基于JACK的某加農(nóng)榴彈炮手輪人機(jī)工效分析

易慎光，談樂(lè)斌，潘孝斌

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

在傳統(tǒng)火炮方向機(jī)和高低機(jī)設(shè)計(jì)、裝配和維護(hù)中，設(shè)計(jì)人員往往重點(diǎn)考慮的是產(chǎn)品功能和性能指標(biāo)要求，而沒(méi)有足夠地考慮人機(jī)關(guān)系，忽視了人的生理、心理特點(diǎn)和工作能力極限，降低了炮手操作的舒適性和工作效率［1］。某加農(nóng)榴彈炮的方向機(jī)和高低機(jī)手輪為單人操作，在射擊過(guò)程中炮手通過(guò)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使火炮指向打擊目標(biāo)。對(duì)于不同百分位的人體，其左手和右手需要承受不同的手輪力。如果手輪軸線高度不變，會(huì)使得某些百分位的炮手肩部、手臂及手腕部容易出現(xiàn)疲勞和受損，炮手會(huì)感覺(jué)費(fèi)力，影響其工作效率。所以，對(duì)于不同身高的炮手給出相應(yīng)合適的手輪高度，使人機(jī)關(guān)系更加合理，炮手操作時(shí)肘部、腕部及肩部等部位避免過(guò)度疲勞，從而提高工作效率。筆者利用JACK軟件對(duì)某加農(nóng)榴彈炮的方向機(jī)和高低機(jī)手輪進(jìn)行了工效評(píng)估。

1 人機(jī)問(wèn)題分析和建模

1.1 人機(jī)工程問(wèn)題分析

火炮射擊時(shí)，炮手需要同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)高低機(jī)和方向機(jī)手輪，使炮口指向目標(biāo)位置。在整個(gè)操作過(guò)程中，炮手容易出現(xiàn)姿勢(shì)疲勞，分析原因，主要有以下2個(gè)因素：

1）操作姿勢(shì)較差。由于高低機(jī)和方向機(jī)手輪的位置和高低不合適，使得操作者的臂膀容易產(chǎn)生疲勞［2］。

2）操作頻繁，動(dòng)作激烈。該炮的射速為4～5發(fā)／min，在作戰(zhàn)過(guò)程中炮手需要及時(shí)調(diào)整炮口指向，在操作過(guò)程中身體容易產(chǎn)生疲勞和受損。

1.2 手輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程建模

模型建立過(guò)程：

1）建造虛擬環(huán)境：根據(jù)加農(nóng)榴彈炮的結(jié)構(gòu)尺寸，用三維軟件Pro／E 繪制其主體，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入JACK 環(huán)境中。本模型使用的高低機(jī)和方向機(jī)手輪直徑均為28mm，兩手輪軸線處于同一高度且平行于水平面。

2）建立虛擬人體：本文使用數(shù)據(jù)為GB 10000－1988創(chuàng)建的我國(guó)男性人體模型，分別使用P5、P50、P95人體模型，其身高分別為158.3、167.8和177.5cm［3］。

3）炮手任務(wù)：將炮手轉(zhuǎn)動(dòng)高低機(jī)和方向機(jī)手輪的動(dòng)作進(jìn)行分解，使用Animation模塊，制定三維動(dòng)畫(huà)仿真，在JACK 中仿真操作的全過(guò)程，研究其可達(dá)域。

4）工效學(xué)評(píng)價(jià)：主要分析炮手的可達(dá)性、工作姿勢(shì)分析（OWAS）、快速上肢分析以及受力分析。建立的仿真模型如圖1所示。

2 手輪人機(jī)工效分析

2.1 可達(dá)域分析

針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作分析左右手運(yùn)動(dòng)范圍，選取左右手掌心為軌跡點(diǎn)，可以得到人體模型在站立時(shí)雙手掌心最大可觸及范圍。圖2為可達(dá)域組成，其中標(biāo)識(shí)A 的運(yùn)動(dòng)區(qū)域表示右手掌心可達(dá)區(qū)域；標(biāo)識(shí)B的運(yùn)動(dòng)區(qū)域表示左手掌心可達(dá)區(qū)域［4］。經(jīng)測(cè)量可得到P1、P5、P50、P95、P99的人體雙手掌心距地面最高和最低距離，如表1所示。

表1 炮手掌心可達(dá)域

分別選取高低機(jī)和方向機(jī)手輪高度為80、90、100、110、120、130cm 作為研究對(duì)象。對(duì)P5、P50、P95的人體經(jīng)過(guò)可達(dá)性分析可以得出，手輪軸線高度為80cm 時(shí)，在手輪整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期中，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)135°至225°范圍內(nèi)，P5、P50、P95的人體需要彎腰操作；手輪軸線高度為90cm 時(shí)，當(dāng)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)135°至225°范圍內(nèi)，P50、P95的人體需要彎腰操作；而當(dāng)手輪高度為100、110、120、130cm 時(shí)，手輪整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程均在人體掌心可達(dá)域范圍內(nèi)，而且炮手只需要站立轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，不需要彎腰。

2.2 工作姿勢(shì)分析

炮手操作時(shí)的姿勢(shì)可能對(duì)炮手造成損害或傷害，不同的操作姿勢(shì)會(huì)對(duì)炮手背部、手部和腿部負(fù)荷造成影響，從而影響其操作的舒適度。運(yùn)用JACK 軟件中工作姿勢(shì)分析工具（OWAS）可以快速檢查工作姿勢(shì)，評(píng)價(jià)基于背部、手臂和腿負(fù)載要求的工作姿勢(shì)的不適度。

仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手輪軸線高度大于100cm時(shí)，炮手處于直立狀態(tài)操作，其OWAS評(píng)級(jí)為1級(jí)（1級(jí)說(shuō)明姿勢(shì)正常，2級(jí)說(shuō)明姿勢(shì)有一定的不良影響，3級(jí)說(shuō)明姿勢(shì)有不良影響，4級(jí)說(shuō)明姿勢(shì)非常有害［5］），說(shuō)明直立時(shí)操作手輪的姿勢(shì)是合適的工作姿勢(shì)，不會(huì)對(duì)炮手的操作造成不良影響。而當(dāng)手輪軸線高度小于100cm 時(shí)，炮手有時(shí)需要彎腰才能操作手輪，這時(shí)其OWAS評(píng)級(jí)為2級(jí)或3級(jí)（如圖3所示），說(shuō)明該姿勢(shì)有不良影響，彎腰對(duì)炮手的操作有影響，需要進(jìn)行糾正。

炮手操作時(shí)，某加農(nóng)榴彈的方向機(jī)和高低機(jī)手輪的安裝方式一般有兩種：兩手輪軸線處于同一高度且相互垂直，如圖4所示；兩手輪軸線處于同一高度，但兩軸線之間的夾角為30°，如圖5所示。對(duì)于炮手分別采用兩種位置操作進(jìn)行工作姿勢(shì)分析，得出當(dāng)手輪分別處于圖4和圖5所示的位置擺放時(shí)，炮手操作的姿勢(shì)是正常的，不會(huì)對(duì)炮手產(chǎn)生不良的影響。所以在設(shè)計(jì)中，這兩種手輪安裝位置都可以采用。

2.3 快速上肢分析

快速上肢動(dòng)作分析能夠分析炮手在上肢動(dòng)作過(guò)程中的危險(xiǎn)程度。工作中，炮手的左手受到49N的載荷，右手受到69 N 的載荷［6］。炮手在轉(zhuǎn)動(dòng)手輪過(guò)程中，炮手處于站立狀態(tài)，手和腕部處于懸空狀態(tài)，沒(méi)有支撐點(diǎn)，頸部不受力。將所有因素加權(quán)后給出姿勢(shì)的最后評(píng)分為5～6分（1～2分為1級(jí)操作，3～4分為2級(jí)操作，5～6分為3級(jí)操作，7～8分為4級(jí)操作）。結(jié)果說(shuō)明，這種姿勢(shì)的操作屬于3級(jí)操作，即說(shuō)明隔一段時(shí)間就要改變?cè)撟藙?shì)。當(dāng)炮手左右手所受載荷不變，但處于坐立狀態(tài)時(shí)，且給手臂支撐時(shí)，這種姿勢(shì)的操作降為2 級(jí)操作，說(shuō)明經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后需要改變姿勢(shì)，這樣就可以降低上肢受傷的危險(xiǎn)性，炮手在一個(gè)工作周期內(nèi)可以持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

3 受力分析

3.1 手輪高度對(duì)炮手的影響

將炮手轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程分解為7步，分別研究炮手在轉(zhuǎn)動(dòng)0°、45°、90°、135°、225°、270°、315°時(shí)炮手的受力情況。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人體模型的肩部承載能力變化最大，而其他部位，如肘部、軀干、臀部、膝蓋、腳踝等部位的承載能力則無(wú)較大變化。所以，選取肩部受力變化作為研究對(duì)象，得到人體肩部的承載能力百分比和手輪安裝高度的關(guān)系如圖6～8所示。

圖6～8中7條折線分別表示炮手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的7個(gè)位置，隨著手輪軸線高度的變化，人體的肩部承載能力出現(xiàn)明顯變化。承載能力百分比越高，說(shuō)明手輪在此高度時(shí)肩部的承載能力越好。從圖中可以看出，對(duì)于第5 百分位的人體，當(dāng)手輪高度處于110～120cm 時(shí)，人體肩部的承載能力最好；對(duì)于第50百分位的人體，當(dāng)手輪高度處于120～130cm時(shí)，人體肩部的承載能力最好；對(duì)于第95百分位的人體，當(dāng)手輪高度處于130～140cm 時(shí)，人體肩部的承載能力最好。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)頻率對(duì)炮手的影響

將第95百分位的人體作為研究對(duì)象，某加農(nóng)榴彈炮高低機(jī)和方向機(jī)手輪的高度和位置調(diào)到炮手操作舒適的位置，改變炮手操作的頻率得到炮手右肩和左肩部位最大可承受的平均強(qiáng)度，如圖9所示。

從圖中可以看出，當(dāng)炮手轉(zhuǎn)動(dòng)頻率增加時(shí)，炮手左肩和右肩最大可承受的平均強(qiáng)度均降低，且呈線性變化。但當(dāng)頻率每增加1r／min時(shí)，炮手肩部最大可承受平均強(qiáng)度降低約1.2%。由此可見(jiàn)，當(dāng)炮手轉(zhuǎn)動(dòng)手輪頻率較低時(shí)（轉(zhuǎn)動(dòng)頻率小于6r／min），轉(zhuǎn)動(dòng)頻率對(duì)炮手肩部可承受最大平均強(qiáng)度影響不大。

4 結(jié)論

筆者應(yīng)用JACK 軟件的人機(jī)工效評(píng)估功能，對(duì)某加農(nóng)榴彈炮的高低機(jī)和方向機(jī)手輪進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）JACK 軟件是一款優(yōu)秀的工效評(píng)估軟件，應(yīng)用該軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和布局，是一種較為有效的方法，對(duì)從事火炮科研的工程設(shè)計(jì)人員，有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

2）對(duì)于P5、P50、P95人體手輪最佳的高度分別為110～120cm、120～130cm、130～140cm。

3）當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率小于6r／min時(shí)，對(duì)炮手操作影響不大。

（References）

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