大。按表1 的试验条件针对Z方向开展振动试验，试验结束后检查设备外观和功能，测试结果如图8 所示，曲线在上限和下限之间围绕标准线上下波动，在合格的区间范围内，通过了试验测试。试验后的APD 设备未发现明显的结构变形和开裂现象，APD 设备在测试过程中能够正常工作，由此判定此APD 模块设计符合使用要求。

图8 Z 方向振动测试结果

4.2 设备冲击试验

根据IEC 61373：2010，冲击试验测试具体条件见表2。

表2 1 类A 级车体安装设备冲击工况

卫生列车运行的过程受轨道变化、启动和制动等情况影响，X方向和Y方向存在较大冲击，Z方向并无较大冲击，因此在冲击试验中不进行Z方向测试。X方向、Y方向测试结果如图9、10 所示。从冲击测试图可以看出，X+方向减振平台最大位移量为21.46 mm，Y+方向减振平台最大位移量为35.76 mm。试验测试过程中设备机械性能、外观正常，且在承受冲击后能够正常使用。

图9 X+方向冲击测试结果

图10 Y+方向冲击测试结果

5 结语

本研究利用ANSYS 软件对ICU 车厢上的APD模块进行模态分析和谐响应分析，可以校核整个系统模块结构强度、刚度和稳定性，并对其薄弱环节进行优化处理；通过试验验证模块的随机振动试验和设备冲击试验检验APD 模块设计的有效性和可靠性，模块测试结果符合测试标准要求。本研究APD 模块在卫生列车上实车的加装提供了依据。但本文仅重点考虑如何提高模块的强度，对模块的轻量化没有进行深入的研究，后续将针对轻量化进行进一步研究。