基于CATIA 的某型加油車維修可達(dá)性與作業(yè)空間分析

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（后勤工程學(xué)院，重慶401311）

隨著現(xiàn)代裝備科技含量的不斷提高，裝備造價和維修成本也不斷攀升。如何在裝備的生產(chǎn)研制階段，就充分考慮到維修性以節(jié)省壽命周期費(fèi)用，和如何對現(xiàn)有裝備進(jìn)行維修性分析，是一個亟待解決的課題。虛擬技術(shù)的發(fā)展，為裝備的維修性分析提供了一種新方法，即只需要建立該裝備的虛擬樣機(jī)，就可以進(jìn)行可靠性、維修性等分析。維修部件的可達(dá)性和維修作業(yè)空間布局的合理性，是裝備維修性最基本的指標(biāo)之一。可達(dá)性，是指被維修的部件可以被觸及的特性，即“摸得著”。本文以某型加油車為例，提供了一種利用CATIA軟件的人機(jī)模塊對裝備可達(dá)性、維修作業(yè)空間進(jìn)行分析的新方法，實(shí)現(xiàn)了裝備維修可達(dá)性、維修作業(yè)空間分析的虛擬化、便捷化。

1 維修部件可達(dá)性、維修作業(yè)空間分析的目的

裝備維修性要求裝備具有良好的可達(dá)性。可達(dá)性好，維修就會迅速、簡便，而且不容易出差錯，維護(hù)費(fèi)用也會減少，它是維修性定性要求中最重要的一條。維修作業(yè)空間是維修過程中維修人員所處的空間，作業(yè)空間內(nèi)各部件的空間距離以及空間位置設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系到裝備維修能否舒適、方便、安全地進(jìn)行，直接影響到裝備的維修效率。因此有必要對裝備的可達(dá)性、維修作業(yè)空間進(jìn)行分析，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，使維修操作更符合人的行動特點(diǎn),減少維修人員的適應(yīng)過程,使裝備符合維修人員的經(jīng)驗(yàn)、行為特征和操作想象,就能夠減少操作出錯，保證維修安全，提高維修效率。

2 CATIA及維修可達(dá)性、維修作業(yè)空間分析過程

CATIA是一款成熟的CAD/CAM軟件，不僅擁有強(qiáng)大的三維造型、虛擬制造、裝配分析等功能，還把人體測量學(xué)、人類工效學(xué)、人機(jī)工程學(xué)中的各種知識和理論，直接嵌入到該軟件的人因工程設(shè)計(jì)和分析模塊，使得在實(shí)際的維修性分析過程中，只需把人體模型直接放入所考慮的裝備之中，可省去做人體模型和大量的數(shù)據(jù)測試的繁復(fù)工作。CATIA還可以快速、便捷地調(diào)整虛擬人的作業(yè)姿態(tài)，以滿足不同作業(yè)姿態(tài)下的空間尺寸測定，這是其他CAD/CAM軟件無法比擬的。

要進(jìn)行可達(dá)性、維修作業(yè)空間分析，首先根據(jù)產(chǎn)品實(shí)體或者設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的立體模型；然后，加入虛擬人,在CATIA中可以清晰地判定人與裝備的空間關(guān)系；最后，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的原理，并利用CATIA的各種功能，進(jìn)行維修性分析。

3 某型加油車的可達(dá)性與維修作業(yè)空間分析

首先，建立該加油車操作艙與虛擬維修人員的三維模型，如圖1所示：

圖1 加油車操作艙與虛擬維修人員模型

以該加油車過濾分離器的換件維修為例，進(jìn)行可達(dá)性、維修作業(yè)空間分析?？紤]到該部件的工作頻率較高，當(dāng)該部件出現(xiàn)過濾網(wǎng)破裂故障時，要求維修作業(yè)人員能夠快速做出反應(yīng)，停止裝備運(yùn)轉(zhuǎn)，及時拆換過濾分離器，快速排除故障，故對過濾分離器的可達(dá)性、維修作業(yè)空間要求較高。

3.1 可達(dá)性分析

要進(jìn)行可達(dá)性分析，首先要找出可達(dá)性分析的關(guān)鍵部位，選擇適當(dāng)?shù)目蛇_(dá)性分析位置，并采用適當(dāng)?shù)淖藙荨＿x擇適當(dāng)?shù)奈恢门c姿勢，對于裝備的可達(dá)性有至關(guān)重要的作用。不同的維修位置與姿勢，可達(dá)性的結(jié)論是不同的。對于換件維修來說，維修部件可達(dá)性的好壞，主要取決于固定該部件或該部件與其他部件連接處，等關(guān)鍵部位的可達(dá)性的好壞。由于過濾分離器與過濾分離器進(jìn)、出管路和固定支架相連接，要想實(shí)現(xiàn)換件維修，必須把過濾分離器從管路和支架上拆卸分離開來。所以，過濾分離器進(jìn)、出管路和支架與過濾分離器的連接處，是維修作業(yè)的關(guān)鍵部位，也是可達(dá)性分析的關(guān)鍵部位。在此，只對過濾分離器進(jìn)、出管路和過濾分離器的連接處，做可達(dá)性分析；支架與過濾分離器的連接處，就不贅述了。

確定了關(guān)鍵部位以后，對虛擬人體位置做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通過對人體位置的多次調(diào)整，就可以確定如圖2所示的位置，是過濾分離器換件維修可達(dá)性分析的首選位置。首先以蹲姿進(jìn)入操作艙，盡可能的將人體模型移向連接處（如圖3所示，膝蓋已與部件接觸，達(dá)到前移極限）。

圖2 維修人員最佳維修位置

圖3 膝蓋觸及部件

維修人員上肢伸展在三維空間里的位置，往往決定維修部件可達(dá)性的好壞，CATIA能夠給出上肢所能達(dá)到的所有空間位置域。打開CATIA上肢可觸及功能，得到的結(jié)果如圖4所示（為顯示清楚，隱藏部分部件）。

圖4 蹲姿進(jìn)入操作艙時上肢觸及范圍

圖5 立姿彎腰進(jìn)入操作艙時上肢觸及范圍

從圖4中可以看出，當(dāng)維修人員蹲姿進(jìn)行分析時，不能夠接觸到過濾分離器與過濾分離器進(jìn)、出管路的連接處，調(diào)整維修人員的姿勢，由蹲姿改為站立彎腰姿勢，上肢可觸及范圍如圖5所示。由圖5可知，在位置不改變而姿勢改為立姿彎腰后，過濾分離器進(jìn)、出管路與過濾分離器的連接處基本可以觸及。

以上分析可以得出，在加油車過濾分離器進(jìn)行換件維修的情況下，維修人員在圖2位置，并且以站立彎腰姿勢進(jìn)入操作艙，可以觸及過濾分離器與進(jìn)、出過濾分離器的管路接口處。以其他位置、姿勢要想觸及該部位較為困難。總之，該部件維修可達(dá)，但需要特定的位置與姿勢，總體評價維修可達(dá)性一般。

3.2 維修作業(yè)空間分析

維修人員在進(jìn)行維修作業(yè)時，人與機(jī)器設(shè)備、維修工具等所需空間的總和，叫維修作業(yè)空間。一個優(yōu)良的作業(yè)空間，可以使維修人員安全可靠、舒適方便、迅速便捷地完成維修任務(wù)。大多數(shù)維修空間，都是受限作業(yè)空間，很難滿足維修人員的特殊需求。比如，最大維修人員的間隙需求和最小人員的伸及需求，這些特殊需求往往與常規(guī)作業(yè)者的差別較大。

對某個特定的維修作業(yè)空間，就某個單項(xiàng)而言，可能不是最優(yōu)的，但是應(yīng)該力求在整體上達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)處理好安全、經(jīng)濟(jì)、高效三者之間的關(guān)系，最后的設(shè)計(jì)方案，只能是考慮各方面因素的折衷方案，本文只從人機(jī)工程的角度，進(jìn)行該加油車的作業(yè)空間分析。

可以明顯看出，由于操作艙內(nèi)部高度的限制，維修人員進(jìn)入操作艙，只可以以蹲姿或者立姿彎腰屈膝姿勢進(jìn)入，維修人員的行動路徑和動作方式，受到很大的影響，直接影響維修效率。

人體在站立時，維修作業(yè)面的高度，應(yīng)該在肘高位置附近為最佳位置。男性平均肘高為1 020 mm，因此，從地面到500 mm高度之間，只適用腳作業(yè)；若采用手作業(yè)，則需彎腰，消耗體力。在500～700 mm之間，手和腳作業(yè)都不方便，所以不宜在此高度進(jìn)行維修作業(yè)。在700～1 600 mm高度之間，尤其是900～1400 mm高度之間為最佳操作區(qū)。過濾分離器進(jìn)行維修時，由CATIA測量工具測得作業(yè)面的高度約為633～898 mm（如圖6所示）。因此，在633～700 mm之間，手腳作業(yè)都很不方便，要彎腰、屈膝，需要消耗體力，從而影響效率。而作業(yè)高度在700～900 mm之間時，可以較為正常操作。

圖6 CATIA測量工具得出維修作業(yè)面大致高度

維修作業(yè)時，由于肘部的移動，小臂的運(yùn)動與其相聯(lián)系，實(shí)際水平作業(yè)區(qū)域比圖5所示的范圍要小，對于手臂較短的維修人員來說，觸及維修部位可能比較困難，或者可以觸及但是負(fù)荷較大，長期在這種條件下作業(yè)，容易使人產(chǎn)生疲勞。如果身體上側(cè)（尤其是肩部）可以越過圖8a中白色箭頭區(qū)域，那么觸及維修部位就會更加容易，維修也就更加方便。下面我們來分析這種辦法的可行性。

該虛擬維修人員按照正常男性軍人比例制作，肩寬（三角肌上兩側(cè)緣之間水平方向的最大水平方向的距離）約為430.05 mm，由CATIA的距離范圍分析功能對話框中設(shè)置最小距離為430 mm，最大距離設(shè)置為800 mm，如圖7所示。

進(jìn)行運(yùn)算分析結(jié)果，如圖8所示，圖8a中所示的制約人體進(jìn)一步靠前的兩部件之間的最小距離為339.92 mm；圖8b中的白色箭頭線的為小于規(guī)定的最小距離的區(qū)域，即小于肩寬的區(qū)域，表明如果人體要想更加靠近維修部位以更好及方便地維修，必然與紅色區(qū)域發(fā)生干涉，即人體不能穿過該區(qū)域，也就是不能夠靠前超過該區(qū)域。所以以上假設(shè)不可行。

圖7 CATIA距離和范圍分析對話框

圖8 CATIA距離和范圍分析結(jié)果

4 結(jié)束語

本文以某型加油車維修性基本要求之一的可達(dá)性和維修作業(yè)空間為出發(fā)點(diǎn)，以過濾分離器的換件維修為例，提出了一種利用CATIA軟件人因工程設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行可達(dá)性、作業(yè)空間分析的方法，并介紹了分析過程。實(shí)踐證明，該方法簡便、易行、成本低，是裝備維修性研究的一個重要手段。

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