基于減震設計的藥品運輸冷藏箱研究

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 藥品冷藏箱的發展現狀

冷藏箱是具有優越隔熱性能的特種集裝箱，它能保持一定溫度和濕度，抑制細菌和微生物繁殖，適用于易腐貨物運輸。隨著溫控技術的發展，冷藏箱的適貨范圍不斷拓展，從原來以食品為主迅速擴展到對溫度要求較高的化工產品、生化產品、醫藥產品、電子產品和農產品等領域[1]。自20世紀90年代以來，經濟全球化步伐明顯加快，發達國家對于冷藏技術在物流中的應用研究比較多，研究內容非常細致[2]。例如，在制冷系統方面：使用超靜音設計使其電量消耗相對減少；利用多層擱架設計，可以根據林木藥劑的規格合理調整間隙，使空間得到充分利用；其內設照明燈，保證視野明亮。在溫度控制設計方面：使用微電腦控制，數字溫度顯示，調整增量為1℃。在安全系統方面：設計報警系統，有聲音報警及燈光閃爍報警的功能，可以實現超溫度報警，傳感器故障報警，開門報警；使用直流內風機，風冷式結構，合理設計風道及風量，箱內溫度穩定均勻[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越性;運輸冷藏箱為及時運輸提供了可能性[4]。但是現有的林業藥劑運輸冷藏箱在減震方面涉及較少。這預示著我國在相關方面的冷鏈物流有著廣闊的發展潛力[5],對藥品冷藏運輸箱的研究也是非常有價值的。

通過對當前的冷藏運輸技術常見的實現方式進行分析，從技術手段方面分析各種技術在不同條件下的可行性與穩定性，探究藥品在各種環境下的冷藏特性，旨在設計出一種減震效果更好的藥品冷藏箱，保障其在物流運輸中的安全性與可靠性。

2 藥品冷藏箱減震系統的設計

藥品減震運輸冷藏箱最根本的目的是保證運輸過程的有效性，本產品在減震系統的處理上經過了精心的處理和改進。目前最常用的減震系統主要有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境較大的沖擊，內部的彈簧裝置能夠將沖擊力釋放在預設的緩沖彈簧裝置上，從而有效的減少了沖擊對于冷藏藥品的影響。第二類是起衰減作用的減震器，用彈簧裝置充當減震器，用來緩解振動，可以利用阻尼裝置來實現，利用阻尼的消音性、減震性來減少振動的影響[6]。第三類是起彈性約束作用的定位裝置。本產品考慮將這幾種減震系統綜合應用，即采用具有上述效果的阻尼減震膠墊來設計減震效果更好更能適應市場要求的藥品冷藏箱。

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，同時具有無毒、無味、無煙、不易燃等優良特性。研究使用現有阻尼減震膠墊（如圖1）來達到預期的減震效果，其荷載范圍為30kg～45kg，豎向剛度為16N/mm，設冷藏箱的容積為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，所以對于一般尺寸的冷藏箱一個阻尼減震器既可保證承重，也可保證減震效果。箱體的振動具有前后、左右、上下、橫擺、俯仰和側傾（沿X、Y、Z方向位移及繞三軸的旋轉）的6個自由度，彈性支撐布局應考慮這六個自由度的限制。在減震器布置時，應主要考慮干擾力的方向、設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箱體處于平衡狀態，否則物體一旦偏離平衡位置，重心就會升高出現失衡現象。當干擾力通過設備的重心且方向為垂直時，只要將彈性支承（減振墊）布置按重心對稱布置，使彈性支承布置受力相等即可。因此減震墊應放置在箱體重心投影在箱底的點，即箱底的中心。減震墊布置的另一個考慮因素是幾何尺寸，其對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

對于低阻尼橡膠材料,可假設其減震墊的極限靜態應力σ為0.069MPa,這時可求出減震墊的最小受載面積[7]:

基于區塊鏈的新型IoT技術還處在“萌芽”階段，對學術界與工業界來說既是機遇又是挑戰。區塊鏈與IoT兩種技術的融合勢必會推動IoT安全的迅猛發展，并由此帶來技術的巨大升級。研究適合IoT特征的區塊鏈安全防護技術是未來的一種趨勢，但也存在各種挑戰而任重道遠。

式中:

S′—減震墊的最小受載面積；

Q—減震墊的靜載荷,N。

應用以上公式可得到：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輸過程中的穩定性[8]，ZD-1型阻尼減震墊底面直徑為135mm,受載面積遠大于415mm2，滿足上述要求。在減震系統上，采用阻尼隔震膠墊對冷藏箱進行改進處理，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，因為只有在平整的平臺安裝中空的夾板，使產生震動時觸發隔板變形，經過空氣的過渡才能保證將冷藏箱的震動減小，這樣才能有效的減小輕微震動對藥品冷藏箱產生的影響[9]。通過此設計，阻尼減震膠墊能夠發揮出其減震的特性。

2.2 卡扣固定裝置

卡扣是簡單、快速和經濟的連接結構，主要通過卡與扣在裝配時的彈性變形和到位后的復原變形實現兩個部件的連接。卡扣連接可以實現其連帶部件的多次分離和連接而不對產品結構產生影響[10]。卡勾固定裝置采用固定結構來穩固藥品冷藏箱的位置，進而保障裝置的穩定性。對于大多數的藥品產品而言，運輸過程中都需要防止劇烈搖晃或者磕碰，產生的震動效果越大對其質量和效果影響越大。另一方面，物品運輸最大的特點是數量大，大批量運輸的減震效果更不盡如人意，因此本設計使用卡扣將每個冷藏箱連接到一起加以固定，形成一個相對比較穩定的運輸條件，兩個或多個冷藏箱能夠通過卡扣進行組合固定，使其在裝卸及運輸過程中盡量減小震動以保證藥品產品的效用，從而經過簡單的處理解決不穩定的問題，同時也不會帶來較高的成本。

在卡扣固定裝置中，有凹槽的扣為母扣，與之進行配合的扣是配合扣，圖2中需要進行下壓動作的即是配合扣，下面與之配合的是母扣，每個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量應該是相同的，由于設計的箱體是長方體，需要在四個面都進行安裝，每個面至少需要一個，如果每個面只安裝一個就需要兩個母扣和兩個配合扣，即兩組卡扣，因此需要安裝卡扣的數量為偶數。同時參考力學結構設計中的一些優化方案，采取了最優化、最簡便的卡扣配合方式，操作者只需要對冷藏箱上的固定卡扣下壓使其與另一個箱體的卡扣相互扣緊，以此類推，讓每個冷藏箱體彼此之間能夠緊密的扣緊，從而保證整體的穩定性能[11]。這種覆蓋了常見的各種運輸環境的卡扣固定模式，能夠較好的起到減震作用，有利于促進藥品減震運輸冷藏箱的大規模應用。

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、生物制劑等對運輸條件要求較高的藥劑的冷藏保存和運輸，方便對溫度的實時監控。現有的冷藏箱主體一般分為4部分：電氣控制系統、制冷系統、制熱系統和顯示系統[12]。而在此次新型減震冷藏箱設計的過程中，制冷保溫系統的設計改進也是研究的設計重要部分。

制冷劑的選用。因為制冷劑會直接影響到最終的制冷效果，一方面選用符合國家規定的環保可重復利用的制冷劑，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境的影響，保證制冷劑能夠滿足運輸過程中的穩定使用，同時制冷劑的化學性質必須穩定，不能與常見的藥品化合物發生反應，更不能具有腐蝕性，避免對其造成破壞[14]。

表1 幾種常見制冷劑的相關參數

3.2 冷藏效果

在保證藥品箱制冷系統完備的前提下，對箱體的保護也是提高制冷效果的重要因素之一。在設計的過程中，必須保證產品的冷藏效果，同時能夠以直觀的方式去觀測制冷系統的運行效果以及藥品運輸過程中的冷藏效果，具體考慮的內容就是藥品冷藏箱的結構設計。為了使箱體冷藏效果好，透明度高，便于隨時觀察箱體內部存放的物品，在箱體設計上采用數字監控裝置，能夠直觀的觀察藥品冷藏箱內制冷結果，從而更好的對藥品冷藏箱內部的冷藏環境進行控制和調節。在外層結構上，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層，中間層為真空處理，這種結構能夠保持保溫層的溫度恒定。由于玻璃的熱傳導率是空氣的27倍，當室外溫度為13℃時，室內單層玻璃箱內的溫度為-2℃，中空玻璃箱內的溫度可以保持在-10℃左右。由此可見，高性能中空玻璃隔熱性能好，玻璃兩側的溫度差較大，可使冷藏箱內冷藏負載減輕。而化學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定，基本能夠保障在不同的環境條件下實現冷藏林業藥品的穩定性[15]。

圖3 三層高性能中空玻璃工作原理圖

4 運輸有效性

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

根據上述對運輸效果產生影響的兩個因素（即以卡扣數量和磁條膠體配合等級為實驗對象）設計實驗。實驗目的是找出滿足經濟、有效、滿意度最高的運輸效果，并得出具體的因素數值，最終還應該考慮經濟性原則。

在上文中提到卡扣的數量，即母扣和配合扣形成的組合數量為2的倍數，在實驗中選擇3種卡扣數量：2、4、6，磁條膠體的配合等級分A、B、C 三等；實驗步驟如下：

①將實驗箱體按照表2的9組方式進行組裝，箱體數量為N（N≥10）；

②將N個箱體放到小車上，對小車進行同等程度的晃動；

③應用穩定度分析儀對箱體進行穩定性測量；

④最終得到9組實驗方式的穩定性和滿意度，即得到最令人滿意的方式是卡扣數量為4組、膠體磁條配合等級為A。

卡扣數量的增加勢必會導致經濟成本的增加，因此在實驗結果的最后分析過程中，對箱體的穩定性和經濟性進行分析。除了考慮站在經濟資源最佳配置立場上的邊際成本價格原理，實際價格的制定還受運輸供求關系、運輸成本、交通運輸市場的結構、政府管理等各項因素的影響，所以有效的運輸價格應能較全面地兼顧企業通過運費收入維持和擴大生產活動，兼顧各種運輸方式的競爭以及整個經濟社會的利益，從而得到最終的滿意度(%)[17]。

表2為3種卡扣數量和3種配合等級相互組合的9組實驗結果。

表2 實驗方式組合及結果

對卡扣數量為4組、膠體磁條配合等級為A的結果采用六西格瑪原則進行冷藏箱有效性分析，實驗結果如圖4所示，如果結果在LSL/USL之間，也就是落在六西格瑪范圍之內，說明該方式的DPMO值為3.4，不會出現錯誤的幾率為99.999 66%，小概率事件不會發生，所以可以認為該方式不會出現錯誤，說明方式可行。對實驗組合4進行測量分析可知系統是可靠的，對減震運輸效果進行正態檢驗，得到效果服從正態分布。對減震運輸數據能力分析得到Cp=2.4，說明該減震冷藏箱運輸具有有效性[18]。

圖4 六西格瑪能力圖

5 結論

通過分析目前藥品冷藏箱的構造及性能，對冷藏箱的冷藏性和減震效果進行了改進，提高了冷藏箱在運輸過程中的冷藏效果和減震效果，保證藥品運輸的有效性。通過六西格瑪原則有效性分析實驗，使得新型的藥品減震運輸冷藏箱在運輸生物藥劑方面能夠適應多變化的運輸環境，減少藥品運輸時因外界環境產生的不必要損失，提高其在物流運輸中的穩定性和可靠性、提高物流服務水平，并且更適合市場需求。