石油修井机操控室人机分析.pdf

设计 研 究 汽 车 实 Ⅲ 技术 A U T0 M0 BI L E AP PLI ED T EC } I N0 1 0 GY 2 01 4 年 第2 期 2Ol4 N0．2 石油修井机操控室人机分析 屈文涛 ，徐晓航 ， 徐剑波 ，李志栋 1 ． 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ．陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘 要本文针对因人机工程模块中缺乏中国大陆成年人数字模型而导致 C A T I A软件在车辆人性 化设计适用性差的现象 ，以 GBI O 0 0 0 1 9 8 8和石油修井机操控室结构设计参数需求为依据，建立 了中国大陆成年男子 P 9 5 、P 5 0和 P 5人体数字模型和石油修井机数字化样机，完成了视野域、可 操作域和坐姿舒适性人机工程分析，为提升国产汽车操作方便性 、可靠性与安全性提供了理论依 据 。 关键词 石油修井机 ；操控室 ；C A T I A；人体模型 ；人机分析 中图分类号U 4 6 9 ． 6 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 4 0 2 6 8 0 3 Er g o no mi c a na l y s i s o f t he pe t r o l e um wo r ko ve r r i g c o nt r o l r o o m Q u We n t a o ，X u Xi a o h a n g ，Xu J i a n b o ，L i Z h i d o n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g ， Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y , S h a a n x i Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． Ac a d e me Of Au t o mo b i l e En g i n e e r ing ， S h a a n Xi Au t o mo b i l e Gr o u p ， S h a a n x i Xi ’ a n 7 1 0 2 0 0 Abs t r a c t Th e s ho r t a g e o f ma i n l a nd a d u l t d i g i t a l m o d e l s i n e r g o n o mi c mo d u l e l e a d s t o t h e we a k n e s s o f a d a pt a b i l i t y i n CATI A s o f t wa r e i n c a r ’ s h u ma n i z e d d e s i g n．Ac c o r d i n g t o t h i s p he n o me n o n ，t h i s pa p e r h a s e s t a b l i s h e d a d i g i t a l s a mp l e wi t h t he a d u l t ma l e P9 5、 P5 0 a n d P5 d i g i t a l mo d e l s o f Ch i n e s e ma i n l a nd an d o i l wo r ko v e r r i g a nd c o mp l e t e d a n e r g o no mi c an a l y s i s o f vi s i o n a l r e g i o n an d o pe r a t i o n a l l i mi t r e g i o n a n d s i t t i n g c o mf o rt， I t h a s p r o v i de d the o r e t i c a l r e f e r e n c e s f o r the i mp r o v e me n t o f o pe r a t i o n c o nv e n i e n c e ， r e l i a b i l i t y a nd s a f e t y for do me s t i c a u t o mo t i v e s b y r e f e r r i ng t o t he p a r a me t e r s o f GB 1 00 0 0 1 9 8 8 a n d s t r u c t u r e d e s i gn i n o i l wo r k o v e r r i g’ S o pe r a t i o n r o o m ． Ke y wo r d s Pe t r o l e um wo r k o v e r r i g； Co n t r o l r o o m ； CATI A ； M a ni k i n； Er g o no mi e a n a l y s i s C L C NO ． U 4 6 9 ． 6 Do c u me n t C o d e A Ar t i c l e I D 1 6 7 1 - 7 9 8 8 2 0 1 4 0 2 - 6 8 0 3 前言 为提高油田修井作业操控室操作方便性、可靠 性与安全性，在整车设计中需考虑人机工程因素。 C A T I A软件可以通过三维模型直观的体现出设计是 否合理 ，同时也可以发现设计所存在 的问题 。人机 作者简介屈文涛 ， 就读于西安石油大学。 分析在设计过程中的应用 ，可 以减少制造样车和实 际人体反复检验等所耗费的时间和经济成本 。 1 、分析依据 中国汽车行业广泛采用 C AT I A三维软件 ， 因人 机工程模块中缺乏中国大陆成年人数字模型，为了 节省开发时间，会采用中国台湾地区人体模型作为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 9 汽车实用技术 2 0 1 4年第 2期 分析依据 。随着人机工程学在 国内的发展 以及汽车 行业的规范化 ，设计者逐渐意识到，由于各地区生 活环境与地域差异的关系， 人体模型的侧重点不同， 在设计前只有建立符合使用对象的人体模型，才能 对产品做出更客观的人机分析[ 引 。 石油修井机操控室属于复合类产品，并不特定 属于产 品尺寸设计任务三种基本类型的某一类 ，因 而只能尽可能满足大范围人群 ，通常设计中均 以满 足度达到 9 0 ％作为设计 目标。 本文以 G B 1 0 0 0 0 ． 1 9 8 8 我 国成年人人体尺寸的基础数据和延长油 田修井作 业人员着装进行测量统计结果为依据 ，选取了 P 9 5 、 P 5 0和 P 5成年男性人体尺寸，依据人机工程学理论 便可得出修正后 的延长油田修井作业人员着装人体 尺寸数据 。 2 、建立人体数字模型 C A T I A中建立人群文件所需的变量参数较多， 而 GB l 0 0 0 0 ． 1 9 8 8中4 7 项人体尺寸基础数据 中只有 3 4项符合 比对 。如果所需参数都进行测量其所需的 人力财力都是非常庞大 的。由于大陆与台湾成年人 人体尺寸数据相差不大 ，因而在建立人群文件时我 们只录入对于设计 比较重要 的测量数据 ，其他采用 台湾人群数据 ，并进行修正调整【 3 】 。其后利用修正 值与标准差建立三种百分位数的人体模型，以P 5人 体尺寸为例列 出部分国标中人体尺寸与 C A T 1 A 变 量参数 比对表 如表 1 ，并进行编程 。 当定义完人体模型相关数据后， 导入 C AT I A的 人体模型库，然后再确定要建立的人体模型父系产 品、人体模型名、性别、百分数，就能生成中国油 田修井作业人员的虚拟人体模型。 表 1 部分 C A T I A人体变量与国标人体尺寸对比 C AT I A 国标 项目 人体尺 P 5 修 方差 变量 编号 名称 寸修正 正量 P 5 鞋跟高度 U s 3 2 -2 肩高 衣服厚度 1 3 0 ．7 3 _ 3 8 f 夏季1 坐姿 P 5 鞋跟高度 U s 4 3 ．4 裤子与衣服 5 6 ． 8 0 ． 7 6 肩高 厚度 夏季 头全 P 5 安全 U s 2 4 3 5 ． 1 2 4 ． 3 4 ． 8 1 高 帽高度 1 1 1 1 1 1 Re v i s i o n 1 ． 0 0 1 1 1 1 Ch i ne s e oi l WO r ke r s 5． S WS M EAN S TDEV M us 3 l 3 O． 7 2 ． 8 5 us 4 5 6． 8 0 ． 7 6 us 24 3 2 4． 3 4 ． 8l END 3 、结果分析 3 ． 1坐姿舒适性分析 在对人体模型进行坐姿分析前 ，首先要对人体 模型的姿态进行编辑，使模型姿势符合工作时的姿 势 。在对现场作业姿势有 了充分了解，可 以对其进 行虚拟 的定位 。如表 2 ，列出了舒适姿势下的人体 关节角度范 围， 以此人机工程理论为基础 ， 在 C AT I A 虚拟环境下，对各个部位建立首选角度 ，划分区域 并设立分值，进行姿态分析，并最终确立操作人员 坐姿姿态下在所设计操控室内工作所选择的角度。 表 2 虚拟模型姿态数据 。 最 小 最大 选择 区间 角度 角度 角度 躯干轴线与垂线n1 H 2 0 6 躯干轴线与大腿轴线 2 9 0 1 1 5 9 8 大腿轴线与小腿轴线 3 9 5 l 3 5 9 6 小腿轴线与平面a 4 7 8 1 0 5 9 7 躯干轴线与上臂轴线 5 0 5 0 3 7 上臂轴线与前臂轴线q 6 8 0 1 7 0 l 3 9 前臂轴线与手轴线 7 1 7 0 1 9 0 1 8 7 图 l中举例了小腿的首选角度 3 ，由于大腿和 小腿夹角在舒适性角度在 9 5 ～ 1 3 5 。 ， 所 以小腿的首选 角度为 4 5 ～ 8 5 。 ，之后划分 4个区域进行分析，图中 所示，作业人员小腿角度为 8 4 。 ， [J e t 3的选择角度 为 9 6 。 ，处于首先角度内，因而姿态最优 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 庙文涛 等石油修井机操控事人机分析 7 0 图 1小腿首选 角度分析 在汽车人机工程学设计理论 中，躯干轴线与垂 线d l 处于 l 0 ～ 2 0 。 之问属于工作人员最优姿势。 如表 中分析结果， 1 的选择角度 6 。 并不处于此范围内， 因此应该对座椅的腰靠与座垫的夹角进行重新的设 计，应当将其由原先设定的 9 6 。 增加至 1 0 5 。 左右， 至 少是 l l 0 。 。 3 ． 2视野分析 修井作业过程中，操作人员的视野集 中于操作 面板、大钩与井 口三个位置，分别如图 2 、图 3 、图 4所示 。 图 2模拟的足操作人员低头 2 5 。 、弯腰 l 0 。 的视 野 ，这种坐姿姿态属于舒适操作姿态，且操作人员 视野聚焦点处于操作台面中心位置，可以良好 的观 测仪表显示情况 ；工作过程 中，操作人员的注意力 需跟随大钩的运行而移动，频繁的头部活动会加速 操作人员的疲劳，仰头范围应尽量控制在 3 0 。 以内。 图 3为仰头 3 0 。 视野仿真，可直观看出， 操作人员可 在仰头 3 0 。 的情况下观测到井架最顶端的天车；图 4 为低头 1 5 。 、弯腰 1 0 。 、左扭头 l 5 。 视野仿真，操作 人 员的视野聚焦 点被 井架支架横梁 与操作杆所 阻 挡，并 能很好的观察到井 口工作状况。井架支架 横梁的位簧是不能移动的，如图 5所示，可以将其 位置移至贴近滚筒，同时将面板最上方的操作杆移 至左手操作位置，如此便可解决观察井 口工况视野 受限问题 。 图 2 操作过程视野仿真 图 3 大钩运行视野仿真 图 4井 口观 察视 野仿真 图 5 n- l 操作域仿真 3 ． 3操作域分析 通过运用 C AT I A 中町触及范围分析工具， 可以 评价操作 界面 各操 作设施安排和尺 寸大小 的合理 性。从图 5一 } 1 可以看m操作装置都在可操作包络范 围内，若操作人员在操作 中通过灵活的利用身体 的 不同姿势，町操作范围会扩大，因而操作空间设计 符合人机T 程学原理 。 参考文献 [ 1 】董 鹏， 张 望等． 某型 驾驶窜人机工程分析 ． 汽车实用 技术， 2 0 1 0 ， 0 l 1 2 ～ 1 4 ． 【 2 】赵红芬． 基十 C A T I A 的中国人体模犁的研究[ J 】 ． 汽车实用 技术， 2 0 1 3 ． 0 1 4 l ～ 4 4 ． [ 3 ]3 束奇， 王丙刚等． 基于 C A T I A的修井机作业人体分析与优 化[ J ] ． 石油机械． 2 0 1 1 ， 3 9 5 7 9 8 2 ． [ 4 ]郑午． 人 因l l 程设 计[ M】 ． 一 E 京 化学T业出版社．2 0 0 6 ． [ 5 ]毛恩荣， 张 红， 宋正河等． 车辆人机工程学[ M] ． 北京理工大 学 { } { 版j 叶 ． 2 0 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m