醫(yī)療器械振動(dòng)試驗(yàn)采用高頻隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)是否可行？

 模擬運(yùn)輸試驗(yàn)是醫(yī)用電氣產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)中機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)的一項(xiàng)重要試驗(yàn)項(xiàng)目，運(yùn)輸試驗(yàn)屬于隨機(jī)的疲勞累積損傷試驗(yàn)。為達(dá)到等效模擬，通常采用載重汽車實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證，或使用專用的模擬運(yùn)輸臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。但是，當(dāng)遇到一些產(chǎn)品質(zhì)量超過500 kg的大型設(shè)備，普通承載能力運(yùn)輸臺(tái)無法滿足試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)輸試驗(yàn)較為困難。為了能夠更好地完成模擬運(yùn)輸試驗(yàn)，節(jié)約人力、物力成本，現(xiàn)分析采用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)替代模擬運(yùn)輸試驗(yàn)的可行性。

GB/T 14710-2009《醫(yī)用電器環(huán)境要求及試驗(yàn)方法》[1] 中對(duì)運(yùn)輸試驗(yàn)的要求為：設(shè)備為正常出廠包裝，行車路面為三級(jí)公路，行車距離為200 km ；行車速度為30~40 km/h。試驗(yàn)可以使用載重汽車以及運(yùn)輸試驗(yàn)裝置進(jìn)行。 

公路等級(jí)的定義在《JTG B01-2003公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中描述如下：（1）高速公路為專供汽車分向分車道行駛并應(yīng)全部控制出入的多車道公路；（2）一級(jí)公路為供汽車分向分車道行駛并可根據(jù)需要控制出入的多車道公路；（3）二級(jí)公路為供汽車行駛的雙車道公路；（4）三級(jí)公路為主要供汽車行駛的雙車道公路；（5）四級(jí)公路為主要供汽車行駛的雙車道或單車道公路。 

模擬運(yùn)輸試驗(yàn)臺(tái)絕大多數(shù)是針對(duì)三級(jí)公路運(yùn)輸而研制的，其用于模擬實(shí)際汽車運(yùn)輸過程中給產(chǎn)品帶來的疲勞損傷，并按概率與統(tǒng)計(jì)隨機(jī)振動(dòng)條件相同的原理，使振動(dòng)能量按線性范圍對(duì)加速度值提高一定的倍數(shù)，從而縮短試驗(yàn) 時(shí)間而進(jìn)行試驗(yàn)。

模擬運(yùn)輸臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要依據(jù)《QJ/T 815.2-94產(chǎn)品公路運(yùn)輸加速模擬試驗(yàn)方法》[3]設(shè)定。該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了模擬運(yùn)輸臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，見表1。

模擬運(yùn)輸試驗(yàn)振動(dòng)加速因子α的計(jì)算公式如下：

根據(jù)公式代入相關(guān)值進(jìn)行計(jì)算，可以得出，產(chǎn)品在模擬運(yùn)輸測(cè)試中，如果需要完成實(shí)際200 km的路程運(yùn)輸，需要在模擬運(yùn)輸臺(tái)上進(jìn)行1.5 h的試驗(yàn)。

為了能夠更好地采集模擬運(yùn)輸臺(tái)的頻譜，我們?cè)谠O(shè)置頻譜分析儀的時(shí)候頻譜采集設(shè)定了每隔2 s采集以及頻譜加速度超過0 g2/Hz采集。 

模擬運(yùn)輸臺(tái)的測(cè)試時(shí)間為90 min，在完成測(cè)試后，停止頻譜分析儀，將其中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后進(jìn)行分解。其中X軸為模擬運(yùn)輸臺(tái)行駛的左右方向，Y軸為模擬運(yùn)輸臺(tái)的行駛方向，Z軸為運(yùn)輸臺(tái)的上下顛簸方向。 

隨著公路等級(jí)的提高，車輛在公路上行駛的速度提高，汽車產(chǎn)生的振動(dòng)頻率也隨之變快。一般汽車在公路上行駛的主要頻率為1~200 Hz。我們?cè)诜纸忸l譜圖像時(shí)遵循以下幾個(gè)原則：（1）剔除超出200 Hz的頻率，留下1~200 Hz 的頻率點(diǎn)；（2）如在200 Hz后段出現(xiàn)較大尖峰，需要留下該頻率點(diǎn)的功率譜密度值；（3）對(duì)于較平滑的功率譜密度變化不大的線段，相近的兩個(gè)頻率點(diǎn)功率譜密度不變；（4）對(duì)于出現(xiàn)波峰和波谷的曲線段，直接選取該條曲線段功率譜密度最大以及最小頻率點(diǎn)進(jìn)行記錄。 

依照以上原則對(duì)3個(gè)軸向的頻譜圖進(jìn)行分解，最終得出了3個(gè)軸向的頻率以及功率譜密度，見表2~4。

使用帶外包裝的測(cè)試樣品在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行模擬運(yùn)輸臺(tái)的3個(gè)軸向測(cè)試。將樣品放置在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)中心位置上，用鐵桿將其四周圍住，控制傳感器固定在振動(dòng)臺(tái)面上。依據(jù)測(cè)試條件，分別將模擬運(yùn)輸臺(tái)的3個(gè)軸向測(cè)試條件按表2~4的數(shù)據(jù)輸入到振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的控制程序中。 

輸入運(yùn)輸臺(tái)Z軸測(cè)試條件，得出Z軸的振動(dòng)加速度均方根值約0.68 g2/Hz，振幅約2.17 mm。目測(cè)振動(dòng)量級(jí)與模擬運(yùn)輸臺(tái)相差不多。主要能量集中在3~7 Hz頻段，與模擬運(yùn)輸臺(tái)設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率相符。 

輸入運(yùn)輸臺(tái)X軸測(cè)試條件，得出X軸的振動(dòng)加速度均方根值約0.28 g2/Hz，振幅約0.17 mm。由于X軸方向?yàn)槠囆旭偡较虻淖笥曳较?，從測(cè)試曲線來看，我們依據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)中疲勞關(guān)系的計(jì)算公式： 

計(jì)算后得出：Tx=34.78Tz。X軸的疲勞強(qiáng)度相比Z軸太小，因此可以忽略X軸的振動(dòng)測(cè)試。 

輸入運(yùn)輸臺(tái)Y軸測(cè)試條件，得出Y軸的振動(dòng)加速度均方根值約0.32 g2/Hz，振幅約1.19 mm。根據(jù)測(cè)試曲線，我們依據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)中疲勞關(guān)系的計(jì)算公式：

從上述分析可以看出，X軸和Y軸雖然也存在一定程度的振動(dòng)，但振動(dòng)量級(jí)很小，不管是從接觸感覺還是實(shí)際量值，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Z軸，考慮到大型樣品實(shí)際運(yùn)輸?shù)陌惭b情況，振動(dòng)來源主要為Z軸，即上下方向，因此，后續(xù)如果進(jìn)行模擬運(yùn)輸臺(tái)的振動(dòng)試驗(yàn)，只需要針對(duì)Z軸測(cè)試，X軸、Y軸振動(dòng)帶來的影響可以近似忽略。

分析對(duì)比模擬運(yùn)輸試驗(yàn)振動(dòng)頻譜，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：（1）模擬運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)的X軸、Y軸所產(chǎn)生的疲勞系數(shù)相比Z軸較低，只需進(jìn)行Z軸的振動(dòng)測(cè)試即可，無需進(jìn)行X軸以及Y軸的振動(dòng)試驗(yàn)；（2）使用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬運(yùn)輸試驗(yàn)相比使用模擬運(yùn)輸臺(tái)試驗(yàn)，其疲勞系數(shù)、振動(dòng)頻 譜基本相同，在重點(diǎn)考查三級(jí)公路運(yùn)輸試驗(yàn)時(shí)，可以替代其完成模擬運(yùn)輸測(cè)試。 

綜上所述，必要時(shí)可通過隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)替代模擬運(yùn)輸試驗(yàn)，試驗(yàn)中選擇Z軸振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，這樣可以節(jié)約公路測(cè)試的費(fèi)用，提升測(cè)試的便捷性及可操作性。 

【參考文獻(xiàn)】

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 14710-2009 醫(yī)用電器環(huán)境要求及試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］中華人民共和國交通部.JTG B01-2003 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社，2004.

［3］中國航天工業(yè)總公司.QJ/T 815.2-94產(chǎn)品公路運(yùn)輸加速模擬試驗(yàn)方法 [S].北京：中國航天工業(yè)總公司第七〇八研究所，1994.