潘玉霞，王玫，張杉杉

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基于人機(jī)工程的鐵路內(nèi)燃螺栓扳手外觀改良設(shè)計研究與分析

潘玉霞，王玫，張杉杉

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

以國內(nèi)現(xiàn)有的鐵路內(nèi)燃螺栓扳手為設(shè)計對象，分析國內(nèi)相似產(chǎn)品外觀，結(jié)合內(nèi)燃螺栓扳手結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀改良設(shè)計。首先在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上設(shè)計了具有美觀性和保護(hù)性的外殼，提高了其外觀一體性和使用生命周期；其次重點從人機(jī)工程的角度考慮了整機(jī)外形尺寸，操縱桿、換向桿的高度，數(shù)字顯示屏的觀察斜度和按鈕布局，以及符合工作環(huán)境的配色方案；最終設(shè)計出美觀、安全、高效的內(nèi)燃螺栓扳手，給操作提供良好的用戶體驗，并增加內(nèi)燃螺栓扳手的產(chǎn)品競爭力。

內(nèi)燃螺栓扳手；人機(jī)工程；改良設(shè)計；用戶體驗

20世紀(jì)80年代以來，我國鐵路發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代化階段，鐵路的發(fā)展離不開養(yǎng)路機(jī)械的支持[1]。鐵軌與軌枕的連接配件形式多種多樣，但不論是哪種形式的扣件，螺栓都起著至關(guān)重要的作用。在維修和養(yǎng)護(hù)鐵路時，需要操作工人頻繁地松、緊螺栓[2]。養(yǎng)路機(jī)械中螺栓扳手能代替工人從事繁重艱苦又單調(diào)枯燥的工作。

雖然目前內(nèi)燃螺栓扳手在結(jié)構(gòu)和功能方面已經(jīng)趨于成熟并發(fā)展為產(chǎn)業(yè)，但是由于產(chǎn)品研發(fā)部門不重視產(chǎn)品外觀，造型與功能并沒有達(dá)到匹配和平衡。產(chǎn)品造型和企業(yè)形象息息相關(guān)，關(guān)系到企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。本文以重慶某公司的內(nèi)燃螺栓扳手為研究對象，旨在針對產(chǎn)品造型中存在的不足，結(jié)合企業(yè)的實際需求，基于人機(jī)工程，對現(xiàn)有內(nèi)燃螺栓扳手的外型進(jìn)行設(shè)計。改良養(yǎng)路機(jī)械設(shè)計以功能為主而忽略外觀帶來的缺陷，創(chuàng)造出具有視覺美感和操作舒適感的產(chǎn)品，提升鐵路工人在使用內(nèi)燃扳手時的用戶體驗，并提高其工作效率。

我國工程機(jī)械行業(yè)高速發(fā)展，形成了六大生產(chǎn)基地[3]。養(yǎng)路機(jī)械可作用于搗固、清篩、配碴、焊軌等方面[4]。鐵路螺栓扳手分為手持式和手推式，其中手推式扳手又根據(jù)同時工作的松緊螺母個數(shù)分為單頭和雙頭內(nèi)燃螺栓扳手，如圖1所示。

圖1 國內(nèi)現(xiàn)有螺栓扳手外觀

目前我國的養(yǎng)路機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)躋身世界前列，但是產(chǎn)品外觀和用戶體驗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外先進(jìn)產(chǎn)品，這無疑已經(jīng)成為影響競爭力的一大重要元素[5]。國外一些知名公司有其鮮明特點，德國產(chǎn)品擅長大量使用直線條突出企業(yè)的穩(wěn)重嚴(yán)謹(jǐn)；日本產(chǎn)品擅長運(yùn)用緊湊合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和精悍的外觀設(shè)計，突出產(chǎn)品的實用性；美國產(chǎn)品具有創(chuàng)意、多彩的特點[6]。

從趨勢上看，產(chǎn)品是越來越簡約，并能夠突出品牌特點。然而目前暫無針對內(nèi)燃螺栓扳手外觀設(shè)計的相關(guān)文獻(xiàn)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，內(nèi)燃螺栓扳手整機(jī)主要由機(jī)架、抬把手、固定在機(jī)架上的汽油箱和齒輪變速箱組成。由汽油發(fā)動機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)扭矩，通過離合器、傳動軸、錐齒輪換向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)扭矩的換向。換向后的扭矩通過套筒對螺栓上的螺帽實現(xiàn)松開和鎖緊作業(yè)[7]。

直接裸露的結(jié)構(gòu)通常會導(dǎo)致嚴(yán)重問題：由于發(fā)動機(jī)功率較大，工作時強(qiáng)烈的震動會直接影響產(chǎn)品的使用安全和使用壽命。雖然減少外部多余的殼體是出于重量最輕化的考慮，然而從長遠(yuǎn)看，因減負(fù)設(shè)計而忽略人因工程考量帶來的安全問題將會使企業(yè)得不償失。

圖2 內(nèi)燃螺栓扳手的結(jié)構(gòu)示意圖

2 人機(jī)工程考量

人機(jī)工程學(xué)是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假中怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科[8]。內(nèi)燃螺栓扳手通常運(yùn)用于條件惡劣的戶外，在使用過程中振動劇烈，并伴有嘈雜的聲音。通過結(jié)合人機(jī)工程原理的改良設(shè)計，能夠減輕讓操作工人使用時感到不適的情況。本文將著重設(shè)計操縱桿、數(shù)顯屏和色彩等部分。

2.1 操縱桿的考慮

由于內(nèi)燃螺栓扳手的操縱桿需要工人用手去操作，操作桿要求能夠定量調(diào)節(jié)和連續(xù)調(diào)節(jié)，其高度、結(jié)構(gòu)、握持形狀都會影響操作工人的握持力和操作舒適性[9]，操縱桿上按鈕的位置和按壓力需要合理。設(shè)計不合理的操縱桿如果長久使用，將會造成人身體不適，更甚者導(dǎo)致傷殘和疾患。本文主要從操縱桿的高度進(jìn)行重新設(shè)計。

2.2 數(shù)顯屏的考慮

數(shù)顯屏的布局設(shè)計中，首先根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，將重要的信息放置于最佳觀察區(qū)域。之后根據(jù)單手操作按鈕的原則對按鈕布局進(jìn)行重新設(shè)計。

2.3 色彩的考慮

本次項目設(shè)計的機(jī)械設(shè)備主要應(yīng)用場合為鐵路軌道，操作者需要進(jìn)行長期作業(yè)。色彩的選取首先應(yīng)該滿足鐵路相關(guān)用色規(guī)定，其后要避免操作工人出現(xiàn)厭煩和疲勞情緒。

3 外觀改良設(shè)計

3.1 外殼設(shè)計分析

如圖3所示，通過分析現(xiàn)有內(nèi)燃螺栓扳手的結(jié)構(gòu)和外觀發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品一體化程度低，缺少整體感和設(shè)計感。所以初步設(shè)計中用折彎鈑金將暴露在外部的零部件罩起來，一方面起到保護(hù)作用，另一方面使產(chǎn)品具有整體感。圖4為初步方案，發(fā)動機(jī)和變速箱分別設(shè)計了外殼，并在相應(yīng)部分做了散熱處理。視覺上有整體感，該方案已經(jīng)達(dá)到預(yù)期效果。

由于發(fā)動機(jī)運(yùn)行時遮罩會發(fā)燙，而操作工人需要頻繁地操作發(fā)動機(jī)手拉器，這便存在安全隱患。同時，為提高使用體驗，內(nèi)燃螺栓扳手添加了實時反映扭矩的數(shù)顯屏。在初步外觀方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步改良，將圖4中三個相對獨(dú)立的遮罩整合，提高整體感。取掉發(fā)動機(jī)的遮罩，最終設(shè)計效果為圖5所示。變速箱上方為一個整面，同時也是數(shù)字顯示屏所在的面。整個設(shè)備的一體性和美觀性得到了提高。

圖3 改良前內(nèi)燃螺栓扳手外觀

圖4 初步設(shè)計方案

圖5 最終外觀設(shè)計方案

3.2 尺寸優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 內(nèi)燃螺栓扳手操縱桿高度確定

內(nèi)燃螺栓扳手操作如圖6所示，圖7所示為本小節(jié)需要計算的尺寸。根據(jù)人機(jī)工學(xué)，在操作操縱桿時，以上臂自然下垂?fàn)顟B(tài)的肘部附近為中心，活動前臂時手的操作區(qū)域為最佳布置區(qū)域[10]。

式中：根據(jù)表1，150為男性手功能高的五十百分位數(shù)為723 mm；250為男性體肘高的五十位百分?jǐn)?shù)，992 mm；為穿鞋修正量，30 mm。

可得753 mm≤1≤1022 mm。

經(jīng)過綜合考慮，最終取1＝860 mm。

3.2.2 換向操縱桿的高度確定

在操作機(jī)械的過程中，換向操縱桿為不常用的手動操縱器，其高度設(shè)置范圍比較大，只要在軀干活動中手能達(dá)到的范圍之內(nèi)即可?？紤]到換向操縱桿不應(yīng)干擾使用者的工作視線以及要在最大范圍內(nèi)避免誤觸，可將其設(shè)置為需稍微彎身才能操作的高度，經(jīng)多次實驗，最終確定2＝460 mm。

3.2.3 整機(jī)大小計算

在操作機(jī)械的過程中，應(yīng)保證機(jī)械的寬度與人體的最大肩寬接近，即：

1≈3100

式中：1為整機(jī)的寬度；3100為人體最大肩寬的99百分位數(shù)486 mm。

最終取1＝465 mm。

整機(jī)長度主要是由變速箱和發(fā)動機(jī)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸決定的，再加上起保護(hù)作用的機(jī)架與機(jī)身的間隔，可基本確定2＝805 mm。

圖6 內(nèi)燃螺栓扳手操作示意圖

H1為操縱桿高度；H2為換向桿高度；L1為整機(jī)寬度；L2為整機(jī)長度

表1 立姿人體尺寸（單位：mm）

表中：百分位數(shù)表示具有某一人體尺寸和小于該尺寸的人占統(tǒng)計對象總?cè)藬?shù)的百分比。

表2 人體水平尺寸表（單位：mm）

3.2.4 數(shù)顯屏斜度確定

在外殼的設(shè)計中，需要確定裝載數(shù)顯屏幕的面板的斜度。在松、緊螺栓的過程中，數(shù)顯屏幕將實時顯示扭矩值的大小，以便于工人師傅即時調(diào)整自己的工作狀態(tài)。給屏幕面板一個斜度，能夠方便查看。

操作工人能否看清數(shù)顯屏幕上的扭矩值并不取決于屏幕的尺寸本身，而是取決于它對應(yīng)的視角[11]。如圖8所示。

L為視距；l為人眼和顯示數(shù)字之間的水平距離；H為人眼高的五十位百分?jǐn)?shù)；h1為顯示數(shù)字到地面的距離；α為顯示器上的數(shù)碼和字符對應(yīng)的視角

一般可以?。?0°～30°，在這種視角下一般認(rèn)為是可以輕松識別的。由人機(jī)學(xué)，可知：

＝1/200～1/300

式中：1為理想視距，mm；為扭矩顯示數(shù)字的寬度，mm。

即數(shù)碼、字符的尺寸應(yīng)在視距的1/200～1/300之間，在通常情況下取其中間值＝1/250，即：

1≈250（2）

在式（2）中，＝14.2 mm，則1＝3550mm，即只要視距小于3350 mm則可以看清顯示數(shù)字。

在人的最佳觀察視野范圍內(nèi)，＝1511 mm，又已知1＝355 mm，則眼睛與顯示數(shù)字之間的垂直距離－1＝1156 mm。

2＝(－1)2＋2（3）

由實際操作測量≈320 mm，則≈1199.5 mm＜1。所以，工人在操作時可以輕松看清楚顯示數(shù)字。

數(shù)顯屏幕的平面應(yīng)與觀察者的視線近于垂直，即屏幕的幾何中心與人視線垂直[12]。相對水平面傾斜arctan0.27°，為15.1°，為了加工的方便取整，即圖9中＝15°。

圖9 數(shù)顯屏斜度確定

3.3 數(shù)顯屏的改良設(shè)計

原始數(shù)顯屏幕以紫色為背景，數(shù)顯屏下方四個按鈕分別為：綠、藍(lán)綠、淡橙、檸檬黃較為鮮艷的色彩，該外觀不僅色彩不夠美觀，而且差異也不明顯。此外，按鈕間的距離不科學(xué)，在使用過程中會極大程度地增大操作者的誤操作率以及操作疲勞感。如圖10所示。

顯示裝置的布置應(yīng)該緊湊，在布局過程中可以按照信息的重要程度將內(nèi)容布置在不同的區(qū)域。對本項屏幕設(shè)計來說，最重要的信息莫過于扭矩數(shù)字顯示，因此可將其布置于最佳認(rèn)讀區(qū)，剩下的信息可依次排布。

為了避免互相干擾和連帶誤觸碰，相鄰操縱按鈕之間應(yīng)當(dāng)保持足夠的距離。如表3、表4所示，本項目中的按鈕操作形式為單指依次操作，所以按鈕之間的最小間距應(yīng)為12 mm，推薦間距為50 mm。根據(jù)屏幕實際大小與按鈕個數(shù)，最終在本次設(shè)計中將間距設(shè)置為22.8 mm。同時根據(jù)按鈕按鍵相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將其長設(shè)為15 mm。如圖11所示。

圖10 原始數(shù)顯屏幕

圖11 數(shù)顯屏改良后的外觀和尺寸

表3 按鈕按鍵的3項人機(jī)學(xué)參量

表4 幾種操縱器布置時內(nèi)側(cè)間距的要求

3.4 色彩設(shè)計

在機(jī)械設(shè)計中，常用到工程色。出于安全考慮，在具有一定危險的鐵路維修工作中，工程色能在一定程度上幫助工作順利進(jìn)行。設(shè)計中不同顏色在機(jī)械外觀可以起到“分割”作用，能對機(jī)械結(jié)構(gòu)的造型進(jìn)行一定程度上的修飾。

色彩設(shè)計應(yīng)與環(huán)境協(xié)調(diào)，給作業(yè)過程增加一些美感和舒適度。色彩與人的心理之間也應(yīng)達(dá)到協(xié)調(diào)。由于色彩具有反射及吸收光和熱的特性，在炎熱環(huán)境中可以考慮使用冷色調(diào)，給人平靜清爽的感覺，在寒冷環(huán)境則反之。機(jī)械操作環(huán)境為露天操作，要注意避免強(qiáng)烈的顏色反射現(xiàn)象，否則工人容易頭暈?zāi)垦６l(fā)生危險。

由以上分析可以得知，適合于鐵路機(jī)具的色彩主要是比較鮮明的工程色，比如黃、橘、紅。由于這些顏色明度較高，反射光強(qiáng)度較大，可能在日光照射下相對刺眼，因此工人直視的平面應(yīng)該選擇明度較小的顏色。色彩設(shè)計最終確定為“大面積工程色＋部灰色”結(jié)合的方案。如圖12所示，工程色分布在機(jī)架、殼體和操縱桿，包括黃（C5；M21；Y88；K0）、紅（C0；M96；Y95；K0）、橙（C0；M46；Y93；K0）三種選擇方案?；疑–48；M38；Y36；K0）主要分布在數(shù)顯屏幕所在的面。

圖12 色彩方案

4 結(jié)論

綜上所述，本文主要運(yùn)用了人機(jī)工程的原理對內(nèi)燃螺栓扳手外觀、尺寸、數(shù)顯屏幕和色彩進(jìn)行了改良設(shè)計。外殼的設(shè)計改善了內(nèi)燃螺栓扳手零部件相互獨(dú)立、不統(tǒng)一的情況。提升了產(chǎn)品的美感并能保護(hù)產(chǎn)品內(nèi)部重要零件，同時也提升了操作工人的使用體驗。

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Research and Analysis on the Improvement Design of Railway Internal Combustion Bolt Wrench Based onErgonomics.

PAN Yuxia，WANG Mei，ZHANG Shanshan

( School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China )

Taking the existing domestic railway internal combustion bolt wrench as the design object, after analyzing the appearance and the structure of similar domestic products, an improved design scheme is proposed. Firstly, compared to original product, an artistic and protective shell has been designed to improve its appearance and product life cycle. Secondly, the size of the whole machine, the height of the levers which are controlling sleeves and operating direction, the observation slope and button layout of the digital display screen, and the color of the machine that fits the working environment are considered from the viewport of ergonomics. Finally, an attractive, safe and efficient internal combustion bolt spanner is designed, which provides good user experience for operation and also increases the competitiveness.

internal combustion bolt wrench；ergonomics；improved design；user experience

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.07.013

1006－0316 (2018) 07－0052－07

2017－01－22

潘玉霞（1993－），女，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為計算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計。