ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА КАЧЕСТВО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МОБИЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ КОМПЛЕКСОВ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(20)/2007
ВООРУЖЕНИЕ, ВОЕННАЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Полковник в отставке Ю.П. ГРИГОРЬЕВ,
доктор технических наук, профессор
полковник Н.В. МУРАШЕВ,
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА КАЧЕСТВО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ МОБИЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ КОМПЛЕКСОВ
В настоящее время на военно-медицинскую службу МО РФ возлагаются две разные по причинам возникновения и характеру выполнения, но во многом сходные по содержанию группы задач. Одна из них включает задачи, связанные с ликвидацией медико-санитарных последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф, а другая - с медицинским обеспечением войск в военное и мирное время.
В современных условиях результативность выполнения этих задач во многом зависит от сокращения сроков оказания первой врачебной и квалифицированной медицинской помощи, оптимизации условий ее оказания за счет оснащения мобильными медицинскими комплексами (ММК). С целью повышения качества оказания медицинской помощи в полевых условиях ММК оснащаются современными медицинскими приборами, аппаратами, оборудованием (далее по тексту - медицинскими приборами), позволяющими с минимальными затратами времени объективно и достоверно оценить состояние раненых, определить характер, объем и очередность проведения мероприятий, адекватно провести анестезиологические и реаниматологические мероприятия. В зависимости от функционального назначения и способа использования ММК размещают на различных транспортных средствах - автомобилях повышенной проходимости КамАЗ и Урал, каждое из которых имеет свои особенности, свой диапазон возможных скоростей движения, обеспечивающий сохранность медицинских приборов. Ниже рассматриваются ММК на автомобильных шасси для случаев движения по дорогам с различным состоянием дорожного покрытия и по бездорожью. Дороги в зависимости от характера неровностей разбиваются на несколько типов, определяемых средней амплитудой D0 неровностей и средним расстоянием L0 между вершинами неровностей. Характеристики некоторых типов дорожных покрытий приведены в табл. 1.
ММК рассматривается как упруго подрессоренная система с демпфирующими устройствами, для которой известны ускорения и силы инерции, возникающие при колебаниях, вызываемых неровностями дороги. Эти характеристики колебаний определяются для данного типа шасси экспериментально либо расчетом.
Считаем амплитуды вертикальных перемещений центра масс (Ц.М.) кузова-фургона или обитаемого кузова-контейнера (далее по тексту - кузова), расположенного на шасси автомобиля, Y0 и угол поворота кузова относительно поперечной оси (θ0) известными и находим ускорения άy центра масс и угловое ускорение кузова άθ. Вычисляем перегрузку в Ц.М. по формуле (3) для различных скоростей движения ММК:
Если величина перегрузки, вычисленная по формуле (3), превосходит значения Nr, допускаемые для приборов данного типа нормативными документами, необходимо снизить ее путем использования индивидуальной (местной) виброзащиты (вторичного подрессоривания), поглощающей избыток подводимый энергии колебаний. В этом случае медицинский прибор устанавливается на специальной платформе или стойке, прикрепленной к полу или стенке кузова автомобиля упругими и демпфирующими элементами, характеристики которых подобраны таким образом, чтобы снизить перегрузки до величины, не превышающей значение Nr. Это предохранит медицинский прибор от вибрационных разрушений, потери работоспособности и позволит обеспечить его максимальную готовность к применению за счет организации рабочего места медицинского специалиста.
Обратим внимание на то обстоятельство, что ограничения по перегрузкам, испытываемым приборами, устанавливаемыми на ММК, более жесткие, чем ограничения для случаев транспортирования в специальной таре.
Применение виброизоляции медицинских приборов позволяет снизить амплитуды колебаний и величины вибрационных ускорений (перегрузку) объектов, размещаемых в кузове ММК, и обеспечить их сохранность при движении по дорогам с плохим покрытием и по бездорожью. Правильным подбором характеристик элементов виброзащиты можно добиться даже уменьшения давления колеблющихся медицинских приборов на столик или подставку по сравнению с их весом, т.е. возникновения небольших отрицательных перегрузок, способствующих сохранению их работоспособности.
Виброизолирующее устройство для прибора массой Mi содержит как минимум два типа основных элементов - упругий элемент, снижающий собственную частоту колебаний прибора и уменьшающий коэффициент передачи вибраций от неровностей дорожного покрытия, и демпфирующий элемент с вязким либо сухим трением, рассеивающий часть энергии колебаний и уменьшающий их амплитуду. Подбирая соответствующим образом величины характеристик Ci упругих и Ki демпфирующих элементов, можно значительно уменьшить влияние сил инерции и снизить амплитуды колебаний подставок под медицинские приборы.
Кривые показывают рост упругих деформаций при возрастании нагрузки силами инерции при колебаниях. Прямая 1 относится к пружинному элементу, для которого деформации растут пропорционально действующей силе, кривая 2 соответствует резиновому элементу при сжатии, а кривая 3 - при сдвиге. Жесткость резиновых элементов с увеличением силы Р быстро возрастает. Упругие элементы частично способствуют и рассеянию энергии, но их коэффициент демпфирования обычно невелик и при расчете виброизоляторов может не учитываться. Для увеличения коэффициента демпфирования применяются демпферы особой конструкции.
Считаем известными амплитуду А и частоту колебаний ММК, вынуждаемых наличием неровностей дорожного покрытия. Эти вынужденные колебания складываются с собственными колебаниями массы М; рассматриваемого прибора, закрепленного в точке i кузова автомобиля. Частота р собственных колебаний массы с упругой связью жесткостью Ci определяется формулой 4:
При составлении ТТЗ на разработку ММК необходимо выбрать медицинские приборы, обеспечивающие работу комплекса в соответствии с его предполагаемым функциональным назначением, произвести предварительную компоновку медицинской мебели и приборов, позволяющую определить координаты Ц.М. изделий, размещаемых в кузове автомобиля. Выбранные изделия должны соответствовать ГОСТу. Например, для рентгеновских медицинских аппаратов это ГОСТ 26140-84. Далее, необходимо определить технические характеристики используемого шасси автомобиля, вычислить или найти экспериментально величины частоты (ώ0) для заданного диапазона скоростей движения ММК по дорожному покрытию определенного типа, вычислить ускорения в ЦМ i-ro медицинского прибора по формуле (5):
Для уточнения величины динамического коэффициента изменяем назначенные значения коэффициентов расстройки и затухания, используя для ориентировки график, представленный на рисунке 2. Аналогичные расчеты следует повторить для всех объектов, испытывающих чрезмерные перегрузки. По найденным величинам (ξ) и (ή) определяются характеристики типовых элементов, применяемых для проектирования необходимой виброизоляции.
Рассмотрим представленные выше теоретические положения на примере одного из важнейшего ММК - мобильного лабораторно-диагностического модуля (ЛДМ), предназначенного для проведения рентгенографических, рентгеноскопических, флюорографических и ультразвуковых медицинских исследований, который должен разворачиваться в полевых условиях силами обслуживающего персонала за время, отводимое на первоочередное развертывание функциональных медицинских подразделений и частей. До недавнего времени в мобильных рентгенодиагностических комплексах использовались рентгеновские аппараты без усилителя рентгеновского изображения (УРИ) или с усилителями прямого видения, которые могли сохранять работоспособность после воздействия транспортной тряски с частотой 80-120 ударов в мин и с ускорением 30-40 м/с2. Однако с 1995 года Минздравом РФ был запрещен выпуск рентгенодиагностических аппаратов без УРИ, поскольку врачи вынуждены изучать рентгеновское изображение на флюоресцирующем экране. При мощностях дозы рентгеновского излучения, которые допустимы в медицинской рентгеноскопии, яркость флюоресцирующего экрана чрезвычайно мала, и глаз врача-рентгенолога работает в режиме сумеречного зрения, при котором плохо различаются мелкие детали и слабые перепады контраста. Таким образом, постановка диагноза была затруднена, а соответственно снижалось и качество проводимого лечения. Вместе с тем рентгеновские аппараты с УРИ более чувствительны к воздействиям транспортной тряски. Не менее чувствительны к транспортным нагрузкам цифровые рентгеновские флюорографические аппараты. Для того чтобы рентгеновские аппараты можно было использовать в составе ММК, необходимо использовать виброизоляцию. Наиболее подходящей рентгенодиагностической установкой с УРИ отечественного производства, обеспечивающим широкий диапазон клинического применения на рабочих местах, где осуществляется инструментальное вмешательство, позиционирование и терапия под контролем, является РТС-612, выпускаемой НПО «ЭЛЕКТРОН» (г. Санкт-Петербург).
Динамические коэффициенты для кузова автомобиля и перевозимых установок РТС-612 значительно превышают величину Кдин=1,25, при которой обеспечивается сохранение их работоспособности, поэтому необходимо вводить индивидуальную виброзащиту, обеспечивающую снижение Кдин. Рассматриваемая установка РТС=612 имеет массу М=330 кг и для нее выбран стандартный упругий элемент пружинного типа с жесткостью С=2х104 н/м и демпфирующий элемент с сухим трением, имеющий коэффициент затухания К=2500 н.с/м. Собственная частота колебаний прибора Р=7,75 Гц .
Из таблицы 2 видно, что для рассмотренного диапазона скоростей движения ММК по грунтовой дороге (от 5 до 40 км/ч) динамический коэффициент для прибора не превышает значения 1,1. Следует иметь в виду, что подбор характеристик виброизоляторов ведется для массы определенной величины, а при изменении массы в 1,5-2 раза требует и соответствующего изменения этих характеристик.
Если покрытие дороги идеально ровное, то колеса автомобиля не испытывают вертикальных толчков, и динамический коэффициент равен 1 и находящаяся в кузове аппаратура не нуждается в виброизоляции. В рассмотренном примере установка испытывает небольшие перегрузки порядка 10 % на скоростях от 5 до 20 км/ч. На больших скоростях ММК и рентгенодиагностическая установка колеблются в противофазе, что приводит к отрицательным перегрузкам и Кдин становится меньше 1.
Наиболее важными ММК, определяющими исходы лечения раненых, являются мобильные операционно-реанимационные комплексы. В состав этих ММК наряду с другими медицинскими приборами входят аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ) с электрическим приводом «Фаза-5НР» (рис. 4), выпускаемые ОАО «Уральский приборостроительный завод» (г. Екатеринбург). В соответствии с ГОСТ Р 50444-92 эти аппараты должны выдерживать вибрационные нагрузки в диапазоне частот 10-55 Гц, с пиковыми ударными ускорениями до 10 g.
К числу таких мобильных комплексов относится операционно-реанимационный комплекс КОРП-01. Определим необходимую виброизоляцию аппарата ИВЛ «Фаза-5НР» для случая движения по дорогам с разбитым бетонным покрытием, имеющим среднюю высоту неровностей Δср=15 мм и расстояния между ними Lср =3 м.
Рассматриваемый аппарат ИВЛ имеет массу М=70 кг. Выбранная жесткость пружинного элемента составляет С=1500 н/м, коэффициент демпфирования К=300 н.с/м. Собственная частота колебаний аппарата ИВЛ Р=7,75 Гц. При этих условиях расчетные характеристики колебаний аппарата ИВЛ оказываются равными (см. табл. 3).
Перегрузка аппарата ИВЛ составляет 22 %, на остальных скоростях движения ММК происходит значительная разгрузка из-за колебаний в противофазе (почти до нуля при скорости 40 км/ч). Если перегрузки превосходят значение = 1,25, следует при расчете изменить величины С и К и вычислить новые характеристики.
Таким образом, применение ММК с виброзащитой современных медицинских приборов позволяет:
приблизить оказание квалифицированной медицинской помощи к районам массовых санитарных потерь, повысить своевременность оказания медицинской помощи и как результат - снизить количество случаев функциональной инвалидности и летальности раненых;
использовать двойные технологии, обеспечивающие значимый экономический эффект, поскольку медицинские приборы, кроме применения в гражданском здравоохранении, смогут широко использоваться для решения задач военной медицины.
