catia 2016

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辛运胜 张亚伶 徐格宁太原科技大学机械工程学院 太原 030024

摘 要:为改善桥式起重机司机室作业环境,提高作业舒适度,对桥式起重机司机室的布局及各尺寸结合人机工程学相关理论进行了分析,并给出了尺寸建议,最后以人机工程虚拟仿真软件CATIA 进行验证,分析了司机的视野范围、操作姿势舒适度和手部可达区域。结果表明结合人机工程学相关理论所设计的司机室符合人体舒适度要求,设计中加入了视频监控装置,可降低职业病发生的可能性,司机室尺寸优化结果可为起重机司机室设计提供重要的数据参考。

关键词:桥式起重机;司机室;人机工程学;CATIA

中图分类号:TH215 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2020)03-0051-07

0 引言桥式起重机(以下简称桥机)是现代工业生产和起重运输的重要设备,广泛应用于钢铁厂、加工车间以及港口码头等场所。然而由于其作业时间长、操作频繁以及工作环境恶劣等原因,司机在作业时很容易出现疲劳,甚至使其身体部位出现各种职业病,以颈部和背部病患最常见。随着科技和经济的进步,越来越多的研究人员与设计师将人机工程学应用到桥机中,但相比发达国家而言,我国桥机司机室设计并未得到高度重视[1]。良好的司机室布局设计可有效地减小司机职业病产生的概率,增强司机的工作效率和稳定性,司机室的人机设计对于生产和人文关怀均具有重要的意义[2]。因此,本文基于人机工程学对起重机司机室的尺寸分析与设计,通过人机工程仿真软件CATIA 分析司机室的设计尺寸并进行尺寸修正,最终设计结果可有效改善司机室的舒适性、视野范围、提高操作性。设计结果为桥机司机室的设计提供一定的科学依据和数据参考。

1 司机室设计桥机司机室是保证司机安全作业的重要设备,除了给司机提供一个操作空间外,还与司机的作业舒适性紧密关联。司机室内部主要包括操作台、操纵装置、座椅、安全装置以及一些电气设备等,这些装置是司机进行操作的直接对象,对司机作业舒适度、便利性等有很大影响[3]。

1.1 操作台尺寸操作台是司机室中重要的设备,关系着司机操作的准确性、及时性以及舒适性,所以操作台的设计要符合人机工程学的相关要求。

通过调查可得,从事起重机驾驶工作的司机多为女性且年龄范围在20 ~ 40 岁之间,故选取女性18 ~ 55岁区间内的尺寸数据,为了使研究结果符合大多数人的要求,选择18 ~ 55 岁区间内第50 百分位的人体尺寸数据。司机的作业姿态一般为坐姿,故根据女性第50百分位的坐姿人体尺寸来进行操作台的尺寸设计。此外,操作台座椅按照市面的可调节座椅来配备,有关座椅的设计不再赘述。

依据国家标准[4] 可得上臂角在130º ~ 170º 范围内有较大的操纵力,是舒适的手操纵力姿势。第50 百分位的女性坐姿尺寸数据:肘高为251 mm,小腿加足高为382 mm。为了保持手臂在操作手柄时处于较舒适的角度范围,操作台的高度应小于633 mm,扶手高度算在操作台高度内。操作台的宽度由按钮和扶手共同决定,操作台每侧有两列按钮,旋钮开关直径为30 mm,横向间距为30 mm,扶手宽度为50 mm,加上与操作台边缘的余量,最终将操作台宽度定为220 mm,下部箱体宽度为260 mm。

桥机的操作需要高度集中,故操纵装置必须在司机手伸范围内,确保司机可以及时地触及操作装置,避免事故发生。由图 1 可知,双手可达最大范围为597mm,正常范围为394 mm。对于桥机而言,需要及时准确地操控装置,所以取值应在正常范围上下浮动,即394 mm。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图1 双手可达范围示意图

1.2 操纵装置的布置设计桥机的司机需要通过操作杆、脚踏板、操作按钮等来实现起重机的取料、运移、卸载等功能。桥机主要操作装置包括操纵杆、脚踏板和操作按钮。1)操作台按钮和指示灯设计桥机司机室内部有众多的按钮和指示灯,其中譬如司机室照明器、风扇、加热器等可设计为旋钮开关,以调节适应不同环境下的挡位。手控操纵器与人体尺度有关的尺寸参数:旋钮开关直径一般在35 ~ 75 mm 之间,高度在20 ~ 50 mm 之间;对于按钮开关,若为指尖操作,直径最小为12.5 mm,若为拇指按压,直径最小为18 mm。

操纵器形式与间隔距离参数:单手操作的旋钮开关间距最小为25 mm,推荐间距为50 mm,单指操作的按钮开关间距最小为12 mm,推荐间距为50 mm。对于桥机操作台而言,各个按钮、旋钮间距大于最小值即可,间距过大既影响操作台空间利用率,又降低司机操作的方便性和认读性。

2)操作杆设计操作杆把手形状应符合司机手的生理特点,使其抓握舒适,手把尺寸与手的尺寸相协调。把手长度应大于等于手掌长度,手把直径应小于等于手握尺度,过细或过粗都会导致手部肌肉紧张而不舒适[5]。为了使操作杆把手适合大多数司机手部尺寸,选择95 百分位女性的手部尺寸依据进行设计,查阅资料可得第95 百分位女性手部尺寸手宽为82 mm,故操作杆手把的长度应在82mm 左右。手柄直径尺寸范围为15 ~ 35 mm,优先推荐选用的范围为25 ~ 30 mm。

3)脚踏板设计脚踏板一般设计成矩形,宽度一般与脚掌的宽度相同,一般大于25mm, 脚踏时间较短时最小长度为60 ~ 75 mm;脚踏时间较长时为280 ~ 300 mm,踏板表面应设有防滑齿纹。依据标准[4] 可得第95 百分位女性足长为95 mm,所以踏板的宽度取95 mm 左右,而桥机的踏板一般为警铃等作用,不需要长时间踩踏,故其长度最小为60 ~ 75 mm。

1.3 显示器布置桥机属高空作业,司机为俯视视野,长时间操作易导致颈椎疲劳,甚至会造成颈椎病等职业病。当司机视野范围受限时,容易引发事故,故司机室中设有视频显示器。为了便于司机观察显示器,活动颈椎,又不遮挡司机的视野,故将显示器安装在司机室右前方,显示界面的目视距离可取380 ~ 760 mm 之间,且设计为可调节的。当人直视某界面的图像、文字和数字时,得到的信息相对较准确,所以显示器安装位置与司机视线垂直,降低误读率[6]。

2 基于CATIA 的司机室人机分析CATIA 软件中的虚拟仿真功能可真实地模拟出人在不同工作状态下的作业姿势,为设计人员提供合理的参考数据[7]。本文选取中国第50 百分位女性的人体模型进行CATIA 详细分析,包括司机操作台可达性、工作视野以及身体各部位舒适度方面,并根据分析结果对司机室操作台尺寸进行合理的修改。

2.1 构建模型1)构建人体模型软件中的人体数据与1988 年制定的中国成年人人体尺寸存在一些差别,所以需要对尺寸进行更正,在CATIA 中可对人体模型的尺寸数据直接进行修改,双击黄色的箭头即可,如图 2 所示。由于桥机司机作业姿态基本为坐姿,所以只修改涉及到坐姿的人体尺寸,包括坐高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、小腿加足高、坐深、体重,通过查阅数据得到表 1。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图2 人体尺寸修改

2)构建桥机模型桥机司机室操作台模型使用软件Solidworks 构建,图 3 所示为Solidworks 司机室模型。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图3 Solidworks 操作台模型

2.2 操作可达性仿真利用人机工程模块中的Manikin Tools 工具条上的手伸及界面计算功能即可对正常驾驶状态下的操纵台可达性进行仿真分析,对左右手可达性进行模拟,结果如图 4 所示。由图4 可知,左右手可达范围基本覆盖两侧所有操作装置,满足操作可达区域要求,说明该司机室操作台尺寸设计较为合理。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

(a)右手可达范围 (b)左手可达范围图4 左右手可达性模拟图

2.3 司机工作视野仿真为了保证作业的安全高效性,司机必须随时观察起吊重物的情况,故司机室良好的视野至关重要。运用人机工程模块中的视野(vision) 工具对司机的动态视野进行模拟与仿真,司机工作视野仿真结果如图5 所示。图中透明部分为双眼可见区域,灰色部分为单眼可见区域,红色部分代表司机无法看见的区域,第50 百分位司机左右两侧仪表以及踏板等均在可视范围之内。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图5 司机工作视野仿真图

图6 为司机在司机室操作时的工作视野,包括俯视视野、左右两边视野以及观察显示器时的视野,由分析结果可知,此司机室具备足够的视野来确保司机能够观察到周围的环境及物料运输过程,显示器也在司机视野范围内。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图6 司机操作时的工作视野 图

2.4 司机各部位舒适性评价1)RULA Analysis 分析为了确定司机姿势是否合理,使用CATIA RULAAnalysis 进行姿势分析。该区域的颜色从绿色到红色。分数1 和2(绿色)表示如果不长时间保持或重复,则姿势是可接受的;得分3 和4(黄色)表示需要进一步调查并且可能需要进行更改;得分5 和6(橙色)表示很快就需要进行调查和变更;得分7(红色)表示需要立即进行调查和更改[8]。不同身体部位的得分指示如图7 所示。由图7 可知当司机处于正常坐姿时,司机的腕关节和前臂的分析结果为黄色,其中腕关节扭曲时其肌肉部分结果显示为红色,说明起重机操作台的手柄部分存在一定缺陷,需要适当改进。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图7 正视时各部位得分

当司机手握操作杆向下俯视时,这种状态一般是观察起吊物体的起吊状况,图 8 为司机此时身体各部位得分情况,同理可得观察显示器时人体各部位评分结果。当司机处于正常坐姿并向下俯视或向右下俯视观察地面情况时,脖子扭曲情况结果为黄色,此时司机脖子处于不太舒适的角度,如果长时间保持这种姿势,必然会造成司机颈椎或腰部疲劳;而司机观察显示器时脖子处于舒适的状态,所以在司机室内安装显示器是必要的。显示器在司机实时获取周围环境信息及起重机相关数据起着重要作用,将重要信息呈现在显示器界面上可有效缓解司机长期弯曲颈椎的现状,缓解司机的颈椎疲劳和腰部疲劳。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图8 向下俯视时各部位得分

当司机观察仪表时(可看到全部显示灯和操作按钮的情况),图9 为观察仪表时各部位得分和司机的视野。当司机扭转身体调节按钮时,图10 为调节按钮时各部位得分和司机操作状态。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图9 观察仪表时各部位得分情况及司机视野图

当司机观察仪表时(在看到全部指示灯和操作按钮的情况下)和调节按钮时,整体得分为5 分。在这两组动作中,颈部结果分别显示为红色和黄色,手臂和手腕结果显示为黄色,说明司机此时处于不舒适的姿势,但由于调节按钮和观察指示灯为偶尔动作,且显示器显示的信息显然比操作台上设置的按钮和指示灯更重要,所以操作台上按钮和指示灯的布置在满足合理大小和间距前提下,可适当考虑人体操作舒适度。图9、图10 结果显示操作台按钮和指示灯的布置均在合理的可视范围和可操作范围内,且均未造成司机的极度不舒适,操作台尺寸布置合理。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图10 调节按钮时各部位得分和司机操作状态

2)Postural Score Analysis 分析此项是利用CATIA 进行的姿势得分分析,由图11可知整体得分为88.5 分,其中腿部、脚趾、胳膊结果显示为绿色,得分都在90 分左右,说明这几个部位此时处于比较舒适合理的姿势,而手部得分为68.4 分,说明此时手处于不舒适的姿势,需要进一步改进操作杆手柄的尺寸。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图11 整体姿势评分分析结果

CATIA 可达性仿真、工作视野仿真和各部位舒适度评价结果表明,在经过充分的人机工程学调研和分析的前提下,司机室尺寸均在合理范围,包括视野范围、方便观察的显示器、合理舒适的脚踏板、可旋转的扶手以及合理的操作空间等,唯一欠缺的就是操作杆手把的设计,在尺寸上略微有点小,可适当加大手把的尺寸,使司机握着更舒适,减少手部肌肉疲劳。

2.5 司机室尺寸修正及验证1)操作杆手把尺寸改进由CATIA 分析结果可知,操作杆手把尺寸偏小,故在尺寸修正中适当增加了操作杆尺寸。操作杆手把的长度增加5 mm,手把下部直径增加3 mm。2)改进尺寸验证将改进后的操作手把利用CATIA 的Postural ScoreAnalysis 进行验证,分析结果如图12 所示。由图 12 可知,司机在握持改进后的操作杆手把时,每个指头都处于合理舒适的角度,故改进后的尺寸是比较合理的。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图12 手部姿势评分分析结果

2.6 第5 百分位和第95 百分位人体模型验证前述应用中国第50 百分位人体模型做了详细的CATIA 分析及改进,故对第5 百分位和第95 百分位人体模型只做简单地分析验证,其中包括双手可达性和各部位舒适度评价。1)双手可达性范围图13 所示为95 百分位和5 百分位人体模型双手可达范围。由图13 可知,操作台所有装置均在第5 百分位和第95 百分位人体双手可达范围内。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图13 不同百分位时人体模型双手可达范围

2)各部位舒适度评价图14 所示为95 百分位人体各部位舒适度评价,评价结果都为绿色,得分都在90 分左右,在RULAAnalysis 中结果基本为绿色和黄色,说明此操作台尺寸对于95 百分位的人来说也是比较合理的。图14 95 百分位人体各部位舒适度评价

3 司机室最终尺寸操作台通过座椅的调整可满足大部分人的使用,但仍有少部分人不能通过调整座椅来找到适宜的操作状态,如有必要,操作台也可设计成高度可调。如果操作台高度可调将会使更多的司机调整到更加舒适的姿势,减轻司机的疲劳度,提高操作效率,最终操作台优化整体设计尺寸如图15 所示。基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图15 操作台整体尺寸

通过对第50 百分位和第95 百分位人体的CATIA分析可得,设计的操作台尺寸适用于身体尺寸稍大的司机,也就是第50 百分位左右到第50 百分位以上的人群。对于这部分人群而言,操作台尺寸布置均在双手可达范围内;在舒适度评价中,身体各部位基本处于舒适状态,而在司机处于俯视视角时,颈部相对不舒适,而在观察显示器时,脖子处于舒适状态,所以显示器的设计及布置位置,使司机颈部得到了活动,缓解了司机脖子和腰部的疲劳。操作台详细的优化布置尺寸如图16 所示。

基于CATIA 的桥式起重机司机室人机工程设计

图16 操作台设计尺寸

4 结论1)司机操作的可达性是完成工作的基本需求,设计方案必须满足可达性。2)为了减少颈部的不舒适,设计中增加视频显示器,并通过CATIA 分析验证了观察显示器时,颈部处于舒适状态,证明了显示器的设计及布置位置的合理性,因此司机的颈部得到了一定的放松,缓解了司机颈部和腰部的疲劳。司机的工作视野良好。3)操作台通过座椅的调整可满足大部分人的使用,但是仍有少部分人不能通过调整座椅来找到适宜的操作状态,操作台也可设计成高度可调将会使更多的司机能够调整到舒适的姿势。

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拓展知识:

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