Untersuchung und Verbesserung des Schwingungsverhaltens von Krankentragen

111 Pages·1981·2.78 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Jürgen Helling, Dr.-Ing. Ekkehard Röhl, Dipl.-Ing. Fuad Shibli (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 3043 / Fachgruppe Umwelt/Verkehr
Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. -Ing. Jurgen Helling
J?r. -Ing. Ekkehard R5hl
Dipl. -Ing. Fuad Shibli
Institut fUr Kraftfahrwesen
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Untersuchung und Verbesserung
des Schwingungsverhaltens
von Krankentragen
Westdeutscher Verlag 1981
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Helling, JUrgen:
Untersuchung und Verbesserung des Schwingungs
verhaltens von Krankentragen / JUrgen Helling
Ekkehard Rohl ; Fuad Shibli. - Opladen :
Westdeutscher Verlag, 1981.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 3043 : Fachgruppe Umwelt,
Verkehr)
ISBN-13: 978-3-531-03043-2 e-ISBN-13: 978-3-322-87677-5
DOl: 10.1007/978-3-322-87677-5
NE: Rohl, Ekkehard:; Shibli, Fuad:; Nordrhein
Westfalen: Forschungsberichte des Landes •••
© 1981 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-03043-2
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Inhalt
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung und Problemdefinition
1.2 Arbeitsablauf 2
2. Ermittlung der schwingungstechnischen Daten
herk6mmlicher Krankentragen 3
2.1 Beschreibung der Versuchseinrichtung 6
2.1.1 Servohydraulischer SchwingprUfstand 6
2.1. 2 Elektronische MeBeinrichtung 8
2.2 VersuchsdurchfUhrung 12
2.2.1 MeBstellen 12
2.2.2 Versuchsbedingungen 16
2.2.2.1 Frequenz 16
2.2.2.2 Beschleunigung 17
2.2.3 Versuchsauswertung 18
2.3 Darstellung und Diskussion der Versuchs
ergebnisse 19
2.3.1 Schwingungsverhalten der Tragenholme 19
2.3.2 Schwingungsverhalten der Tragenbespannung 26
2.3.3 Schwingungsverhalten der Rader und Kufen 37
2.3.4 Schwingungsverhalten der gesamten Krankentrage 38
3. Simulationsmodell 40
3. 1 Ersatzsystem 40
3.2 Nachweis der Tauglichkeit des Ersatzsystems 42
3.2.1 Daten des Ersatzsystems 42
3.2.2 Vergleich Sirnulation-Serientrage 43
4. Theoretische Optirnierung des Schwingungs
verhalten der Krankentrage 50
4. 1 Pararnetervariation 50
4.1.1 EinfluB der Federsteifigkeit der Tragenbe
spannung 51
4.1. 2 EinfluB der Darnpfung der Tragenbespannung 54
4.1.3 EinfluB der Federsteifigkeit des Tragenrahrnens 59
4.1. 4 EinfluB der Darnpfung des Tragenrahrnens 62
4.1 .5 EinfluB der Federsteifigkeit der AufstUtzstellen 65
4.1.6 EinfluB der Darnpfung der AufstUtzstellen 68
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4.2 Theoretisch optimierte Krankentrage 72
4.2.1 Daten der optimierten Krankentrage 72
4.2.2 Vergleich Serientrage - Optimierte Trage 73
5. Realisierung einer schwingungstechnisch
optimierten Krankentrage 79
5.1 Anforderungen an die Krankentrage und Uber-
tragbarkeit der Simulationsergebnisse 79
5.1.1 Federsteifigkeiten und Dampfungskonstanten 79
5.1.2 DIN-Normen 13024 / 13025 86
5.2 Bau einer schwingungstechnisch verbesserten
Krankentrage 86
5.2.1 Konzept und Beschreibung der verbesserten
Krankentrage 87
5.2.2 Daten der verbesserten Krankentrage 92
5.3 Versuchsergebnisse der verbesserten Krankentrage 92
5.3.1 Ergebnisse der Prtifstandsversuche 93
5.3.2 Ergebnisse der Fahrversuche 99
5.4 Vergleich Serientrage - Krankentragenprototyp
lee
und Dokumentation der erzielten Verbesserungen
6. Zusammenfassung 103
7. Literaturverzeichnis 105
- 1 -
1. Einleitung
Beim Transport von Kranken und Verletzten in Krankentrans
portwagen (KTW) bzw. in Rettungswagen (RTW) ist die Schwin
gungsbelastung des Patienten in hohem MaBe abhangig vom
Schwingungsverhalten des Fahrzeugaufbaus, der Tragenlagerung
und der Krankentrage. Nachdem in vorangegangenen Arbeiten am
Institut fur Kraftfahrwesen ika der RWTH Aachen eine Opti
mierung der Fahrzeugfederung und des Tragengestells durch
gefuhrt wurde, solI im Rahmen dieses Forschungsprojektes
eine Untersuchung und Optimierung der Krankentrage erfolgen.
1.1 Aufgabenstellung und Problemdefinition
In den gegenwartig verwendeten Krankentransportwagen bzw.
Rettungswagen wird der Patient auf einem verstellbaren
Tragengestell auf einer Krankentrage gelagert und trans
portiert. Die Krankentragen bestehen in der Regel aus einem
Profilrohr-Rahmengestell, das mit einer Bespannung aus
elastischem Material und mit einer zusatzlichen Schaumstoff
auflage versehen ist. Die nicht biegesteif ausgebildeten
Rahmengestelle, die Bespannung und die Auflage bilden ein
schwingungsfahiges, mit schwacher Eigendampfung behaftetes
System. Die wahrend des Transports durch Fahrbahnuneben
heiten hervorgerufenen und vom Fahrzeug auf Trage und Pa
tient ubertragenen mechanischen Schwingungen beeiLtrachtigen
das Befinden des Patienten und erschweren auBerderr. seine Be
handlung durch das Begleitpersonal.
Ausgehend von den schwingungstechnischen Daten handelslib
licher Krankentragen 5011 daher mit Hilfe eines mathemati
schen Ersatzsystems in einer Parameterstudie eine Optimferung
des schwingungsfahigen Systems Krankentrage durchgeflihrt'
werden. Das Ergebnis dieser Optimierung 5011 anschlieBend
in Form eines schwingungstechnisch verbesserten Kranken
tragenprototyps realisiert werden.
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1.2 Arbeitsablauf
Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchzufuhrenden
Arbeiten lassen sich in die folgenden, teilweise parallel
ablaufenden Phasen gliedern:
Phase 1:
Ermittlung der schwingungstechnischen Daten herkornrnlicher
Krankentragen.
In urnfangreichen Schwingungsuntersuchungen der heute ver
wende ten Krankentragen werden deren charakteristische
Schwingungseigenschaften in Form der VergroBerungsfunktionen
ermittelt.
Phase 2:
Erstellung eines mathematischen Ersatzsystems der Kranken
trage und deren Optimierung im Rahmen einer Analogrechen
parameterstudie.
Auf der Basis der in der Phase 1 ermittelten schwingungs
technischen Daten herkornrnlicher Krankentragen (Federsteifig
keit der Bespannung, Biegefedersteifigkeit des Rahmens,
Darnpfungsverhalten) wird das Schwingungsverhalten einer her
kornrnlichen Krankentrage simuliert. Dazu wird zunachst ein
entsprechendes mathematisches Ersatzsystem formuliert und am
Analogrechner nachgebildet.
Nach Nachweis der Tauglichkeit des Ersatzsystems wird die
theoretische Optimierung des Schwingungsverhaltens mit
diesem Simulationsmodell vorgenornrnen, indem eine urnfang
reiche Variation der das Schwingungsverhalten der Krankentrage
bestimmenden EinfluBgroBen durchgefuhrt wird.
Phase 3:
Realisierung eines schwingungstechnisch verbesserten Kran
kentragenprototyps.
Auf der Basis der bei den Prufstandsversuchen und den in der
Parameterstudie gewonnenen Ergebnisse und Erfahrungen wird
ein Krankentragenprototyp entwickelt und gebaut. Die er
reichte Verbesserung des Schwingungsverhaltens wird in Pruf
stands-und Fahrversuchen nachgewiesen.
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2. Ermittlung der schwingungstechnischen Daten herkommlicher
Krankentragen
Krankentragen nach DIN 13024 und 13025 sind "Gerate zum scho
nenden Transport von Kranken und Verletzten durch Personen
und/oder in Sonderfahrzeugen" /1/. Sie bestehen aus einem
Tragenrahmen vornehmlich aus Alu-Profilen mit hochstellbarem
Kopfteil, einer Tragenbespannung, Rollen oder Gleitkufen,
Fixierstiften zum Befestigen im Krankenwagen sowie Halterungen
fUr Bauch- und RUckenstUtze. Abbildung 2.1 zeigt eine derartige
Trage.
Abbildung 2.1: Krankentrage mit Laufrollen nach DIN 13025
1m Rahmen der hier durchgefUhrten Schwingungsuntersuchungen
wurden sieben unterschiedliche Krankentragen untersucht. In
Tabelle 2.1 sind die charakteristischen Daten dieser Kranken
tragen aufgefUhrt.
Die Tragenrahmen sind aus unterschiedlichen Alu-Profilen
hergestellt. Die Holme der Krankentragen 1, 2 und 3 sind aus
dem Material AlMgSi 1 F 32 mit dem Profil I, das in Tab. 2.1
dargestellt ist. Die Holme der Tragen 4, 5,6 und 7 sind aus
demselben Material hergestellt, haben jedoch andere Profile.
Das Material AlMgSi 1 F 32 ist eine warmausgehartete Alu
minium-Knetlegierung mit einer Zugfestigkeit von 314 N/mm'.
Die Biegesteifigkeit bzw. die Federungseigenschaften der
Tragenrahmen und insbesondere die der Holme hangt vor allem
von dem Flachentragheitsmoment des verwendeten Profils, dem
Elastizitatsmodul des Werkstoffes, den geometrischen Abmes
sungen des Tragenrahmens tlnd den eingebauten Rahmenverstei
fungen abo
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Tabelle 2.1: Daten der untersuchten Krankentragen
Krankentrage Gewicht o. Profil Rader Kufen Klappbar Bespannung
Zubeh6r (kg)
1 11 ,2 I X - nein A
2 10,2 I X - nein B
3 6,2 I - X ja B
4 10,0 III X - nein A
5 8;5 II - X ja B
6 6,5 III - X ja A
7 10,0 III X - nein A
Legende: ,t)
A: Textilgewebe mit PVC-Beschichtung
B: Chemiefasergewebe
Tabelle 2.2 enthalt die berechneten Flachentragheitsmomente
der verwendeten Profile. Daraus ist ersichtlich, daB unter
sonst gleichen Bedingungen ein Tragenrahmen aus Profil 2
steifer ist als Tragenrahmen aus den Profilen 1 oder 3.
Tabelle 2.2: Flachentragheitsmoment der verwendeten
Aluminium-Profile
Profil Ix [mm4] Iy [mm4]
1 43500 32150
2 84250 59800
3 35700 35700
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Die untersuchten Krankentragen hat ten zwei unterschiedliche
Bespannungsstoffe. Bei der Bespannung A handelt es sich um
ein dlinnes beschichtetes Textilgewebe, bei der Bespannung B
urn ein unbeschichtetes netzartiges Chemiefasergewebe. Die
beiden Bespannungsarten haben unterschiedliche Elastizitaten.
Die Kombination aus Tragenrahmen und Tragenbespannung stellt
ein kompliziertes schwingungsfahiges System dar, das aus in
Reihe und parallel geschalteten Federn mit unterschiedlichen
Federsteifigkeiten besteht. Zur Verdeutlichung des Schwin
gungsverhaltens einer Krankentrage wird sie als ein Gebilde
betrachtet, das aus zwei Holmen und einer Bespannung besteht.
Die Holme und die Bespannung haben sowohl in der vertikalen
als auch in der horizontalen Richtung bestirnmte Federungs
eigenschaften. Die Belastung der Bespannung durch eine Kraft
(z. B. Patientengewicht) hat dann horizontale und vertikale
Durchbiegungen der Holme zur Folge. Abb. 2.2 zeigt eine
schematische Darstellung dieses Zusarnmenhanges. Die GroBe
der dargestellten Durchbiegungen hangt von der Systemstei
figkeit abo
o o
TRAGE UNBELASTET TRAGE BELASTET
QUERSCHNITT OURCH TRAGENMITTE
Abbildung 2.2: Schematische Darstellung der Durchbiegung
von Tragenbespannung und Tragenrahmen in
folge Krafteinwirkung
Das Schwingungsverhalten der Tragenholme und der Tragenbe
spannung als wichtigste EinfluBgroBen auf die Schwingungs
belastung des Patienten wird im folgenden ermittelt.
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Die Krankentragen sind mit Rollen oder Gleitkufen ausgerlistet,
urn das Schieben der Krankentrage auf dem Tragengestell
(Tragenlagerung) zu ermoglichen. Diese Rader bzw. Gleit
kufen sind die Schwingungseinleitungsstellen in die Kranken
trage. Ihre Federungs- und Dampfungseigenschaften beein
fluBen ebenfalls das Schwingungsverhalten des Schwingungs
systems Krankentrage, so daB auch sie mit erfaBt werden.
2.1 Beschreibung der Versuchseinrichtung
Das Schwingungsverhalten der Krankentrage wird auf einem
servohydraulischen Schwingprlifstand ermittelt, der aus einem
Hydraulik- und einem Elektronikteil besteht und mit ent
sprechenden Auswertegeraten zur Erfassung und Verarbeitung
der MeBgroBen ausgerlistet ist.
2.1.1 Servohydraulischer Schwingprlifstand
Das Kernstlick der Versuchseinrichtung stellt eine Einzy
linder-Hydropulsanlage des Instituts fur Kraftfahrwesen ika
dar (Hersteller Firma Carl Schenck, Typ POZ 0330).
Diese gliederte sich in einen elektrischen und einen hydrau
lischen Teil, der sich wiederum in die getrennt angeordnete
Pumpstation und den Arbeitszylinder (Nennkraft: 1,6 Mp,
Nennhub: 250 rnrn) unterteilt.
Die elektrische Komponente besteht aus elektronischen
Steuer- und Regelgeraten, die zusarnrnen mit dem Frequenz
generator und allen anderen, unmittelbar zur Steuerung des
Arbeitskolbens notwendigen Teilen in einem Schaltschrank
untergebracht ist (Abb. 2.3).
Der hydraulische Teil formt die elektrischen Signale in Hub
bewegungen mit entsprechender Frequenz und Amplitude urn,
wobei der Arbeitszylinder das ausfuhrende Organ bildet.
Abb. 2.4 zeigt eine Teilansicht mit dem Arbeitszylinder.
Mit dem Arbeitskolben verbunden ist dann der eigentliche
Versuchsaufbau, ein Tragengestell, auf das die zu unter
suchenden Krankentragen analog zum praktischen Einsatz in
Kranken- bzw. Rettungswagen befestigt werden (Abb. 2.5).