基于人機工程學的橋式起重機司機室設計研究

辛運勝 張亞伶

關鍵詞：人機工程學;橋式起重機;司機室設計

1人機工程學概述

所謂人機工程學，亦即是應用人體測量學、人體力學、勞動生理學、勞動心理學等學科的研究方法，對人體結(jié)構(gòu)特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)：還提供人體各部分的出力范圍、以及動作時的習慣等人體機能特征參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性。人機工程學作為一門系統(tǒng)研究人、機器和環(huán)境關系的交叉學科，能夠充分體現(xiàn)“以人為本”的設計思想。通過對起重機進行人機工程學分析，能夠有效提升駕駛?cè)藛T的操控舒適性和心理感受，降低事故風險的發(fā)生率，為現(xiàn)代起重機功能設計的合理性提供理論依據(jù)。

2基于人機工程學的橋式起重機司機室設計分析

2.1內(nèi)部空間設計分析

橋式起重機司機室的設計首先應保證外觀造型和功能的協(xié)調(diào)性，除了要滿足基本的結(jié)構(gòu)、工藝和使用要求外，還應該使司機室整體的外觀達到設計美觀協(xié)調(diào)的要求。目前橋式起重機司機室的外觀多以棱角分明的塊體為主，在司機視野范圍內(nèi)，三個方向面通常被分成幾個部分，在此區(qū)域內(nèi)裝有大小不同的玻璃，這種多區(qū)域的分割會縮小司機的視野范圍，影響司機對周圍情況的觀察，所以司機室外殼的區(qū)域劃分在保證結(jié)構(gòu)、承重等基本要求下應盡量簡單。此外，司機室整體的外觀可采用一定的圓弧或者曲面設計，避免直棱直角，給人美觀大方的感覺。

其次，橋式起重機司機室要有足夠的空間容納所有的設備，并且要有一定的空間供駕駛員作業(yè)以及調(diào)整姿勢，司機室的空間布局不僅影響著駕駛員操作的舒適性和安全性，也影響著駕駛員作業(yè)時的效率，所以司機室的空間設計應以簡潔為主，內(nèi)部布置在保證駕駛員操作舒適的前提下盡可能緊湊，這樣才能保證內(nèi)部有足夠大的空間和充分的視野范圍。

2.2色彩設計分析

色彩不僅能從生理上對司機產(chǎn)生影響，還能帶來一定的心理影響;色彩不僅能給人的視覺帶來影響，同時也能影響人的呼吸、血壓、心跳等。不同的顏色給人的心理感受也不同，結(jié)合橋式起重機惡劣的工作環(huán)境，司機室內(nèi)的顏色不宜太跳躍，也不宜太沉悶。稍淺的顏色可用于司機室內(nèi)部的大面積裝飾，其他的顏色可適當點綴，以減少長時間注視同一顏色造成的視覺疲勞，而鮮艷醒目的顏色可用于司機室室外的設計，比如紅色、橙色和黃色，達到警示作用，避免事故發(fā)生。

2.3視野布局分析

橋式起重機是一種間歇動作的機械，在搬運物料時，通常反復取物、運送、卸料和空車復位的工作過程，所以，對于橋式起重機司機來說，必須有快速的反應能力和良好的視野范圍，盡可能觀察到物料的運行位置和周圍的環(huán)境。這就要求橋式起重機司機室必須要有充分的視野范圍，但是駕駛員在操作橋式起重機時，視野幾乎為俯視視角，所以必須要對駕駛室的視野進行設計，盡可能減少阻擋物的遮掩，增大駕駛員的視野范圍。

顯示器可以監(jiān)測司機看不到的地方，還可以顯示司機室相關的信息，所以為了擴大司機的視野范圍，提高視野舒適性，緩解眼部疲勞，保證作業(yè)的安全性，最好增設顯示器輔助駕駛。顯示器的作用除了擴大視野范圍外，還應該顯示起重機的其他相關信息，例如起吊重物的重量、大小、起重機故障狀況、油量等，利用顯示器可以精確顯示起重機作業(yè)時的相關數(shù)據(jù)，能夠使駕駛員操作更加準確，避免因外界因素或者個人因主觀因素造成判斷誤差而導致的操作失誤，提高作業(yè)效率。

在橋式起重機司機室操作時，司機的視野基本為俯視視角，長時間作業(yè)必然會造成頸部疲勞，但是由于橋式起重機屬于高空作業(yè)，這種狀況不可避免。顯示器可布置在相對于駕駛員平視或者仰視的視野區(qū)域內(nèi)，在這一區(qū)域內(nèi)既不會遮擋駕駛員在操作起重機作業(yè)時的視野，又可以使駕駛員的頸椎得到一定的活動，避免長時間保持同一姿勢帶來的頸椎疲勞。

2.4操作空間分析

操作臺是橋式起重機司機室最重要的部分，是司機完成作業(yè)的重要操控裝置，操作臺布置的合理與否關系著司機作業(yè)的舒適性、高效性、安全性等問題，所以操作臺的布置必須著重考慮和設計。首先，操作臺是由司機實時操控的，所以必須以人為中心來進行布局。其次，操作臺的尺寸大小應盡量滿足大部分人的使用要求。操作臺以及操縱裝置具體要求如下：

1）操作臺的布置在滿足人體尺寸的舒適要求下應盡量緊湊。

2）各類操縱裝置應盡量在司機手的可達范圍內(nèi)，虛線為人手最大可達區(qū)域，實線為人手操作的正常區(qū)域，為保證司機的操作舒適性，建議以394mm為參照上下浮動。首先頻繁操控的、使用頻率高的操縱裝置優(yōu)先考慮安置在距離司機近的位置。一般而言，人使用右手操控最為方便和準確，所以可布置在右邊操作臺上;使用頻率低的、不需要及時操控的裝置按使用優(yōu)先排布在左邊的控制臺上。

3）各類操縱裝置應加以區(qū)分，便于司機快速辨識而不混淆，可從顏色、形態(tài)、大小等進行區(qū)分。

4）操作桿是操作臺上重要的操縱裝置之一，操作桿的形狀應結(jié)合人手的生理特點進行設計，否則會影響司機手部肌肉的舒適度。

2.5座椅設計分析

橋式起重機司機的作業(yè)姿態(tài)基本為坐姿，所以座椅設計的合理與否、舒適與否直接關系到司機作業(yè)時的狀態(tài)。座椅的設計主要涉及四個方面：座高、座面、靠背和扶手。

1）座高。座高是指座面前沿到地面的垂直距離。座高與人體的舒適度有很大的關系，過高會使大腿受壓，影響血液循環(huán)，過低則會使坐骨產(chǎn)生疼痛感。人體工程學中舒適合理的座高應為人體小腿加足高和一定的鞋跟厚度，再減去適當?shù)幕顒佑嗟?，活動余地可?0mm-20mm。此外，座高可調(diào)可滿足大部分人使用要求。

2）座面。座面的設計比較復雜，主要涉及四個方面，座面形狀、座寬、進深和傾角。根據(jù)人體坐骨和股骨的結(jié)構(gòu)，座面的形狀應盡量保持為水平面，不可內(nèi)凹或外凸;座寬和進深應根據(jù)人體百分位數(shù)確定，為適應大部分人的身體尺寸，可選擇女性95百分位臀寬尺寸和坐深尺寸，此外還需考慮一定的活動量;為防止人體向外滑，保證人體坐姿的穩(wěn)定性，座面可設計成稍微向后傾的形式;工作用座椅座面傾角一般取3°左右，座面傾角還利于人體背部向座椅靠背靠攏，減輕坐骨結(jié)節(jié)處的壓力。

3）靠背。起重機駕駛員在操作過程中長期處于坐姿駕駛狀態(tài)，受起重機運行過程中機械振動的影響，駕駛員產(chǎn)生腰部職業(yè)病的概率較高。靠背由腰靠和肩靠組成，腰靠和肩靠是根據(jù)人體坐姿生理曲線設計。正常而言人體坐姿腰部曲線稍微向前凸，承重點在第4、5腰椎之間，而肩靠在第5、6腰椎之間。靠背的高度最大可取480mm-630mm，寬度最大可取350mm-480mm。

4）扶手。扶手可以支撐手臂減輕，避免手臂疲勞，在不妨礙司機作業(yè)的情況下，座椅可配備扶手。扶手的高度需要適中，滿足不同高度的司機需求，否則會造成上臂或肩部疲勞，合理高度的扶手既可以緩解手臂疲勞，也可以輔助司機起身或者變換姿勢。

3人機仿真軟件在司機室設計中的應用

CATIA是人機分析的常用軟件，可對設計尺寸的合理性進行驗證，并進行人體姿勢分析（Human Posture Analysis）。本文通過CATIA對橋式起重機司機室尺寸設計進行人機分析驗證。

在對起重機人機分析的基礎上，利用人機工程仿真軟件CATIA建立不同百分位的人體模型，進行姿勢的得分分析。駕駛員長時間握持操作桿，胳膊處于懸空狀態(tài)會加重駕駛員胳膊的負擔;如果將扶手安裝在椅子上，不方便駕駛員胳膊的調(diào)整和操作操作桿。因此，在設計方案中將扶手安裝到操作臺上，扶手高度可調(diào)和旋轉(zhuǎn)，避免查看指示燈時扶手遮擋視野。

操作臺通過座椅的調(diào)整可滿足大部分人的使用，但仍有少部分人不能通過調(diào)整座椅來找到適宜的操作狀態(tài)。操作臺也可設計成高度可調(diào)，這將使更多的駕駛員調(diào)整到更加舒適的姿勢，減輕駕駛員的疲勞度，提高操作效率?；谌藱C工程標準和人體百分位尺寸，對起重機內(nèi)部布局尺寸進行重新設計，得到操控臺的設計尺寸。

圖1為駕駛員在駕駛室操作時的工作視野，包括俯視視野、左右兩邊視野以及觀察顯示器時的視野，由分析結(jié)果可知，此駕駛室具備足夠的視野來確保駕駛員能夠觀察到周圍的環(huán)境及物料運輸過程。此外，由圖可知顯示器也在駕駛員視野范圍內(nèi)。

4結(jié)論

本文首先根據(jù)人機工程學等相關知識計算出一個符合人機的橋式起重機駕駛室的相關尺寸，為了驗證駕駛室設計的合理性，應用CATIA中的人機分析模塊，對其進行視野分析、姿勢分析、快速上肢評價分析和手部可達區(qū)域進行分析。表明人機工程學對于有效提高工作效率、緩解作業(yè)疲勞和避免操作失誤都有很好的改善作用。這種“以人為本”的設計理念不僅適用于橋式起重機，也適用于其他工程機械，只有以人為中心來進行設計，才能讓笨重的工程機械更加靈活為人所使用，更能提高司機的健康。